基于NC程序段的提高數(shù)控加工監(jiān)控閾值與信號(hào)同步的方法*

付玉龍，韓 雷，朱紹維，李衛(wèi)東，馬術(shù)文

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 制造工程部，成都 610092)

0 引言

數(shù)控加工監(jiān)控過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的監(jiān)控，需要對(duì)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)設(shè)置正常的閾值區(qū)間，之后依次讀取和對(duì)比閾值和信號(hào)，判斷刀具的加工狀態(tài)。對(duì)監(jiān)控過(guò)程的準(zhǔn)確性影響較大的因素是閾值與信號(hào)同步的準(zhǔn)確性。閾值與信號(hào)的相對(duì)時(shí)間同步是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，將當(dāng)前加工狀態(tài)采集的信號(hào)與對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的閾值進(jìn)行比較。對(duì)于閾值與信號(hào)的同步，主要存在兩種方法：一種是基于坐標(biāo)，即在NC加工監(jiān)控過(guò)程中，使用具有機(jī)床坐標(biāo)信息的監(jiān)控閾值，并同時(shí)采集機(jī)床的實(shí)時(shí)坐標(biāo)與監(jiān)控信號(hào)，通過(guò)對(duì)比閾值和信號(hào)的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)閾值和信號(hào)的對(duì)應(yīng)[1-2]。這種方式往往由于監(jiān)控閾值與實(shí)時(shí)信號(hào)的坐標(biāo)精度不足，而導(dǎo)致監(jiān)控精度不高甚至失效。另一種是基于絕對(duì)時(shí)間，使用具有機(jī)床加工時(shí)間信息的監(jiān)控閾值，并與實(shí)時(shí)信號(hào)以零件某加工過(guò)程的啟動(dòng)時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行同步，如德國(guó)ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式[3-6]。但是在這種同步方法中信號(hào)采集頻率容易出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)與監(jiān)控閾值的準(zhǔn)確同步。

本文針對(duì)數(shù)控加工監(jiān)控過(guò)程中監(jiān)控閾值與采集信號(hào)的精確同步問(wèn)題，對(duì)絕對(duì)時(shí)間同步方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于NC程序段的相對(duì)時(shí)間同步方法。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控閾值與采集信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且對(duì)同步誤差進(jìn)行計(jì)算和校準(zhǔn)，提高了監(jiān)控準(zhǔn)確性。

1 監(jiān)控閾值的獲取

數(shù)控加工監(jiān)控需要實(shí)時(shí)采集機(jī)床信號(hào)，并與監(jiān)控閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較。因此，監(jiān)控過(guò)程包括監(jiān)控閾值的獲取、監(jiān)控閾值與信號(hào)同步兩方面的內(nèi)容。數(shù)控加工過(guò)程監(jiān)控的閾值提取方法主要通過(guò)兩種方法：

(1) 利用對(duì)加工過(guò)程中的信號(hào)進(jìn)行歸納和分析，消除信號(hào)中的雜音和干擾，得到信號(hào)的特征信息，然后對(duì)特征進(jìn)行決策分析來(lái)獲得信號(hào)的閾值信息，達(dá)到對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控的目的。用于對(duì)信號(hào)處理的方法十分豐富，在傳統(tǒng)的加工監(jiān)控過(guò)程中多使用時(shí)域、頻域分析以及統(tǒng)計(jì)分析等，現(xiàn)向時(shí)頻域分析和智能分析技術(shù)等方向發(fā)展[7]。

加工某NC程序段的Tc為：

式中，Tc為某NC程序段的加工時(shí)間；xm、ym、zm為當(dāng)前NC程序段結(jié)束的工件坐標(biāo)；xm-1、ym-1、zm-1為上一NC程序段結(jié)束的工件坐標(biāo)；F為當(dāng)前加工段號(hào)的進(jìn)給速度。

在每段NC代碼加工過(guò)程中能采集到數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)：

式中，m為某NC程序段采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；f為數(shù)據(jù)采集頻率。

