专利名称：数控加工实时监控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控加工技术，具体是一种数控加工实时监控装置。
为了克服或降低系统外来干扰或内部参数变化带来的控制品质恶化的影响，通常采用反馈控制、扰动补偿控制、最优控制以及预编程序控制等。但数控加工过程是时变的非线性过程，它具有显著的非线性和不确定性。对于此类系统，经典的反馈控制技术显得无能为力。单纯的自适应控制和变结构控制虽然可在一定程度上使问题得到缓解，但由于此类控制技术在很大程度上仍需依赖于系统的数学模型，因此，并未从根本上解决问题。
本发明数控加工实时监控装置，包括单片机、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)以及地址锁存器，其特征在于还包括外围扩展I/O模块(8255)，它的输出连接进给速度修正开关和报警起停开关，根据单片机的指令实时在线调节进给速度和报警；接口电路(8279)，用于连接LED显示器和键盘；检测主电机负载信号的电流传感器；以及转换电流传感器输出信号为能被单片机识别的数字信号的A/D转换器；所述外围扩展I/O模块、接口电路、数据存储器以及程序存储器的数据端均接于单片机的一个端口，外围扩展I/O模块、数据存储器以及程序存储器的地址端接地址锁存器的输出和单片机的另一端口，用于向接口电路、数据存储器以及程序存储器提供片选信号的译码器连接在单片机的另一端口；单片机将检测的主电机电流信号与设定值比较，根据比较误差值按一定的控制算法计算进给速度，对加工参数进行在线调节或报警处理。
本数控加工实时监控装置采用了先进的具有负载反馈的恒功率控制技术和加工过载自动保护系统及先进的控制算法，具有以下技术优势1)实时性强。由于数控加工过程对实时性要求比较高，数控加工实时监控装置采用了先进的控制算法使得它比PID控制在响应时间上快一倍到四倍(从图3可以看出)，因此在实时性上不存在障碍。
2)具有较强的鲁棒性。数控加工过程是时变的非线性过程，它具有显著的非线性和不确定性。它要求控制器必须具有较强的鲁棒性而数控加工实时监控装置充分运用智能控制理论和先进的控制算法使得它能够适应复杂多变的数控加工过程。
本监控装置与多台数控设备配合试验证明，可全面优化加工参数，减少机床加工成本，延长刀具使用寿命，防止刀具损坏，减少废料产生，数控设备的加工效率平均提高20％以上，降低生产成本20％以上，
图3为本发明模糊控制算法和PID控制算法的计算机模拟仿真图。
本监控装置，包括单片机、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、地址锁存器(373)、外围扩展I/O模块(8255)、挂接显示器和键盘的接口电路(8279)、电流传感器、以及转换电流传感器输出信号为能被单片机识别的数字信号的A/D转换器。
所述外围扩展I/O模块、接口电路、RAM以及ROM的数据端均接于单片机的P3端口，外围扩展I/O模块、RAM以及ROM的地址端接地址锁存器(373)的输出和单片机P4端口。数据存储器采用62128芯片，程序存储器27256芯片。接口电路芯片8279、键盘和LED组成人机接口模块用以输入控制参数和显示；扩展I/O芯片8255输出连接进给速度修正开关和报警起停开关，根据单片机的指令实时在线调节电机进给速度和报警。
用于向接口电路、RAM以及ROM提供片选信号的译码器连接在单片机P4端口，译码器可采用74LS138等芯片。74LS138的三个输入(A、B、C)接单片机P4端口，它的输出Y7接8279的CS端，Y5、Y6通过与门电路接62128的CE端，Y1-Y4通过4输入与门电路接27256的CE端。P4端口的A14、A15通过与非门电路接8255的CS端。
A/D转换器采用单片机内置A/D转换器，本例单片机选用8098。负载信号的检测是由电流传感器将负载信号送往内置10位A/D转换器的8098的ACH4口来完成的。
数控加工实时监控装置的工作原理为首先将负载信号即主电机的电流经电流传感器检测到后送往A/D转换器转换为能被单片机识别的数字信号。然后单片机将此数字信号与内存中所设定的值进行比较后得到一误差值后，此误差值按一定的控制算法进行处理做出相应的决策需要报警就将控制指令送往报警模块；需要对加工参数进行在线调节就将数字信号送往D/A转换器转换为能被机床所接受的模拟信号对加工参数进行实时调节。
数控加工实时监控装置对铣削功率的监测采用监测主轴电动机电流的办法来检测铣削功率。电流的检测一般有三种方法电阻法、互感器法和霍尔传感器。本数控加工实时监控专家系统采用的是霍尔传感器法。霍尔传感器不仅实现被测电路与反馈电路的可靠隔离，而且还具有以下优点(a)可测量任意波形的电流波形信号。频带宽，可测量从直流到1000KHZ的各种信号；(b)线性度好，测量区间宽，测量精度高；(c)响应速度快，延时和响应时间均小于0.1μS；(d)过载能力强，使用安全。当被测量大大超过额定值时，内部电路及磁路均有饱和限幅作用，不会损坏传感器。
电机功率是通过电流传感器经过单片机检测运算得出电机的输入功率，是各种损耗功率与切削功率之和。
机床工作时，主电机的功率消耗可分两部分Pi＝Pis+Pic式中Pi-电机有功功率瞬时值；Pis-电机及机床传动系统所消耗的功率；Pic-切削时所消耗的功率；Pic＝U×I式中U为主电机输入电压，其值是稳定的；I为主电机的输出电流，是变化量。
