CN109507952A - 一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，首先采集主轴切削功率，并记录最大功率值和最小功率值，分段数控加工的程序，并为每段程序添加监控指令，采集每段数控加工程序的功率，并记录每一段程序的最大功率值和最小功率值，当任意一段程序的功率超过主轴功率范围值时，对机床进行停机控制，并发出报警。本发明消除了整个加工过程中较大的工艺或工况变动对监控的影响，使得监控更准确，且避免了工艺或工况变动引起的误报警；根据加工位置分段，并采用静态上限，避免了加工过程中暂停、降低进给倍率等人工干预引起的误报警。
Description
技术领域
本发明涉及数控加工中异常切削状态的实时监控技术领域，具体的说，是一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法。
背景技术
在数控切削加工中，刀具磨损或破损、实际的走刀轨迹不符、切削到异常物体（比如工装）等异常情况可能导致零件出现质量问题，例如，刀刃破损后持续加工导致尺寸精度及表面质量下降、甚至零件烧伤；严重的还可能导致设备事故，例如，刀刃破损后持续加工导致主轴卡死，机械、电气元件损坏。近年来，数控加工逐渐朝自动化、无人工干预方向发展，其中如何对这些异常状态进行监控是必须要解决的问题。
切削加工过程中，主轴切削负载间接反映了切削加工的状态，上述异常情况都会引起主轴切削负载的异常变化。因此，可以通过对主轴切削负载进行监控，在出现异常时及时自动停止加工，避免零件质量问题及设备事故的发生。
准确实施监控的关键在于能准确识别出异常情况，否则可能起反作用，影响正常的生产。对简单且稳定的加工过程，例如车削转/镗孔等，正常加工过程的主轴切削负载几乎恒定，因此很容易识别出异常状态。
目前，国外已经形成一些商品化的监控系统，例如较著名的德国ARTIS刀具监控系统、以色列OMAYIVE自适应控制系统等。这些监控系统的原理类似，都可通过实时监测加工过程中主轴切削负载或来间接监测切削加工状态，当检测信号达到设定的极限时，立即报警并停止机床运行，从而保护零件和机床，在汽车生产流水线中的一些大批量简单加工过程（例如钻孔）上已经得到了成熟应用。但在复杂的加工过程中，这些监控系统对异常状态的识别准确率低，误报警频繁。
以ARTIS为例，它主要提供了一下两种识别模式：
1.Standard模式
通过对前两次加工进行学习（记录主轴切削负载信号）来确定放大系数和参考曲线，之后将每次加工的信号曲线与参考曲线进行对比来判断刀具状态。这种模式适用于车削、钻孔等简单、大批量加工过程。
2.dx/dt模式
采集一段时间内的主轴切削负载信号来确定上下动态极限（动态极限随实际采集信号曲线上升、下降），通过动态极限来识别后续加工中异常情况引起的快速信号变化，适用于加工时间长、切削稳定的加工过程。
对于复杂加工过程，以航空结构件数控铣削加工为例，其加工过程工况变化复杂，且材料切除率高（通常在90%以上），加工时间长，多数工步中需要暂停加工、更换刀具（特别是钛合金、不锈钢等难加工材料，刀具寿命只有几十刀一两百分钟）。此外，航空结构件加工批量小（通常一批次只有几件），实际生产中，每台机床上加工的零件变化大。
若采用Standard模式，学习量太大，且加工批量小，监控意义大打折扣；更重要的是加工工艺或加工进程的微小变化均会导致监控失效，而目前加工进程在航空结构数控加工中尚难以严格控制。
若采用dx/dt模式，要求加工过程稳定，学习时间段内的加工信号与整个加工过程一致，而航空结构加工工艺复杂，多数工步中都存在切削状态的变动，极易导致误报警。
因此，为实现复杂零件数控加工过程中的异常状态的准确监控，迫切需要一套更为准确、误报警少的监控方法，消除工艺波动及加工进程变动造成的影响，提高监控的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，用于复杂零件数控加工中异常切削状态的实时监控，避免刀具破损、材料异常等情况引起的零件质量事故、甚至设备事故。通过基于加工位置的分段监控来消除工艺或工况频繁变化对监控过程的影响，既消除误报警，又保证较高的纠错率。
本发明通过下述技术方案实现：具体包括以下步骤：
步骤F1：采集主轴切削功率，并记录最大功率值和最小功率值；
步骤F2：分段数控加工的程序，并为每段程序添加监控指令；
步骤F3：采集每段数控加工程序的功率，并记录每一段程序的最大功率值和最小功率值；
步骤F4：当任意一段程序的功率超过主轴功率范围值时，对机床进行停机控制，并发出报警。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤F1具体是指：对于具有DDE、OPC数据接口的数控系统，使用相应的接口函数开发软件程序采集主轴切削功率；对于没有数据接口的数控系统，外加传感器及采集卡采集主轴切削功率。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤F2具体包括以下步骤：
