基于實時采集指令域示波器的數(shù)控機床 加工工藝參數(shù)優(yōu)化

秦洪浪

摘 要：數(shù)控機床加工工藝參數(shù)一般都會處于線下進行優(yōu)化設(shè)計，于是為了提高工藝參數(shù)優(yōu)化的便捷性和有效性，文章提出了一種基于實時采集指令域示波器的機床加工工藝參數(shù)優(yōu)化方式。這種方式能夠在數(shù)控機床加工過程中，通過對各種相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和存儲，然后對收集的大數(shù)據(jù)進行分析，于是可以實現(xiàn)在線狀態(tài)上對加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化。這種優(yōu)化方式比較簡單，而且能夠提高數(shù)控機床加工的效率，能夠在實際零件加工中發(fā)揮一定的作用。

關(guān)鍵詞：指令域示波器;數(shù)控機床;參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號：TG659? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0138-04

Optimization of CNC Machine Tool Processing Parameters Based on Real-time Acquisition Command Domain Oscilloscope

Qin Honglang

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

Abstract：The processing parameters of CNC machine tools are generally optimized offline. Therefore， in order to improve the convenience and effectiveness of the optimization of the process parameters， the paper proposes a method of optimizing the processing parameters of the machine tool based on the real-time acquisition command domain oscilloscope. This method can collect and store various related data during the processing of CNC machine tools， and then analyze the collected big data， so that the processing process parameters can be optimized on-line. This optimization method is relatively simple， and can improve the efficiency of CNC machine tool processing， and can play a certain role in actual parts processing.

Key words：command domain oscilloscope; CNC machine tool;parameter optimization

當(dāng)前對數(shù)控機床加工工藝參數(shù)進行優(yōu)化時會在離線狀態(tài)下進行，這種方式不利于系統(tǒng)的優(yōu)化便捷性，雖然也有在線上對工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，但是沒有和數(shù)控系統(tǒng)插補周期同步[1-2]。對參數(shù)進行優(yōu)化時，其中需要涉及到數(shù)據(jù)的處理，然而其中數(shù)據(jù)處理方式比較多，比如時域或者頻域方法、數(shù)值分析等方法，在數(shù)控加工方面，其中非常重要的就是G代碼程序，對機床后續(xù)所以動作起決定性作用[3-5]。文章提出了一種基于實時采集指令域示波器的參數(shù)優(yōu)化方式，通過對加工過程中的大數(shù)據(jù)進行分析利用，從而實現(xiàn)線上工藝優(yōu)化設(shè)計，在一定程度促進了數(shù)控機床的加工效率。

1 指令域工藝參數(shù)優(yōu)化模塊

我國的高檔數(shù)控系統(tǒng)相比于國外來講，技術(shù)比較落后，導(dǎo)致在數(shù)控加工領(lǐng)域中國外的品牌占據(jù)中國的主要市場[6]。數(shù)控系統(tǒng)在工作過程中，無法對其中的大數(shù)據(jù)進行拷貝，所以難以進行相關(guān)研究。文章通過對某型號的高檔數(shù)控系統(tǒng)進行深入研究，對其進行優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)了一種嵌入式的指令域工藝參數(shù)優(yōu)化模塊，有助于提高高檔數(shù)控系統(tǒng)的綜合性能。

1.1 加工過程數(shù)據(jù)模塊和工藝參數(shù)優(yōu)化模型

系統(tǒng)在工作過程中，其中涉及到很多工藝參數(shù)都會影響零件的加工質(zhì)量，如果對這些相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，在很大程度上可以提高系統(tǒng)的加工效果。在機床加工過程中通過使用指令域示波器可以獲取相關(guān)的大數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)會實時對數(shù)據(jù)進行采集，并且對其進行分析，從而可以實現(xiàn)在線優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。圖1即為指令域示波器的工藝參數(shù)優(yōu)化流程。

數(shù)控加工過程中，其中電機的運行模式是恒轉(zhuǎn)矩模式，然后其他電流處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，但是在實際的加工過程中，會存在很多的加工條件差異，于是就會導(dǎo)致電機并不是處于恒定狀態(tài)，所以電機在工作過程中沒有發(fā)揮出全部實力[7-8]。為了解決這個問題，人們通過人為對局部地方進行修改，這種修改方式并不較大程度提高加工效率。所以文章將以電流為優(yōu)化目標，保證電流的平衡，然后提高系統(tǒng)的加工效率和質(zhì)量。優(yōu)化函數(shù)關(guān)系表達式如下：

