CN101334656A - 一种数控机床加工性能监控*** - Google Patents

一种数控机床加工性能监控*** Download PDF

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Abstract

本发明提出一种数控机床加工性能监控***，由管理服务器通过工业以太网将多台机床上的监控装置连接起来，监控装置接收机床自身状态数据，采集主轴电机和进给电机的电流以及主轴的振动量，对采集的数据进行处理，将处理结果与机床加工性能判断基准比较，根据设定的控制策略发出控制指令对加工过程进行控制，并将所有相关信息反馈给管理服务器，管理服务器分析机床的加工性能状态和发展趋势。本发明对多台机床自身参数和现场加工状态进行监测，分析机床当前加工性能及其发展趋势，并自适应控制复杂的加工过程，有效保证了加工安全和质量。

Description

一种数控机床加工性能监控***
技术领域
本发明涉及监控技术领域，特别是涉及数控机床加工性能监控***。
背景技术
机床是工业的基础，任何工业制造生产都离不开机床，机床的精度和发展水平决定了一个国家的工业水平，因此提高机床精度和水平非常关键。体现机床水平的一个重要方面是机床本身是否能对加工过程进行控制和机床本身的加工性能进行监测，并对监测的信息及时处理，采取有效的措施，保证加工的安全、可靠和质量。数控加工是依据事先拟定的信息来实现的，其实质是一种开环加工方式，这种方式忽略了加工过程中大量不确定因素和机床本身的状态，如加工时毛坯各部分余量的不均匀性、曲面形状引起的切削性能不等、材料硬度不一、加工机床本身加工性能的变化等等，这些因素会影响加工质量，因此在加工过程有必要对这些因素进行监控，并采取必要的措施，保证加工过程的顺利进行。同时通过获取机床加工过程中的一些状态信息，对机床状态进行科学评价，给出加工性能评价指标，为使用者和生产管理者提供参考。
通过建立车间级数控机床加工性能参数监控及加工过程的控制网络***，提高车间的自动化水平，以便于生产管理、优化和维护，进而保证生产在可控条件下的正常进行。
现有技术已对数控加工过程监控进行了广泛的研究，如见中国专利申请文件“机床监控***”(申请号200510050791.X，申请日2005.07.15)，其公布的技术方案通过监控机床的运行作业信息，对机床的生产状况进行管理，分析机床的生产效率，间接了解操作者的工作情况，有效对机床和操作人员进行管理。另有两份中国专利文件“车间局域网内分布式数控机床的实时监控***”(申请号200310108724.3，申请日2004.11.10)和“基于制造现场的智能化远程网络监控***”(申请号03113556.0，申请日2003.01.08)提出的网络监控***涉及数控文件的发送、接收、DNC及远程控制，它广泛地应用于各种不同类型的数控机床，解决生产所需要的数据包括CNC类数据、机床状态数据、现场工况数据以及生产指令类数据在各***中的交换，但是对车间数控机床加工过程不具备控制管理功能。
加工过程控制方面的现有技术参见中国专利文件“自适应控制车削操作的方法和***”(申请号99811978.4，申请日1999.09.02)。该专利文件提出了一种自适应的车削控制方法，根据扭矩传感器得到的随时间改变的切深和切削转矩实时改变控制模型的传输系数，从而达到随切削深度变化而改变机床输入控制参数，实现自适应控制切削转矩的目的，使其尽可能接近机床的允许最大值。该自适应控制***结构复杂，控制参数设定繁琐，由于扭矩传感器使用，使得装置的应用技术要求以及成本都较高，并且该发明只涉及简单的车削加工过程，而非远比车削加工复杂的铣削加工过程。
发明内容
本发明的目的在于提出一种数控机床加工性能监控***，对多台机床自身参数和现场加工状态进行监测，分析机床当前加工性能和发展趋势，并自适应控制复杂的加工过程，有效保证了加工安全和质量。
一种数控机床加工性能监控***，包括管理服务器、集线器和至少一个监控装置，集线器分别与管理服务器和监控装置相接。
所述监控装置包括参数选择模块、标定模块和控制模块，参数选择模块用于设置监测环境参数；标定模块用于在所述监测环境参数下，确定正常加工时机床的工作状态，作为机床加工性能判断基准；控制模块用于接收机床自身状态数据，采集反映机床现场加工状态的数据，对反映机床现场加工状态的数据进行处理，将处理结果与机床加工性能判断基准比较，根据设定的控制策略发出控制指令对加工过程进行控制，并将机床自身状态数据、反映机床现场加工状态的数据、对反映机床现场加工状态数据的处理结果、控制指令和控制结果传送给管理服务器；
管理服务器根据监控装置反馈的信息分析机床加工性能状态和发展趋势；
所述反映机床现场加工性能状态的数据具体为：主轴电机和进给电机的电流，主轴的振动量。
本发明提出基于现场加工过程信息的机床加工性能监控装置：由工业以太网将多台机床上的监控装置连接起来，建立一个车间级的机床加工性能监控网，该监控网也可以根据用户的需求扩展到整个生产厂区。生产管理者通过该监控网络***，可以实时的集中了解机床的状态和加工性能，为生产计划的制订和设备维护提供必要的信息，大大降低了机床设备管理和维护成本。本发明在监测的同时自适应控制复杂的加工过程，根据机床的历史记录和当前状态数据分析机床的加工性能及其发展趋势，有效保证了加工安全和质量。
