CN113031521A - 数控机床的刀具监控系统和方法 - Google Patents

数控机床的刀具监控系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了数控机床的刀具监控系统和方法。该系统包括：采集模块，被配置为采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值；监控模块，被配置为基于所述当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或所述当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，监控所述数控机床的刀具的操作。通过上述结构，解决了现有技术中无法精确地实时监控刀具的操作状态的问题，具有能够精确地实时监控刀具的操作的有益效果。

Description

数控机床的刀具监控系统和方法
技术领域
本发明涉及数控领域，特别涉及一种数控机床的刀具监控系统和方法。
背景技术
刀具监控系统在机床的加工中对刀具的保护以及加工工件的保护至关重要，由于目前自动化生产线无人值守，若在加工中刀具损坏而没有及时的发现的话，会导致刀具刀柄的损坏，同时也会导致工件的报废，因此刀具的监控对机床的加工很重要。
目前，刀具监控的方法主要有以下几种方式：
通过检测主轴的功率来判断刀具是否磨损或者损坏，需要先学习刀具加工过程中的主轴负载曲线，然后加工同样的工件时，进行主轴负载曲线的对比，如果超出预设的范围，则判断刀具磨损或者折断。但采用这种方式，当加工的材质不均匀时，会导致误报警。
通过外加测量装置在刀具还回刀库时检测刀具的长度，但这种方式只能检测刀断掉的刀具，不能实时地监控刀具的状态。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种数控机床的刀具监控系统和方法，用以提高刀具监控的精确性和实时性，进一步确保刀具的操作状态。
根据本公开实施方式的一个方面，提供了一种数控机床的刀具监控系统，包括：采集模块，被配置为采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值；监控模块，被配置为基于所述当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或所述当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，监控所述数控机床的刀具的操作。
通过上述结构，解决了现有技术中无法精确地实时监控刀具的操作状态的问题，具有能够精确地实时监控刀具的操作的有益效果。
在一个示例性实施方式中，所述系统还包括：阈值确定模块，被配置为通过机器学习分别得到所述预设的刀具功率阈值和所述预设的刀具扭矩阈值。
通过上述结构，使得能够通过机器学习的方式来确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值，从而使得这两个预设值更加准确，以更好地监控刀具的操作。
在一个示例性实施方式中，其中，所述阈值确定模块包括：机器学习单元，被配置为获取预定时间段内的所述进给轴的多个扭矩值和所述主轴的多个功率值，取所述多个扭矩值中的最大的扭矩值作为所述预设的刀具扭矩阈值，并取所述多个功率值中的最大的功率值作为所述预设的刀具功率阈值。
通过上述结构，使得能够基于数控机床工作一段时间后的操作数据来确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值，从而使得这两个预设值更加准确，以更好地监控刀具的操作。
在一个示例性实施方式中，所述监控模块还被配置为：在所述当前功率值超过所述预设的刀具功率阈值和/或所述当前扭矩值超过所述预设的刀具扭矩阈值的情况下，充分减慢，暂停和/或停止加工过程的所述刀具的进给速度。
通过上述结构，使得能够基于预设的刀具扭矩阈值和/或预设的刀具功率阈值，来减慢，暂停和/或停止刀具的进给速度，从而避免刀具的损坏或损伤。
在一个示例性实施方式中，该系统还包括显示模块，被配置为：基于所述进给轴的当前扭矩值，绘制并显示所述进给轴的扭矩曲线图；基于所述主轴的当前功率值，绘制并显示所述主轴的功率曲线图。
通过上述结构，使得操作人员能够直观地观察到刀具的扭矩和功率的趋势，从而有利于操作人员的进一步操作。
在一个示例性实施方式中，该系统还包括重置模块，被配置为：基于检测到的功率输入值，重置所述预设的刀具功率阈值；和/或基于检测到的扭矩输入值，重置所述预设的刀具扭矩阈值；其中，所述功率输入值是基于所述功率曲线图而得到的，所述扭矩输入值是基于所述扭矩曲线图而得到的。
通过上述结构，使得预设的刀具功率阈值和/或预设的刀具扭矩阈值是可变的，从而能够更好地控制刀具的操作。
