第９期２０１８年９月组合机床与自动化加工技术
ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｎｏ.９Ｓｅｐ.２０１８
文章编号:１００１－２２６５(２０１８)０９－００６９－０３ ＤＯＩ:１０.１３４６２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｍｍｔａｍｔ.２０１８.０９.０１９
基于ＮＣ程序段的提高数控加工监控阈值
∗
与信号同步的方法
(１.西南交通大学机械工程学院ꎬ成都 ６１００３１ꎻ２.成都飞机工业(集团)有限责任公司制造工程部ꎬ成都 ６１００９２)
摘要:在数控机床加工过程监控时ꎬ由于存在采集频率波动导致监控阈值与信号不同步的问题ꎬ导致监控精度下降ꎬ从而会影响监控精度ꎮ因此针对阈值和信号的精确时间同步要求ꎬ提出了基于ＮＣ程序段的相对时间同步方法ꎮ通过对实时同步误差的计算和判断ꎬ采用程序段号对阈值和信号的时间偏差进行校准ꎬ减少了监控信号的超前或滞后量ꎮ通过对比试验ꎬ验证了本方法对提高监控阈值与信号的时间同步性的有效性ꎬ提高监控准确性ꎮ关键词:数控加工ꎻ监控阈值ꎻ监控信号ꎻ同步中图分类号:ＴＨ１６４ꎻＴＧ６５９ 文献标识码:Ａ
ＴｈｅＭｅｔｈｏｄＢａｓｅｄｏｎＮＣＰｒｏｇｒａｍｔｏＩｍｐｒｏｖｅｔｈｅＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＴｈｒｅｓｈｏｌｄ
ａｎｄＳｉｇｎａｌｉｎＮＣＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ＦＵＹｕ￣ｌｏｎｇ１ꎬＨＡＮＬｅｉ１ꎬＺＨＵＳｈａｏ￣ｗｅｉ２ꎬＬＩＷｅｉ￣ｄｏｎｇ２ꎬＭＡＳｈｕ￣ｗｅｎ１
(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００３１ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｈｅｎｇｄｕＡｉｒｃｒａｆｔＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ(Ｇｒｏｕｐ)Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００９２ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｈｅＮＣｐｒｏｃｅｓｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬｓａｍｐｌｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｔｈａｔｃａｕｓｅｓｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｒｅｓｈ￣ｏｌｄａｎｄｔｈｅｓｉｇｎａｌｓａｒｅｎｏｔｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄｗｈｉｃｈｗｉｌｌｃａｕｓｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎꎬｔｈｕｓａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ.ＴｈｉｓｐａｐｅｒａｉｍｓａｔｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｔｉｍｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｓｈｏｌｄａｎｄｓｉｇｎａｌｔｏｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｔｉｍｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＮＣｐｒｏｇｒａｍｓｅｇｍｅｎｔ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｊｕｄｇｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｅｒｒｏｒꎬｔｈｅｔｉｍｅｄｅｖｉａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄａｎｄｓｉｇｎａｌｉｓｃａｌｉｂｒａｔｅｄｂｙｔｈｅＮＣｎｕｍｂｅｒꎬｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅａｄｖａｎｃｅｏｒｌａｇｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｉｇｎａｌ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｎｔｒａｓｔｔｅｓｔꎬｉｔｉｓｓｈｏｗｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｔｉｍｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｏｎｉｔｏ￣ｒｉｎｇｔｈｒｅｓｈｏｌｄａｎｄｓｉｇｎａｌａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＮＣｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎻｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｒｅｓｈｏｌｄꎻｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｉｇｎａｌꎻｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
付玉龙１ꎬ韩 雷１ꎬ朱绍维２ꎬ李卫东２ꎬ马术文１
０ 引言
数控加工监控过程中ꎬ为了实现对信号的监控ꎬ需要对实时采集的信号设置正常的阈值区间ꎬ之后依次读取和对比阈值和信号ꎬ判断刀具的加工状态ꎮ对监控过程的准确性影响较大的因素是阈值与信号同步的准确性ꎮ阈值与信号的相对时间同步是指对信号进行监控时ꎬ将当前加工状态采集的信号与对应状态下的阈值进行比较ꎮ对于阈值与信号的同步ꎬ主要存在两种方法:一种是基于坐标ꎬ即在ＮＣ加工监控过程中ꎬ使用具有机床坐标信息的监控阈值ꎬ并同时采集机床的实时坐标与监控信号ꎬ通过对比阈值和信号的坐标实现阈值和信号的对应[１￣２]ꎮ这种方式往往由于监控阈值与实时信号的坐标精度不足ꎬ而导致监控精度不高甚至失效ꎮ另一种是基于绝对时间ꎬ使用具有机床加工时间信息的监控阈值ꎬ并与实时信号以零件某加工过程的启动时间为基准进行同步ꎬ如德国ＡＲＴＩＳ监
控系统中的标准监控模式[３￣６]ꎮ但是在这种同步方法中信号采集频率容易出现波动ꎬ导致长时间监控后ꎬ无法实现信号与监控阈值的准确同步ꎮ
本文针对数控加工监控过程中监控阈值与采集信号的精确同步问题ꎬ对绝对时间同步方法进行了改进ꎬ提出了基于ＮＣ程序段的相对时间同步方法ꎮ该方法不仅实现了监控阈值与采集信号的实时监控ꎬ而且对同步误差进行计算和校准ꎬ提高了监控准确性ꎮ