步骤F21：根据刀具轨迹及工况划分数控加工的监控段程序；
步骤F22：为每段监控段程序添加监控指令；
步骤F23：监控软件通过DDE、OPC或Profibus读取监控指令。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤F22中的监控指令包括系统变量、PLC变量、R参数。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述R参数的监控号分别为：
R1=1，表示启动监控；
R1=0，表示停止监控；
R2=AA，表示加工零件的编号或名称，其中AA为正整数值或字符串；
R3=BB，表示加工程序的编号或名称，其中BB为正整数值或字符串；
R4=CC，表示加工程序版次号，其中CC为正整数值或字符串；
R5=DD，表示一段程序内的分段号，其中DD起始值为0的正整数值。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤F4具体是指：将主轴切削的最大功率值和最小值功率值作为极限值，对每一段程序加工过程中的最大功率值和最小功率值进行判断，当任意一段的最大功率值大于主轴的最大功率值或任意一段的最小功率值小于主轴的最小功率值时，自动控制机床停止加工，并发出报警。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤F4中对机床进行停机控制具体是指：对于具有DDE、OPC数据接口的数控系统，通过DDE、OPC数据接口编写PLC的变量值使机床停止加工；对于没有数据接口的数控系统，通过Prodibus、Profinet系统总线进行通讯，改变相应的PLC的变量值使机床停止加工。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述启动监控的监控指令添加在主轴达到加工转速之后；所述停止监控的监控指令添加在主轴降速之前。
进一步地，为了更好的实现本发明，使用软件工具添加控制指令，具体是指：在数控加工程序后置处理的同时添加监控指令，或在已经经过后置处理的数控加工程序中添加监控指令。
工作原理：
首先最主轴切削功率进行采集，并记录主轴切削的最大功率值和最小功率值；根据加工的刀具轨迹或工况等信息将加工程序分段，每一段设定独立的监控号。对分段后加工程序进行学习，记录每一段加工过程中切削的最大功率值和最小功率值。以主轴切削的最大功率值和最小功率值作为极限参考值，当任意一段程序的切削最大功率值大于主轴切削的最大功率值或任意一段程序的切削最小功率值大于主轴切削的最小功率值时，自动控制机床停止加工，并发出报警。
本发明与现有技术相比，根据加工工艺对加工过程进行分段，每一段根据最大负载设置独立的监控极限，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明消除了整个加工过程中较大的工艺或工况变动对监控的影响，使得监控更准确，且避免了工艺或工况变动引起的误报警；
（2）本发明根据加工位置分段，并采用静态上限，避免了加工过程中暂停、降低进给倍率等人工干预引起的误报警。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的监控指令添加工具界面示意图；
图3为本发明的监控系统结构示意图；
图4为本发明的监控软件运行界面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1-图4所示，一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，具体包括以下步骤：
步骤F1：采集主轴切削功率，并记录最大功率值和最小功率值；
步骤F2：分段数控加工的程序，并为每段程序添加监控指令；
步骤F3：采集每段数控加工程序的功率，并记录每一段程序的最大功率值和最小功率值；
步骤F4：当任意一段程序的功率超过主轴功率范围值时，对机床进行停机控制，并发出报警。
需要说明的是，通过上述改进，首先最主轴切削功率进行采集，并记录主轴切削的最大功率值和最小功率值；根据加工的刀具轨迹或工况等信息将加工程序分段，每一段设定独立的监控号。对分段后加工程序进行学习，记录每一段加工过程中切削的最大功率值和最小功率值。以主轴切削的最大功率值和最小功率值作为极限参考值，当任意一段程序的切削最大功率值大于主轴切削的最大功率值或任意一段程序的切削最小功率值大于主轴切削的最小功率值时，自动控制机床停止加工，并发出报警。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例2：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图4所示，所述步骤F1具体是指：
对于具有DDE、OPC数据接口的数控系统，可以使用相应的接口函数开发软件程序采集主轴切削功率；对于没有数据接口的数控系统，可以外加传感器及采集卡采集主轴切削功率。
