CN112147950A - 数控侧铣加工系统及其阈值与待监控信号的精确同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控侧铣加工系统及其阈值与待监控信号的精确同步方法，借助统计分析确定合理的基准累积采样信号数目，并基于该基准累积采样信号数目划分标准信号段，给数控侧铣加工分段监控提供了合理的分段依据；对主轴倍率或进给倍率改变的情况进行判定，有效避免了加工系统在这两种特殊情况下失效；在每一个标准信号段结束时，计算当前标准信号段的累积同步误差，并根据其大小确定待监控信号下一个标准信号段的主轴功率信号的累积采样信号数目调整量，可有效地将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在合理范围内。

Description

数控侧铣加工系统及其阈值与待监控信号的精确同步方法

技术领域

本发明涉及数控加工过程监控领域，具体涉及一种数控侧铣加工系统及其阈值与待监控信号的精确同步方法。

背景技术

数控侧铣加工监控过程中，为了实现对刀具磨损加工信号的监控，需要对实时采集的待监控信号设置监控阈值区间，之后在数控侧铣加工过程中依次读取和对比阈值与待监控信号，判断刀具的加工状态。目前针对刀具磨损状态监控的研究，绝大多数都是从信号处理的角度进行，而根据之前的研究表明，在刀具磨损加工信号的采集过程中，采样频率的波动会对阈值与待监控信号的同步准确性产生影响。阈值与待监控信号的同步是指：对待监控信号进行监控时，将当前加工状态采集的待监控信号与对应正常加工状态下计算出的主轴功率信号阈值在合理同步误差范围内进行匹配。而现有的阈值与待监控信号同步方法的适用范围主要局限于较为简单的加工过程，而数控侧铣加工中的很多工况因素均会导致其失效，适用于复杂侧铣加工的同步方法研究尚未成熟。导致阈值与待监控信号的同步误差累积，从而造成刀具磨损状态监控方法失效。

阈值与待监控信号同步主要有五种方法：①基于时间的同步方法；②基于坐标位置的同步方法；③基于触发技术的同步方法；④基于数控程序行号的同步方法；⑤基于动态时间归整(Dynamic Time Warping,DTW)的同步方法。

①基于时间的同步方法

基于时间的同步方法对机床的时间信息和相应的监控信号进行实时采集，并通过时间信息实现阈值与待监控信号的同步。切削过程根据基于时间或位置进行分段并使用分段阈值进行监控。这相对于设定单一固定阈值可以更紧密的跟踪复杂的切削过程，并且分段阈值和当前加工周期之间的时间对于保持监控性能和避免误报漏报至关重要。然而，机床进给倍率的人为改变，临时换刀操作或采样频率的波动等因素均会导致阈值与待监控信号的时间无法匹配，造成该种同步方法的同步误差累积无法消除从而导致监控失效。

②基于坐标位置的同步方法

基于坐标位置的同步方法实时获取刀具的坐标位置信息和相应的采集信号，通过坐标位置实现阈值与待监控信号同步。通过估计加工中的多个连续点来跟踪刀具的坐标位置，从而便于在数控加工过程中使用和共享实时加工过程。基于实时监控信号，参考正常加工时的示教信号，对每一个加工位置进行监控，以避免改变倍率、暂停加工等人为干预对监控产生影响。然而，由于在每次铣削加工之前均要对刀具进行半径补偿和/或长度补偿，而补偿后采集到的坐标值就会发生变化从而导致该种同步方法的失效，且该方法由于每次采集加工位置坐标的时刻不同容错率较低。

③基于触发技术的同步方法

基于触发技术的同步方法通过基于门限的模拟信号触发技术或基于控制信号的数字触发技术实现采集信号和监控阈值的对准。通过利用主轴电机起动所产生的脉冲来模拟自触发技术，使采集到的信号准确地在同一时刻开始，从而在不需要进一步同步的情况下构造车削过程中的阈值；并还比较了两种不同的触发方式：a、由模拟信号的电平和斜率控制的基于门限的模拟触发技术；b、由电气开关、接近探头或CNC控制单元的控制信号控制的基于数字信号的触发技术。并在连续拉削行程中使用数字启动触发器实现同步，即拉削机床滑枕到达起动开关或停止开关的位置时自动开始或停止数据的采集。然而，该种同步方法同样会因为机床进给速率的人为改变，临时换刀操作或采样频率的波动等因素而导致监控失效。

