CN109445379A - 一种智能数控机床编程辅助系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数控机床编程技术领域，公开了一种智能数控机床编程辅助系统及方法，所述智能数控机床编程辅助系统包括：监控模块、输入模块、参数识别模块、中央控制模块、图样分析模块、坐标建立模块、清单编写模块、程序生成模块、编写提示模块、数据存储模块、显示模块。本发明通过参数识别模块可准确辨识出等效惯量和等效阻尼等机床结构参数值，该方法简单、高效、易用，工程实用性强；大大降低辨识实验的激励成本和数据采集的费用，减小激励所造成的损失；同时，通过程序生成模块根据该变换矩阵借助编程软件开发出后置处理算法，生成可执行的点坐标文件，以此数控机床根据该点坐标文件中的刀具参数、机床参数、插补精度等自动加工。

Description

一种智能数控机床编程辅助系统及方法

技术领域

本发明属于数控机床编程技术领域，尤其涉及一种智能数控机床编程辅助系统及方法。

背景技术

数控车床是目前使用较为广泛的数控机床之一。它主要用于轴类零件或盘类零件的内外圆柱面、任意锥角的内外圆锥面、复杂回转内外曲面和圆柱、圆锥螺纹等切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔及镗孔等；数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。我们把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数以及辅助功能，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。然而，现有智能数控机床编程辅助系统中控制参数不仅会影响进给系统的跟随误差，严重时还会使机械系统产生振荡，影响加工质量甚至造成设备的破坏；同时，在控制刀具时，需要通过手动的方式生成或采用CAM编程的方式生成的刀位文件，事先规划好刀路，刀位文件不能直接用于加工，在加工之前需要手动进行后置处理，较为繁琐，耗费大量的人力。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有智能数控机床编程辅助系统中控制参数不仅会影响进给系统的跟随误差，严重时还会使机械系统产生振荡，影响加工质量甚至造成设备的破坏；同时，在控制刀具时，需要通过手动的方式生成或采用CAM编程的方式生成的刀位文件，事先规划好刀路，刀位文件不能直接用于加工，在加工之前需要手动进行后置处理，较为繁琐，耗费大量的人力。

现有技术中，无法满足数控机床工作过程的不同摄像角度的要求；现有技术中，无法有效提高编写的程序的存储效率，延长运行时间，降低工作效率；现有技术中，无法有效调节显示屏的发光度，不利于显示编写的智能数控机床加工程序，降低读取率，影响工作效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能数控机床编程辅助系统及方法。

本发明是这样实现的，一种智能数控机床编程辅助方法，所述智能数控机床编程辅助方法包括以下步骤：

步骤一，通过采用NURBS曲线的摄像器对数控机床工作过程进行实时监控；利用操作键盘数据控制指令；利用MATLAB辨识工具箱对数控机床的结构参数值进行识别；

步骤二，通过CAD/CAM软件对零件的图样进行分析；通过数据处理程序根据零件的几何特征，建立一个工件坐标系；

步骤三，根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单；通过编程软件生成加工程序；

步骤四，通过语音提示器提示程序编写流程；利用存储器对编写的程序进行量化存储；

步骤五，通过灰度级显示器显示编写的智能数控机床加工程序。

进一步，所述步骤一通过采用NURBS曲线的摄像器对数控机床工作过程进行实时监控，摄像器通过利用NURBS曲线有效保证摄像过程中通过的约束点，同时修改权因子和节点矢量，并对曲线的局部特性任意调节，NURBS曲线可由分段有理样条多项式基函数为：

