CN111571306A - 一种自适应控制数控机床主轴负载的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应控制数控机床主轴负载的方法，通过实时读取机床的主轴负载，通过改变机床的进给倍率，实时地调整进给量，从而实现数控机床加工过程的恒负载控制，可以达到均衡切削负载、提高加工效率、保护机床、保护刀具和夹具的目的，更好保证加工的质量。

Description

一种自适应控制数控机床主轴负载的方法

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，尤其涉及一种自适应控制数控机床主轴负载的方法。

背景技术

数控机床粗加工过程中，毛坯件的加工往往会出现切削余量不均匀的情况。此时以相同的切削参数进行加工是不科学的，会造成切削余量小的阶段负载较小，切削余量大的阶段负载大，不仅不利于保护刀具，而且加工效率低下。

恒负载加工控制技术的实现，不仅将使我国数控机床加工精度大大提高，有利于延长数控机床及刀具的使用寿命，还可解决我国传统的复杂零件加工效率低，加工中刀具－工件变形波动大，变形误差大等问题。恒负载加工控制系统的研制为传统制造业提供了廉价、实用的精度软升级和维护工具。

国内外学者对数控机床的恒负载控制也进行了广泛的研究，目前应用最广泛的是通过控制进给速度来控制主轴负载。有研究根据主轴电机电流估算钻孔扭矩，通过 PID控制器改变进给倍率来控制钻孔扭矩，实现恒负载加工，减少钻孔磨损。另有研究人员设计了模糊逻辑控制器来自动调节机床的进给速度，以调节数控机床的切削力，实现恒负载控制。模糊逻辑控制器具有双回路结构，由控制进给伺服速度的内部比例微分速度控制回路和外部模糊逻辑控制回路组成，当工件的切削深度轮廓连续变化时，在数值模拟和实验中都可以很好地保持参考切削力。还有学者提出了一种基于高清度量(HDM)测量来减少平面铣削过程中表面变化的方法，发现改变进给速度可以有效地消除工件沿进给方向的表面变化，而横向铣刀路径最优规划可以平衡刀具上的切削负载，并有助于减少切削力沿进给方向的变化。

主轴负载自适应控制直接的方法是在线监测切削力，在切削余量随机波动的情况下，相应调整进给量，以补偿切削余量的随机波动，使切削力保持恒定。可是，在实际生产机床上安置测力仪是不适合的，难以在生产环境下实现，并且测力仪存在着价格昂贵的问题，在国内市场的推广应用上也存在着很大问题。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明通过实时读取机床的主轴负载，通过改变机床的进给倍率，实时地调整进给量，从而实现数控机床加工过程的恒负载控制，本发明的具体技术方案如下：

一种自适应控制数控机床主轴负载的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：刀具参数设置，预先设置每把刀具的负载上限L_max、负载下限L_min，进给倍率上限FR_max、进给倍率下限FR_min，从机床中读取当前主轴负载L；

S2：判断当前主轴负载L与预先设置的负载上限L_max和负载下限L_min之间的关系：

S2-1：L＞L_max，即当前主轴负载L超出预设负载上限L_max，则按步进降低进给倍率，直到主轴负载L不大于预设负载上限L_max，即L≤L_max；

S2-2：L＜L_min，即当前主轴负载L低于预设负载下限L_min，则按步进增加进给倍率，直到主轴负载L不小于预设负载下限L_min，即L≥L_min；

S2-3：L_min＜L＜L_max，则进给倍率保持不变。

进一步地，所述步骤S2-1的步进值设置为5，即每次降低5％的进给倍率。

进一步地，所述方法通过以太网接口直接从机床中读取数据，基于FUNAC数控系统进行控制。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过实时读取机床的主轴负载，通过改变机床的进给倍率，实时地调整进给量，从而实现数控机床加工过程的恒负载控制，可以达到均衡切削负载、提高加工效率、保护机床、刀具和夹具的目的，更好的保证零件加工质量。

2.本发明方法主要应用于粗加工，余量切削小时主轴负载小，此时适当增加进给倍率，在保护刀具的前提下可以提高加工效率；余量变大或材料中含有硬点时，主轴负载变大，可能会超出刀具承受范围，此时适当降低进给倍率，可以保护刀具，延长刀具寿命。

3.本发明的方法是直接读取机床的主轴负载，更简单有效，不需要安装额外的传感器，而且监控的数据通过以太网接口直接从机床中读取，更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的刀具设置参数；

图3是本发明的数控加工实验工件式样图；

图4(a)是本发明实施例的未进行控制时的主轴负载和伺服倍率变化图；

图4(b)是本发明实施例的进行控制时的主轴负载和伺服倍率变化图(负载自适应控制主轴负载和伺服倍率变化图)；

图5是本发明的M70标识符识别的数控机床PLC梯形图；

图6是本发明的备份原伺服倍率的数控机床PLC梯形图；

图7是本发明的写入改进的伺服倍率的数控机床PLC梯形图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种自适应控制数控机床主轴负载的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：刀具参数设置，预先设置每把刀具的负载上限L_max、负载下限L_min，进给倍率上限FR_max、进给倍率下限FR_min，从机床中读取当前主轴负载L；