④基于数控程序行号的同步方法

众所周知，在每个相同零件相同工序的加工过程中，相同数控程序行号的起始意味着相同的加工状态。基于数控程序行号的同步方法可以通过阈值与待监控信号两者数控程序的行号进行同步。通过数控程序行号将实时监控时采集的主轴功率信号与学习过程采集的主轴功率信号进行逐点对比以判断是否超出设定的阈值。然而，仅基于数控程序行号进行同步存在两方面的问题：a、一个零件的数控程序行号所对应的加工过程的持续时间会有显著不同，试验表明两次同步之间间隔的时间越长累积同步误差越大，而一些大型零件的单个数控程序行号所对应的加工时间过长将会导致累积同步误差超差；b、在零件曲线特征的加工中为了提高加工过程中的加工精度，数控程序会将曲线特征分解成比较短的曲线特征，将加工过程密化以逼近理想的加工轮廓曲线。因此，在数控程序中会出现多个较短的数控程序段。而当采用统计学的方法对刀具磨损的阈值进行主轴功率信号偏差值的计算时，在一个较短的数控程序段中将无法采集到足够数量的数据样本而导致监控失效。因此，累积同步误差不能仅仅由阈值与待监控信号两者数控程序行号的对应来控制消除。

⑤基于动态时间归整的同步方法

基于动态时间归整的同步方法使用动态规划的思想，通过允许时间序列的位移和变形，利用相似度的计算和匹配解决两个相似时间序列的同步问题。现有技术中使用基于动态时间归整的同步方法进行音频的同步和匹配及运动的检索和分类；以及借助基于动态时间归整的同步方法将外部输入语音与存储在数据库中的已有参考模版进行同步，在此基础上进一步对语音信息进行识别匹配。然而，由于刀具磨损状态的不同，采集得到的主轴功率信号也差异很大，从而导致该种基于相似度计算的同步方法的失效。

综上所述，在实际加工的很多工况因素下，现有的阈值与待监控信号同步方法均会产生失效。现有同步方法及其对应的失效因素如图1所示。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种数控侧铣加工系统及其阈值与待监控信号的精确同步方法解决了在加工系统中多种工况因素下，现有的阈值与待监控信号同步方法均会产生失效的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种数控侧铣加工系统，包括：机床、可编程逻辑控制模块PLC、操作面板控制单元PCU和PC端；

所述机床包括：主轴功率传感器；

所述主轴功率传感器安装在机床的主轴电机上，用于实时采集主轴功率信号；

所述机床用于将主轴功率信号通过OPC自动化接口传输给可编程逻辑控制模块PLC；

所述可编程逻辑控制模块PLC用于将监控数据以以太网方式传输给操作面板控制单元PCU；

所述操作面板控制单元PCU用于将监控数据通过以太网方式传输至PC端；

所述PC端用于进行数据分析，进而远程控制。

进一步地，监控数据包括：数控程序名称、数控程序行号、主轴功率信号、主轴转速信号、主轴倍率信号和进给倍率信号。

一种数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，包括以下步骤：

S1、以指定频率采集数控程序名称、数控程序行号、主轴功率信号、主轴转速信号、主轴倍率信号和进给倍率信号并保存至PC端；

S2、根据不同时长的数控侧铣加工测试试验，对加工系统在不同累积采样信号数目下的累积同步误差进行统计分析，得到基准累积采样信号数目；

S3、根据基准累积采样信号数目和PC端的数控程序行号中包含的主轴功率信号的数目，对主轴功率信号划分和标注信号段，得到多个标注了段号的标准信号段；

S4、根据数控程序名称、数控程序行号、主轴转速信号和标准信号段段号，构建阈值文件；

S5、根据数控程序名称，检索阈值文件，确定当前数控侧铣的加工状态下的监控加工模式；

S6、在监控加工模式下，根据主轴倍率信号和进给倍率信号，将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，实现数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步。

进一步地，步骤S1中指定频率为8Hz。

进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、进行不同累积采样信号数目的多组数控侧铣加工测试试验；

S22、计算所有组数控侧铣加工测试试验采集的时间信号得到的加工时长；

S23、以第一组数控侧铣加工测试试验的加工时长为基准，计算剩余组加工时长与第一组加工时长的差值绝对值，并对差值绝对值求和计算平均差值，作为该种加工时长下数控侧铣加工测试试验的平均累积同步误差；

S24、将各种加工时长下的平均累积同步误差与一个采样周期进行对比，将超过且与一个采样周期最接近的平均累积同步误差对应的累积采样信号数目作为基准累积采样信号数目N_st。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将PC端的数控程序行号中包含的每N_st个主轴功率信号划分为一个标准信号段，直到第n*N_st+1个主轴功率信号与最后一个主轴功率信号之间的剩余主轴功率信号的数目N_left小于基准累积采样信号数目N_st；

S32、判断剩余主轴功率信号的数目N_left是否位于区间(0,N_st/2)内，若是，则将剩余主轴功率信号并入当前的标准信号段中，若否，则构建一个新的标准信号段；

S33、为所有标准信号段标注段号。

上述进一步方案的有益效果为：基于统计分析确定的基准累积采样信号数目，将数控侧铣加工中采集的信号划分为标准信号段，有效避免了分段监控信号数目过少造成的算力浪费，以及分段监控信号数目过多造成的累积同步误差超差及监控失效，给数控侧铣加工分段监控提供了合理的分段依据。

进一步地，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、在PC端预设初始阈值文件；

S42、根据当前的主轴转速信号，得到主轴转速，判断主轴转速是否大于0，若是，数控侧铣加工过程开始，进入步骤S43，若否，则等待主轴转速大于0，进入步骤S43；

S43、根据当前的数控程序名称对阈值文件进行检索，判断是否存在阈值文件的名称与当前的数控程序名称相同，若是，则跳转至步骤S44，若否，则跳转至步骤S46；

S44、进入监控加工模式，对监控加工模式中待监控信号在一个标准信号段的数值大小进行统计，得到待监控信号值；

S45、设置待监控信号值在该标准信号段的主轴功率信号阈值，进入步骤S47；

S46、进入示教加工模式，通过统计学计算主轴功率信号阈值，进入步骤S47；

S47、将多次采集的数控程序行号、标准信号段段号和主轴功率信号阈值的数据按行存储在Excel文件中；

S48、判断当前的主轴转速是否为0，若是，则将当前Excel文件以刚结束的数控程序名称命名，并保存在PC端的硬盘中作为更新的阈值文件，结束分步骤，若否，则跳转至步骤S43。

上述进一步方案的有益效果为：加工系统自动对数控侧铣加工的开始和结束进行判定，自动根据当前的数控程序名称对阈值文件进行检索，并判定选择示教加工模式还是监控加工模式，自动在PC端的硬盘中以当前的数控程序名称命名保存阈值文件，无需操作人员干预，保证了加工系统的自动化程度。

进一步地，所述步骤S45中主轴功率信号阈值的计算公式为：

Y_max＝P_max·102％

其中，Y_max为主轴功率信号阈值，P_max为待监控信号值的最大值。

进一步地，所述步骤S6包括以下分步骤：

S61、判断主轴倍率信号或进给倍率信号是否等于100％，若是，加工系统继续监控，并跳转至步骤S63，若否，则判定出现主轴倍率或进给倍率改变的情况，加工系统暂停监控，并跳转至步骤S62；