由于采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不一定能完全被n整除，因此剩下少于n個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)閾值。所以計(jì)算出閾值個(gè)數(shù)應(yīng)向上取整，閾值個(gè)數(shù)為：

式中，a為某NC程序段的閾值個(gè)數(shù)；n為計(jì)算單個(gè)閾值需要的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

NC程序段中閾值包含的加工信息如表1所示。

在衡水老白干酒業(yè)公司選相同生產(chǎn)工藝的不同班組進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)，在試驗(yàn)組使用清潔化處理的稻殼，在對(duì)照組使用傳統(tǒng)清蒸的稻殼（兩種稻殼的清蒸時(shí)間一樣），分別取原酒進(jìn)行理化指標(biāo)、微量成分、感官品評(píng)分析。

表1 單個(gè)NC程序段的閾值包含信息

本文采用統(tǒng)計(jì)分析方法，通過(guò)計(jì)算連續(xù)n個(gè)采樣數(shù)據(jù)的最大值，得出該加工狀態(tài)下信號(hào)的上閾值。

2 閾值與監(jiān)控信號(hào)的同步

2.1 同步誤差分析

在實(shí)際監(jiān)控過(guò)程中，需要依次讀取閾值和信號(hào)進(jìn)行數(shù)值對(duì)比。當(dāng)系統(tǒng)采集頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，信號(hào)的采集位置出現(xiàn)相對(duì)時(shí)間的前后波動(dòng)，導(dǎo)致閾值和信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一定的同步誤差。當(dāng)誤差大到一定程度后會(huì)導(dǎo)致閾值和信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)位的情況，因此需要在每個(gè)NC程序段段號(hào)加工完后計(jì)算誤差。具體同步誤差Δt計(jì)算如下所示。

Δt=t1-t2

式中，t1為閾值的絕對(duì)時(shí)間；t2為信號(hào)的絕對(duì)時(shí)間；Δt為信號(hào)與閾值之間的時(shí)間誤差。

2.2 同步誤差消除

當(dāng)系統(tǒng)采集頻率正常時(shí)，在每個(gè)NC程序段中采集的數(shù)據(jù)和計(jì)算閾值時(shí)采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是一致的，不存在同步誤差。但如果采集頻率出現(xiàn)波動(dòng)，可能出現(xiàn)閾值和信號(hào)個(gè)數(shù)不一致，產(chǎn)生無(wú)法同步的問(wèn)題。對(duì)出現(xiàn)以下的情況的同步誤差消除方法進(jìn)行說(shuō)明。

(1) 監(jiān)控信號(hào)超前

圖1 出現(xiàn)情況后的處理方法

(2) 監(jiān)控信號(hào)滯后

圖2 出現(xiàn)≤Δt情況后的處理方法

在監(jiān)控時(shí)，對(duì)各NC程序段加工結(jié)束時(shí)的同步誤差進(jìn)行判斷。當(dāng)閾值和監(jiān)控信號(hào)的個(gè)數(shù)出現(xiàn)差別時(shí)，需要在下一程序段重新進(jìn)行與閾值型號(hào)進(jìn)行同步。以便消除誤差。

(3) 機(jī)床倍率變化

在監(jiān)控過(guò)程中，在加工工件比較復(fù)雜的位置時(shí)，出于對(duì)加工過(guò)程平穩(wěn)性的要求，會(huì)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整主軸倍率或者進(jìn)給倍率。當(dāng)調(diào)整主軸倍率時(shí)，加工參數(shù)會(huì)導(dǎo)致功率等信號(hào)減小，此時(shí)監(jiān)控信號(hào)不會(huì)超過(guò)閾值，不觸發(fā)報(bào)警；當(dāng)調(diào)整進(jìn)給倍率時(shí)，導(dǎo)致信號(hào)在當(dāng)前程序段采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和閾值的不一致，導(dǎo)致監(jiān)控失效。解決機(jī)床倍率發(fā)生變化而監(jiān)控失效的處理方法如圖3所示。

