数控机床刀具自动补偿系统及方法与流程

1.本发明涉及一种数控机床刀具自动补偿系统及方法，属于数控机床技术领域。


背景技术：

2.随着现代科技的发展，对数控设备(computer numerical control，简称cnc)的精度速度要求越来越高。通过测量加工工件从而进行刀具补偿对于数控设备而言是实现更高速度更高精度更自动化地加工的一种有效且常用的办法。而目前数控机床在加工过程中不能直观地反应出加工工件的加工数据，操作员只能凭借手动测量加工好的工件尺寸，经过计算最后手动修改数控设备的刀具补偿值。
3.因此，传统的刀具补偿使数控设备的加工精度和加工效率受到人为主观因素影响特别大，并存在使用不便、废品率高、产品一致性差、加工成本增加等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述现有技术的问题，提供了一种数控机床刀具自动补偿系统，该系统通过读取测量仪器的测量数据，将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，实现了工件加工的过程中自动修正刀具补偿，使加工过程更具自动化、高效化、无人化。
5.本发明的另一目的在于提供一种数控机床刀具自动补偿方法。
6.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
7.一种数控机床刀具自动补偿系统，所述系统包括测量仪器、产线控制器、网络服务器以及多台数控设备，所述测量仪器为激光传感器，测量仪器与产线控制器连接，所述产线控制器和多台数控设备分别与网络服务器连接，多台数控设备构成一组数控设备组：
8.所述产线控制器，用于当加工工件到达测量仪器的测量位置测量时，读取测量仪器的测量数据；将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作。
9.进一步的，所述数控设备通过网络服务器与客户端连接，以查看加工工件的测量数据、测量位置的标准工件数据、加工工件的允许误差范围、测量位置是否开启补偿功能、测量仪器的最大补偿范围、测量位置所对应的补偿刀具编号以及测量位置对应的加工轴号。
10.本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
11.一种数控机床刀具自动补偿方法，所述方法包括：
12.启动测量仪器、产线控制器以及准备加工的数控设备组，创建网络通信线程，初始化网络服务器并绑定端口和ip；
13.当加工工件到达测量仪器的测量位置测量时，产线控制器读取测量仪器的测量数据；
14.产线控制器将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，
以完成刀具自动补偿操作；
15.进一步的，所述与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，具体包括：
16.通过g信号、f信号与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作。
17.进一步的，所述通过g信号和f信号与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，具体包括：
18.使用一个特定的g信号通知各数控设备，以使数控设备在接收到g信号后，根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，对不合格且测量数据未超出最大补偿范围的加工工件进行刀具补偿，并生成刀具补偿日志，同时反馈是否合格的f信号给产线控制器；
19.当接收到数控设备反馈的f信号后，发送g信号清除消息给数控设备，以使数控设备在接收到g信号清除信息后，发送f信号清除消息给产线控制器。
20.进一步的，所述设定的参数包括测量位置的标准工件数据、加工工件的允许误差范围、测量位置是否开启补偿功能、测量仪器的最大补偿范围、测量位置所对应的补偿刀具编号以及测量位置对应的加工轴号。
21.进一步的，所述根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，具体包括：
22.利用阶梯函数进行刀具补偿计算；
23.若加工工件的测量数据未超出设定的允许误差，则判断加工工件合格；
24.若加工工件的测量数据超出设定的允许误差，则判断加工工件不合格。
25.进一步的，所述阶梯函数，如下式：
[0026][0027]
其中，x为加工工件的测量数据，e1为允许误差，e2为最大补偿值。
[0028]
进一步的，所述产线控制器读取测量仪器的测量数据，具体包括：
[0029]
产线控制器与测量仪器进行通信，并发送测量数据读取命令给测量仪器，以使测量仪器向产线控制器返回测量数据包；其中，所述测量数据包格式包括：命令格式和测量值。
[0030]
进一步的，所述命令格式包括：
[0031]
m0命令，读取所连接的全部传感器放大器的测量值；
[0032]
ms命令，读取所连接的全部传感器放大器的测量值及输出状态；
[0033]
sr命令，指定所连接的传感器放大器，读取数据；
[0034]
sw命令，指定所连接的传感器放大器，写入数据；
[0035]
fr命令，指定所连接的传感器放大器，读取小数点位置。
[0036]
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0037]
1、本发明利用测量仪器测量加工工件数据，比人工测量更为准确和快速，且操作方便，通过读取测量仪器的测量数据，将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，实现了工件加工的过程中自动修正刀具补偿，使