S62、等待主轴倍率信号和进给倍率信号调整到100％后，从下一段数控程序行号开始，加工系统继续监控；

S63、在每一个标准信号段结束时，计算主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差；

S64、判断主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差是否位于误差区间

内，若是，累积同步误差在误差范围内，结束，若否，则跳转至步骤 S65，其中，T为采样周期；

S65、设定待监控信号下一个标准信号段的主轴功率信号的累积采样信号数目调整量为Δl；

S66、判断主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差是否大于等于

若是，则将待监控信号的下一个标准信号段采集的主轴功率信号的累积采样信号数目增加Δl，实现将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，结束，若否，则将待监控信号的下一个标准信号段采集的主轴功率信号的累积采样信号数目减少|Δl|，实现将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，结束。

进一步地，步骤S63中计算主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差的公式为：

其中，t_{t_j_i}为主轴功率信号阈值的第j个数控程序行号的第i个标准信号段的结束时刻，t_{t_j_0}为主轴功率信号阈值的第i个标准信号段所在的第j个数控程序行号的起始时刻，τ_{t_j_i}为主轴功率信号阈值的第j个数控程序行号前i个标准信号段所经历的时间，t_{m_j_i}为待监控信号的第j个数控程序行号的第i个标准信号段的结束时刻，t_{m_j_0}为待监控信号的第i个标准信号段所在的第j个数控程序行号的起始时刻，τ_{m_j_i}为待监控信号的第j个数控程序行号前i个标准信号段所经历的时间，Δt为主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差，k_j为主轴功率信号阈值与待监控信号第j个数控程序行号的标准信号段的数目；

步骤S65中累积采样信号数目调整量的计算公式为：

其中，

为向下取整，

为向上取整，Δl为累积采样信号数目调整量，Δt为主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差，T为采样周期。

上述进一步方案的有益效果为：对主轴倍率或进给倍率改变的情况进行判定，有效避免了加工系统在这两种特殊情况下失效。在每一个标准信号段结束时，计算当前标准信号段的累积同步误差，并根据其大小确定待监控信号下一个标准信号段的主轴功率信号的累积采样信号数目调整量，可有效地将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在合理范围内。

综上，本发明的有益效果为：

(1)、一种数控侧铣加工系统及其阈值与待监控信号的精确同步方法，借助统计分析确定合理的基准累积采样信号数目，并基于该基准累积采样信号数目划分标准信号段，给数控侧铣加工分段监控提供了合理的分段依据；

(2)、对主轴倍率或进给倍率改变的情况进行判定，有效避免了加工系统在这两种特殊情况下失效；在每一个标准信号段结束时，计算当前标准信号段的累积同步误差，并根据其大小确定待监控信号下一个标准信号段的主轴功率信号的累积采样信号数目调整量，可有效地将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在合理范围内。

附图说明

图1为现有阈值与待监控信号同步方法及其对应的失效因素的对比图；

图2为一种数控侧铣加工系统的系统框图；

图3为一种数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法的流程图；

图4为不同累积采样信号数目下的累积同步误差统计分析图；

图5为标准信号段划分示意图；

图6为待监控信号对应的加工状态超前于读取的阈值对应的加工状态示意图；

图7为待监控信号对应的加工状态滞后于读取的阈值对应的加工状态示意图；

图8为使用了和未使用同步方法情况下的累积同步误差对比图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图2所示，一种数控侧铣加工系统，包括：机床、可编程逻辑控制模块 PLC、操作面板控制单元PCU和PC端；

所述机床包括：主轴功率传感器；所述主轴功率传感器安装在机床的主轴电机上，用于实时采集主轴功率信号；所述机床用于将主轴功率信号通过OPC 自动化接口传输给可编程逻辑控制模块PLC；所述可编程逻辑控制模块PLC用于将监控数据以以太网方式传输给操作面板控制单元PCU；所述操作面板控制单元PCU用于将监控数据通过以太网方式传输至PC端；所述PC端将监控数据以8Hz的指定频率传输至PC的内存中，并以Excel格式保存在PC端的硬盘中，用于进行数据分析，进而远程控制。

