CN116224902A - 一种智能换刀决策控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能换刀决策控制系统，涉及加工中心控制技术领域，解决了现有技术无法合理配置刀库和优化刀库布局，导致在加工过程中换刀效率难以提高的技术问题；本发明根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域；设置各加工区域对应的刀库优先级排序；以及在各刀库中设置寄存刀位，结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作；本发明按照就近原则从各刀库中选择最佳刀具并完成换刀操作，提高了换刀效率；本发明在完成换刀操作之后，比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警；本发明能够及时判断刀具的磨损程度，联合自动换刀程序及时进行换刀，保证加工工作的稳定进行。

Description

一种智能换刀决策控制系统

技术领域

本发明属于加工中心控制领域，涉及智能换刀决策控制技术，具体是一种智能换刀决策控制系统。

背景技术

刀库对于加工中心来说十分重要，各类工序加工都是由刀库里的刀具完成的。加工中心换刀和刀库的选择可以根据被加工工件的工艺分析结果来确定所需刀具数量，通常根据一个零件在一次装夹中所需刀具数来确定刀库的容量。

加工中心一般配置单个刀库，在需要多种工艺同时加工的情况下只能在一个刀库里面更换刀具。如果刀库离工件加工位置较远，会导致换刀耗时长而降低加工效率。有些大型加工中心配置了两个或者两个以上的刀库，但这些刀库数量的增加仅仅是为了扩充刀具存放数量，在刀库的布局设计上并没有进行优化，会随着刀库数量的增加而降低换刀效率；因此，亟须一种智能换刀决策控制系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一；为此，本发明提出了一种智能换刀决策控制系统，用于解决现有技术无法合理配置刀库和优化刀库布局，导致在加工过程中换刀效率难以提高的技术问题。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种智能换刀决策控制系统，包括上位机，以及与之相连接的换刀控制模块和磨损检测模块；

换刀控制模块：根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域；设置各加工区域对应的刀库优先级排序；以及在各刀库中设置寄存刀位，结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作；其中，寄存刀位用于临时存储其他刀库的刀具；

磨损检测模块：在完成换刀操作之后，根据加工记录和扭矩值确定磨损参考值；持续读取扭矩值，并计算磨损实时值；比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警。

上位机用于获取数据并处理数据，并与换刀控制模块和磨损检测模块进行数据交互。换刀控制模块主要负责刀具的就近更换，为了实现就近更换本发明在多刀库的基础上对机床加工面进行了划分，并为划分的每个区域按照就近原则对刀库进行排序，获取刀库优先级排序。磨损检测模块则自动化检测刀具的磨损情况，一旦磨损情况超过预期则进行预警，必要的时候还可以自动生成自动换刀指令，对已经磨损严重的刀具进行及时更换。

优选的，所述根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域，包括：

基于机床参数在机床周围合理设置刀库点位，并在刀库点位处配置刀库；

根据机床参数和工件加工要求将机床加工面划分为若干规则的加工区域，且相邻加工区域之间共用区域边界。

多刀库是提高换刀效率的基础，根据机床参数在机床周围合理配置刀库；如机床加工面是较大的长方形，则在长方形的每条边均对应配置刀库，即配置了四个刀库。接着，对加床加工面进行合理划分，如将长方形按照等分线划分成四个加工区域，相邻加工区域之间没有空余区域，也就是相邻的加工区域会共用一条边。多加工区域和多刀库的配置便于设计换刀规则，提高换刀效率。

优选的，所述设置各加工区域对应的刀库优先级排序，包括：

选定加工区域并标记为目标区域；

计算各刀库与目标区域之间的换刀距离，根据换刀距离来设置各刀库相对于目标区域的优先级；其中，换刀距离越短，刀库相对于目标区域的优先级越高。

机床的每个加工区域均有其对应的刀库优先级排序。加工区域的刀库优先级排序是根据刀库与加工区域之间的距离来排序的；距离越近，刀库对应的优先级越高。需要注意的是，这里的距离是指换刀距离，也就是换刀路线对应的距离，这里的换刀路线并不一定是直线。对每个加工区域的刀库优先级排序进行存储，以便快速调取识别。

优选的，每个所述刀库在初始状态下均存在一个寄存刀位为空刀状态；

在对刀库中刀位进行取刀动作之后，重新放回的刀具为其他刀库的刀具时，则将该刀位的属性修改为寄存刀位；当重新放回的刀具为初始刀具时则刀位属性不变。

为机床配置的每个刀库均存储若干寄存刀位，且存在一个刀位为空刀状态。当刀库中某个刀位的刀具被取出之后放回了其他刀库的刀具时，则该刀位的属性修改为寄存刀位，对该刀位中的刀具不在进行取刀操作。而若某个刀位的刀具被取出之后原位放回，则仍然可以在该刀位进行重复取刀。寄存刀位也是就近换刀的基础，能够在进行就近换刀时为刀具提供临时存放位置，提高换刀效率。