根据本公开实施方式的另一个方面，提供了一种数控机床的刀具监控方法，包括：采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值；基于所述当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或所述当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，监控所述数控机床的刀具的操作。
通过上述方法，解决了现有技术中无法精确地实时监控刀具的操作状态的问题，具有能够精确地实时监控刀具的操作的有益效果。
在一个示例性实施方式中，在采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值之前，所述方法还包括：通过机器学习分别得到所述预设的刀具功率阈值和所述预设的刀具扭矩阈值。
通过上述方法，使得能够通过机器学习的方式来确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值，从而使得这两个预设值更加准确，以更好地监控刀具的操作。
在一个示例性实施方式中，通过机器学习分别得到所述预设的刀具功率阈值和所述预设的刀具扭矩阈值包括：获取预定时间段内的所述进给轴的多个扭矩值和所述主轴的多个功率值，取所述多个扭矩值中的最大的扭矩值作为所述预设的刀具扭矩阈值，并取所述多个功率值中的最大的功率值作为所述预设的刀具功率阈值。
通过上述方法，使得能够基于数控机床工作一段时间后的操作数据来确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值，从而使得这两个预设值更加准确，以更好地监控刀具的操作。
在一个示例性实施方式中，其中，基于所述当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或所述当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，监控所述数控机床的刀具的操作包括：在所述当前功率值超过所述预设的刀具功率阈值和/或所述当前扭矩值超过所述预设的刀具扭矩阈值的情况下，充分减慢，暂停和/或停止加工过程的所述刀具的进给速度。
通过上述方法，使得能够基于预设的刀具扭矩阈值和/或预设的刀具功率阈值，来减慢，暂停和/或停止刀具的进给速度，从而避免刀具的损坏或损伤。
在一个示例性实施方式中，其中，在采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值之后，所述方法还包括：基于所述主轴的当前功率值，绘制并显示所述主轴的功率曲线图；和/或基于所述进给轴的当前扭矩值，绘制并显示所述进给轴的扭矩曲线图。
通过上述方法，使得操作人员能够直观地观察到刀具的扭矩和功率的趋势，从而有利于操作人员的进一步操作。
在一个示例性实施方式中，其中，在绘制并显示所述主轴的功率曲线图之后，所述方法还包括：基于检测到的功率输入值，重置所述预设的刀具功率阈值；和/或在绘制并显示所述进给轴的扭矩曲线图之后，所述方法还包括：基于检测到的扭矩输入值，重置所述预设的刀具扭矩阈值；其中，所述功率输入值是基于所述功率曲线图而得到的，所述扭矩输入值是基于所述扭矩曲线图而得到的。
通过上述方法，使得预设的刀具功率阈值和/或预设的刀具扭矩阈值是可变的，从而能够更好地控制刀具的操作。
根据本公开实施方式的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上一项所述的方法。
根据本公开实施方式的另一个方面，提供了一种计算机设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器上并能在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序用于实现如上所述的方法。
从上述方案中可以看出，由于本公开通过采集数控机床的主轴的当前功率值和数控机床的进给轴的当前扭矩值，并基于当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，来监控所述数控机床的刀具的操作，所以解决了现有技术中无法精确地实时监控刀具的操作状态的问题，具有能够精确地实时监控刀具的操作的有益效果。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为根据本公开实施方式的数控机床的刀具监控系统的结构示意图。
图2为根据本公开实施方式的数控机床的刀具监控系统及数控机床的结构示意图。
图3为根据本公开实施方式的数控机床的刀具监控方法的流程图。
图4为根据本公开实施方式的确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值的流程图。
图5为根据本公开实施方式的监控刀具的人机界面截屏图。
其中，附图标记如下：
100 刀具监控系统
10 采集模块
12 监控模块
14 阈值确定模块
16 显示模块