１ 监控阈值的获取
数控加工监控需要实时采集机床信号ꎬ并与监控阈值进行实时比较ꎮ因此ꎬ监控过程包括监控阈值的获取、监控阈值与信号同步两方面的内容ꎮ数控加工过程监控的阈值提取方法主要通过两种方法:
(１)利用对加工过程中的信号进行归纳和分析ꎬ消除信号中的杂音和干扰ꎬ得到信号的特征信息ꎬ然后
收稿日期:２０１７－１０－１６ꎻ修回日期:２０１７－１１－１７ ∗基金项目:国家０４科技重大专项(２０１５ＺＸ０４００１００２)
作者简介:付玉龙(１９９２—)ꎬ男ꎬ河北邯郸人ꎬ西南交通大学硕士研究生ꎬ研究方向为数控加工技术ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)ｆｕ＿ｙｕｌｏｎｇ＠ｆｏｘｍａｉｌ.ｃｏｍ
７０组合机床与自动化加工技术
当Δｔ≤－
第９期
对特征进行决策分析来获得信号的阈值信息ꎬ达到对信号进行监控的目的ꎮ用于对信号处理的方法十分丰富ꎬ在传统的加工监控过程中多使用时域、频域分析以及统计分析等ꎬ现向时频域分析和智能分析技术等方向发展[７]ꎮ
(２)对加工过程进行仿真ꎬ得到监控阈值ꎮ目前ꎬ随着加工过程仿真技术的发展ꎬ模拟的加工过程与实际的加工过程越来越相似ꎬ当采用符合实际加工的参数ꎬ以及相应的仿真算法ꎬ就可以得到相对准确的监控阈值ꎮ
１
时ꎬ说明监控信号超前ꎬ信号比对应ｆ
阈值的采样点超前最少一个采样点的时间ꎬ会影响到
１
下一个信号的同步ꎮ当≤Δｔ时ꎬ说明监控信号滞
ｆ
后ꎬ信号比对应阈值的采样点滞后一个采样点的时间ꎬ
１１
同样会影响到下一个点的同步ꎮ当－<Δｔ<
ｆｆ
时ꎬ说明信号和对应阈值之间有误差ꎬ但是不到一个采样点的时间ꎬ不影响下一个点的同步ꎮ
加工某ＮＣ程序段的Ｔｃ为:
Ｔｃ＝
(ｘｍ
－ｘｍ－１)２＋(ｙｍ
－ｙｍ－１)２＋(Ｆ
ｚｍ
－ｚｍ－１)２式中ＮＣ程序段结束的工件坐标ꎬＴｃ为某ＮＣ程序段的加工时间ꎻｘꎻｘｍｍ－１、ｙｍ－１、ｚ、ｍｙｍ－１、为上一ｚｍ为当前ＮＣ程序段结束的工件坐标ꎻＦ为当前加工段号的进给速度ꎮ
在每段ＮＣ代码加工过程中能采集到数据的个数:
ｍ＝
Ｔｆ
ｃ式中ꎬｍ为某ＮＣ程序段采集数据的个数ꎻｆ为数据采集频率ꎮ
由于采集的数据个数不一定能完全被ｎ整除ꎬ因此剩下少于ｎ个数据计算出一个阈值ꎮ所以计算出阈值个数应向上取整ꎬ阈值个数为:
ａ＝
ｍｎ
式中ꎬａ为某ＮＣ程序段的阈值个数ꎻｎ为计算单个阈值需要的数据个数ＮＣ程序段中阈值包含的加工信息如表ꎮ
表１ 单个ＮＣ程序段的阈值包含信息
１所示ꎮ
阈值参数
包含的信息在监控中的作用ＮＮＣ代码段号信号和阈值对比的依据ｆ数据采集频率使信号和阈值数据采集条件一致
ａ阈值个数监控报警的条件ｎ
计算阈值的数据个数
阈值对应信号的数据个数
本文采用统计分析方法ꎬ通过计算连续ｎ个采样数据的最大值ꎬ得出该加工状态下信号的上阈值ꎮ
２ 阈值与监控信号的同步
２.１ 同步误差分析
在实际监控过程中ꎬ需要依次读取阈值和信号进行数值对比ꎮ当系统采集频率出现波动时ꎬ信号的采集位置出现相对时间的前后波动ꎬ导致阈值和信号会出现一定的同步误差ꎮ当误差大到一定程度后会导致阈值和信号出现错位的情况ꎬ因此需要在每个ＮＣ程序段段号加工完后计算误差ꎮ具体同步误差Δｔ计算如下所示ꎮ
式中ꎬｔΔｔ＝ｔ１－ｔ２
１为阈值的绝对时间ꎻｔ２为信号的绝对时间ꎻΔｔ为信号与阈值之间的时间误差ꎮ
２.２ 同步误差消除
当系统采集频率正常时ꎬ在每个ＮＣ程序段中采集的数据和计算阈值时采集的数据个数是一致的ꎬ不存在同步误差ꎮ但如果采集频率出现波动ꎬ可能出现阈值和信号个数不一致ꎬ产生无法同步的问题ꎮ对出现以下的情况的同步误差消除方法进行说明(１)监控信号超前
ꎮ
出现Δｔ≤－１