附图说明
图1为本发明***结构图；
图2为本发明管理服务器模块结构图；
图3为本发怒不过监控装置功能模块图；
图4为数控机床加工性能控制装置软件多任务调度结构图；
图5控制流程图。
具体实施方式
本发明的***结构如图1所示。整个***包括四个部分：多个监控装置3、集线器2和管理服务器1，多个监控装置3通过集线器2与管理服务器1连接。
监控装置3安装在数控机床4上，实时采集电流和振动等数据，实时预测并判断切削力是否超出安全范围、刀齿破损和碰撞等危机状况是否发生，并采取相应的措施，保证机床、刀具和工件的安全。同时该装置还可与数控机床4通讯，接收来自数控机床4本身的状态信息，并把该信息、采集的数据和该装置处理的结果一同及时传递给管理服务器1。管理服务器1处理分析这些数据和状态信息，电流信号中反映了低频的信息，而振动信号反映了高频的信息，从这些信号中提取特征信息并识别特征参数，由机床加工性能与特征参数的关系模型，预测机床加工性能状态以及发展趋势。随着机床的使用，必然会导致机床的磨损和电气元件的老化，进而影响机床动力学特性，而机床的动力学特性是影响机床加工性能的主要因素。稳定极限切削深度是由机床本身的动力学特性所决定的，因此机床加工性能一般可由机床的稳定极限切削深度来反映，当然在不同的转速条件下，稳定极限切削深度会不同，因此反映机床的加工性能的是一系列的稳定极限切削深度，即切削稳定性图。同时管理服务器1可以设置数控机床加工性能监控装置有关的参数，把设置的参数传给数控机床加工性能监控装置，其中的参数包括如数控***的厂家和型号、数据传输方式、PLC的扫描周期、当前的加工参数及数据采集卡的参数等等，这些参数主要用于数据采集、数据分析处理和控制的需要，如华中数控***的倍率控制方式是按钮式，控制输出的方式就也应不同。
图2是管理服务器模块结构图。管理服务器1包括五个功能模块，分别是：数据传输模块11，数据处理模块12，参数管理模块13，状态数据管理模块14，专家决策模块15。其中数据传输模块11是辅助服务模块，其他四个功能模块是应用模块。数据传输模块11通过集线器2将参数设置模块设置的参数信息传送给监控装置3，接收监控装置3采集的数据和机床状态信息。数据处理模块12处理监控装置3采集的数据，获取对应的机床状态特征向量。参数管理模块13主要设置监控装置3本身的参数和当前的加工工艺参数。状态数据管理模块14记录和管理机床状态历史信息数据，为专家决策模块15提供基础数据。专家决策模块15，根据机床的历史数据和状态记录和分析模块12实时处理的结果(状态数据)，分析稳定极限切削深度随时间变化，由此预测输出机床的加工性能发展趋势。
图3是监控装置功能模块图。加工性能监控装置主要包括四个功能模块，即参数选择模块31，标定模块32，控制模块33，监测模块34。参数选择模块31根据当前加工情况选择加工参数，以便在进行标定和自适应控制时进行对应。在参数选择模块31选择的参数下，标定模块32标定正常加工时机床关键部位(如主轴)的振动和在加工安全的条件下刀具和机床的切削能力，同时识别刀具的不对称性，便于准确识别刀具破损。控制模块33获取参数选择模块31的加工环境参数和标定模块32的标定结果，实时采集电流和机床关键部位的振动，并处理数据，获取机床当前的状态信息，将状态信息与标定结果进行比较，并根据控制策略对加工过程进行控制，加工过程被控变量主要是进给速度和主轴转速。此模块不仅能将切削负荷控制在一个合理的区间内，而且能识别刀齿破损和碰撞情况的发生，以有效地保护机床、刀具和工件，并及时把相关的信息传送给管理服务器1。监测模块34主要用于对机床加工性能的监测：主要完成根据用户的要求采集数据，处理主轴和工作台等关键部位的振动以及电机电流等数据，获取可表征机床加工性能的特征参数，由特征参数来识别机床的加工性能状态，同时也把采集的原始数据和机床的状态信息传送给管理服务器1。
图4为机床加工性能监控装置3的应用软件实时多任务调度结构图，该软件主要包括五个任务：输入输出51、数据采集52、数据传输53、实时数据分析处理54和实时控制55。图3中的参数选择模块31由输入输出任务51和数据传输52来完成；标定模块32由数据采集52和实时数据分析处理54任务来完成；控制模块33由数据采集52、数据分析处理54、实时控制55和数据传输53等任务来完成。监测功能34由数据采集52、数据分析处理54、实时控制55和数据传输53等任务来完成。其中，任务实时性要求高的任务包括数据采集52、实时数据分析处理54和实时控制55；实时性要求较低的任务包括输入输出51和数据传输任务53。这些任务在基于DOS的实时内核多任务调度模块的控制下分配时间，保证各任务的按时进行。
图5是本发明工作流程图。首先***通过检测主轴电机和进给电机电流以及机床关键部位的振动，实时识别切削扭矩、切削力，并融合时域和频域的分析方法，分析处理数据，准确识别刀具的破损和碰撞。如果发生前述情况，发出控制信号，机床立即急停；否则，由控制决策算法计算并实时输出控制量(主轴倍率和进给倍率)，同时判断是否退出自适应控制，如果选择是，直接退出，否则继续采样，循环前述控制过程。