18 重置模块
200 数控机床
20 控制器
22 机床
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
术语定义
数控机床(CNC)是计算机数字控制机床(Computer numerical control)的简称，是一种由程序控制的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作，进而通过刀具切削将毛坯料加工成半成品成品零件。
PLC(Programmable Logic Controller)可编程逻辑控制器，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
图1为根据本公开实施方式的数控机床的刀具监控系统的结构示意图，图2为根据本公开实施方式的数控机床的刀具监控系统及数控机床的结构示意图。
参照图1和图2，刀具监控系统100应用于数控机床200，其中，刀具监控系统100包括采集模块10、监控模块12、阈值确定模块14、显示模块16和重置模块18，数控机床200包括控制器20和机床22，机床22上设置有架设于工作平台上的刀具。刀具监控系统100例如为该数控机床200的标准配备或独立电脑(如远端电脑、个人电脑、平板或手机等)，具有运算与显示监控结果的功能。
刀具监控系统100的阈值确定模块14被配置为通过机器学习分别得到预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值。阈值确定模块14包括机器学习单元142，机器学习单元142被配置为获取预定时间段内的进给轴的多个扭矩值和主轴的多个功率值，取多个扭矩值中的最大的扭矩值作为预设的刀具扭矩阈值，并取多个功率值中的最大的功率值作为预设的刀具功率阈值。
刀具监控系统100的采集模块10被配置为采集数控机床200的主轴的当前功率值和数控机床200的进给轴的当前扭矩值。在其他的实施方式中，除了采集当前功率值和当前扭矩值之外，还可以采集刀具进给速率、主轴转速、主轴负载等。
刀具监控系统100的监控模块12被配置为基于当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，来监控数控机床200的刀具的操作。例如，在当前功率值超过预设的刀具功率阈值和/或当前扭矩值超过预设的刀具扭矩阈值的情况下，充分减慢，暂停和/或停止加工过程述刀具的进给速度。例如，“充分减慢”在一些实施例中分别意味着降速超过50％、70％或者90％。
刀具监控系统100的显示模块16被配置为基于进给轴的当前扭矩值，绘制并显示进给轴的扭矩曲线图，并基于主轴的当前功率值，绘制并显示主轴的功率曲线图。绘制出的扭矩曲线图和功率曲线图如图5所示。
刀具监控系统100的重置模块18被配置为基于检测到的功率输入值，重置预设的刀具功率阈值；并且基于检测到的扭矩输入值，重置预设的刀具扭矩阈值。其中，功率输入值是基于功率曲线图而得到的，扭矩输入值是基于所述扭矩曲线图而得到的。例如，该显示屏幕上可以显示具有多个用以呈现参数运作的界面，供操作人员设定相关的参数，如设定数控机床200的刀具的功率最大值、最小值和当前值，以及刀具的扭矩的最大值、最小值和当前值。在其他的实施方式中，还可以显示机台特征、目标工件的信息、刀具的其他信息等。
在另外的实施方式中，刀具监控系统100还可以包括报警模块，其依据该监控模块12的监控结果输出报警信号，以启动报警机制，如采用警铃、电脑画面或其它方式等。
在其他的实施方式中，刀具监控系统100所用到的数据可以为内部直接传输，例如，机床22具有该刀具监控系统100的配置、应用程序界面(例如用于取得机床22的信息)、用于该刀具监控系统内外信号传递及暂存的PLC、外部装置直接传输，例如编码器传输座标信号、光学尺传输座标信号、数据收集卡传输座标等。
本公开实施方式无需在机床22上安装大量感测器，这样，不仅能大幅降低监控成本，而且其监控精度不会受环境因素或电磁波干扰。
此外，本公开通过在加工现场实时收集数据即可进行监控，因而无需使用数据库中的数据，所以与现有技术相比较，本公开在加工作业前无需进行创建数据库，因而能节省操作时间并简化加工作业。
此外，同一种机床可利用相同的刀具监控系统，所以该刀具监控系统可同时监控多台机床的多个刀具的操作状况。
图3为根据本公开实施方式的数控机床的刀具监控方法的流程图。该方法主要通过PLC程序控制来实现。如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S302，确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值。
获取预定时间段内的进给轴的多个扭矩值和主轴的多个功率值，取多个扭矩值中的最大的扭矩值作为预设的刀具扭矩阈值，并取多个功率值中的最大的功率值作为预设的刀具功率阈值。
