一種基於指令序列優化的加工負荷控制系統的製作方法

2023-06-08 15:07:26

專利名稱：一種基於指令序列優化的加工負荷控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及數控工具機加工負荷控制技術領域，具體是一種基於指令序列分析的嵌 入數控系統的加工負荷控制系統。
背景技術：
數控工具機是一種高效的自動化加工設備，它嚴格按照加工程序，自動對被加工工 件進行加工，把從數控系統外部輸入的直接用於加工的程序稱為數控加工程序，它是一系 列加工指令序列的集合，數控加工程序表示了數控工具機要完成的全部動作。由於目前的數控加工程序在設計編寫時，只基於加工零件的幾何輪廓特徵，是加 工軌跡的幾何信息表達，沒有考慮數控工具機的機電系統動態特性和工具機本身的能力，因此， 在實際的加工過程中，由於切削力過大，易導致工具機實際加工輪廓與實際的輪廓有誤差、加 工振動劇烈，嚴重可能導致加工不穩定，加工無法進行。而在實際的加工過程中，由於數控工具機是無法改變，為了保證加工精度要求，最大 限度地發揮工具機的能力，因此需要對加工過程進行控制。在此方面的研究主體主要是大學 和企業。學校的成果主要集中在控制方法和監測手段方面，由於缺乏較強的工業應用背景， 無法在實驗室模擬工業現場各種突發工況，使得研究的技術成果與工業應用還存在一定的 差距。而企業，主要從應用的角度出發，提出了一些可行的方法，並開發了一系列的商用產 品，實時對加工過程中振動、切削力進行實時監測，一旦振動和負荷過大，提示操作者，甚至 直接對控制工具機的加工，讓工具機停止加工，如德國的Artist，以及國外高檔工具機上集成了類 似的功能，如米克朗五軸加工中心，MAZAK的高檔車銑加工中心；還有的系統，能實時監測 加工過程中的負荷，調整切削參數，實時控制加工過程中的負荷，具有快速的響應特性，能 對切入、切出和刀具碰撞等情況進行監測，保護刀具，提高加工效率，如以色列Omative公 司開發的優銑、優車控制系統，該系統的功能已集成於西門子和法拉克的高檔數控系統，已 成為其選擇功能模塊，該公司申請了一系列國際專利，其中自適應控制車床操作與系統申 請了中國專利申請(99811978. 4)，該專利申請中主要介紹了車削自適應控制算法。西安交 通大學也提出了實時誤差補償方法及其裝置(CN87100136)。前述方法主要特點和存在問 題(1)大部分技術沒有與數控系統進行集成。(2)智能性差，無法自動確定適應工具機、刀具以及工件的工況，需要人工參與程度 大。(3)即使實現了與數控系統集成，但由於數控系統資源的約束，而且監控技術與數 控系統廠商分別是兩家公司，技術保密的原因，導致無法做到最佳整合，難保證加工過程監 控的實時性。(4)成本高。

發明內容
本發明旨在克服已有技術的不足，提供一種基於指令序列優化的加工負荷控制系 統，該系統可以在現有條件下實現高精度加工。本發明提供的一種基於指令序列優化的加工負荷控制系統，其特徵在於，該系統 包括參數設置模塊、學習模塊、分析模塊以及優化模塊；參數設置模塊主要用於設置加工參數、加工約束條件、加工零件的CAD數據和加 工指令序列代碼，提供零件的幾何模型和加工指令序列代碼數據，設置完畢後生成相應的 參數文件；將其中的零件幾何和加工指令序列代碼傳送給學習模塊，將零件幾何、加工參 數、加工指令序列代碼和指標分別傳送給分析模塊和優化模塊，為分析模塊和優化模塊提 供評判標準和優化指標；學習模塊學習零件加工指令對應的切削負荷、振動和加工精度，並生成既包含參 數設置信息和本模塊學習結果的數據文件，為分析模塊提供切削負荷、振動和加工精度信 息，這些信息與加工指令序列代碼和零件幾何特徵相對應；分析模塊用於完成確定有待優化的位置和加工指令序列代碼，並進行圖形化顯示 表示有待優化的位置和加工指令序列代碼，並提供給優化模塊；優化模塊根據分析模塊輸出的分析結果和參數模塊設定的優化目標，對加工指令 序列進行優化，生成新的加工指令序列代碼，並統計分析，顯示優化後的結果，並生成優化 後的加工指令序列代碼文件。