一种实现不同加工策略的倍率控制方法与流程

本发明涉及数控机床领域，更具体地说，涉及一种实现不同加工策略的倍率控制方法。

背景技术：
数控机床领域的数控切削加工是机械制造领域中的重要生产方式。在数控切削加工过程中，为了获得最终加工工件，操作者需要根据实际加工情况设定加工参数(主轴转速、进给速度和进给深度)，并且在加工过程中需要根据不同的加工需求改变加工参数。在现有数控切削技术中，主要以主轴转速和进给速度两种加工参数为关注对象，一般利用调节选择开关(例如波段开关)来输入主轴转速和进给速度。利用主轴转速开关调节主轴转速，进给速度开关调节进给速度；为了将主轴转速和进给速度均做出调整，用户必须进行两步操作；当加工参数更多时，为了达到加工目的，则需要通过更多步骤调节加工参数，对于用户来说操作不方便。同时，对各参数分别单独进行控制，还存在下列缺陷：当主轴转速单次调整范围过大，进给速度未及时作出相应调整时，可能出现因为每齿进给量过小而造成刀具磨损加剧或发生颤振等后果；当进给速度单次调整范围过大，主轴转速未及时作出相应调整时，可能出现因为每齿进给量fz过大而可能造成刀具的破损等后果。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于，针对需要通过多步调节加工参数，操作不方便，且各参数进行分别单独控制容易造成事故的技术缺陷，提供一种实现不同加工策略的倍率控制方法。该方法只需用户根据需要选择一种策略，就可同时对多种加工参数进行调节，操作方便且避免刀具磨损事故。本发明提供一种实现不同加工策略的倍率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据加工需求预先设定加工策略表，所述加工策略表中的每种策略对应着至少一组加工参数；S2、根据用户的选择输入，控制面板将加工策略选择信息发送至PLC模块；S3、PLC模块根据所述加工策略选择信息在加工策略表中查找对应的加工策略，获取该加工策略下的一组加工参数，将获取到的加工参数发送至CNC模块；S4、CNC模块根据当前主轴转速n、当前进给速度vf和加工参数，求取主轴转速n′和进给速度vf′；S5、CNC模块将主轴转速n′和进给速度vf′转化为伺服驱动指令输出。优选地，加工策略表中的加工参数为主轴倍率Ks和每齿进给倍率Ka，则控制方法的步骤为：S1、根据加工需求预先设定加工策略表，所述加工策略表中的每种策略对应着至少一组加工参数；S2、根据用户的选择输入，控制面板将加工策略选择信息发送至PLC模块；S3、PLC模块根据所述加工策略选择信息在加工策略表中查找对应的加工策略，获取该加工策略下的主轴进给倍率Ks和每齿进给倍率Ka，并求取进给倍率Kf＝Ks*Ka后，将获取到的主轴进给倍率Ks和求取到的进给倍率Kf发送至CNC模块；S4、CNC模块根据当前主轴转速n和当前进给速度vf，计算求取主轴转速n′＝Ks*n，进给速度vf′＝Kf*vf＝Ks*Ka*vf；S5、CNC模块将主轴转速n′和进给速度vf′转化为伺服驱动指令输出。优选地，CNC模块内部包括对进给速度做插补运算的插补器。优选地，插补器内部设置有主轴指令同步器，对进给速度和主轴转速做同步插补。优选地，CNC模块内部还包括：连接插补器，接收来自插补器的轨迹密化点序列和PLC模块处理得到的倍率调整需求，对密化点序列进行再次插值密化，调整进给倍率的进给倍率处理模块。实施本发明所述的实现不同加工策略的倍率控制方法，只需选择一种加工策略，即可以达到调节多种加工参数，达到加工目的，操作方便简单；且能够克服分别调节各种参数容易造成事故的技术缺陷。