CN110543146A - 一种基于边缘计算的循圆加工方法及数控机床加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的循圆加工方法及数控机床加工系统，通过在原有的控制器，伺服驱动器，伺服电机及编码器等组成的数控机床加工系统之上，增加包含边缘计算器及边缘计算模块的边缘计算设备，通过边缘计算设备采集控制器输出的加工参数，对循圆加工的精度进行计算，帮助控制器调整伺服驱动器的参数，实现了精度最优的伺服参数的设置，并建立数据库，实现了自学习功能，并在实际的循圆加工过程中，利用数据库内的加工参数形成针对用户指定的加工条件下的伺服参数组，实现高精度的循圆加工，而且还可对已有数据库不断进行补充和优化，强化学习功能。相较于现有技术，本发明实现了高精度循圆加工，并增加了自学习功能，提高了生产效率。

Description

一种基于边缘计算的循圆加工方法及数控机床加工系统

技术领域

本发明涉及智能制造领域，尤其是涉及用于数字控制系统和边缘计算装置，可广泛用于使用数控系统的加工机械对圆弧等曲面的精确加工。

背景技术

数控机床作为一种高效、自动化的机床，已经成为制造业中最基础的制造装备。数控机床包括机床本体和数控系统，数控系统是数控机床的核心部分，是整个数控机床的控制中心和运算中心，在生产制造过程中起着主导作用。

目前的循圆加工(外圆循环加工)通常是由数控系统(控制器)发出插补指令给在平面，或三维的空间中的2轴或3轴的伺服电机，处于直线运动的伺服电机则接受来自控制器的插补指令，分别进行各自，但不相同的往复运动，合成形成在平面或3维空间的循圆动作。

伺服电机的动作来源于伺服驱动器的指令和编码器显示位置(反馈值)的差值驱动，差值为零时，意味着伺服电机准确到达指令位置，其速度也应该为零。而差值越大意味着为驱动电机更需要短时间消除指令和编码器的反馈值的差距，这意味着伺服电机速度变快。换句话说，伺服电机在动作中，总会有一定的动作延迟，而在从动作到停止的这一减速过程中，会随着速度的减慢，将原有的差值逐步缩小，直至为零。

由于伺服控制系统和伺服电机的这一个特性，就导致了循圆动作中的换向 (过象限)时，其中一个轴或两个轴还在运动时，另一个轴因为转向，而出现瞬间停止，相对于正在运动的其他一个轴或两个轴，由于差值的不均衡，会导致循圆不圆，表现为通常在象限点，会出现换向轴，即停止轴的内缩现象。从而没能达到所希望的准确的循圆功能。而当线速度越大，这样的循圆在象限处的不准确性变得更加显著。

总而言之，目前的数控机床进行循圆加工时，还存在以下问题：

(1)为了减少循圆加工时，在象限处的不准确性，通常会在控制器处，通常在伺服轴转向的处理上，对伺服的指令上进行方向的预处理指令，用于抵消在象限处的内缩现象，降低在象限处的不准确性。但由于伺服控制的复杂性，通常在设置伺服参数上，需要高度的对原理认知的知识和经验。同时，由于人为的调整，很难保证得到一套较好的参数，调整手段复杂而困难。

(2)由前述的伺服控制的原理，即使有一套参数，用于调整循圆加工中象限处的内缩现象，但由于用户的循圆加工的半径不同和指令速度的不同，无法完全解决在不同半径或不同速度下的循圆加工准确性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是解决现有技术的问题，提供一种基于边缘计算的循圆加工方法及数控机床加工系统，使得循圆加工更加准确，消除循圆加工时在象限处的内缩现象。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于边缘计算的循圆加工方法，包括以下步骤：

A.数控系统的控制器根据输入的半径和速度向多个伺服驱动器下发插补指令，所述多个伺服驱动器各自驱动伺服电机对工件进行循圆加工，并且在加工过程中所述多个伺服驱动器接收各自伺服电机上的编码器反馈值，同时将所述编码器反馈值发送至所述控制器；