其中，Vx、Vy、Vz表示的是優(yōu)化后進給速度值，i和v分別表示的是各個進給軸電流和速度值。

系統(tǒng)在工作過程中進給速度和電流的數(shù)據(jù)會被指令域示波器實時采集，可能會出現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)量過大而導(dǎo)致無法全部保存，此時就會使用移動平均計算行特征值。表達公式如下：

其中，Mt1表示的是當(dāng)前時刻平均電流，dn+1表示的是當(dāng)前采集值，St0表示的是上一時刻的平均電流，n表示的是當(dāng)前采樣點個數(shù)。

指令域示波器需要能夠同時采集不同的數(shù)據(jù)信息，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)的準確性，然后通過指令域特征提取，對數(shù)據(jù)進行分析時，并不需要對所有數(shù)據(jù)進行分析，只需要對插補行特征值即可，所以在一定程度上可以提高數(shù)據(jù)分析效率。優(yōu)化后新進給速度值F的表達公式如下：

其中，k表示的是優(yōu)化系數(shù)，k≤1，M表示的是全加工周期平均電流，f 表示的是優(yōu)化前后進給速度值，m表示的是某插補行平均電流。其中優(yōu)化系數(shù)k對整個公式的影響比較大，因為k值不同，優(yōu)化效果就會不一樣。在實時優(yōu)化過程中，在每行的后面會新加入一個模態(tài)F值。

數(shù)據(jù)機床在加工過程中，會通過時域波形以插補周期的方式實時顯示加工狀態(tài)，這種顯示方式屬于微觀顯示，然后還能夠通過指令柱狀波形以插補行的方式對加工狀態(tài)進行統(tǒng)計，這種方式屬于宏觀顯示，所以在加工過程中通過使用宏觀和微觀相結(jié)合的方式進行顯示，更有助于提高系統(tǒng)的優(yōu)化和分析過程。

1.2 指令域分析軟件模塊設(shè)計

指令域示波器軟件屬于數(shù)控系統(tǒng)中的一個分析模塊，所以該軟件能夠同時擁有指令領(lǐng)域分析和時域分析。指令域示波器的主要作用是收集相關(guān)的加工狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)⒋髷?shù)據(jù)在時域界面進行波形顯示，如圖2所示，還能夠?qū)?shù)據(jù)進行保存和查找等操作。圖2中橫坐標有兩行，分別為時間軸和G代碼行號軸。然而在指令域界面中，如圖3所示，是以一種柱狀圖的方式進行顯示，其中橫坐標表示的是G代碼行，縱坐標表示的是行特征提取，能夠?qū)⒆畲笾祷蛘咂骄档葦?shù)據(jù)進行顯示，還能夠?qū)代碼程序的工藝參數(shù)進行修改，還能夠?qū)μ卣鲾?shù)據(jù)進行動態(tài)保存等操作。

指令域軟件采集的數(shù)據(jù)主要包含兩個方面，第一個就是系統(tǒng)內(nèi)部通過加工產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，第二個就是機床傳感器信息，其中大部分信息來自于外部傳感器，其中涉及到的接入方式如圖4所示。

軟件示波器可視化功能開發(fā)主要包含4點設(shè)計：

（1）通道同步設(shè)計。

（2）采樣結(jié)構(gòu)設(shè)計。示波器模塊使用的是雙緩設(shè)計，其設(shè)計流程如圖5所示，其中包含一級緩沖，最大有16個通道，單通道能夠有10k個數(shù)據(jù)，能夠保證數(shù)據(jù)不被丟失，第二個緩沖只有一個通道，其中能夠包含100k個數(shù)據(jù)，并且該頻率和屏幕刷新頻率一致，所以在展示效果時能夠保證人眼視覺效果。