优选的，所述换刀控制模块结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作，包括：

执行换刀程序时，上位机读取目标刀号信息以及所有刀库中的刀具信息；其中，刀具信息包括直径、类型、位置以及刀具补偿；

根据加工位置确定对应的刀库优先级，基于刀库优先级匹配确定最佳刀具，并完成换刀操作；换刀操作之后利用刀补指令完成刀具补偿。

上位机根据预先设定的加工流程确定目标刀号信息，根据目标刀号信息在各刀库中进行匹配，获取最佳刀具，该最佳刀具则是需要更换的刀具。而且，在确定最佳刀具的过程中还需要综合考虑刀库优先级排序，当两个刀库均存在需要的刀具时，将高优先级刀库中的刀具作为最佳刀具。

优选的，所述在完成换刀操作之后，根据加工记录和扭矩值确定磨损参考值，包括：在完成换刀操作开始进行加工时，获取加工记录；其中，加工记录包括加工深度和加工速度；读取扭矩值，结合加工记录计算出磨损参考值。

刀库中的刀具默认都是状态良好的，因此根据加工深度、加工速度以及扭矩值能够计算出刀具磨损值。将跟换刀具之后计算得到的刀具磨损值作为磨损参考值，而将加工过程中计算得到的刀具磨损值作为磨损实时值；当磨损实时值超过磨损参考值一定大小时，则判定刀具磨损严重，需要进行预警以及换刀操作。

优选的，所述比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警，包括：

在加工过程中持续读取扭矩值，并根据读取的扭矩值计算磨损实时值；

将磨损参考值和磨损实时值分别标记为MCZ和MSZ；当MSZ≥MSZ+γ时，则判定刀具磨损严重，生成预警信号；其中，γ为根据经验设定的系数，且γ>0。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域；设置各加工区域对应的刀库优先级排序；以及在各刀库中设置寄存刀位，结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作；本发明按照就近原则从各刀库中选择最佳刀具并完成换刀操作，提高了换刀效率。

2.本发明在完成换刀操作之后，根据加工记录和扭矩值确定磨损参考值；持续读取扭矩值，并计算磨损实时值；比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警；本发明能够及时判断刀具的磨损程度，联合自动换刀程序及时进行换刀，保证加工工作的稳定进行。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的刀库配置和加工区域划分示意图；

图2为本发明的就近换刀流程示意图；

图3为本发明的刀具检测以及智能换刀流程示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明第一方面实施例提供了一种智能换刀决策控制系统，包括上位机，以及与之相连接的换刀控制模块和磨损检测模块；换刀控制模块：根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域；设置各加工区域对应的刀库优先级排序；以及在各刀库中设置寄存刀位，结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作；磨损检测模块：在完成换刀操作之后，根据加工记录和扭矩值确定磨损参考值；持续读取扭矩值，并计算磨损实时值；比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警。

请参阅图1，本实施例以长方形机床加工面为例，在设备底座的前端和后端分别设置前刀库和后刀库，在设备移动龙门的左端和右端分别设置左刀库和右刀库，同样将机床加工面划分为加工区域1、加工区域2、加工区域3、加工区域4、加工区域5和加工区域6。按照换刀距离为每个加工区域配置刀库，具体参考下表1：

表1 加工区域和对应的刀库优先级排序

如表1所示，加工位置处于加工区域1时刀库优先级排序为后刀库＞右刀库＞左刀库＞前刀库，加工位置处于加工区域2时刀库优先级排序为右刀库＞左刀库＞后刀库＞前刀库，加工位置处于加工区域3时刀库优先级排序为左刀库＞右刀库＞后刀库＞前刀库，加工位置处于加工区域4时刀库优先级排序为右刀库＞左刀库＞前刀库＞后刀库，加工位置处于加工区域5时刀库优先级排序为左刀库＞右刀库＞前刀库＞后刀库，加工位置处于加工区域6时刀库优先级排序为前刀库＞右刀库＞左刀库＞后刀库。

值得注意的是，本实施例按照换刀距离来进行刀库优先级进行排序。在另外一些优选的实施例中，也可以计算刀库中心位置与各加工区域中心位置来进行刀库优先级排序，这种情况下需要注意控制左刀库和右刀库到达机床加工面之间的水平距离，尽量让二者与机床加工面对应侧的水平距离不一致。每个刀库初始状态下有一个寄存刀位为空刀状态，可储存来自其它刀库的刀具。每个刀位进行取刀动作后，重新放回的刀具为其它刀库刀具时此刀位的属性更改为寄存刀位，在当前加工程序中存储刀位不再进行取刀动作。当重新放回的刀具为初始刀具此刀位属性不变，可重复在该刀位取刀。

请参阅图2，就近换刀程序实现方法：执行换刀宏程序时，上位机软件读取目标刀号信息以及所有刀库中刀具的信息（直径，类型，所在位置，刀具补偿）,存储在数据库中，并将所有相同数据的刀具作为备选刀具存储在数据库中。机器在运行加工程序时，软件根据当前机器所在坐标信息进行分析，得出刀库优先级（位置越近优先级越高），根据刀库优先级依次匹配相同数据的刀具，直到得到最佳刀具，执行换刀宏，换刀宏在执行过程中判断是否进行就近换刀，判断为是则将软件发送过来的目标刀号替换为新的目标刀号，继续执行宏程序，完成换刀，换刀结束后用刀补命令将刀具长度给定到当前刀刀具补偿中。