本發明建立了一種基於指令序列優化的加工負荷控制系統，並嵌入至數控系統。 該系統通過試切零件，學習加工該零件的相關加工負荷和振動信息，根據優化策略資料庫 中的規則，優化加工指令序列代碼，控制負荷，使得負荷和振動在設定範圍內，保證加工精 度，保護刀具和工具機。傳統的數控工具機在進行數控加工過程，它首先通過數控編程，將G代碼輸入到數 控系統中，隨後G代碼進入解釋器、插補器生成控制電機運動的插補當量，輸入到伺服單元 中，通過伺服驅動系統控制電機按照數控加工編程所要求的位移進行速度控制。理想的情 況下，數控工具機將按照G代碼的要求加工出滿足要求的工件，同時工具機也處於良好的工作 狀態。但是由於工具機在實際工作中，由於負載、加工狀態改變，工具機本身非線性的影響，必然 導致最後工具機實際加工過程中出現影響加工質量現象發生，如加工振動，刀具易磨破損，最 易出現此類現象的情況如切入、切出，切削餘量大的位置以及加工拐角處(曲率較大的位 置)。針對在大批量生產的條件下，加工零件比較固定，加工零件的毛坯質量較為穩定，切削 負荷是工藝系統的重要輸入，導致各種複雜響應(振動、變形)，影響加工質量，本發明提出 一種基於數控指令序列的切削負荷控制方法，應用於加工工藝參數相對穩定的精加工、半 精加工中，能有效解決上述問題。其基本思想本發明針對具體的零件，通過零件試切，實時 測量加工過程中工況信息，直接獲取由工具機本身的伺服驅動提供的加工負荷信息，如電流 和功率，並配合外加加速度傳感器。記錄整個加工過程中信號，提取特徵，對比分析設定的 加工要求，包括精度和振動以及切削力要求，確定存在問題的加工位置和加工指令序列，分 析導致與設定加工要求存在誤差的原因，從優化策略資料庫中選擇相應的優化策略，優化 相應的加工指令序列，控制切削負荷的大小和頻率，使得加工負荷適應工具機、刀具、工件以 及夾具的特性，實現在現有條件下的高精度加工。


圖1是本發明系統的結構示意圖；圖2是學習模塊流程圖；圖3是分析模塊流程圖；圖4是優化模塊流程圖。
具體實施例方式本發明系統首先通過學習加工大批量加工的某一零件的工況特徵和精度，其中工 況信息包括切削負荷和振動，在學習過程中，嵌入數控系統學習模塊要實時獲取對應的加 工指令，採集指令運行時對應的加工負荷、振動，同時在線獲取或者離線獲取(人工輸入) 相關零件幾何位置的加工精度，系統自動確定零件幾何位置對應的加工指令代碼。然後，分析加工零件精度與實際加工精度的誤差以及振動特徵，尋找存在問題的 加工位置，確定影響精度和導致振動的原因，並自動確定相應的加工指令序列代碼。最後，根據原因採取相應的切削負荷優化策略，優化加工指令序列代碼，改變加工 參數，控制切削負荷。實際加工此類零件時按照優化後的加工指令序列代碼進行，當優化後 的加工指令序列代碼還不能滿足要求，再重複步驟1-3，直到滿足加工要求為止，然後可以 固化該零件的加工指令序列代碼，無需再進行優化。當零件和工藝系統任何要素改變，需要重新進行學習和優化，確定實驗相應工藝 系統特性的加工指令序列代碼。如圖1所示，本發明提供的基於指令序列分析的嵌入數控系統加工負荷控制與優 化系統包括參數設置模塊1，學習模塊2，分析模塊3以及優化模塊4。參數設置模塊1主要用於設置加工參數、加工約束條件、加工零件的CAD數據和加 工代碼，為分析模塊3和優化模塊4提供評判標準、優化指標，為其他三個模塊提供零件的 幾何模型和加工指令序列代碼數據，設置完畢後生成相應的參數文件。