附图说明图1是现有技术数控切削加工参数控制的示意图；图2是本发明的实现不同加工策略的倍率控制方法的流程图；图3是加工策略表的结构示意图；图4是加工策略选择开关的示意图；图5是实现加工策略控制的一实施例的结构示意图；图6是本发明的实现不同加工策略的倍率控制方法的一实施例的结构示意图。具体实施方式图1是现有技术数控切削加工参数控制的示意图，如图所示，加工参数被预先设定，主要包括两种，分别为进给倍率和主轴倍率。当采用开关调节进给倍率和主轴倍率时，需要分别对进给倍率开关和主轴倍率开关进行调节。进给倍率开关和主轴倍率开关各自具有多个档位可供选择，但该预先设定的多个档位的数值一般不再变化，用户只能在该预先设定的档位范围内选择某一档位。进给倍率和主轴倍率二者相互独立，在加工过程中，只能单独调整进给倍率或者主轴倍率。现有技术的单独调整进给速度和主轴转速可能造成实际刀具每齿进给量产生巨大波动，每齿进给量过大可能造成刀具的破损，每齿进给量过小则可能造成刀具磨损加剧或发生颤振。且利用现有技术调整进给倍率和主轴倍率时，不能一次调整的幅度过大，否则，也会产生每齿进给量过大可能造成刀具的破损，每齿进给量过小则可能造成刀具磨损加剧或发生颤振。为了避免前述缺陷，用户需要在对主轴倍率或进给倍率进行调节的同时或者在调节完一个参数后相隔不长的时间内对另一个参数进行调节。采用现有的通过改变加工参数实现切削加工的方式，用户需要进行多步调节才能达到目的。本发明以加工策略为控制对象，每种加工策略在控制系统内部演化为对一组加工参数的控制，最后由数控系统完成速度控制以达到所需的加工策略。在本实施例中，该组加工参数为主轴进给倍率Ks和每齿进给倍率Ka。图2是本发明的实现不同加工策略的倍率控制方法的流程图。如图所示，该控制方法包括如下步骤：S1、根据加工需求预先设定加工策略表，所述加工策略表中的每种策略对应着至少一组加工参数主轴倍率Ks和以及每齿进给倍率Ka；S2、控制面板根据用户的选择输入，将加工策略选择信息发送至PLC模块；S3、PLC模块根据所述加工策略选择信息在加工策略表中查找对应的加工策略，获取该加工策略下的主轴进给倍率Ks和每齿进给倍率Ka，并求取进给倍率Kf＝Ks*Ka后，将获取到的主轴进给倍率Ks和求取到的进给倍率Kf发送至CNC模块；S4、CNC模块根据当前主轴转速n和当前进给速度vf，计算求取主轴转速n′＝Ks*n，进给速度vf′＝Kf*vf＝Ks*Ka*vf；S5、CNC模块将主轴转速n′和进给速度vf′转化为伺服驱动指令输出。PLC模块可以利用硬件或软件形式实现。为了实现更加精确的加工控制，加工策略表中的每种策略对应着两组以上的主轴倍率Ks和每齿进给倍率Ka。CNC模块内部还包括对进给速度做插补运算的插补器。为了保证进给轴与主轴的协同工作，可以在插补器中设置主轴指令同步器，负责向PLC模块发送主轴指令，等待PLC模块返回主轴转速数值后，对进给速度和主轴转速做同步插补。为了进一步控制加工精度，CNC模块内部还包括进给倍率处理模块，接收来自于插补器的轨迹密化点序列和PLC模块处理得到的倍率调整需求，对密化点序列进行再次插值密化，调整进给倍率。CNC模块内部还包括：连接插补器，接收来自插补器的轨迹密化点序列和PLC模块处理得到的倍率调整需求，对密化点序列进行再次插值密化，调整进给倍率的进给倍率处理模块。图3是加工策略表的结构示意图。如图所示，制定如下四种加工策略：慢速小进给切削加工策略、慢速切削加工策略、快速切削加工策略、小进给量高速精加工加工策略。慢速小进给切削加工策略包含了三组加工参数，即主轴倍率Ks和向对应的每齿进给倍率Ka，第一组中Ks＝70％，Ka＝50％；第二组中Ks＝80％，Ka＝75％；第三组中Ks＝90％，Ka＝85％。