时间信号由VB开发平台提供的时间控制单元直接提供给PC。

监控数据包括：数控程序名称、数控程序行号、主轴功率信号、主轴转速信号、主轴倍率信号和进给倍率信号。

如图3所示，一种数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，包括以下步骤：

S1、以8Hz指定频率采集数控程序名称、数控程序行号、主轴功率信号、主轴转速信号、主轴倍率信号和进给倍率信号并保存至PC端；

S2、根据不同时长的数控侧铣加工测试试验，对加工系统在不同累积采样信号数目下的累积同步误差进行统计分析，得到基准累积采样信号数目；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、进行不同累积采样信号数目的多组数控侧铣加工测试试验；

S22、计算所有组数控侧铣加工测试试验采集的时间信号得到的加工时长；

S23、以第一组数控侧铣加工测试试验的加工时长为基准，计算剩余组加工时长与第一组加工时长的差值绝对值，并对差值绝对值求和计算平均差值，作为该种加工时长下数控侧铣加工测试试验的平均累积同步误差；

S24、将各种加工时长下的平均累积同步误差与一个采样周期进行对比，将超过且与一个采样周期最接近的平均累积同步误差对应的累积采样信号数目作为基准累积采样信号数目N_st。

以累积采样信号数目分别为10、20、30、40、50的多种加工时长为例，分别进行多组数控侧铣加工测试试验，各种加工时长情况下均以第一组数控侧铣加工测试试验采集的时间信号计算出的加工时长为基准，计算剩余组加工时长与第一组加工时长的差值绝对值之和并求取平均值，作为该种加工时长情况下数控侧铣加工测试试验的平均累积同步误差。

平均累积同步误差刚好超过一个采样周期时，所对应的累积采样信号数目为基准累积采样信号数目N_st。针对本加工系统，不同累积采样信号数目下的累积同步误差统计分析，如图4所示，当平均累积同步误差刚好超过一个采样周期时对应的累积采样信号数目为40，因此N_st＝40。

S3、根据基准累积采样信号数目和PC端的数控程序行号中包含的主轴功率信号的数目，对主轴功率信号划分和标注信号段，得到多个标注了段号的标准信号段；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将PC端的数控程序行号中包含的每N_st个主轴功率信号划分为一个标准信号段，直到第n*N_st+1个主轴功率信号与最后一个主轴功率信号N_last之间的剩余主轴功率信号的数目N_left小于基准累积采样信号数目N_st，N_left＝N_last- n*N_st；

S32、判断剩余主轴功率信号的数目N_left是否位于区间(0,N_st/2)内，若是，则将剩余主轴功率信号并入当前的标准信号段中，若否，则构建一个新的标准信号段；

S33、为所有标准信号段标注段号。

如图5所示，重新划分后的新标准信号段N1′；若N_st/2＜N_left＜N_st，则剩余主轴功率信号仍然构成一个新的标准信号段，如图5中重新划分后的新标准信号段N3′，若N_left＜N_st/2，则将剩余主轴功率信号并入当前的标准信号段中，如图5中重新划分后的新标准信号段N1′。

以上两种情况表明，一个标准信号段可包含多个数控程序段对应的主轴功率信号，如图5中原数控程序段的N1、N2和N3对应重新划分后的新标准信号段N1′；一个数控程序段对应的主轴功率信号也可划分为多个标准信号段，如图5中原数控程序段的N4对应重新划分后的新标准信号段N2′和N3′。

S4、根据数控程序名称、数控程序行号、主轴转速信号和标准信号段段号，构建阈值文件；

所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、在PC端预设初始阈值文件；

S42、根据当前的主轴转速信号，得到主轴转速，判断主轴转速是否大于0，若是，数控侧铣加工过程开始，进入步骤S43，若否，则等待主轴转速大于0，进入步骤S43；

S43、根据当前的数控程序名称对阈值文件进行检索，判断是否存在阈值文件的名称与当前的数控程序名称相同，若是，则跳转至步骤S44，若否，则跳转至步骤S46；

S44、进入监控加工模式，对监控加工模式中待监控信号在一个标准信号段的数值大小进行统计，得到待监控信号值；

S45、设置待监控信号值在该标准信号段的主轴功率信号阈值，进入步骤 S47；

所述步骤S45中主轴功率信号阈值的计算公式为：

Y_max＝P_max·102％

其中，Y_max为主轴功率信号阈值，P_max为待监控信号值的最大值。

S46、进入示教加工模式，通过统计学计算主轴功率信号阈值，进入步骤S47；

S47、将多次采集的数控程序行号、标准信号段段号和主轴功率信号阈值的数据按行存储在Excel文件中；

S48、判断当前的主轴转速是否为0，若是，则将当前Excel文件以刚结束的数控程序名称命名，并保存在PC端的硬盘中作为更新的阈值文件，结束分步骤，若否，则跳转至步骤S43。