主要設置加工此零件的振動約束、切削負荷約束、精度約束、加工參數、零件CAD 數據文件、加工指令序列代碼文件。其中加工參數具體包括工件材料、主軸轉速、進給速度 等等，這些參數用於後面學習模塊和分析模塊的數據處理和分析。設置完畢後生成相應的 參數文件。學習模塊2主要完成採集相關數據，學習零件加工指令對應的切削負荷、振動和 加工精度，並生成既包含參數設置信息和本模塊學習結果的數據文件，為分析模塊提供切 削負荷、振動和加工精度信息，這些信息與加工指令序列代碼和零件幾何特徵相對應。如圖2所示，學習流程為首先，分別導入零件的幾何信息以及對應的加工指令代 碼。實時獲取工具機的實際坐標，判斷工具機是否啟動加工。一旦工具機開始啟動加工指令進行加 工，實時獲取負荷信息(如工具機伺服驅動的功率、扭矩電流信息)以及附加加速度信號。由 於有些零件的加工時間很長，如果保存所有原始數據，需要的存儲空間太大，同時，還包含 一些噪聲，因此，有必要對加工過程獲取的數據進行預處理，去高頻噪聲，一段時間內用幾 個特徵來表徵(切削負荷用平均功率、平均扭矩電流、扭矩電流方差和振動信號方差)。本 模塊通過對一定時間內的數據進行處理，作為該段時間內的加工狀態的表徵，每種信號對 應一個特徵。同時這些特徵與對應加工指令代碼和零件的幾何特徵相對應。加工完後，如果工具機配有相應的在線測量設備，可在線測量零件加工精度(特別是零件精度要求嚴格、 影響使用性能和裝配的關鍵位置)，否則，也可通過人工測量關鍵位置的精度，這些精度數 據也要與加工零件幾何模型的對應，系統再根據幾何模型，自動確定相關指令代碼，在設計 數據結構中要考慮數據的對應問題，保證它們之間對應關係。學習過程中獲取的數據為下 一步分析提供數據資源。學習完畢後生成學習數據文件。分析模塊3主要完成確定有待優化的位置和加工指令序列代碼，並進行圖形化顯 示表示有待優化的位置和加工指令序列代碼。本模塊為優化模塊提供有待優化的加工指令 序列代碼信息、原因以及對應的零件位置，並生成即包含參數設置信息和本模塊的分析結 果的分析文件。如圖3所示，分析流程為通過學習模塊，獲取相關的加工狀態信息(負荷信息，振 動信息)與加工精度信息，根據參數設置模塊設置的精度要求、振動指標要求，對比分析相 關對應位置的精度，計算設定指標與實際測量值之間的誤差，根據誤差，確定有待優化的指 令序列。分析監測負荷超出變化的原因，了解加工軌跡對加工負荷的影響，特別在曲率波動 較大位置，分析切削負荷的變化。根據零件本身的結構模型，建立剛度分析模型，分析在監 測的負荷下零件的變形和振動，對比測量精度和振動數據，確定導致誤差的原因。當誤差過 大時，分析在監測的加工負荷下加工軌跡，可確定產生誤差的原因是主要包括兩個方面的 原因一是切削負荷過大；二是力的作用方向不合理。當振動過大時，主要原因包括三個方 面，一是切削負荷過大，可通過頻域分析，首先判斷振動頻率是否跟工具機的運動部件轉動頻 率一致；其次，分析頻率是否跟齒頻率一致，確定是否是強迫振動還是顫振。分析完畢後，保 存分析後的結果，圖形顯示有待優化位置，點擊優化的位置，可根據操作者要求顯示相應加 工指令序列和導致加工結果的原因。分析完畢後生成分析數據文件。優化模塊4根據分析模塊輸出的分析結果和參數模塊1設定的優化目標，對程序 進行優化，生成新的加工指令序列代碼，並統計分析，顯示優化後的結果，並生成優化後的 加工指令序列代碼文件。本發明方法的基本思想是考慮了工具機參數後，對數控加工指令序列進行優化，實 現良好的數控加工。如圖4所示，優化流程為它首先讀取由前面分析模塊輸出的分析結 果文件(數據)，了解導致加工結果的原因，從優化策略資料庫中找到相應的優化策略，優 化相應的加工指令序列，優化策略資料庫可以根據在解決加工問題中獲取的經驗，同時，操 作者自行添加相應問題的解決策略，豐富優化策略資料庫的優化規則，常見的優化策略在 本控制系統的優化策略資料庫中已建立。