慢速切削加工策略包含了两组加工参数，即主轴倍率Ks和向对应的每齿进给倍率Ka，第一组中Ks＝95％，Ka＝100％；第二组中Ks＝100％，Ka＝100％。快速切削加工策略包含了两组加工参数，即主轴倍率Ks和向对应的每齿进给倍率Ka，第一组中Ks＝105％，Ka＝100％；第二组中Ks＝110％，Ka＝100％。小进给量高速精加工加工策略包含了三组加工参数，即主轴倍率Ks和向对应的每齿进给倍率Ka，第一组中Ks＝120％，Ka＝88％；第二组中Ks＝80％，Ka＝75％；第三组中Ks＝90％，Ka＝85％。通过公式进给速度倍率Kf＝Ks*Ka可以计算求取进给速度倍率Kf。图4是加工策略选择开关的示意图。如图所示，该加工策略选择开关具有四个大控制档位A、B、C、D，每个大控制档位下分为三个小控制档位，即一共十二个档位。四个大控制档位代表着四种不同的加工策略，每个大控制档位下的三个小控制档位代表着每种加工策略下包含了三组加工参数，每组加工参数的数值不同。用户通过加工策略选择开关根据加工需求选择其中的一个小控制档位，则加工策略的选择在控制系统内部转化为对两种加工参数主轴转速倍率Ks、每齿进给量倍率Ka的设定，产生相应的进给速度倍率Kf。图5是实现加工策略控制的一实施例的结构示意图。如图所示，操作面板提供加工策略选择的输入方式，可以是选择开关、按键或其他可输入连续变化信号的输入设备，本实施例中采用选择开关作为输入设备。在进行切削加工前预先设定加工策略表，该加工策略表中的加工策略种类与加工策略选择开关的相同。用户通过选择开关选择加工策略，输入设备将用户选择的加工策略输入信号发送至PLC模块中。PLC模块根据接收到的加工策略输入信号，到加工策略表中查找对应的加工策略，以及加工策略下的一组对应的加工参数，例如主轴进给倍率Ks和每齿进给倍率Ka。根据公式进给速度倍率Kf＝Ks*Ka可以计算求取进给倍率Kf，然后将主轴进给倍率Ks和进给速度倍率Kf发送至CNC模块，CNC模块将接收到的PLC模块发送的数据作进一步处理，产生指令信息控制速度环，使伺服电机产生相应并达到要求的进给速度和主轴转速。图6是本发明的实现不同加工策略的倍率控制方法的一实施例的结构示意图。如图所示，实现该控制方法的设备主要包括以下部分：加工策略选择开关、数控机床操作面板、伺服驱动装置、数控系统。数控系统由数控系统硬件、实时操作系统和数控系统软件三大部分构成。在数控机床领域，可以利用多种方式生产倍率控制的输入信号，例如按键或者选择开关。现有技术中，主要关注的参数对象是主轴转速和进给速度，因此，现有技术中，仅存在主轴转速倍率开关和进给倍率开关。本发明采用专门的加工策略选择开关。数控系统硬件包括伺服及I/O设备接口、实时钟、文件系统存储介质、中央处理器CPU、显示设备及输入设备，它们通过内部总线实现数据交换。I/O设备接口，用于与外部设备连接，实现与外部设备间的数据传输；实时钟，用于触发各部件周期性工作；文件系统存储介质，用于存储操作文件。数控系统硬件，可以有多种计算机系统构成，例如X86PC构架、ARM处理器构架、DSP处理器构架、单片机构架以及多个上述处理器构成的多CPU构架。采用X86PC构架的硬件系统可以用机内8253或其兼容时钟体系作实时钟；可通过PCI总线或ISA总线接口模拟量输出卡和数字量输入输出卡实现伺服及I/O设备接口，对于现场总线接口的伺服及I/O设备，可采用相应现场总线通讯接口卡实现伺服及I/O设备接口；可采用硬盘或SD卡、CF卡作为文件系统存储介质。