切削力/扭矩引起电机功率的变化只是反应Pic在上，对Pis影响甚小，可忽略不计。并且电机及机床传动系统所消耗的功率仅占电机总功率的2％。所以通过电流传感器检测到的量包含了负载的工况信息。只要使主电机的输出电流I等于其额定电流，那么主电机就一直是恒功率运行也就实现了恒功率控制。
数控加工实时监控装置在充分总结前人经验的基础上利用智能控制理论对数控加工过程进行控制。采用改进型的模糊控制算法通过在线实时调节进给速度来实现恒功率控制的目的。图3为改进型的模糊控制算法同工业界广泛使用的PID控制算法的计算机模拟仿真比较图。
图3中破折线为数学模型为二阶的改进型的模糊控制算法仿真图，点划线为同一数学模型的PID控制算法仿真图；实线和虚线分别为数学模型发生改变后变为一阶的改进型的模糊控制算法仿真图和PID控制算法仿真图。从图3可以看出改进型的模糊控制算法比PID控制算法具有较强的抗干扰性和快速响应时间。
数控加工实时监控装置控制流程图2所示。其控制步骤描述如下①初始化。对A/D，外扩I/O模块，人机接口及报警模块初始化。
②电流检测。A/D转换器将电流传感器检测到的主电机电流信号转为能被单片机CPU所能接受的数字信号Im送往单片机等待CPU进行处理。
③单片机将检测到的电流值Im与单片机所设定的机床运行在额定功率下的电流值IR进行比较。若Im＞IR，并且超调量＝Im-IR在允许的范围内则单片机根据所给定的控制算法输出一个符号为负的进给速度增量ΔV，若超调量超出所允许的范围则向报警模块发出报警信号使机床紧急停机。若Im＝IR，则输出ΔV＝O。若有Im＜IR则单片机根据所给定的控制算法输出一个符号为正的进给速度增量ΔV。
④CPU计算出进给速度V＝进给速度增量ΔV+前一时刻的进给速度值(初始时的进给速度值为操作者从人机接口所输入的值)。
⑤CPU将所计算出的进给速度V与内存中所贮存的机床所允许的最大进给速度Vmax进行比较。若V＞Vmax，单片机则将Vmax值送往外扩I/O模块使机床以进给速度Vmax进行加工。若V＜Vmax，单片机则将V值送往外扩I/O模块使机床以进给速度V进行加工。
⑥返回步骤(2)继续进行电流检测。
采用本数控加工实时监控装置所具有的经济效果如下
(1)能够充分发挥设备的效益，创造高投资带来的高回报。在普通的数控机床加工过程中，操作者必须经常监视机床，根据实际情况调整进给速度或主轴转速，防止损坏刀具或机床。这就降低了机床的使用率，并增加了成本。另一方面，操作者在编程时由于担心损坏刀具或机床所以给的加工参数都比较保守，这就不能充分发挥设备的性能。而采用数控加工实时监控装置它会实时在线调节加工参数使设备能够发挥它的最大性能。
(2)提高生产效率。数控系统中引进数控加工实时监控装置，使得数控系统可根据铣削深度和宽度的变化对加工参数进行调节，以始终保持最大的进给率(切除率)，而且零件形状越复杂、加工余量越大，数控加工实时监控装置的效果越好。大量分析试验结果表明，较之传统数控系统，数控加工实时监控装置的加工效率有可能提高20-40％。另一方面，数数控加工实时监控装置由于采用了负载反馈控制，它使得机床在空切时转入快速进给这就增加了机床的有效切削时间，提高了生产率。
(3)可有效保护设备和刀具及其防止不安全事故的发生。数控加工实时监控装置带有加工过载自动保护系统它可以对操作者的误操作及在加工期间所给出的会造成设备损坏的加工参数及时报警并发出控制指令使机床及时停机防止不安全事故的发生。
权利要求1.一种数控加工实时监控装置，包括单片机、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)以及地址锁存器，其特征在于还包括外围扩展I/O模块，它的输出连接进给速度修正开关和报警起停开关，根据单片机的指令实时在线调节进给速度和报警；接口电路，用于连接LED显示器和键盘；检测主电机负载信号的电流传感器；以及转换电流传感器输出信号为能被单片机识别的数字信号的A/D转换器；所述外围扩展I/O模块、接口电路、数据存储器以及程序存储器的数据端均接于单片机的一个端口，外围扩展I/O模块、数据存储器以及程序存储器的地址端接地址锁存器的输出和单片机的另一端口，用于向接口电路、数据存储器以及程序存储器提供片选信号的译码器连接在单片机的另一端口；单片机将检测的主电机电流信号与设定值比较，根据比较误差值按一定的控制算法计算进给速度，对加工参数进行在线调节或报警处理。
2.根据权利要求1所述的数控加工实时监控装置，其特征在于所述的A/D转换器采用单片机内置A/D转换器。
3.根据权利要求1所述的数控加工实时监控装置，其特征在于所述外围扩展I/O模块采用8255芯片。
专利摘要一种数控加工实时监控装置，包括单片机、RAM、ROM及锁存器，其特征在于还包括I/O模块，根据单片机的指令实时在线调节进给速度和报警；接口电路；电流传感器及A/D转换器；I/O模块、接口电路、RAM及ROM的数据端均接于单片机的一个端口，它们的地址端接锁存器和单片机的另一端口；单片机将检测的主电机电流信号与设定值比较，根据比较误差值按一定的控制算法计算进给速度，对加工参数进行在线调节或报警。其采用带负载反馈的恒功率控制技术及改进的控制算法，可全面优化加工参数，延长刀具寿命，减少废料产生，数控设备的加工效率平均提高20％以上，加工成本降低20％以上。
文档编号G05B19/18GK2539984SQ0222653
公开日2003年3月12日 申请日期2002年3月28日 优先权日2002年3月28日
发明者冯小军, 宁仲良, 朱华双 申请人:深圳职业技术学院