ｆ
情况时ꎬ说明当前加工段号阈值
比信号的个数多ꎬ会把当前段号的阈值对应到下一个段号的信号上ꎮ所以在采集到下一ＮＣ程序段的加工数据时ꎬ应该将阈值和信号的段号信息进行对比ꎬ直到相同为止ꎬ然后继续进行同步ꎮ如图１所示ꎮ
*图１ 出现Δｔ≤－
１*(２)监控信号滞后
ｆ
情况后的处理方法当出现１
ｆ
≤Δｔ的情况时ꎬ如信号在当前ＮＣ程序
段还能采集到数据ꎬ此时可能对应到了下一个ＮＣ程序段的阈值ꎬ造成错误ꎮ因此将本程序段的最后一个阈值与信号进行同步ꎬ直到下一个ＮＣ程序段ꎮ具体同步方法如图２所示ꎮ
**图２ 出现
１在监控时ꎬ对各ＮＣｆ
≤程序段加工结束时的同步误Δｔ情况后的处理方法差进行判断ꎮ当阈值和监控信号的个数出现差别时ꎬ需要在下一程序段重新进行与阈值型号进行同步ꎮ以便消除误差(３)ꎮ
在监控过程中机床倍率变化
ꎬ在加工工件比较复杂的位置时ꎬ出于对加工过程平稳性的要求ꎬ会适当的调整主轴倍率或者进给倍率ꎮ当调整主轴倍率时ꎬ加工参数会导致
２０１８年９月 付玉龙ꎬ等:基于ＮＣ程序段的提高数控加工监控阈值与信号同步的方法７１
功率等信号减小ꎬ此时监控信号不会超过阈值ꎬ不触发报警ꎻ当调整进给倍率时ꎬ导致信号在当前程序段采集的数据个数和阈值的不一致ꎬ导致监控失效ꎮ解决机床倍率发生变化而监控失效的处理方法如图３所示ꎮ
差在０.１２５ｓ内ꎮ
实验加工３８个程序段ꎬ在基于ＮＣ程序段的相对时间同步方式中ꎬ在ＮＣ程序段加工结束时误差超过０.１２５ｓ而进行误差清除的程序段有６处图３ 机床倍率变化处理流程
通过对实时加工机床倍率的检测ꎬ当机床加工倍率出现变化时ꎬ直接跳到下一程序段ꎬ进行阈值和信号的同步ꎬ避免由于倍率变化影响整个监控过程ꎮ
３ 实验验证
为了验证本文同步方法的准确性ꎬ采用某刀具磨损监控系统进行数据采集和同步误差计算ꎮ监控系统的采集频率为８Ｈｚꎬ即１/ｆ＝０.１２５ｓꎮ对某零件进行两次重复数控加工ꎬ将第一次采集的数据作为阈值保存ꎬ将第二次采集的数据分别采用绝对时间同步和采用基于ＮＣ程序段的相对时间同步方式进行比较ꎬ计算两次加工的同步误差ꎮ
Δ进行同步误差分析ꎬ号用竖线分为多段ｔ为纵坐标绘制对比误差图以信号采样点序号为横坐标ꎬ如图４所示ꎬ将加工过程根据程序段、ꎮ
图４ 阈值￣时间/阈值￣程序段对应的同步误差
通过对比两种同步方式ꎬ可以看出在绝对时间同步方法中ꎬ由于采样频率的波动导致阈值和信号的同步误差不断累积(最高为１.３３８ｓ)ꎬ导致后期监控失效ＮＣꎮ而在基于ＮＣ程序段相对时间同步方法中ꎬ在每差程序段进行实时校准程序段结束时计算阈值和信号的同步误差ꎬ保证下一个程序段的开始误
ꎬ并对超(时都未超过虚线处)ꎬ在加工过程０.０.１２５ｓꎬ而在程序段中间同步误差超过中ꎬ监控程序段开始和结束监控失效１２５ｓ的程序段有ꎮ有２７段整个的加工过程同步误差均少１１段ꎬ出现了对不同步的情况ꎬ于０.１２５ｓꎬ监控过程未失效ꎮ相对于基于绝对的时间同步方法３６(提高了监控的准确性段加工已经失效在第２)段误差开始超过误差始终在一个合理范围内０.１２５ｓꎬ后续ꎮ
ꎬ４ 结论
本文针对数控加工监控阈值与信号之间ꎬ由于机床调整或者采集系统的采集过程不稳定产生采集频率波动ꎬ导致监控阈值与信号不能实现实时同步的问题ꎬ提出采用基于ＮＣ程序段的时间同步方法ꎬ通过计算不同ＮＣ程序段结束时监控阈值与信号的同步时间误差ꎬ并对监控过程进行调整ꎬ使监控阈值与信号之间同步时间误差得到消除ꎮ
实际加工实验表明本文提出的方法能够有效提高监控过程的准确性ꎬ避免因为同步误差的累积导致监控失效ꎬ可以应用到实际加工过程中ꎮ
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李秀敏)