实时操作系统包括数控设备驱动、实时任务调度子系统、图形用户接口GUI和文件管理及存储设备驱动。实时任务调度子系统，用于确保在指定或确定的时间内完成系统功能。实时操作系统可以选用VxWorks，RTLinux等专业的实时操作系统，也可以选用Windows结合实时扩展RTX，或在系统性能要求较低时选择WindowsCE等具有一定软实时特征的操作系统。实时操作系统中除了支持常规的文件管理及存储介质驱动和图形用户接口GUI，主要通过实时钟定时中断处理程序作为实现周期性地实时任务调度。数控设备驱动可以采用实时操作系统提供的标准驱动程序开发框架，封装对伺服及I/O设备接口的数据操作，这些数据包括对伺服的指令及对I/O的指令，也包括采集来自伺服的反馈数据及I/O的数据。数控系统软件包括PLC子系统、PLC程序文件操作器、数控加工程序文件操作器、程序代码解析器、插补器、数控人机交互子系统、主轴服务器、进给倍率处理模块和主轴倍率处理模块。PLC子系统包括ST语言编译器和用户逻辑执行器。当使用其他语言编写文件程序时，采用其他语言编译器。用户逻辑执行器中包括S指令逻辑函数(即主轴转速指令逻辑函数)和每转进给量控制功能函数。PLC子系统，负责根据用户编写的PLC程序逻辑处理数控机床外设和附件的逻辑控制，包括但不限于主轴转速，刀库换刀，冷却，润滑，排屑等。PLC子系统通过设备驱动建立外设输入输出的内存映像，并在内存映像上完成用户既定的逻辑操作。通常用户可以采用IEC61131-3标准约定的PLC编程语言描述所需的控制逻辑，包括梯形图语言，ST语言，IL语言等。PLC子系统中首先由编译器将用户梯形图逻辑、ST语言逻辑或IL语言逻辑转化为可以被数控系统硬件处理器可直接识别的处理器基本指令构成的用户逻辑指令序列。PLC子系统在实时任务调度子系统的管理下，周期性地由用户逻辑执行器运行用户逻辑指令序列。PLC程序文件操作器，负责从数控系统的文件系统存储介质中加载用户编写包含机床控制逻辑的PLC文件，如使用ST语言编写包含机床控制逻辑的PLC文件；使用ST语言编写包含机床控制逻辑的PLC文件大多以回车换行字符作为行结束的标志；通常数控加工程序文件操作器处于被调用的运行方式，不具备自主运行的要求，即可以一组服务函数的形式实现，也可以具有一组服务接口的对象实现。数控加工程序文件操作器，负责从数控系统的文件系统存储介质中加载数控加工程序。程序代码解析器，主要负责调用数控加工程序文件操作器服务接口，为插补器提供宏观数据，具有一定的实时输出的需求，通常程序代码解析器以优先级较低的实时线程或实时任务的形式，纳入实时任务调度。程序代码解析器以行为单位获取数控加工程序；将字符串型的数控加工程序行经过词法分析(可以选用Lex)。指令类别甄别器在语法分析(可以选用Yacc)的基础上，针对每个解析出的关键字进行分类处理，例如对G代码的逐一处理，对坐标点的逐一处理，对M代码的逐一处理，也包括本发明涉及的描述主轴转速的S指令，即启动主轴的M03，M04，M05指令。根据G代码表征的运动请求结合坐标信息，转化为与插补器约定的数据结构，通过插补器对程序代码解析器的接口调用送入插补器。作为主动运行的子系统，程序代码解析器具有一定的实时性要求，通常可以纳入到实时任务调度中，以较低的优先级参与任务调度。插补器，包括直线、圆弧等常规几何轨迹插补器和主轴指令同步器，负责对来自程序代码解析器和界面手动操作的运动服务请求。这些运动服务请求包括：直线、圆弧等常规几何轨迹，也包括对主轴转速的S指令，即启动主轴的M03，M04，M05指令等主轴服务请求。插补器本身仅处理进给轴几何指令的插值密化，对于直线插补和圆弧插补可以采用“逐点比较法”、“数值计分法”，以及其他参数方程形式的插补方法。