例如，在加工拐角位置時，一般存在軸過象限的問 題，易引起較大的誤差，而且，曲率大後，導致切削熱不易散發，切削力也大，已導致刀具磨 損和破損，影響加工精度，因此，在拐角處，一般需要對其連續軌跡進行離散，分段約束其進 給速度，控制切削力，甚至在過象限位置，需要進行加速度控制；在某些位置，並不是在曲率 較大位置，如果切削負荷較大，由於進給速度是影響切削力的重要因素，可調整進給速度， 控制切削力；當由於力的作用方向不當，導致誤差過大時，可通過優化軌跡(走刀方向)和 刀具的姿態。當振動超出設定的指標時，根據前面分析的結果，採取相應的優化策略，如當 振動主要是強迫振動，可採取改變進給、切深和切寬等參數來進行控制切削負荷，但為了盡 量減少對工藝的影響，主要以調整進給速度為主；當顫振時，主要通過改變主軸轉速來優化 加工指令序列代碼；優化完畢後，生成優化加工指令序列代碼文件。
本發明不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內 容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構和思 路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。
權利要求
1. 一種基於指令序列優化的加工負荷控制系統，其特徵在於，該系統包括參數設置模 塊(1)、學習模塊O)、分析模塊(3)以及優化模塊(4)；參數設置模塊(1)主要用於設置加工參數、加工約束條件、加工零件的CAD數據和加工 指令序列代碼，提供零件的幾何模型和加工指令序列代碼數據，設置完畢後生成相應的參 數文件；將其中的零件幾何和加工指令序列代碼傳送給學習模塊O)，將零件幾何、加工參 數、加工指令序列代碼和指標分別傳送給分析模塊( 和優化模塊G)，為分析模塊(3)和 優化模塊(4)提供評判標準和優化指標；學習模塊(2)學習零件加工指令序列對應的切削負荷、振動和加工精度，並生成既包 含參數設置信息和本模塊學習結果的數據文件，為分析模塊C3)提供切削負荷、振動和加 工精度信息，這些信息與加工指令序列代碼和零件幾何特徵相對應；分析模塊C3)用於完成確定有待優化的位置和加工指令序列代碼，並進行圖形化顯示 表示有待優化的位置和加工指令序列代碼，並提供給優化模塊(4)；優化模塊(4)根據分析模塊C3)輸出的分析結果和參數模塊(1)設定的優化目標，對 程序進行優化，生成新的加工指令序列代碼，並統計分析，顯示優化後的結果，並生成優化 後的加工指令序列代碼文件。
全文摘要
一種基於指令序列優化的加工負荷控制系統，其結構為參數設置模塊主要用於設置加工參數、加工約束條件、加工零件的CAD數據和加工代碼，提供零件的幾何模型和加工指令序列代碼數據，生成相應的參數文件；學習模塊學習零件加工指令序列對應的切削負荷、振動和加工精度，生成包含參數設置信息和本模塊學習結果的數據文件，為分析模塊提供切削負荷、振動和加工精度信息；分析模塊用於完成確定有待優化的位置和加工指令序列代碼，並進行圖形化顯示表示有待優化的位置和加工指令序列代碼；優化模塊對加工指令序列進行優化，生成新的加工指令序列代碼，並統計分析，生成優化後的加工指令序列代碼文件。本發明能夠在現有條件下實現高精度加工。
文檔編號G05B19/18GK102081376SQ201110045708
公開日2011年6月1日 申請日期2011年2月25日 優先權日2011年2月25日
發明者凌文鋒, 劉紅奇, 唐小琦, 張翊誠, 彭芳瑜, 李斌, 毛新勇, 陳吉紅 申請人:華中科技大學, 武漢華中數控股份有限公司