加工过程更具自动化、高效化、无人化，并且支持一台测量仪器对应多台数控设备，配合产线控制器的工艺节拍，可以有效的提高整体加工效率和良品率。
[0038]
2、本发明可将数控机床加工过程的成品次品等工件数据直观便捷地体现在数控设备的显示屏上，同时刀具补偿日志的记录也为后期的调试跟踪优化工作提供了可能性，还可判断出数控机床的加工刀具是否有异常，使数控设备更加智能化。
[0039]
3、本发明的数控设备可以通过分析之前刀具补偿日志文件的补偿线性表，如果在某个加工阶段突然产生一个很大的补偿值突跳，那么刀具可能已经存在过度磨损或者崩坏的情况，需要及时介入处理,处理方式一般可以分为人工干预和自动换刀，并且产线控制器也可以实现该功能，主要根据产线的设计方来决定，一般是由进行刀具补偿的数控设备来进行判断。
[0040]
4、本发明具备普遍性和可推广性，通讯协议采用modbus标准工业通讯协议和测量行业标准通讯协议，大部分产线控制器、数控设备和测量仪器都支持以上协议。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例1的数控机床刀具自动补偿系统的结构框图。
[0043]
图2为本发明实施例1的数控机床刀具自动补偿系统的原理图。
[0044]
图3为本发明实施例1的产线控制器与一台数控设备进行刀具自动补偿操作的原理图。
[0045]
图4为本发明实施例1的数控机床刀具自动补偿方法的流程图。
[0046]
图5为本发明实施例1的刀具补偿计算的原理曲线图。
[0047]
图6为本发明实施例2的数控机床刀具自动补偿装置的结构框图。
[0048]
图7为本发明实施例3的产线控制器的结构框图。
具体实施方式
[0049]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
实施例1：
[0051]
当前传感器和网络技术的迅速发展，为测量工件的实时数据、动态显示和分析提供了必要的前提和条件，网络技术的发展也为数控设备的数据传输提供了方便。利用传感器精密的测量能力能迅速准确地分析出数控机床的加工过程和状态。为此，基于测量仪器的数控机床自动刀具补偿功能将能直观地展示工件的加工数据、并实现了实时调整数控设备刀具补偿值，促使数控机床能更高效、更精密、更智能地加工。
[0052]
如图1和图2所示，本实施例提供了一种数控机床刀具自动补偿系统，该系统基于μ
cos操作系统(micro
‑
controller operating system，实时多任务操作系统)实现，包括测量仪器101、产线控制器102、网络服务器103以及多台数控设备104，测量仪器101与产线控制器102连接，产线控制器102和多台数控设备104分别与网络服务器103连接，多台数控设备104构成一组数控设备组。
[0053]
测量仪器101为激光传感器，用于对加工工件进行实时测量，本实施例的测量仪器101主要测量一个电机轴承不同部位的直径。
[0054]
产线控制器102为可编程逻辑控制器(programmable logic controller，简称plc)，其承担了数据中转的功能，由于测量仪器101只能对接一台设备，所以在产线的最优化控制中，产线控制器102作为主控设备来控制整个生产线的工艺节拍，产线控制器102用于读取测量仪器101的测量数据，并将测量数据转发给各台数控设备104，同时与各数控设备104进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，产线控制器与一台数控设备进行刀具自动补偿操作的原理如图3所示。
[0055]
数控设备104专门为该生产线开发了自动刀具补偿功能，并增加了标准的测量行业的通讯协议的解析和处理，可以独立直接连接测量仪器101进行补偿，并能够与客户端105建立连接，建立连接后，在数控设备104的显示屏界面上可以查看加工工件的测量数据、测量位置的标准工件数据、加工工件的允许误差范围、测量位置是否开启补偿功能、测量仪器的最大补偿范围、测量位置所对应的补偿刀具编号以及测量位置对应的加工轴号，实现数控设备104在显示屏界面上一边采集加工工件的测量数据，一边根据设定的参数进行刀具自动补偿，最终制定更优的刀具偏置，使数控机床有更快的速度和更高的精度；其中，客户端105可以是手机、平板电脑等设备，支持蓝牙,wifi等，但不是直接与数控设备104连接，考虑到安全以及可靠性的情况，通过一个网络服务器103进行中转，可以通过网络服务器103设置和修改产线控制器102以及数控设备104的参数、程序以及相应的工艺数据；测量位置所对应的补偿刀具编号是指该测量位置对应数控设备加工工艺的刀具补偿号，也就是说这个测量的位置是由数控设备设定的一把刀具加工而成的，一般一把刀具对应一个刀具补偿号。
[0056]
如图4所示，本实施例提供了一种数控机床刀具自动补偿方法，该方法主要通过上述的产线控制器实现，包括以下步骤：
[0057]
s401、当加工工件到达测量仪器的测量位置测量时，读取测量仪器的测量数据。
[0058]
开机启动测量仪器、产线控制器以及准备加工的数控设备组，创建网络通信线程，初始化网络服务器并绑定端口和ip，创建连接，当产线控制器和测量仪器成功建立连接后即可开始工作，当加工工件到达测量仪器的测量位置测量时，与测量仪器进行通信，并发送测量数据读取命令给测量仪器，测量仪器开始测量工作，根据工作模式计算测量值，并通过tcp/ip协议向产线控制器返回测量数据包；其中，测量数据包格式包括：命令格式和测量值；其中，工作模式有两种，一种是定点测量，一个传感器测量一个位置数据，一般用于宽度或者厚度；另一种是直径测量，由两个个传感器分别从两侧逼近测量，本实施例的产线采用的是第二种工作模式。