B.边缘计算模块采集所述控制器输出的所述插补指令和所述编码器反馈值，由边缘计算器对循圆加工的精度进行计算，得到在特定的半径和加工速度前提下的循圆加工精度最优的伺服参数组，再由边缘计算模块下发给所述控制器，帮助所述控制器调整伺服驱动器的参数，同时所述边缘计算模块将相关联的半径、速度和伺服参数组的数据进行保存；

C.由所述边缘计算器产生不同的半径和速度，自动地对所述控制器重复步骤A和B的工作，完成在不同的半径和速度情况下的循圆加工精度最优的伺服参数设置，同时在关联了半径、速度和伺服参数组的基础上，在所述边缘计算模块中建立循圆加工数据库，实现高精度循圆加工的自学习功能；

D.在实际的循圆加工中，根据用户指定的半径和速度，由所述边缘计算模块在已建立的循圆加工数据库中进行加工条件的对比，形成针对用户指定的半径和速度的加工条件下的伺服参数组，下发给所述控制器，进行高精度的循圆加工。

优选地，所述循圆加工方法还包括以下步骤：

F、在通过步骤D进行高精度的循圆加工过程中，重复步骤A、B、C，对已建立的循圆加工数据库进行补充。

其中，在一个具体实施例中，所述多个伺服驱动器包括：

第一伺服驱动器，用于驱动第一伺服电机进行X轴加工；所述第一伺服电机上设置有第一编码器；

第二伺服驱动器，用于驱动第二伺服电机进行Y轴加工；所述第二伺服电机上设置有第二编码器。

在其他的实施例中，大于2轴加工时，还可以有第三、第四伺服驱动器，相应的数据机床上还设置第三、第四伺服电机，以及对应设置在第三、第四伺服电机上的编码器。

作为本发明的另一方面，是提供一种基于边缘计算的数控机床加工系统，包括控制器、加工平台、多个伺服驱动器、多个伺服电机、分别设置在所述多个伺服电机上的编码器，所述多个伺服电机与所述多个伺服驱动器一一对应连接，所述多个伺服驱动器分别连接所述控制器；其特征在于，还包括边缘计算器及边缘计算模块，所述边缘计算模块采集所述控制器的加工参数，所述加工参数包括所述控制器接收的用户指定的半径和速度，所述控制器输出的插补指令，所述控制器接收的编码器反馈值；所述边缘计算器对所述边缘计算模块采集的半径和速度进行计算，并得到循圆加工精度最优的伺服参数组，所述边缘计算模块将所述伺服参数组下发至所述控制器；所述边缘计算模块具有数据存储模块，用于存储循圆加工精度最优的伺服参数组，以及与之关联的半径和速度的数据库。

在一种具体实施例的数控机床加工系统中，上述的多个伺服驱动器包括：

第一伺服驱动器，用于驱动第一伺服电机；所述第一伺服电机上设置有第一编码器；

第二伺服驱动器，用于驱动第二伺服电机；所述第二伺服电机上设置有第二编码器。

在其他一些具体实施例的数控机床加工系统中，可加工维度大于2维时，还可以有第三、第四伺服驱动器，相应的还设置第三、第四伺服电机，以及对应设置在第三、第四伺服电机上的编码器。

本发明解决了在不同半径和速度下的循圆加工精度低的问题，并通过边缘计算技术，增加自学习功能，在保证循圆加工高精度的前提下，缩短调整时间，提高生产效能。

由于采用上述技术方案，本发明达到了以下的有益效果：

1、通过边缘计算器，辅助控制器在特定的半径和速度情况下，在更短时间内达到高精度的循圆加工，而不需要对循圆加工具有高度认知水平和丰富经验的技术人员，实现了加工调试的简便性。