每一次采集将数控程序行号、标准信号段的段号、主轴功率信号阈值的数据在Excel文件中按从左到右的顺序存放为一行，多次采集按从上到下的顺序一行一行存放。当采集到的主轴转速等于0时，则说明数控侧铣加工过程结束，将当前Excel文件以刚结束的数控程序名称命名，保存在PC端的硬盘中作为阈值文件。

S5、根据数控程序名称，检索阈值文件，确定当前数控侧铣的加工状态下的监控加工模式；

S6、在监控加工模式下，根据主轴倍率信号和进给倍率信号，将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，实现数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步。

所述步骤S6包括以下分步骤：

S61、判断主轴倍率信号或进给倍率信号是否等于100％，若是，加工系统继续监控，并跳转至步骤S63，若否，则判定出现主轴倍率或进给倍率改变的情况，加工系统暂停监控，并跳转至步骤S62；

S62、等待主轴倍率信号和进给倍率信号调整到100％后，从下一段数控程序行号开始，加工系统继续监控；

S63、在每一个标准信号段结束时，计算主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差；

步骤S63中计算主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差的公式为：

其中，t_{t_j_i}为主轴功率信号阈值的第j个数控程序行号的第i个标准信号段的结束时刻，t_{t_j_0}为主轴功率信号阈值的第i个标准信号段所在的第j个数控程序行号的起始时刻，τ_{t_j_i}为主轴功率信号阈值的第j个数控程序行号前i个标准信号段所经历的时间，t_{m_j_i}为待监控信号的第j个数控程序行号的第i个标准信号段的结束时刻，t_{m_j_0}为待监控信号的第i个标准信号段所在的第j个数控程序行号的起始时刻，τ_{m_j_i}为待监控信号的第j个数控程序行号前i个标准信号段所经历的时间，Δt为主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差，k_j为主轴功率信号阈值与待监控信号第j个数控程序行号的标准信号段的数目；

S64、判断主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差是否位于误差区间

内，若是，累积同步误差在误差范围内，结束，若否，则跳转至步骤 S65，其中，T为采样周期；

S65、设定待监控信号下一个标准信号段的主轴功率信号的累积采样信号数目调整量为Δl；

步骤S65中累积采样信号数目调整量的计算公式为：

其中，

为向下取整，

为向上取整，Δl为累积采样信号数目调整量，Δt为主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差，T为采样周期。

S66、判断主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差是否大于等于

若是，则将待监控信号的下一个标准信号段采集的主轴功率信号的累积采样信号数目增加Δl，实现将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，结束，若否，则将待监控信号的下一个标准信号段采集的主轴功率信号的累积采样信号数目减少|Δl|，实现将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，结束。

在

或

时，当前标准信号段结束时，主轴功率信号阈值与待监控信号之间的累积同步误差超过了一个采样周期，会造成监控失效。

待监控信号对应的加工状态超前及滞后于读取的主轴功率信号阈值对应的加工状态的两种情况分别如图6和图7所示。

试验验证：

为了验证本方法的准确性，采用某刀具磨损状态加工系统进行数据采集和累积同步误差计算。加工系统的采样频率为8Hz，即采样周期T＝0.125s。对某零件进行两次重复数控侧铣加工。将示教加工模式中得到的阈值文件与监控加工模式中的待监控信号在不使用同步方法和使用本发明所述阈值与待监控信号同步方法的情况下，对二者的累积同步误差进行计算和对比分析，对比结果如图8所示。图8中，使用了和未使用同步方法情况下的累积同步误差分别为Δt_use和Δt_not，最大累积同步误差分别为Δt_{use_max}和Δt_{not_max}。