[0059]
进一步地，命令格式包括以下几种：
[0060]
1)m0命令，读取所连接的全部传感器放大器的测量值。
[0061]
2)ms命令，读取所连接的全部传感器放大器的测量值及输出状态。
[0062]
3)sr命令，指定所连接的传感器放大器，读取数据。
[0063]
4)sw命令，指定所连接的传感器放大器，写入数据。
[0064]
5)fr命令，指定所连接的传感器放大器，读取小数点位置。
[0065]
上述命令均为传感器的命令，但sw命令一般用在最开始的初始化设定，设定测量仪器的零点，在工作中一般不会写入数据。
[0066]
测量值固定为“+或－”和“9个字符的测量值”，根据零点的设定，测量数据可能会有负值。
[0067]
以m0命令为例，数据包格式：m0+9个字符的测量值。
[0068]
s402、将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作。
[0069]
产线控制器将测量数据包发送给各台数控设备，各台数控设备对测量数据包进行解析，得到加工工件的测量数据，将解析完成的测量数据信息在显示屏界面上进行显示。
[0070]
同时，产品控制器通过g信号、f信号与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，具体包括：
[0071]
s4021、使用一个特定的g信号通知各数控设备，以使数控设备在接收到g信号后，根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，对不合格且测量数据未超出最大补偿范围的加工工件进行刀具补偿，并生成刀具补偿日志，同时反馈是否合格的f信号给产线控制器，表示已经完成刀具补偿计算。
[0072]
其中，设定的参数可以在数控设备的界面上进行，可设定的具体参数内容如下：
[0073]
1)设定数据：测量位置的标准工件数据。
[0074]
2)设定误差：加工工件的允许误差范围，在允许误差范围内不进行补偿。
[0075]
3)补偿状态：测量位置是否开启补偿功能。
[0076]
4)补偿范围：测量仪器的最大补偿范围。
[0077]
5)补偿刀具编号：测量位置所对应的补偿刀具编号。
[0078]
6)轴号：测量位置对应的加工轴号。
[0079]
根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，如图5所示，具体包括：
[0080]
a、利用阶梯函数进行刀具补偿计算，如下式：
[0081][0082]
其中，x为加工工件的测量数据，e1为设定公差(允许误差)，e2为最大补偿值。
[0083]
b、若加工工件的测量数据未超出设定的允许误差，则判断加工工件合格；若加工工件的测量数据超出设定的允许误差，则判断加工工件不合格，同时考虑到测量的滞后性，后面的几个加工工件都属于不合格的产品，具体数量需根据每个加工工件的加工时间来确定。
[0084]
判断加工工件不合格后，若测量数据未超出最大补偿值，属于数控设备的调节范围，可以自行修正(进行刀具补偿)，修正后就是合格品；整个修正过程无须人工干预，不合格产品也会自动剔除；若测量数据超出设定的最大补偿值，数控设备无法修正，就会自动产
生报警，数控设备停机，人工干预检修产线。
[0085]
本实施例中，采用定义类型的g390信号和f390信号作为相互交互的信号，这些g信号和f信号主要用来扩展新功能的。
[0086]
由于数控设备会在刀具补偿过程中生成刀具补偿日志，刀具补偿日志文件记录了每次测量和刀具自动补偿的结果，将记录的结果通过自带的usb接口导出到移动存储器(如u盘、移动硬盘等)，给相关的软件提供进一步的数据处理支持。
[0087]
产线控制器根据数控设备反馈的f信号可以得知当前加工工件是否合格，并统计产量以及良品率。
[0088]
s4022、当接收到数控设备反馈的f信号后，发送g信号清除消息给数控设备，以使数控设备在接收到g信号清除信息后，发送f信号清除消息给产线控制器，表示此次刀具补偿操作顺利完成。
[0089]
在上述操作过程中，本实施例的数据设备可以对异常进行了提示报警等处理，用户可以简单直观地完成刀具自动补偿这一功能。
[0090]
其中，异常主要指系统报警，当测量数据超过了最大补偿范围后，已经可以基本认定系统的刀具或者其它设备出现了故障，比如崩刀、撞刀、原材料不合规格等情况，系统将产生报警，通知整个生产线停止，以免继续加工不合格产品造成浪费，等待检修。
[0091]
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0092]
实施例2：
[0093]
如图5所示，本实施例提供了一种数控机床刀具自动补偿装置，该装置应用于产线控制器，其包括读取模块501和刀具自动补偿模块502，各个模块的具体功能如下：
[0094]
读取模块501，用于当加工工件到达测量仪器的测量位置测量时，读取测量仪器的测量数据；其中，所述测量仪器为激光传感器。
[0095]
刀具自动补偿模块502，用于将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作。
[0096]
本实施例中各个模块的具体实现可以参见上述实施例1，在此不再一一赘述；需要说明的是，本实施例提供的系统仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0097]
实施例3：
[0098]
如图6所示，本实施例提供了一种产线控制器，该产线控制器其包括处理器601、存储器602和网络接口603，该处理器601用于提供计算和控制能力，该存储器602存储有计算机程，处理器601执行存储器602存储的计算机程序时，实现上述实施例1的数控机床刀具自动补偿方法，如下：