需要说明的是，通过上述改进，OPC数据接口存取规范通常在数据采集系统中广泛使用，现在众多硬件厂商提供的产品均带有标准的OPC数据接口，可以编制符合标准OPC数据接口的客户端应用软件完成数据的采集任务。利用OPC技术的数据采集系统，是由按照应用程序的要求提供数据采集服务的OPC数据接口，以及接受服务的OPC应用程序所构成。OPC数据服务器是根据各个供应厂商硬件和系统的差异，从而实现不依存于硬件的系统。
本实施例基于OPC数据接口的数控系统，经客户端连接数控系统实现数据采集，OPC数据接口的服务器连接数控系统的PLC设备，负责数据采集的功能，将其中主轴切削的功率提取出来，OPC数据接口已成为本领域常用的技术手段，再此不对其进行过多描述。同理，DDE数据接口也属于本领域常用的技术手段，且和OPC数据接口类似，本实施例使用DDE数据接口和OPC数据接口实现对功率的采集，但不限于使用DDE、OPC数据接口。对于没有数据接口的数控系统，可以外加功率传感器和采集卡采集主轴切削功率。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图4所示，所述步骤F2具体包括以下步骤：
步骤F21：根据刀具轨迹及工况划分数控加工的监控段程序；
步骤F22：为每段监控段程序添加监控指令；
步骤F23：监控软件通过DDE、OPC或Profibus读取监控指令。
所述步骤F22中的监控指令包括系统变量、PLC变量、R参数。
所述R参数的监控号分别为：
R1=1，表示启动监控；
R1=0，表示停止监控；
R2=AA，表示加工零件的编号或名称，其中AA为正整数值或字符串；
R3=BB，表示加工程序的编号或名称，其中BB为正整数值或字符串；
R4=CC，表示加工程序版次号，其中CC为正整数值或字符串；
R5=DD，表示一段程序内的分段号，其中DD起始值为0的正整数值。
需要说明的是，通过上述改进，对数控加工的程序进行分段，监控指令添加在每段的加工程序中，可以通过写系统变量、PLC变量、R参数等方式写入数控系统，监控软件再通过DDE、OPC或Profibus等方式读取到监控指令。为了保确唯一，以R参数为例，监控号的规则如下：
R1=1，表示启动监控；
R1=0，表示停止监控；
R2=AA，表示加工零件的编号或名称，其中AA为正整数值或字符串；
R3=BB，表示加工程序的编号或名称，其中BB为正整数值或字符串；
R4=CC，表示加工程序版次号，其中CC为正整数值或字符串；
R5=DD，表示一段程序内的分段号，其中DD起始值为0的正整数值。
其中，具体的R参数的名称根据机床实际情况确定，在定义变量名称时应避免与机床上的其他指令重复。
数控加工程序的分段根据刀具轨迹及工况来划分，在分段时应注意尽量将相对稳定的加工过程划分在一个段内，使得纠错率提高。R1=1的监控启动指令应添加在主轴达到加工转速之后，R1=0的监控停止指令应添加在主轴降速之前，以避免主轴升、降时负载的突变对学习或监控过程的影响。对程序分段的起始点尽量选择在G0指令位置，确保每一次加工时各监控段的起始位置可以完全对应。
对于较长且复杂的加工过程，监控号通常很多，监控号的添加需要借助软件工具进行，可以采取以下两种方法：
一种是加工程序后置处理的同时添加监控号，例如根据前置文件中一个变成“操作”的标识进行分段添加；另一种是使用开发专门的软件工具在已经经过后置处理的数控加工程序中添加监控号。如图2所示，是一个软件工具的实例，根据给定的加工时间，在最近的G0指令处进行分段并添加监控指令。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图4所示，所述步骤F4具体是指：
将主轴切削的最大功率值和最小值功率值作为极限值，对每一段程序加工过程中的最大功率值和最小功率值进行判断，当任意一段的最大功率值大于主轴的最大功率值或任意一段的最小功率值小于主轴的最小功率值时，自动控制机床停止加工，并发出报警。
所述步骤F4中对机床进行停机控制具体是指：
对于具有DDE、OPC数据接口的数控系统，通过DDE、OPC数据接口编写PLC的变量值使机床停止加工；对于没有数据接口的数控系统，通过Prodibus、Profinet系统总线进行通讯，改变相应的PLC的变量值使机床停止加工。
需要说明的是，通过上述改进，本实施例以西门子数控系统为例，修改以下数据地址的PLC变量值为1，可以分别实现进给保持和主轴与进给同时停止：
/PLC/DataBlock/Bit[c21,7.3]；进给保持
/PLC/DataBlock/Bit[c21,7.2]；主轴与进给同时停止
当刀具发生磨损或异常时，功率变大，若功率超过主轴切削功率最大值时，监控软件自动控制机床停止加工，并发出报警；当刀具直接断开，功率无限变小，以至于低于主轴切削功率最小值，此时监控软件也自动控制机床停止加工，并发出报警。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1-图4所示，基于本发明的方法，开发了一套监控系统，其结构示意图如图3所示，监控软件运行在一台PC上，通过OPC接口与数控系统进行通讯，实现数据采集和PLC变量的写入。