式中：ω_i为权因子，P_i为控制点，N_i，k为k次B样条基函数，R_i，k(x)为k次有理基函数；

节点矢量U＝{u₀，u₁，…，u_m}(m＝n+k+1)，其值取为U＝{0，0，0，u_k+1,…，u_m-k-1，1，1，1，1}。

进一步，所述步骤四中利用存储器对编写的程序进行量化存储，通过量化处理，存储器对编写的程序量化存储处理采用以下模型：

x_(t)＝p_(t)e^jp(t)＝p_(t)exp[j2πf₀t]；

式中，f₀＝fs+fd，fd为多普勒频率；

存储的编写的程序信号x_(t)施加相位量化处理，在第k个通道，增加相位延迟其后经过一个理想限幅器，利用如下数学式进行描述：

式中为量化相位，N＝2^M为量化等级，M为编写的程序量化位数；量化系统由N个独立通道组成，编号为k，k＝0～N－1；

限幅器的输出与一个复数序列相乘，然后，所有通道相加即得到量化信号。

进一步，所述步骤五中通过灰度级显示器显示编写的智能数控机床加工程序，显示屏的灰度级以发光时间长短表示，显示屏的色度坐标计算公式如下：

其中，X、Y、Z为三刺激值，t为发光时间；

灰度级和XYZ三刺激值之间存在与时间t相关的线性关系；当显示屏总的灰度级级数为N时，每一个灰度级步长“1”所对应的XYZ三刺激值为：

显示一个任意的颜色，当红、绿、蓝显示屏发光灰度级分别为m，n，k时其对应的XYZ三刺激值为：

本发明的另一目的在于提供一种实现所述智能数控机床编程辅助方法的智能数控机床编程辅助系统，所述智能数控机床编程辅助系统包括：

监控模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像器实时监控数控机床工作过程；

输入模块，与中央控制模块连接，用于通过操作键盘数据控制指令；

参数识别模块，与中央控制模块连接，用于通过MATLAB辨识工具箱对数控机床的结构参数值进行识别；

中央控制模块，与监控模块、输入模块、参数识别模块、图样分析模块、坐标建立模块、清单编写模块、程序生成模块、编写提示模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

图样分析模块，与中央控制模块连接，用于通过CAD/CAM软件对零件的图样进行分析；

坐标建立模块，与中央控制模块连接，用于通过数据处理程序根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系；

清单编写模块，与中央控制模块连接，用于根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单；

程序生成模块，与中央控制模块连接，用于通过编程软件生成加工程序；

编写提示模块，与中央控制模块连接，用于通过语音提示器提示程序编写流程；

数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储编写的程序；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示编写的智能数控机床加工程序。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述智能数控机床编程辅助方法的信息数据处理终端。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过参数识别模块解决了重、大型数控机床系统辨识中激励信号输入的难题，在无需外加激励条件下，通过数控编程即可完成对数控机床的激励和辨识信号的采集，完成辨识测试，可准确辨识出等效惯量和等效阻尼等机床结构参数值，该方法简单、高效、易用，工程实用性强；通过数控编程在无需装置数据采集传感器的情况下即可实现辨识信号的采集，大大降低辨识实验的激励成本和数据采集的费用，减小激励所造成的损失；同时，通过程序生成模块从最基本的刀具参数开始，分析数控机床型式和运动顺序，以此得到数控机床在运动过程中的变换矩阵，进而根据该变换矩阵借助编程软件开发出后置处理算法，生成可执行的点坐标文件，以此数控机床根据该点坐标文件中的刀具参数、机床参数、插补精度等自动加工；对不同规格的刀具、同一型式的不同型号的机床、不同加工精度要求的程序进行后置处理生成点坐标文件，修改方便，大大简化了数控机床的后置处理操作，节约人力成本，且生成的文本文档格式的点坐标文件可以被通用数控系统识别并直接用于加工。

本发明的摄像器通过利用NURBS曲线有效保证摄像过程中通过的约束点，同时修改权因子和节点矢量，并对曲线的局部特性任意调节，以满足数控机床工作过程的不同摄像角度的要求；本发明利用存储器对编写的程序进行量化存储，通过量化处理，有效提编写的程序的存储效率，节约运行时间，提高工作效率本发明通过灰度级显示器显示编写的智能数控机床加工程序，有效调节显示屏的发光度，便于准确显示编写的智能数控机床加工程序，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能数控机床编程辅助方法流程图。

图2是本发明实施例提供的智能数控机床编程辅助系统结构示意图；

图中：1、监控模块；2、输入模块；3、参数识别模块；4、中央控制模块；5、图样分析模块；6、坐标建立模块；7、清单编写模块；8、程序生成模块；9、编写提示模块；10、数据存储模块；11、显示模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的智能数控机床编程辅助方法具体包括以下步骤：

S101：通过采用NURBS曲线的摄像器对数控机床工作过程进行实时监控；利用操作键盘数据控制指令；利用MATLAB辨识工具箱对数控机床的结构参数值进行识别；

S102：通过CAD/CAM软件对零件的图样进行分析；通过数据处理程序根据零件的几何特征，建立一个工件坐标系；

S103：根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单；通过编程软件生成加工程序；

S104：通过语音提示器提示程序编写流程；利用存储器对编写的程序进行量化存储；

S105：通过灰度级显示器显示编写的智能数控机床加工程序。

步骤S101中，本发明实施例提供的通过采用NURBS曲线的摄像器对数控机床工作过程进行实时监控，摄像器通过利用NURBS曲线有效保证摄像过程中通过的约束点，同时修改权因子和节点矢量，并对曲线的局部特性任意调节，以满足数控机床工作过程的不同摄像角度的要求；NURBS曲线可由分段有理样条多项式基函数为：