由于插补器不负责主轴运动控制，为了保证进给轴与主轴的协同工作，插补器中设计有主轴指令同步器，负责向PLC系统发送主轴指令，并等待PLC系统的返回，同步插补器的工作。插补器作为主动运行的子系统，插补器具有较高的实时性要求，通常纳入到实时任务调度中，被严格周期性地执行。执行进度服务器也在插补器运行周期内运行。进给倍率处理模块，具有插补点缓冲，负责接收来自于插补器的轨迹密化点序列，同时接收来自PLC用户逻辑中加工策略功能函数处理的得到的倍率调整需求，在密化点序列的基础上再次插值密化，通过调整增量输出的密化点实现进给倍率的调整。可行的调整算法举例如下：来自插补器的增量坐向序列如下：(ΔX1，ΔY1，ΔZ1)；(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)；(ΔXN，ΔYN，ΔZN)；(ΔXN+1，ΔYN+1，ΔZN+1)；实际输出的向量(ΔX0N，ΔY0N，ΔZ0N)，当倍率小于100％时，实际输出向量小于插补器计算得到的增量向量；当倍率大于100％时，实际输出向量大于插补器计算得到的增量向量。可行的处理办法如下：当倍率小于100％时，设进给倍率为A％，则有：(ΔX01，ΔY01，ΔZ01)＝(A％*ΔX1，A％*ΔY1，A％*ΔZ1)；于是对于(ΔX1，ΔY1，ΔZ1)向量有剩余向量((1-A％)*ΔX1，(1-A％)*ΔY1，(1-A％)*ΔZ1)未输出，累计到(ΔX02，ΔY02，ΔZ02)下次输出。如果剩余向量((1-A％)*ΔX1，(1-A％)*ΔY1，(1-A％)*ΔZ1)仍然比(A％*ΔX1，A％*ΔY1，A％*ΔZ1)大，则：(ΔX02，ΔY02，ΔZ02)＝(A％*ΔX1，A％*ΔY1，A％*ΔZ1)；则乘余((1-A％-A％)*ΔX1，(1-A％-A％)*ΔY1，(1-A％-A％)*ΔZ1)依次类推，直到剩余段((1-n*A％)*ΔX1，(1-n*A％)*ΔY1，(1-n*A％)*ΔZ1)＜(A％*ΔX1，A％*ΔY1，A％*ΔZ1)，则需要借助插补器计算得到的下一段，可行的输出策略如下：对于向量(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)，需要计算向量方向余弦Cos(αX)＝ΔX2/L2Cos(αY)＝ΔY2/L2Cos(αZ)＝ΔZ2/L2则有：ΔX0n＝(1-n*A％)*ΔX1+[A％-(1-n*A％)]*ΔX1*Cos(αX)；ΔY0n＝(1-n*A％)*ΔY1+[A％-(1-n*A％)]*ΔY1*Cos(αY)；ΔZ0n＝(1-n*A％)*ΔZ1+[A％-(1-n*A％)]*ΔZ1*Cos(αX)；此后用(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)替换(ΔX1，ΔY1，ΔZ1)，用(ΔX3，ΔY3，ΔZ3)替换(ΔX3，ΔY3，ΔZ3)重复上述过程，即可得到每个进给调整后的输出向量。当进给倍率大于100％时，设进给倍率为B％，则经常会有本次插补器计算数据长度不足以输出，需要借用下一段的情况。对于借用向量(ΔX2，ΔY2，ΔZ2)，需要计算向量方向余弦：Cos(αX2)＝ΔX2/L2Cos(αY2)＝ΔY2/L2Cos(αZ2)＝ΔZ2/L2则有：当L2＞(B％-1)*L1，则说明L2能满足第一段变速剩余路径需求，则：ΔX01＝ΔX1+(ΔX1*B％-ΔX1)*Cos(αX2)；ΔY01＝ΔY1+(ΔY1*B％-ΔY1)*Cos(αY2)；ΔZ01＝ΔZ1+(ΔZ1*B％-ΔZ1)*Cos(αZ2)；当L2＜(B％-1)*L1，则说明L2不能满足第一段变速剩余路径需求，则需要借用(ΔX3，ΔY3，ΔZ3)，当(L1+L2+L3)＞B％*L1则说明(ΔX3，ΔY3，ΔZ3)可以满足变速需要，否则一直向下借段。