对不使用同步方法和使用本发明所述同步方法情况下的累积同步误差数据进行统计分析，结果如表1所示。

表1累积同步误差数据统计结果

由表1可知，使用了本发明所述阈值与待监控信号同步方法后，累积同步误差在总共900次的采样次数内，始终未超过两个采样周期(0.25s)，满足刀具磨损状态监控精度的要求，且累计同步误差随时间的增加无变大趋势。而未使用阈值与待监控信号同步方法时，在不到300次的采样次数内，累积同步误差就已超过两个采样周期，且在总共900次的采样次数内，累积同步误差最高达到了八个采样周期(1s)，造成监控失效，且累计同步误差随时间的增加还有变大趋势。表1中对累积同步误差数据的统计结果表明，本发明提出的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，可以有效地提高二者的同步精度。

本实施例数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法的特点在于：通过分析现有阈值与待监控信号同步方法在数控侧铣加工中失效的原因，借助统计分析确定合理的基准累积采样信号数目，并基于该基准累积采样信号数目划分标准信号段，给数控侧铣加工分段监控提供了合理的分段依据；对主轴倍率或进给倍率改变的情况进行判定，有效避免了加工系统在这两种特殊情况下失效；在每一个标准信号段结束时，计算当前标准信号段的累积同步误差，并根据其大小确定待监控信号下一个标准信号段的主轴功率信号的累积采样信号数目调整量，可有效地将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在合理范围内。

Claims (10)

1.一种数控侧铣加工系统，其特征在于，包括：机床、可编程逻辑控制模块PLC、操作面板控制单元PCU和PC端；

所述机床包括：主轴功率传感器；所述主轴功率传感器安装在机床的主轴电机上，用于实时采集主轴功率信号；所述机床用于将主轴功率信号通过OPC自动化接口传输给可编程逻辑控制模块PLC；所述可编程逻辑控制模块PLC用于将监控数据以以太网方式传输给操作面板控制单元PCU；所述操作面板控制单元PCU用于将监控数据通过以太网方式传输至PC端；所述PC端用于进行数据分析，进而远程控制。

2.根据权利要求1所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述监控数据包括：数控程序名称、数控程序行号、主轴功率信号、主轴转速信号、主轴倍率信号和进给倍率信号。

3.一种数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以指定频率采集数控程序名称、数控程序行号、主轴功率信号、主轴转速信号、主轴倍率信号和进给倍率信号并保存至PC端；

S2、根据不同时长的数控侧铣加工测试试验，对加工系统在不同累积采样信号数目下的累积同步误差进行统计分析，得到基准累积采样信号数目；

S3、根据基准累积采样信号数目和PC端的数控程序行号中包含的主轴功率信号的数目，对主轴功率信号划分和标注信号段，得到多个标注了段号的标准信号段；

S4、根据数控程序名称、数控程序行号、主轴转速信号和标准信号段段号，构建阈值文件；

S5、根据数控程序名称，检索阈值文件，确定当前数控侧铣的加工状态下的监控加工模式；

S6、在监控加工模式下，根据主轴倍率信号和进给倍率信号，将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，实现数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步。

4.根据权利要求3所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述步骤S1中指定频率为8Hz。

5.根据权利要求3所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、进行不同累积采样信号数目的多组数控侧铣加工测试试验；

S22、计算所有组数控侧铣加工测试试验采集的时间信号得到的加工时长；

S23、以第一组数控侧铣加工测试试验的加工时长为基准，计算剩余组加工时长与第一组加工时长的差值绝对值，并对差值绝对值求和计算平均差值，作为该种加工时长下数控侧铣加工测试试验的平均累积同步误差；

S24、将各种加工时长下的平均累积同步误差与一个采样周期进行对比，将超过且与一个采样周期最接近的平均累积同步误差对应的累积采样信号数目作为基准累积采样信号数目N_st。