2、运用边缘计算器的自学习功能，针对不同的半径和速度，均能实现高精度的循圆加工，极大幅度地节省每次的加工调试时间和减少不良加工品的产生。

3、在用户的实际加工过程中，由于边缘计算的自学习功能，自动对生成的数据库进行优化，使用频率越高，加工精度越高等，达到通过人员调试一般无法完全实现的功能。

4、针对每次的加工，利用边缘计算器和控制器的加工指令和数据的反馈，可对加工品进行品质的跟踪，减少因为人员的参与带来数据遗漏，数据错误等缺陷。

附图说明

图1为本发明一种基于边缘计算的数控机床加工系统的原理示意图(以2 维循圆加工为例)；

图2为本发明一种基于边缘计算的数控机床加工系统在循圆加工过象限时的误差判定示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例以对工件100进行2维循圆加工为例，一种数控机床加工系统，包括控制器1、加工平台2、具有边缘计算器及边缘计算模块的边缘计算设备3、第一伺服驱动器4、第二伺服驱动器5、第一伺服电机6、第二伺服电机7、设置在第一伺服电机6上的第一编码器、设置在第二伺服电机7上的第二编码器，第一、第二伺服电机6、7与第一、第二伺服驱动器4、5一一对应连接，第一、第二伺服驱动器分别连接控制器1。其中，所述边缘计算模块采集控制器1的加工参数，加工参数包括控制器1接收的用户指定的半径和速度，控制器1输出给第一、第二伺服驱动器4、5的插补指令，控制器1接收的第一、第二编码器反馈值。所述边缘计算器对所述边缘计算模块采集的半径和速度进行计算，并得到循圆加工精度最优的伺服参数组，所述边缘计算模块将所述伺服参数组下发至控制器1。所述边缘计算模块还具有数据存储模块，用于存储循圆加工精度最优的伺服参数组，以及与之关联的半径和速度的数据库。

在本实施例中，第一伺服驱动器4用于向第一伺服电机6发出第一伺服电机指令以驱动第一伺服电机6，第二伺服驱动器5用于向第二伺服电机7发出第二伺服电机指令以驱动第二伺服电机7，第一伺服电机6的输出轴上连接第一丝杆61，第二伺服电机7的输出轴上连接第二丝杆71，第一丝杆61与第二丝杆 71相互垂直，可以控制刀具沿X轴和Y轴的运动速度和进给距离，在第一丝杆 61和第二丝杆71的共同作用下，刀具对位于Z轴上的工件100进行循圆加工。

采用上述数控机床加工系统对工件100进行循圆加工的具体方法包括以下步骤：

步骤A.数控系统的控制器根据输入的半径和速度向第一、第二伺服驱动器 4、5下发第一、第二插补指令，第一伺服驱动器4通过第一伺服电机指令驱动第一伺服电机6的第一丝杆61转动，第二伺服驱动器5通过第二伺服电机指令驱动第二伺服电机7的第二丝杆71转动，在第一丝杆61和第二丝杆71的共同作用下刀具对工件100进行循圆加工，并且在加工过程中第一、第二伺服驱动器4、5接收第一、第二编码器反馈值，同时将第一、第二编码器反馈值发送至所述控制器1。该步骤在最开始循圆加工时，控制器接收的指令为用户输入的半径和速度。

步骤B.边缘计算模块采集所述控制器输出的第一、第二插补指令和第一、第二编码器反馈值，由边缘计算器对循圆加工的精度进行计算，得到在特定的半径和加工速度前提下的循圆加工精度最优的伺服参数组，该伺服参数组即第一插补指令和第二插补指令；再由边缘计算模块下发给控制器1，帮助控制器1 调整伺服驱动器参数，该伺服驱动器参数即第一伺服电机指令和第二电机指令；同时所述边缘计算模块将相关联的半径、速度和伺服参数组的数据进行保存。

步骤C.由边缘计算器产生不同的半径和速度，自动地对控制器1重复步骤 A和B的工作，完成在不同的半径和速度情况下的循圆加工精度最优的伺服参数设置，同时在关联了半径、速度和伺服参数组的基础上，在所述边缘计算模块中建立循圆加工数据库，实现高精度循圆加工的自学习功能。

步骤A-C通过边缘计算设备，实现了循圆加工精度最优的加工参数的数据库的建立，并通过边缘计算设备帮助对控制器的伺服驱动器的参数进行调整，使数控机床加工系统的调试时间大大缩短，而且能够实现高精度的循圆加工，大幅节省加工调试时间，减少不良加工品的产生。

步骤D.在实际的循圆加工中，根据用户指定的半径和速度，由所述边缘计算模块在已建立的循圆加工数据库中进行加工条件的对比，形成针对用户指定的半径和速度的加工条件下的伺服参数组，下发给所述控制器，进行高精度的循圆加工。