设在第N段才满足(L1+L2+...+Ln)＞B％*L1，则有：ΔX01＝ΔX1+ΔX2+...+ΔXn-1+(ΔX1*B％-ΔX1-ΔX2-...-ΔXn-1)*Cos(αXn)；ΔY01＝ΔY1+ΔY2+...+ΔYn-1+(ΔY1*B％-ΔY1-ΔY2-...-ΔYn-1)*Cos(αYn)；ΔZ01＝ΔZ1+ΔZ2+...+ΔZn-1+(ΔZ1*B％-ΔZ1-ΔZ2-...-ΔZn-1)*Cos(αZn)；依次类推，可以以依次得到输出向量(ΔX0n，ΔY0n，ΔZ0n)主轴倍率处理模块，负责接收来自PLC用户逻辑中加工策略功能函数处理得到的主轴倍率调整需求，在原主轴指令的基础上修改主轴速度指令，并直接送数控设备驱动，将该指令送达主轴驱动器。可行的调整算法举例如下：原主轴指令S，来自PLC的主轴倍率调整要求K％，则实际输出主轴指令S0＝S*K％。具体工作原理如下：文件管理及存储设备驱动中存储有预先设定的加工策略表，数控机床操作面板接收用户通过加工策略选择开关输入的加工策略信息，并将该信息通过伺服及I/O设备接口和数控设备驱动发送至PLC子系统，中央处理器CPU和实时钟实时控制该程序的执行。PLC子系统根据档位信息判定加工策略ID，即用户所选择的加工策略的存储地址，然后通过PLC程序文件操作器获取文件系统存储介质中的加工策略表，并根据加工策略ID在加工策略表中查找加工策略，以及读取该加工策略中的一组主轴转速倍率Ks的数值或者每齿进给倍率Ka的数值，进而根据公式Kf＝Ks*Ka计算求取进给倍率Kf的数值，并将主轴转速倍率Ks的数值和进给速率Kf的数值发送至文件系统存储介质。通过数控加工程序文件操作器从文件系统存储介质中读取当前主轴转速n的数值和当前进给速度vf的数值，计算求取主轴转速n′＝Ks*n，进给速度vf′＝Kf*vf，并将计算求取的主轴转速n′和进给速度vf′发送至插补器。由于插补器不负责主轴运动控制，为了保证进给轴与主轴的协同工作，插补器中设计有主轴指令同步器。主轴指令同步器，向PLC系统发送主轴指令，并等待PLC系统返回同步指令(例如系统发出指令指示主轴转速调整为100r/min，为了确认主轴转速达到了系统所指示的速度，则由系统返回主轴转速达到100r/min的确认信息)，实现同步插补器的工作。插补器作为主动运行的子系统，插补器具有较高的实时性要求，实时任务调度子系统通过调度运行接口与各个模块相连保证各模块按照严格周期性地执行。执行进度服务器也在插补器运行周期内运行。插补器在完成对主轴转速和进给速度的同步插补后，将轨迹密化点序列发送至进给倍率处理模块。进给倍率处理模块中设置有插补点缓冲，同时接收来自PLC逻辑执行器处理得到的倍率调整需求，在密化点序列的基础上再次插值密化，通过调整增量输出的密化点实现进给速度的调整。主轴倍率处理模块，接收来自PLC逻辑执行器发送的主轴倍率调整需求，在主轴指令的基础上修改主轴转速指令。进给倍率处理模块和主轴倍率处理模块将处理后的结果通过数控设备驱动和伺服及I/O设备接口发送至伺服驱动装置驱动伺服电机工作。只需选择一种加工策略，即可以达到调节多种加工参数，达到加工目的，操作方便简单；且能够克服各种参数进行分别单独控制容易造成事故的技术缺陷，提高加工效率。本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。