式中：ω_i为权因子，P_i为控制点，N_i，k为k次B样条基函数，R_i，k(x)为k次有理基函数；

节点矢量U＝{u₀，u₁，…，u_m}(m＝n+k+1)，其值取为U＝{0，0，0，u_k+1,…，u_m-k-1，1，1，1，1}。

步骤S104中，本发明实施例提供的利用存储器对编写的程序进行量化存储，通过量化处理，有效提编写的程序的存储效率，节约运行时间，提高工作效率；存储器对编写的程序量化存储处理采用以下模型：

x_(t)＝p_(t)e^jp(t)＝p_(t)exp[j2πf₀t]；

式中，f₀＝fs+fd，fd为多普勒频率；

存储的编写的程序信号x_(t)施加相位量化处理，在第k个通道，增加相位延迟其后经过一个理想限幅器，利用如下数学式进行描述，

式中为量化相位，N＝2^M为量化等级，M为编写的程序量化位数；量化系统由N个独立通道组成，编号为k，k＝0～N－1；

限幅器的输出与一个复数序列相乘，然后，所有通道相加即得到量化信号。

步骤S105中，本发明实施例提供的通过灰度级显示器显示编写的智能数控机床加工程序，有效调节显示屏的发光度，便于准确显示编写的智能数控机床加工程序，提高工作效率；所述显示屏的灰度级以发光时间长短表示，显示屏的色度坐标计算公式如下：

其中，X、Y、Z为三刺激值，t为发光时间；

灰度级和XYZ三刺激值之间存在与时间t相关的线性关系；当显示屏总的灰度级级数为N时，每一个灰度级步长“1”所对应的XYZ三刺激值为：

显示一个任意的颜色，当红、绿、蓝显示屏发光灰度级分别为m，n，k时其对应的XYZ三刺激值为：

如图2所示，本发明实施例提供的智能数控机床编程辅助系统包括：监控模块1、输入模块2、参数识别模块3、中央控制模块4、图样分析模块5、坐标建立模块6、清单编写模块7、程序生成模块8、编写提示模块9、数据存储模块10、显示模块11。

监控模块1，与中央控制模块4连接，用于通过摄像器实时监控数控机床工作过程；

输入模块2，与中央控制模块4连接，用于通过操作键盘数据控制指令；

参数识别模块3，与中央控制模块4连接，用于通过MATLAB辨识工具箱对数控机床的结构参数值进行识别；

中央控制模块4，与监控模块1、输入模块2、参数识别模块3、图样分析模块5、坐标建立模块6、清单编写模块7、程序生成模块8、编写提示模块9、数据存储模块10、显示模块11连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

图样分析模块5，与中央控制模块4连接，用于通过CAD/CAM软件对零件的图样进行分析；

坐标建立模块6，与中央控制模块4连接，用于通过数据处理程序根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系；