具体地确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值的如图4所示，此处不再赘述。
步骤S304，采集当前数据。
数控机床的控制器实时将与主轴相关联的电动机所使用的当前功率值以及与进给轴相关联的电动机所使用的当前扭矩值发送给刀具监控系统，以使刀具监控系统能够实时地采集到进给轴的当前扭矩值和主轴的当前功率值。
步骤S306，监控刀具的操作。
通过数控机床提供的进给轴的当前扭矩值以及主轴的当前功率值，来判断当前加工时刀具的扭矩或功率是否超过预设的刀具扭矩阈值和预设的刀具功率阈值，如果超过预设的刀具扭矩阈值和预设的刀具功率阈值，则停止刀具的加工操作。
若当前功率值超出预设的刀具功率阈值，或者当前扭矩值超出预设的刀具扭矩阈值，则表示该刀具呈异常状态，所以该刀具监控系统会输出警示信号，以采用信号灯、警铃、电脑画面或其它方式等来提醒操作人员，当然也可以强制该机床的刀具停止运作。此时，操作人员可以即时替换刀具，而无需待整批相同的目标工件均完成加工作业后，才替换该刀具。
在控制刀具的加工操作时，刀具监控系统可从多种来源取得并记录该机床的刀具的移动路径的座标数据，例如，机床的控制器的位置控制器、机床的伺服电机上的编码器、或工作平台上的光学尺等。刀具监控系统通过所获得的上述数据，可以精确地控制刀具的操作，例如，停止或减缓速度等。
步骤S308，显示曲线图
基于进给轴的当前扭矩值以及主轴的当前功率值分别生成功率曲线图和扭矩曲线图，其中，功率曲线图和扭矩曲线图是从开始时间点到当前时间点的各个时间点对应的当前扭矩值和当前功率值分别连接起来而形成的曲线图。
通过PLC程序来判断出每一把刀具在一段时间内的加工时的最大扭矩值和最大功率值并记录下来，操作人员可根据刀具加工过程中的最大扭矩值和最大功率值来设置刀具的预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值，以方便重新设置预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值。
本实施方式中所生成的功率曲线图和扭矩曲线图显示在如图5所示的人机界面上。本公开设计了专门的人机界面，以显示当前生效的刀具、机床主轴和进给轴的坐标、当前执行的程序、进给轴进给的当前扭矩、主轴的当前功率的实时值的曲线图。本公开的实施方式中，可对曲线图进行放大和缩小，以方便查看加工过程中刀具的扭矩趋势，由此判断出刀具的预设的刀具扭矩阈值和刀具功率阈值。
图4为根据本公开实施方式的确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值的流程图。如图4所示，该流程包括以下步骤：
步骤S401，设置初始值。
换刀结束时，将当前刀具的进给轴的预设的刀具扭矩阈值FTmax设置为0，主轴的预设的刀具功率阈值SPPmax设置为0。
步骤S402，读取当前值。
读取进给轴的当前扭矩值FT_Current和主轴的当前功率值SP_Power_Current。
在本公开的实施方式中，数控机床的控制器实时将与主轴相关联的电动机所使用的当前功率值SP_Power_Current以及与进给轴相关联的电动机所使用的当前扭矩值FT_Current发送给刀具监控系统，以使刀具监控系统能够实时地采集到进给轴的当前扭矩值FT_Current和主轴的当前功率值SP_Power_Current。
步骤S403，比较当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值。
如果当前扭矩值FT_Current超过预设的刀具扭矩阈值FTmax，则执行步骤S404，否则执行步骤S405。
步骤S404，将当前扭矩值FT_Current赋给预设的刀具扭矩阈值FTmax。
步骤S405，比较当前功率值和预设的刀具功率阈值。
如果当前功率值SP_Power_Current超过预设的刀具功率阈值SPPmax，则执行步骤S406，否则跳到步骤S402。
步骤S406，将当前功率值赋给预设的刀具功率阈值。
循环执行n次步骤S402至步骤S406，以通过机器学习的方式，确定预设的刀具功率阈值和预设的刀具扭矩阈值。
通过本公开实施方式中的方案，实现了以下有益效果：无需增加硬件即可对刀具进行监控；通过人机界面能够直观的观察加工过程中的负载，在PLC中自动计算最大的扭矩；直接读取控制中的电机的扭矩，对电机扭矩进行监控；人机界面用于每个轴的负载曲线的显示，编写PLC程序来判断加工过程中该刀具的实际最大有效扭矩。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (14)

1.数控机床的刀具监控系统，其特征在于，包括：
采集模块，被配置为采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值；