S2：判断当前主轴负载L与预先设置的负载上限L_max和负载下限L_min之间的关系：

S2-1：L＞L_max，即当前主轴负载L超出预设负载上限L_max，则按步进降低进给倍率，直到主轴负载L不大于预设负载上限L_max，即L≤L_max，每次降低的步进值可以根据实际需要进行设置；

S2-2：L＜L_min，即当前主轴负载L低于预设负载下限L_min，则按步进增加进给倍率，直到主轴负载L不小于预设负载下限L_min，即L≥L_min；

S2-3：L_min＜L＜L_max，则进给倍率保持不变。

步骤S2-1的步进值设置为5，即每次降低5％的进给倍率。

本发明的方法通过以太网接口直接从机床中读取数据，基于FUNAC数控系统进行控制。

具体地，首先，PC机与机床通过以太网进行通讯，基于FUNAC数控系统可以读取机床的主轴负载以及各种数据，加工工件时，人为在加工程序首尾分别加入标识符 M70和M71。当读到机床加工程序中添加的标识符M70，进入主轴负载自适应控制阶段，当读到机床加工程序中添加的标识符M71，结束控制；

其次，在机床PLC程序中添加程序：

如图5所示，当数控系统读到数控机床加工程序中的M70标识符时会产生一个M70ON信号，当读到数控机床加工程序中的M71标识符时会产生一个M701END信号。

如图6所示，当未产生M70ON信号即未进行主轴负载自适应控制时，将R0214 中的数据转入D2002，R0214中的数据是当前机床的进给倍率，本步骤的作用是将数控机床原本的伺服倍率备份下来，而PC机即从D2002中读取数据，获得当前的机床倍率。

当数控系统读到机床加工程序中的M70时产生M70ON信号，此时进行主轴负载自适应控制。PC机将从机床读到的负载与预设的负载上下限进行比对，通过软件将控制调整之后得到的新进给倍率再写入地址D2002中。如图7所示，将D2002中的数据移至R2100，即将进给控制算法后得到的机床的进给倍率转入地址R2100中。数控系统应用写入的改进后的进给倍率控制数控机床加工。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

实施例1

基于FUNAC数控系统验证本发明的方法，具体参数为如图3所示：

实验工件材料：Q235钢件，长a＝300mm，宽b＝120mm；最高高度为60mm，最低高度为55mm，即工件切削面为一个双侧的坡面，在距两侧30mm处高度逐渐增加且两侧对称；

切削用量选择：主轴转速n＝1000rpm；切宽ae＝10mm；切深ap＝2mm；进给量 f＝100mm/min；

主动智能控制系统参数选择：最大进给倍率：130％；最小进给倍率：80％；预设负载上限：8％；预设负载下限：4％；

导出数据并绘图和分析，图4(a)和图4(b)分别为控制系统不启动加工过程和负载自适应控制加工过程的的载荷变化曲线对比图。图4(a)是未进行控制时进给倍率始终是机床调整所确定的100％的倍率，主轴载荷从最小值小于1％，主轴载荷最大值达到11％。图4(b)是启用主轴负载的自适应主动智能控制效果，实现数控机床粗加工过程的恒载荷切削，保护刀具和机床，并提高加工效率。图中右坐标是主轴负载，设定的值的范围为9％-6％，进给倍率设定最大值为130％，最小为80％。该工件较小，效率提高程度并不明显，而航空零件加工多是长工序的大零件，效率提高程度会更加明显。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自适应控制数控机床主轴负载的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：刀具参数设置，预先设置每把刀具的负载上限L_max、负载下限L_min，进给倍率上限FR_max、进给倍率下限FR_min，从机床中读取当前主轴负载L；

S2：判断当前主轴负载L与预先设置的负载上限L_max和负载下限L_min之间的关系：

S2-1：L>L_max，即当前主轴负载L超出预设负载上限L_max，则按步进降低进给倍率，直到主轴负载L不大于预设负载上限L_max，即L≤L_max；

S2-2：L<L_min，即当前主轴负载L低于预设负载下限L_min，则按步进增加进给倍率，直到主轴负载L不小于预设负载下限L_min，即L≥L_min；

S2-3：L_min<L<L_max，则进给倍率保持不变。

2.根据权利要求1所述的一种自适应控制数控机床主轴负载的方法，其特征在于，所述步骤S2-1的步进值设置为5，即每次降低5％的进给倍率。

3.根据权利要求1所述的一种自适应控制数控机床主轴负载的方法，其特征在于，所述方法通过以太网接口直接从机床中读取数据，基于FUNAC数控系统进行控制。

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