6.根据权利要求5所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、将PC端的数控程序行号中包含的每N_st个主轴功率信号划分为一个标准信号段，直到第n*N_st+1个主轴功率信号与最后一个主轴功率信号之间的剩余主轴功率信号的数目N_left小于基准累积采样信号数目N_st；

S32、判断剩余主轴功率信号的数目N_left是否位于区间(0，N_st/2)内，若是，则将剩余主轴功率信号并入当前的标准信号段中，若否，则构建一个新的标准信号段；

S33、为所有标准信号段标注段号。

7.根据权利要求3所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、在PC端预设初始阈值文件；

S42、根据当前的主轴转速信号，得到主轴转速，判断主轴转速是否大于0，若是，则数控侧铣加工过程开始，进入步骤S43，若否，则等待主轴转速大于0，进入步骤S43；

S43、根据当前的数控程序名称对阈值文件进行检索，判断是否存在阈值文件的名称与当前的数控程序名称相同，若是，则跳转至步骤S44，若否，则跳转至步骤S46；

S44、进入监控加工模式，对监控加工模式中待监控信号在一个标准信号段的数值大小进行统计，得到待监控信号值；

S45、设置待监控信号值在该标准信号段的主轴功率信号阈值，进入步骤S47；

S46、进入示教加工模式，通过统计学计算主轴功率信号阈值，进入步骤S47；

S47、将多次采集的数控程序行号、标准信号段段号和主轴功率信号阈值的数据按行存储在Excel文件中；

S48、判断当前的主轴转速是否为0，若是，则将当前Excel文件以刚结束的数控程序名称命名，并保存在PC端的硬盘中作为更新的阈值文件，结束分步骤，若否，则跳转至步骤S43。

8.根据权利要求7所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述步骤S45中主轴功率信号阈值的计算公式为：

Y_max＝P_max·102％

其中，Y_max为主轴功率信号阈值，P_max为待监控信号值的最大值。

9.根据权利要求3所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下分步骤：

S61、判断主轴倍率信号或进给倍率信号是否等于100％，若是，加工系统继续监控，并跳转至步骤S63，若否，则判定出现主轴倍率或进给倍率改变的情况，加工系统暂停监控，并跳转至步骤S62；

S62、等待主轴倍率信号和进给倍率信号调整到100％后，从下一段数控程序行号开始，加工系统继续监控；

S63、在每一个标准信号段结束时，计算主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差；

S64、判断主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差是否位于误差区间

内，若是，累积同步误差在误差范围内，结束，若否，则跳转至步骤S65，其中，T为采样周期；

S65、设定待监控信号下一个标准信号段的主轴功率信号的累积采样信号数目调整量为Δl；

S66、判断主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差是否大于等于

若是，则将待监控信号的下一个标准信号段采集的主轴功率信号的累积采样信号数目增加Δl，实现将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，结束，若否，则将待监控信号的下一个标准信号段采集的主轴功率信号的累积采样信号数目减少|Δl|，实现将主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差控制在误差范围内，结束。

10.根据权利要求9所述的数控侧铣加工中阈值与待监控信号的精确同步方法，其特征在于，所述步骤S63中计算主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差的公式为：

其中，t_{t_j_i}为主轴功率信号阈值的第j个数控程序行号的第i个标准信号段的结束时刻，t_{t_j_0}为主轴功率信号阈值的第i个标准信号段所在的第j个数控程序行号的起始时刻，τ_{t_j_i}为主轴功率信号阈值的第j个数控程序行号前i个标准信号段所经历的时间，t_{m_j_i}为待监控信号的第j个数控程序行号的第i个标准信号段的结束时刻，t_{m_j_0}为待监控信号的第i个标准信号段所在的第j个数控程序行号的起始时刻，τ_{m_j_i}为待监控信号的第j个数控程序行号前i个标准信号段所经历的时间，Δt为主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差，k_j为主轴功率信号阈值与待监控信号第j个数控程序行号的标准信号段的数目；

步骤S65中累积采样信号数目调整量的计算公式为：

其中，

为向下取整，

为向上取整，Δl为累积采样信号数目调整量，Δt为主轴功率信号阈值与待监控信号的累积同步误差，T为采样周期。

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