清单编写模块7，与中央控制模块4连接，用于根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单；

程序生成模块8，与中央控制模块4连接，用于通过编程软件生成加工程序；

编写提示模块9，与中央控制模块4连接，用于通过语音提示器提示程序编写流程；

数据存储模块10，与中央控制模块4连接，用于通过存储器存储编写的程序；

显示模块11，与中央控制模块4连接，用于通过显示器显示编写的智能数控机床加工程序。

本发明提供的参数识别模块3识别方法如下：

1)建立待辨识数控机床的系统动力学模型，并计算其差分方程；

2)利用仿真软件生成二进制的伪随机序列，伪随机序列的采样时间为数控机床数控系统的插补周期；

3)通过NC编程将所述伪随机序列转变成数控机床的速度激励信号；

4)根据所述速度激励信号，通过同步动作在数控系统的每个插补周期内给定速度激励信号，从而实现数控机床的自激励；

5)通过同步动作在数控系统的每个插补周期内采集数控机床在自激励下的结构参数辨识信号数据；

6)选定辨识参考模型，利用MATLAB系统辨识工具箱和采集的数据，对数控机床的系统动力学模型进行辨识，得到数控机床结构参数值。

本发明提供的步骤2)中生成的伪随机序列采用MATLAB系统辨识工具箱中的模块生成，生成的伪随机序列存储到数组变量中。

本发明提供的程序生成模块8生成方法如下：

(1)根据刀具的基本参数建立刃线方程；

(2)根据所述刃线方程得到刃线上任意一点的位置矢量和方向矢量；

(3)根据刀位文件定义刀具中心点位置矢量和方向矢量；

(4)根据数控机床的运动情况依次得到线性轴发生平移运动和/或旋转轴发生旋转运动过程中的变换矩阵；

(5)根据步骤(3)中的刀具中心点位置矢量和方向矢量与变换矩阵计算处理得到机床各轴运动公式；

(6)根据所述机床各轴运动公式借助编程软件生成加工程序。

本发明提供的步骤(5)中具体包括：

依照数控机床的运动顺序将平移运动和/或旋转运动的变换矩阵相乘得到总变换矩阵；

根据所述总变换矩阵与刀尖位置矢量和刀尖切向矢量左乘得到可执行的点位坐标文件。

本发明提供的步骤(3)中，所述数控机床的空间坐标系中具体包括刀具坐标系、刀轴坐标系、工件坐标系以及固定坐标系。

本发明的工作原理：

本发明工作时，首先，通过监控模块1，与中央控制模块4连接，用于通过摄像器实时监控数控机床工作过程；通过输入模块2利用操作键盘数据控制指令；通过参数识别模块3利用MATLAB辨识工具箱对数控机床的结构参数值进行识别；其次，中央控制模块4通过图样分析模块5利用CAD/CAM软件对零件的图样进行分析；通过坐标建立模块6利用数据处理程序根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系；通过清单编写模块7根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单；通过程序生成模块8利用编程软件生成加工程序；通过编写提示模块9利用语音提示器提示程序编写流程；然后，通过数据存储模块10利用存储器存储编写的程序；最后，通过显示模块11利用显示器显示编写的智能数控机床加工程序。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种智能数控机床编程辅助方法，其特征在于，所述智能数控机床编程辅助方法包括以下步骤：

步骤一，通过采用NURBS曲线的摄像器对数控机床工作过程进行实时监控；利用操作键盘数据控制指令；利用MATLAB辨识工具箱对数控机床的结构参数值进行识别；

步骤二，通过CAD/CAM软件对零件的图样进行分析；通过数据处理程序根据零件的几何特征，建立一个工件坐标系；

步骤三，根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单；通过编程软件生成加工程序；

步骤四，通过语音提示器提示程序编写流程；利用存储器对编写的程序进行量化存储；

步骤五，通过灰度级显示器显示编写的智能数控机床加工程序。

2.如权利要求1所述的智能数控机床编程辅助方法，其特征在于，所述步骤一通过采用NURBS曲线的摄像器对数控机床工作过程进行实时监控，摄像器通过利用NURBS曲线有效保证摄像过程中通过的约束点，同时修改权因子和节点矢量，并对曲线的局部特性任意调节，NURBS曲线可由分段有理样条多项式基函数为：

式中：ω_i为权因子，P_i为控制点，N_i，k为k次B样条基函数，R_i，k(x)为k次有理基函数；

节点矢量U＝{u₀，u₁，…，u_m}(m＝n+k+1)，其值取为U＝{0，0，0，u_k+1,…，u_m-k-1，1，1，1，1}。

3.如权利要求1所述的智能数控机床编程辅助方法，其特征在于，所述步骤四中利用存储器对编写的程序进行量化存储，通过量化处理，存储器对编写的程序量化存储处理采用以下模型：

x_(t)＝p_(t)e^jp(t)＝p_(t)exp[j2πf₀t]；

式中，f₀＝fs+fd，fd为多普勒频率；

存储的编写的程序信号x_(t)施加相位量化处理，在第k个通道，增加相位延迟其后经过一个理想限幅器，利用如下数学式进行描述：

式中为量化相位，N＝2^M为量化等级，M为编写的程序量化位数；量化系统由N个独立通道组成，编号为k，k＝0～N－1；

限幅器的输出与一个复数序列相乘，然后，所有通道相加即得到量化信号。

4.如权利要求1所述的智能数控机床编程辅助方法，其特征在于，所述步骤五中通过灰度级显示器显示编写的智能数控机床加工程序，显示屏的灰度级以发光时间长短表示，显示屏的色度坐标计算公式如下：

其中，X、Y、Z为三刺激值，t为发光时间；

灰度级和XYZ三刺激值之间存在与时间t相关的线性关系；当显示屏总的灰度级级数为N时，每一个灰度级步长“1”所对应的XYZ三刺激值为：

显示一个任意的颜色，当红、绿、蓝显示屏发光灰度级分别为m，n，k时其对应的XYZ三刺激值为：

5.一种实现权利要求1所述智能数控机床编程辅助方法的智能数控机床编程辅助系统，其特征在于，所述智能数控机床编程辅助系统包括：

监控模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像器实时监控数控机床工作过程；

输入模块，与中央控制模块连接，用于通过操作键盘数据控制指令；

参数识别模块，与中央控制模块连接，用于通过MATLAB辨识工具箱对数控机床的结构参数值进行识别；

中央控制模块，与监控模块、输入模块、参数识别模块、图样分析模块、坐标建立模块、清单编写模块、程序生成模块、编写提示模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

图样分析模块，与中央控制模块连接，用于通过CAD/CAM软件对零件的图样进行分析；

坐标建立模块，与中央控制模块连接，用于通过数据处理程序根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系；

清单编写模块，与中央控制模块连接，用于根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单；

程序生成模块，与中央控制模块连接，用于通过编程软件生成加工程序；

编写提示模块，与中央控制模块连接，用于通过语音提示器提示程序编写流程；

数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储编写的程序；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示编写的智能数控机床加工程序。

6.一种应用权利要求1～4任意一项所述智能数控机床编程辅助方法的信息数据处理终端。