一种基于指令域分析的数控机床刀库的性能评估方法与流程

本发明属于数控机床领域，更具体地，涉及一种基于指令域分析的数控机床刀库的性能评估方法。

背景技术：

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。目前国产数控机床的可靠性相对于国外数控机床还处于较低水平，是国产数控机床市场竞争力不足的重要原因。数控机床整机的可靠性又受到其重要功能部件的可靠性水平限制。刀库是加工中心的重要功能部件，用于储备加工所需刀具和自动更换刀具，其可靠性水平直接制约加工中心整机的可靠性水平。因此，对刀库的工作状态和综合性能进行检测、提前预测故障发生的可能、保障刀库在正常状态下运行，可提高刀库的可靠性水平，进而提高加工中心整机的可靠性水平。

目前，应用于数控机床刀库性能保障或综合性能检测的方法与技术很少、且局限很多。局限性一方面表现为现有技术与系统大多只能针对一种或几种刀库进行检测，如公告号为CN105563198A，名称为“一种集成式可移动圆盘式刀库及机械手综合性能检测装置”，其主要通过移动式检测装置对刀库和机械手的电机电流、电压、温度、机械手振动等性能进行检测，但只能对圆盘式刀库进行综合性能检测，无法适用于链式刀库等其它类型刀库。另一方面，目前的此类技术与系统均需安装传感器等检测元器件采集信号、需搭建实验平台进行检测分析，如公告号为CN102785126A，名称为“刀库及自动换刀装置综合性能检测系统”，其采用了三轴加速度传感器、无线振动传感器、工业相机、PSD相机及声压传感器作为刀库综合性能的检测元器件，还需搭建含工控机的实验平台进行检测分析。此外，现有刀库性能保障或综合性能检测系统还存在影响机床正常加工、检测周期长、使用成本高等缺点，难以推广应用。公告号为CN102023615A，名称为“一种基于指令序列的数控机床加工状态信息显示方法”的专利文献提出了一种基于指令序列的数控机床加工状态信息显示方法。其通过获取指令序列号、指令执行时间和加工状态信息，并通过映射，显示基于指令序列的加工状态信息曲线。该方法可以使信息数据获取全面而且实时性高，有利于用户对加工状况的分析和诊断，让用户对指令序列和加工状态信息的同时观测更简便和清晰。但是，该方法仅仅将机床加工状态数据用于可视化，并没有对数据做基于指令序列的深层挖掘与利用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于指令域分析的数控机床刀库的性能评估方法，通过利用数控机床自动生成的数控加工程序和采集机床的大数据，由此解决数控机床使用过程中的刀具性能评估的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于指令域分析的数控机床刀库的性能评估方法，其特征在于，该性能评估方法包括下列步骤：

(a)在待评估的数控机床中输入预设参数，该数控机床根据所述预设参数自动生成数控加工程序，然后该数控机床按照所述数控加工程序运行；

(b)所述数控机床的数控系统而非数据采集与传输硬件设备，采集该数控机床运行时机床总数据，该机床总数据包括所述数控系统内部电控数据和外接传感器的物理和几何数据，其中，所述物理和几何数据包括温度、振动和空间误差；

(c)采用指令域分析方法计算得到刀库性能指标，其中，所述指令域分析方法首先在所述数控加工程序中找出单次换刀指令所在行行号，根据该行号从所述机床总数据中分离出所述单次换刀指令对应换刀过程的机床数据，然后对该机床数据进行计算得到所述单次换刀过程的性能指标，进一步由所有所述单次换刀过程的性能指标分析计算得到刀库性能指标：

所述刀库性能指标包括平均每次换刀的主轴重定向次数、换刀时间、刀库选刀时间、主轴定向时间、主轴电流均值、Z轴电流均值和单次换刀中最大的主轴电流波动、Z轴电流波动；

(d)将所述刀库性能指标与预设性能标准进行比较评估，从而得到所需的性能评估结果：

(d1)当所述刀库性能指标与预设性能标准相符合时，则将所述性能评估结果存储并以数据或图形的方式在所述数控机床上显示；

(d2)当所述刀库性能指标与预设的性能标准不符合时，将所述性能评估结果存储，同时所述数控机床报警并显示不符合的刀库性能指标。

优选地，在步骤(a)中，所述预设参数优选包括刀库换刀次数、换刀模式和刀库旋转模式。

优选地，在步骤(b)中，所述电控数据还包括所述数控加工程序当前运行的行号，主轴功率、主轴电流、进给轴电流、位置跟随误差、指令位置、实际位置、指令速度、实际速度、指令加速度、实际加速度和所述数控系统中寄存器数据。

优选地，在步骤(c)中，所述单次换刀性能指标包括主轴重定向次数、换刀时间、刀库选刀时间、主轴定向时间、主轴电流均值、主轴电流波动、Z轴电流均值、Z轴电流波动。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明直接通过数控系统采集数据，与现有技术相比较，不需要额外的搭建实验平台、也不需要安装额外的传感器，同时可以在数控机床正常工作的条件下或者数控机床飞工作状态下采集数据，不影响数控机床的正常工作，下实现对数控机床刀库性能状态进行检测和评估；

2、本发明通过利用数控机床自动生成的数控加工程序和采集机床的大数据来获取刀库的性能数据，相比于现有技术和方法，本发明并不限制数控机床使用的刀库种类，任何可以在数控机床上使用的刀库都可以采用本发明的方法，而且本发明还具备应用成本低、操作简单方便等优势；