请参阅图3，断刀检测及智能换刀系统程序实现方法：更换新的刀具后，在机器启动加工，主轴切割板件时，读取当前扭矩值并给到上位机中，上位机根据当前加工文件的信息(例如加工深度，加工速度等)以及读取的扭矩值进行数据分析，得出初始刀具磨损参考值。当刀具使用一段时间后出现磨损，伺服读取的扭矩值也会增大，当刀具磨损超过参考值一定范围后，上位机会提示操作人员刀具磨损严重，建议更换刀具，并在启动加工下一工件时提示是否更换刀具，确认后会匹配相同刀具并进行自动换刀。

具体比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警，包括：在加工过程中持续读取扭矩值，并根据读取的扭矩值计算磨损实时值；将磨损参考值和磨损实时值分别标记为MCZ和MSZ；当MSZ≥MSZ+γ时，则判定刀具磨损严重，生成预警信号。

刀具磨损程度与加工深度、加工速度、扭矩值之间的对应关系根据历史经验数据建立，具体可以通过曲线拟合法或者人工智能模型建立关联模型。

结合上述刀库优先级排序，对就近换刀原则进行详细说明，依次参考表2、表3、表4和表5，表2至表3是主轴第一次就近换刀，表3至表4是主轴第二次就近换刀，表4至表5是主轴第三次就近换刀。

表2 机床主轴第一次换刀需求及各刀库状态

表3 机床主轴第二次换刀需求及各刀库状态

表4 机床主轴第三次换刀需求及各刀库状态

表5 机床主轴第三次换刀后各刀库状态

上述公式中的部分数据均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集的大量数据经过软件模拟得到最接近真实情况的一个公式；公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者通过大量数据模拟获得。

本发明的工作原理：根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域；设置各加工区域对应的刀库优先级排序；以及在各刀库中设置寄存刀位，结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作。在完成换刀操作之后，根据加工记录和扭矩值确定磨损参考值；持续读取扭矩值，并计算磨损实时值；比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (5)

1.一种智能换刀决策控制系统，包括上位机，以及与之相连接的换刀控制模块和磨损检测模块；其特征在于：

换刀控制模块：根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域；设置各加工区域对应的刀库优先级排序；以及在各刀库中设置寄存刀位，结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作；其中，寄存刀位用于临时存储其他刀库的刀具；

磨损检测模块：在完成换刀操作之后，根据加工记录和扭矩值确定磨损参考值；持续读取扭矩值，并计算磨损实时值；比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警；

每个所述刀库在初始状态下均存在一个寄存刀位为空刀状态；

在对刀库中刀位进行取刀动作之后，重新放回的刀具为其他刀库的刀具时，则将该刀位的属性修改为寄存刀位；当重新放回的刀具为初始刀具时则刀位属性不变；

所述换刀控制模块结合刀库优先级以及加工位置完成换刀操作，包括：

执行换刀程序时，上位机读取目标刀号信息以及所有刀库中的刀具信息；其中，刀具信息包括直径、类型、位置以及刀具补偿；

根据加工位置确定对应的刀库优先级，基于刀库优先级匹配确定最佳刀具，并完成换刀操作；换刀操作之后利用刀补指令完成刀具补偿。

2.根据权利要求1所述的一种智能换刀决策控制系统，其特征在于，所述根据机床参数多点位布置刀库，并划分机床加工区域，包括：

基于机床参数在机床周围合理设置刀库点位，并在刀库点位处配置刀库；

根据机床参数和工件加工要求将机床加工面划分为若干规则的加工区域，且相邻加工区域之间共用区域边界。

3.根据权利要求1所述的一种智能换刀决策控制系统，其特征在于，所述设置各加工区域对应的刀库优先级排序，包括：

选定加工区域并标记为目标区域；

计算各刀库与目标区域之间的换刀距离，根据换刀距离来设置各刀库相对于目标区域的优先级；其中，换刀距离越短，刀库相对于目标区域的优先级越高。

4.根据权利要求1所述的一种智能换刀决策控制系统，其特征在于，所述在完成换刀操作之后，根据加工记录和扭矩值确定磨损参考值，包括：

在完成换刀操作开始进行加工时，获取加工记录；其中，加工记录包括加工深度和加工速度；

读取扭矩值，结合加工记录计算出磨损参考值。

5.根据权利要求1所述的一种智能换刀决策控制系统，其特征在于，所述比较磨损实时值与磨损参考值判断刀具磨损程度，根据磨损程度进行预警，包括：

在加工过程中持续读取扭矩值，并根据读取的扭矩值计算磨损实时值；

将磨损参考值和磨损实时值分别标记为MCZ和MSZ；当MSZ≥MSZ+γ时，则判定刀具磨损严重，生成预警信号；其中，γ为根据经验设定的系数，且γ>0。

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