Claims (1)

1、一种数控机床加工性能监控***，包括管理服务器、集线器和至少一个监控装置，集线器分别与管理服务器和监控装置相接，其特征在于，
所述监控装置包括参数选择模块、标定模块和控制模块，参数选择模块用于设置监测环境参数；标定模块用于在所述监测环境参数下，确定正常加工时机床的工作状态，将其作为机床加工性能判断基准；控制模块用于接收机床自身状态数据，采集反映机床现场加工状态的数据，对反映机床现场加工状态的数据进行处理，将处理结果与机床加工性能判断基准比较，根据设定的控制策略发出控制指令对加工过程进行控制，并将机床自身状态数据、反映机床现场加工状态的数据、对反映机床现场加工状态数据的处理结果、控制指令和控制结果传送给管理服务器；
管理服务器根据监控装置反馈的信息分析机床加工性能状态和发展趋势；
所述反映机床现场加工性能状态的数据具体为：主轴电机和进给电机的电流，主轴的振动量。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Huangshan Chengyi Machine Tool Manufacturing Co., Ltd.

Assignor: Huazhong University of Science and Technology|Wuhan Huazhong CNC Limited by Share Ltd

Contract record no.: 2011340000496

Denomination of invention: Numerical control machine processability monitoring system

Granted publication date: 20100804

License type: Exclusive License

Open date: 20081231

Record date: 20111223

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Granted publication date: 20100804

Termination date: 20200725

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