圖3 機(jī)床倍率變化處理流程

通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)加工機(jī)床倍率的檢測(cè)，當(dāng)機(jī)床加工倍率出現(xiàn)變化時(shí)，直接跳到下一程序段，進(jìn)行閾值和信號(hào)的同步，避免由于倍率變化影響整個(gè)監(jiān)控過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文同步方法的準(zhǔn)確性，采用某刀具磨損監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和同步誤差計(jì)算。監(jiān)控系統(tǒng)的采集頻率為8Hz，即1/f=0.125s。對(duì)某零件進(jìn)行兩次重復(fù)數(shù)控加工，將第一次采集的數(shù)據(jù)作為閾值保存，將第二次采集的數(shù)據(jù)分別采用絕對(duì)時(shí)間同步和采用基于NC程序段的相對(duì)時(shí)間同步方式進(jìn)行比較，計(jì)算兩次加工的同步誤差。

進(jìn)行同步誤差分析，以信號(hào)采樣點(diǎn)序號(hào)為橫坐標(biāo)、Δt為縱坐標(biāo)繪制對(duì)比誤差圖，將加工過(guò)程根據(jù)程序段號(hào)用豎線分為多段，如圖4所示。

圖4 閾值-時(shí)間/閾值-程序段對(duì)應(yīng)的同步誤差

通過(guò)對(duì)比兩種同步方式，可以看出在絕對(duì)時(shí)間同步方法中，由于采樣頻率的波動(dòng)導(dǎo)致閾值和信號(hào)的同步誤差不斷累積(最高為1.338s)，導(dǎo)致后期監(jiān)控失效。而在基于NC程序段相對(duì)時(shí)間同步方法中，在每NC程序段結(jié)束時(shí)計(jì)算閾值和信號(hào)的同步誤差，并對(duì)超差程序段進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，保證下一個(gè)程序段的開(kāi)始誤差在0.125s內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)中共加工38個(gè)程序段，在基于NC程序段的相對(duì)時(shí)間同步方式中，在NC程序段加工結(jié)束時(shí)誤差超過(guò)0.125s而進(jìn)行誤差清除的程序段有6處(虛線處)，在加工過(guò)程中，監(jiān)控程序段開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都未超過(guò)0.125s，而在程序段中間同步誤差超過(guò)0.125s的程序段有11段，出現(xiàn)了對(duì)不同步的情況，監(jiān)控失效。有27段整個(gè)的加工過(guò)程同步誤差均少于0.125s，監(jiān)控過(guò)程未失效。相對(duì)于基于絕對(duì)的時(shí)間同步方法(在第2段誤差開(kāi)始超過(guò)0.125s，后續(xù)36段加工已經(jīng)失效)誤差始終在一個(gè)合理范圍內(nèi)，提高了監(jiān)控的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)數(shù)控加工監(jiān)控閾值與信號(hào)之間，由于機(jī)床調(diào)整或者采集系統(tǒng)的采集過(guò)程不穩(wěn)定產(chǎn)生采集頻率波動(dòng)，導(dǎo)致監(jiān)控閾值與信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步的問(wèn)題，提出采用基于NC程序段的時(shí)間同步方法，通過(guò)計(jì)算不同NC程序段結(jié)束時(shí)監(jiān)控閾值與信號(hào)的同步時(shí)間誤差，并對(duì)監(jiān)控過(guò)程進(jìn)行調(diào)整，使監(jiān)控閾值與信號(hào)之間同步時(shí)間誤差得到消除。

實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)表明本文提出的方法能夠有效提高監(jiān)控過(guò)程的準(zhǔn)確性，避免因?yàn)橥秸`差的累積導(dǎo)致監(jiān)控失效，可以應(yīng)用到實(shí)際加工過(guò)程中。