3、通过本发明通过现对数控机床刀库全生命周期的性能状态检测与评估，能及时发现刀库性能状态变化趋势，预测刀库发生故障的可能，在故障发生前进行处理，提高刀库的可靠性水平，实现了数控机床指令序列的深层挖掘和利用，进而提高数控加工中心整机的可靠性水平。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的性能评估方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的数控机床自动生成的数控加工程序示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的用指令域分析方法单独提取出的一次换刀T指令数据的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的性能评估方法的流程图，如图1所示，本实例选取对象为宝鸡机床厂的VMC850B加工中心，其配置的刀库为斗笠式刀库，数控系统为华中数控HNC-818B。本发明实施包括以下步骤：

步骤一：用户通过输入换刀次数和选择换刀模式、刀库旋转模式进行数控加工程序配置的自定义配置，其中换刀模式包括相邻刀位换刀、跳过一个刀位换刀、跳过多个刀位换刀，刀库旋转模式包括正转换刀、反转换刀、正转与反转混合换刀。

当用户完成自定义配置并按下确认键后，根据配置自动生成数控加工程序，并控制数控系统加载该数控加工程序。本实例的数控加工程序主要由换刀T指令和G04暂停指令组成，当用户配置为16次换刀、跳过一个刀位换刀、正转与反转混合换刀时，生成的数控加工程序，图2是按照本发明的优选实施例所构建的数控机床自动生成的数控加工程序示意图，如图2所示，其主要由换刀T指令和G04暂停指令组成。

步骤二：数控系统加载步骤1所述的数控加工程序后，用户可按下循环启动键执行加工程序，同时，开始采集机床总数据。本实例不使用传感器，直接通过HNC-818B数控系统内置的采样通道以1000赫兹的采样频率采集数控系统内部电控数据，包括：加工程序当前运行行号、刀库相关点位的寄存器信号、主轴电流、Z轴电流。采集完数据后以二进制文件的形式存在数控系统CF卡中。

本实例中，采集的刀库相关点位的寄存器信号包括：刀库换刀点位信号、Z轴第三参考点到达点位信号、主轴定向完成点位信号、刀盘位置检测点位信号。其中刀库换刀点位在刀库换刀期间处于置1状态；Z轴第三参考点到达点位在Z轴到达第三参考点(换刀的选刀点)时有一个脉冲信号；主轴定向完成点位在主轴保持定向期间处于置1状态；刀盘位置检测点位在刀盘转动到位时有一个脉冲信号。

本实例中，刀库相关点位的寄存器信号通过赋值的方法存入同一寄存器单元中，以减少采集的数据量。本实例将刀库相关点位的寄存器信号存入R116寄存器(R寄存器，偏移量为116，有R116.0～R116.7共8个点位)中，其中R116.1存入刀库换刀点位信号、R116.4存入Z轴第三参考点到达点位信号、R116.6存入主轴定向完成点位信号、R116.7存入刀盘位置检测点位信号。

步骤三：数控加工程序执行完后，通过提取出数控加工程序中换刀T指令所在行行号，结合指令域分析的方法，分别提取出数控系统执行每一条换刀T指令期间采集的电控数据，图3是按照本发明的优选实施例所构建的用指令域分析方法单独提取出的一次换刀T指令数据的示意图，如图3所示，提取第一条换刀T指令对应数据的示意图，其中横轴上的T00、T01、T02……为时间刻度值，N01、N02、N03……为加工程序指令行号刻度值，两虚线间的数据即为数控系统执行指令行号为N04的指令(据图2可知指令为M06T01)时的数据。

然后根据每一条换刀T指令对应的数据分别分析计算单次换刀性能指标，本实例中单次换刀性能指标包括主轴重定向次数、换刀时间、刀库选刀时间、主轴定向时间、主轴电流均值、主轴电流波动、Z轴电流均值、Z轴电流波动。其中，主轴重定向次数通过计算刀库换刀点位置1期间主轴定向完成点位上升沿的个数减1获得；换刀时间通过计算刀库换刀点位(R116.1)置1的持续时间获得；刀库选刀时间通过计算Z轴第三参考点到达点位(R116.4)和刀盘位置检测点位(R116.7)两个点位脉冲信号下降沿间的时间获得；主轴定向时间通过计算主轴定向完成点位(R116.6)置1的持续时间获得。

计算完单次换刀性能指标后，再根据每一次换刀的性能指标数据分析计算刀库性能指标，该计算过程是通过将每一次换刀性能指标中同一类型的指标取平均值，或最大值或最小值等实现的。本实例中，刀库性能指标包括平均每次换刀的主轴重定向次数、换刀时间、刀库选刀时间、主轴定向时间、主轴电流均值、Z轴电流均值和单次换刀中最大的主轴电流波动、Z轴电流波动。

最后，将刀库性能指标数值与预设的刀库性能标准数值比对分析，评估出刀库目前的性能状态。

步骤四：完成刀库性能状态评估后，将刀库性能指标数值进行存储并以数值和雷达图的形式进行可视化展示。如果评估的刀库性能指标异常时，将会报警提示并指出刀库出现异常的性能指标，提示并辅助用户对刀库进行维护与维修，从而保障刀库处于正常状态。在本实例中，出现过两次刀库异常报警，第一次报警提示主轴重定向次数异常偏大，通过维修人员检测发现刀库出现零点漂移，进行刀库零点校正后恢复正常；第二次报警提示主轴电流均值异常过大，通过维修人员检测发现主轴伺服驱动存在问题，进行主轴伺服参数调整后恢复正常。

此外，用户可以选择数据回放功能将存储单元中历史的刀库性能指标进行数据回放与可视化展示；也可以选择对比分析功能将存储单元中同一型号的不同数控机床的刀库性能指标进行横向对比分析，及时发现异常的机床与刀库；还可以选择对比分析功能将同一数控机床历史不同的刀库性能指标进行纵向对比分析，观察分析机床刀库性能指标变化趋势，据此制定刀库检修计划，从而降低刀库故障发生率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。