监控软件运行界面如图4所示，顶部显示当前状态（学习或监控）及当前监控号，包括零件编号、程序编号、程序版次、分段号；中部实时显示采集的主轴切削功率曲线及监控极限，下部显示报警信息，包括日期、时间、程序名、行号、各轴位置坐标、主轴切削功率及最大/最小值；右侧实时显示采集到的加工信息，包括程序名、程序行、当前运行G指令、进给速度、主轴转速、主轴功率、X/Y/Z第4/第5轴位置坐标。此外，点击底部“Reset”按钮清除界面上的报警信息；点击底部“Open Learning Data...”按钮并输入密码可查看历史学习数据；点击底部“Open Alaem File...”按钮并输入密码可查看历史报警信息。
监控指令通过数控程序写入数控系统R参数，监控软件通过OPC数据接口读取R参数，程序段实例如下：
……
N11 M03 S6000
G4F5
R41=11063
R42=1502
R43=1
R44=0
R40=1
N12 G00 X193.000 Y150.000 Z229.000 A0.000 B0.000
……
N2917 X-158.687 Y-9.500
R40=0
……
N2921 G00 Z-14.500
R41=11063
R42=1502
R43=1
R44=1
R40=1
N2922 G01 X-26.673 Y152.846 F2000
……
R40=0
……
本发明的关键点是基于主轴切削负载、根据加工工艺按位置对加工过程进行分段、每一段基于最大/最小功率值设定静态监控极限的异常加工状态监控方法。
本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤F1：采集主轴切削功率，并记录最大功率值和最小功率值；
步骤F2：分段数控加工的程序，并为每段程序添加监控指令；
步骤F3：采集每段数控加工程序的功率，并记录每一段程序的最大功率值和最小功率值；
步骤F4：当任意一段程序的功率超过主轴功率范围值时，对机床进行停机控制，并发出报警。
2.根据权利要求1所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：所述步骤F1具体是指：对于具有DDE、OPC数据接口的数控系统，使用相应的接口函数开发软件程序采集主轴切削功率；对于没有数据接口的数控系统，外加传感器及采集卡采集主轴切削功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：所述步骤F2具体包括以下步骤：
步骤F21：根据刀具轨迹及工况划分数控加工的监控段程序；
步骤F22：为每段监控段程序添加监控指令；
步骤F23：监控软件通过DDE、OPC或Profibus读取监控指令。
4.根据权利要求3所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：所述步骤F22中的监控指令包括系统变量、PLC变量、R参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：所述R参数的监控号分别为：
R1=1，表示启动监控；
R1=0，表示停止监控；
R2=AA，表示加工零件的编号或名称，其中AA为正整数值或字符串；
R3=BB，表示加工程序的编号或名称，其中BB为正整数值或字符串；
R4=CC，表示加工程序版次号，其中CC为正整数值或字符串；
R5=DD，表示一段程序内的分段号，其中DD起始值为0的正整数值。
6.根据权利要求5任一项所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：所述步骤F4具体是指：将主轴切削的最大功率值和最小值功率值作为极限值，对每一段程序加工过程中的最大功率值和最小功率值进行判断，当任意一段的最大功率值大于主轴的最大功率值或任意一段的最小功率值小于主轴的最小功率值时，自动控制机床停止加工，并发出报警。
7.根据权利要求6所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：所述步骤F4中对机床进行停机控制具体是指：
对于具有DDE、OPC数据接口的数控系统，通过DDE、OPC数据接口编写PLC的变量值使机床停止加工；对于没有数据接口的数控系统，通过Prodibus、Profinet系统总线进行通讯，改变相应的PLC的变量值使机床停止加工。
8.根据权利要求7所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：所述启动监控的监控指令添加在主轴达到加工转速之后；所述停止监控的监控指令添加在主轴降速之前。
9.根据权利要求8所述的一种基于切削负载的复杂零件数控加工异常状态监控方法，其特征在于：使用软件工具添加控制指令，具体是指：在数控加工程序后置处理的同时添加监控指令，或在已经经过后置处理的数控加工程序中添加监控指令。
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