步骤F、在通过步骤D进行高精度的循圆加工过程中，重复步骤A、B、C，对已建立的循圆加工数据库进行补充。

如图2所示，在循圆加工过程中，采用本实施例的基于边缘计算的数控机床加工系统在循圆加工过程中，从起点B至终点E，过象限时的误差值经过了第一峰值点、第一低估点、第二峰值点和第二低谷点，相比于无补偿的对比例更小，循圆加工精度得到大幅提升。

本实施例选取了圆弧R1F 1000，R3F2000，R5F3000，R10F3000，R20F3500 为学习圆弧，分别在左右选取就近原则下最远的点进行测试。测试结果见下表。

由上表可知，本实施例在不同速度和半径前提下的自学习结果，在实际的循圆加工中，采取就近原则对应的参数，过象限误差差值波动在0.2um左右，对于1.5um的过象限误差量级，可以认为一致性较好。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于边缘计算的循圆加工方法，包括以下步骤：

A.数控系统的控制器根据输入的半径和速度向多个伺服驱动器下发插补指令，所述多个伺服驱动器各自驱动伺服电机对工件进行循圆加工，并且在加工过程中所述多个伺服驱动器接收各自伺服电机上的编码器反馈值，同时将所述编码器反馈值发送至所述控制器；

B.边缘计算模块采集所述控制器输出的所述插补指令和所述编码器反馈值，由边缘计算器对循圆加工的精度进行计算，得到在特定的半径和加工速度前提下的循圆加工精度最优的伺服参数组，再由边缘计算模块下发给所述控制器，帮助所述控制器调整伺服驱动器的参数，同时所述边缘计算模块将相关联的半径、速度和伺服参数组的数据进行保存；

C.由所述边缘计算器产生不同的半径和速度，自动地对所述控制器重复步骤A和B的工作，完成在不同的半径和速度情况下的循圆加工精度最优的伺服参数设置，同时在关联了半径、速度和伺服参数组的基础上，在所述边缘计算模块中建立循圆加工数据库，实现高精度循圆加工的自学习功能；

D.在实际的循圆加工中，根据用户指定的半径和速度，由所述边缘计算模块在已建立的循圆加工数据库中进行加工条件的对比，形成针对用户指定的半径和速度的加工条件下的伺服参数组，下发给所述控制器，进行高精度的循圆加工。

2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的循圆加工方法，其特征在于，还包括以下步骤：

F、在通过步骤D进行高精度的循圆加工过程中，重复步骤A、B、C，对已建立的循圆加工数据库进行补充。

3.根据权利要求1或2所述的基于边缘计算的循圆加工方法，其特征在于，所述多个伺服驱动器包括：

第一伺服驱动器，用于驱动第一伺服电机；所述第一伺服电机上设置有第一编码器；

第二伺服驱动器，用于驱动第二伺服电机；所述第二伺服电机上设置有第二编码器。

4.一种基于边缘计算的数控机床加工系统，包括控制器、加工平台、多个伺服驱动器、多个伺服电机、分别设置在所述多个伺服电机上的编码器，所述多个伺服电机与所述多个伺服驱动器一一对应连接，所述多个伺服驱动器分别连接所述控制器；其特征在于，还包括边缘计算器及边缘计算模块，所述边缘计算模块采集所述控制器的加工参数，所述加工参数包括所述控制器接收的用户指定的半径和速度，所述控制器输出的插补指令，所述控制器接收的编码器反馈值；所述边缘计算器对所述边缘计算模块采集的半径和速度进行计算，并得到循圆加工精度最优的伺服参数组，所述边缘计算模块将所述伺服参数组下发至所述控制器；所述边缘计算模块具有数据存储模块，用于存储循圆加工精度最优的伺服参数组，以及与之关联的半径和速度的数据库。

5.根据权利要求4所述的一种基于边缘计算的数控机床加工系统，其特征在于，多个伺服驱动器包括：

第一伺服驱动器，用于驱动第一伺服电机进行X轴加工；所述第一伺服电机上设置有第一编码器；

第二伺服驱动器，用于驱动第二伺服电机进行Y轴加工；所述第二伺服电机上设置有第二编码器。