[0099]
当加工工件到达测量仪器的测量位置测量时，读取测量仪器的测量数据；其中，所述测量仪器为激光传感器；
[0100]
将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具
自动补偿操作。
[0101]
进一步地，与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，具体包括：
[0102]
通过g信号、f信号与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作。
[0103]
进一步地，通过g信号和f信号与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，具体包括：
[0104]
使用一个特定的g信号通知各数控设备，以使数控设备在接收到g信号后，根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，对不合格且测量数据未超出最大补偿范围的加工工件进行刀具补偿，并生成刀具补偿日志，同时反馈是否合格的f信号给产线控制器；
[0105]
当接收到数控设备反馈的f信号后，发送g信号清除消息给数控设备，以使数控设备在接收到g信号清除信息后，发送f信号清除消息给产线控制器。
[0106]
进一步地，所述根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，具体包括：
[0107]
利用阶梯函数进行刀具补偿计算；
[0108]
若加工工件的测量数据未超出设定的允许误差，则判断加工工件合格；
[0109]
若加工工件的测量数据超出设定的允许误差，则判断加工工件不合格。
[0110]
进一步地，所述读取测量仪器的测量数据，具体包括：
[0111]
与测量仪器进行通信，并发送测量数据读取命令给测量仪器，以使测量仪器向产线控制器返回测量数据包。
[0112]
实施例4：
[0113]
本实施例提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例1的数控机床刀具自动补偿方法，如下：
[0114]
当加工工件到达测量仪器的测量位置测量时，读取测量仪器的测量数据；其中，所述测量仪器为激光传感器；
[0115]
将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作。
[0116]
进一步地，与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，具体包括：
[0117]
通过g信号、f信号与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作。
[0118]
进一步地，通过g信号和f信号与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，具体包括：
[0119]
使用一个特定的g信号通知各数控设备，以使数控设备在接收到g信号后，根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，对不合格且测量数据未超出最大补偿范围的加工工件进行刀具补偿，并生成刀具补偿日志，同时反馈是否合格的f信号给产线控制器；
[0120]
当接收到数控设备反馈的f信号后，发送g信号清除消息给数控设备，以使数控设备在接收到g信号清除信息后，发送f信号清除消息给产线控制器。
[0121]
进一步地，所述根据设定的参数对测量数据进行刀具补偿计算，判断加工工件是否合格，具体包括：
[0122]
利用阶梯函数进行刀具补偿计算；
[0123]
若加工工件的测量数据未超出设定的允许误差，则判断加工工件合格；
[0124]
若加工工件的测量数据超出设定的允许误差，则判断加工工件不合格。
[0125]
进一步地，所述读取测量仪器的测量数据，具体包括：
[0126]
与测量仪器进行通信，并发送测量数据读取命令给测量仪器，以使测量仪器向产线控制器返回测量数据包。
[0127]
需要说明的是，本实施例的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd
‑
rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
[0128]
在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读存储介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读存储介质上包含的计算机程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、rf(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
[0129]
综上所述，本发明利用测量仪器测量加工工件数据，比人工测量更为准确和快速，且操作方便，通过读取测量仪器的测量数据，将测量数据发送给各台数控设备，同时与各数控设备进行双方通信，以完成刀具自动补偿操作，实现了工件加工的过程中自动修正刀具补偿，使加工过程更具自动化、高效化、无人化，并且支持一台测量仪器对应多台数控设备，配合产线控制器的工艺节拍，可以有效的提高整体加工效率和良品率。
[0130]
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。