（3）波形可視化設(shè)計。這種設(shè)計方式有兩種表現(xiàn)形式，其中一種就是滿屏重繪，這種方式就是屏滿重繪，其數(shù)據(jù)點沒有上限，這種表現(xiàn)方式主要適用于狀態(tài)變化周期較長的信號，比如壓力等外部傳感器信號。另外一種就是循環(huán)滾動，這種方式得到的波形就會自適應(yīng)窗口大小，然后還會實時調(diào)整窗口坐標，這種表現(xiàn)方式主要適用于狀態(tài)變化周期較短的信號，比如在加工作業(yè)時的信號，如速度、位置、跟隨誤差等。圖6為波形自適應(yīng)調(diào)整算法設(shè)計流程圖。

圖6中的max和min分別表示的是波形當(dāng)前可視范圍內(nèi)的最大值和最小值，y表示的縱軸坐標零點，top_coord、bottom_coord分別表示的是示波器圖形界面的上界面和下界面，scale表示的y軸當(dāng)前刻度值。另外，圖6中的各個變量的單位全部是像素。

（4）參數(shù)配置設(shè)計。指令域示波器的功能強大，不僅能夠?qū)ιa(chǎn)加工時的數(shù)據(jù)信息進行收集、對機床的零件進行優(yōu)化，而且對生產(chǎn)加工當(dāng)前的狀態(tài)進行可視化，能夠提高系統(tǒng)生產(chǎn)加工的效率和質(zhì)量。參數(shù)配置界面設(shè)計的種類比較多，比如采樣方式、采樣通道、采樣周期、繪圖模式等，其中采樣通道比較方便，能夠?qū)ζ渑渲萌我獾男盘枴D7即為指令域示波器配置界面圖。如圖8所示即為機床加工過程中收集到的各種狀態(tài)心電圖。

2 優(yōu)化實驗

根據(jù)某廠的要求，需要提高加工效率，從而降低零件加工的時間。優(yōu)化實驗將以加工生產(chǎn)壁框類工件為優(yōu)化對象，該零件的現(xiàn)場完成圖如圖9所示，然后根據(jù)要求對其進行G代碼優(yōu)化設(shè)計，其中使用的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部集成指令域軟件模塊。加工的零件材料為鋁合金，屬于粗加工方式。加工過的過程如下：

（1）淺腔加工。進行淺腔加工時，其中切削深度為62mm，其中使用D28短刀和立銑刀的切削總深度為44mm，在切削過程中不能一次全部切削完成，需要將其分為3次，分別切削10mm、17mm和17mm，兩種刀的原G代碼中主軸轉(zhuǎn)速分別為1000r/min和360r/min，進給量分別為400mm/min和150mm/min。通過優(yōu)化之后的短刀時間效率提高了24.3%。長刀優(yōu)化之后，其效率提高了37.5%。

（2）深腔加工。對零件進行深腔加工時，其總的切削深度為65mm，其中使用D28立銑刀短刀需要切削的深度為47mm，同樣需要對其進行三次切削，三次的深度分別設(shè)置為13mm、17mm和17mm。然后長刀和短刀的原G代碼中主軸轉(zhuǎn)速和進給量與淺腔加工的設(shè)置一致。然后對短刀優(yōu)化前和優(yōu)化后的加工時間進行對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的切削效率提高了27.5%，長刀優(yōu)化后的效率提高了37%。優(yōu)化前后G代碼如圖10所示。

通過優(yōu)化實驗可知，采用實時采集指令域示波器對系統(tǒng)加工負載電流優(yōu)化進給速度，在該薄壁零件的加工上能夠顯著提高加工效率，在淺腔加工上工作效率提高了37.5%，另外在深腔加工效率也提高了37%，所以基于這種示波器，通過對數(shù)控加工機床的相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，能夠有效提高加工效率，從而為企業(yè)帶來更大的效益。

3 結(jié)語

文章通過對某高檔數(shù)控系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，基于實時采集指令域示波器，能夠獲取更多的大數(shù)據(jù)，然后對其進行分析利用，從而有助于對參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，能夠?qū)?shù)控機床在工作時的狀態(tài)進行實時檢測，能夠及時對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。這種數(shù)控機床在傳統(tǒng)的機床基礎(chǔ)上，能夠?qū)?shù)據(jù)進行采集并且存儲和分析，能夠在零件加工過程中對相關(guān)工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，及時調(diào)整系統(tǒng)的運作狀態(tài)，使得數(shù)控機床的加工效率更高。我國的高檔數(shù)控機床發(fā)展沒有國外快，所以為了提高我國裝備的性能，需要對其進行不斷創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計。

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