监控模块，被配置为基于所述当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或所述当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，监控所述数控机床的刀具的操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：
阈值确定模块，被配置为通过机器学习分别得到所述预设的刀具功率阈值和所述预设的刀具扭矩阈值。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述阈值确定模块包括：
机器学习单元，被配置为获取预定时间段内的所述进给轴的多个扭矩值和所述主轴的多个功率值，取所述多个扭矩值中的最大的扭矩值作为所述预设的刀具扭矩阈值，并取所述多个功率值中的最大的功率值作为所述预设的刀具功率阈值。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述监控模块还被配置为：
在所述当前功率值超过所述预设的刀具功率阈值和/或所述当前扭矩值超过所述预设的刀具扭矩阈值的情况下，充分减慢，暂停和/或停止加工过程的所述刀具的进给速度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，还包括显示模块，被配置为：
基于所述进给轴的当前扭矩值，绘制并显示所述进给轴的扭矩曲线图；
基于所述主轴的当前功率值，绘制并显示所述主轴的功率曲线图。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，还包括重置模块，被配置为：
基于检测到的功率输入值，重置所述预设的刀具功率阈值；和/或
基于检测到的扭矩输入值，重置所述预设的刀具扭矩阈值；
其中，所述功率输入值是基于所述功率曲线图而得到的，所述扭矩输入值是基于所述扭矩曲线图而得到的。
7.数控机床的刀具监控方法，其特征在于，包括：
采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值；
基于所述当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或所述当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，监控所述数控机床的刀具的操作。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值之前，所述方法还包括：
通过机器学习分别得到所述预设的刀具功率阈值和所述预设的刀具扭矩阈值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过机器学习分别得到所述预设的刀具功率阈值和所述预设的刀具扭矩阈值包括：
获取预定时间段内的所述进给轴的多个扭矩值和所述主轴的多个功率值，取所述多个扭矩值中的最大的扭矩值作为所述预设的刀具扭矩阈值，并取所述多个功率值中的最大的功率值作为所述预设的刀具功率阈值。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，基于所述当前功率值和预设的刀具功率阈值的比较结果和/或所述当前扭矩值和预设的刀具扭矩阈值的比较结果，监控所述数控机床的刀具的操作包括：
在所述当前功率值超过所述预设的刀具功率阈值和/或所述当前扭矩值超过所述预设的刀具扭矩阈值的情况下，充分减慢，暂停和/或停止加工过程的所述刀具的进给速度。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中，在采集所述数控机床的主轴的当前功率值和所述数控机床的进给轴的当前扭矩值之后，所述方法还包括：
基于所述主轴的当前功率值，绘制并显示所述主轴的功率曲线图；和/或
基于所述进给轴的当前扭矩值，绘制并显示所述进给轴的扭矩曲线图。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
在绘制并显示所述主轴的功率曲线图之后，所述方法还包括：基于检测到的功率输入值，重置所述预设的刀具功率阈值；和/或
在绘制并显示所述进给轴的扭矩曲线图之后，所述方法还包括：基于检测到的扭矩输入值，重置所述预设的刀具扭矩阈值；
其中，所述功率输入值是基于所述功率曲线图而得到的，所述扭矩输入值是基于所述扭矩曲线图而得到的。
13.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求7至12中任一项所述的方法。
14.计算机设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器上并能在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序用于实现如权利要求7至12中任一项所述的方法。
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