專利名稱：數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)控加工技術，具體是一種數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置。
為了克服或降低系統(tǒng)外來干擾或內(nèi)部參數(shù)變化帶來的控制品質(zhì)惡化的影響，通常采用反饋控制、擾動補償控制、最優(yōu)控制以及預編程序控制等。但數(shù)控加工過程是時變的非線性過程，它具有顯著的非線性和不確定性。對于此類系統(tǒng)，經(jīng)典的反饋控制技術顯得無能為力。單純的自適應控制和變結構控制雖然可在一定程度上使問題得到緩解，但由于此類控制技術在很大程度上仍需依賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型，因此，并未從根本上解決問題。
本發(fā)明數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置，包括單片機、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)以及地址鎖存器，其特征在于還包括外圍擴展I/O模塊(8255)，它的輸出連接進給速度修正開關和報警起停開關，根據(jù)單片機的指令實時在線調(diào)節(jié)進給速度和報警；接口電路(8279)，用于連接LED顯示器和鍵盤；檢測主電機負載信號的電流傳感器；以及轉(zhuǎn)換電流傳感器輸出信號為能被單片機識別的數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器；所述外圍擴展I/O模塊、接口電路、數(shù)據(jù)存儲器以及程序存儲器的數(shù)據(jù)端均接于單片機的一個端口，外圍擴展I/O模塊、數(shù)據(jù)存儲器以及程序存儲器的地址端接地址鎖存器的輸出和單片機的另一端口，用于向接口電路、數(shù)據(jù)存儲器以及程序存儲器提供片選信號的譯碼器連接在單片機的另一端口；單片機將檢測的主電機電流信號與設定值比較，根據(jù)比較誤差值按一定的控制算法計算進給速度，對加工參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)或報警處理。
本數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置采用了先進的具有負載反饋的恒功率控制技術和加工過載自動保護系統(tǒng)及先進的控制算法，具有以下技術優(yōu)勢1)實時性強。由于數(shù)控加工過程對實時性要求比較高，數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置采用了先進的控制算法使得它比PID控制在響應時間上快一倍到四倍(從圖3可以看出)，因此在實時性上不存在障礙。
2)具有較強的魯棒性。數(shù)控加工過程是時變的非線性過程，它具有顯著的非線性和不確定性。它要求控制器必須具有較強的魯棒性而數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置充分運用智能控制理論和先進的控制算法使得它能夠適應復雜多變的數(shù)控加工過程。
本監(jiān)控裝置與多臺數(shù)控設備配合試驗證明，可全面優(yōu)化加工參數(shù)，減少機床加工成本，延長刀具使用壽命，防止刀具損壞，減少廢料產(chǎn)生，數(shù)控設備的加工效率平均提高20％以上，降低生產(chǎn)成本20％以上，
圖3為本發(fā)明模糊控制算法和PID控制算法的計算機模擬仿真圖。
本監(jiān)控裝置，包括單片機、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)、地址鎖存器(373)、外圍擴展I/O模塊(8255)、掛接顯示器和鍵盤的接口電路(8279)、電流傳感器、以及轉(zhuǎn)換電流傳感器輸出信號為能被單片機識別的數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器。
所述外圍擴展I/O模塊、接口電路、RAM以及ROM的數(shù)據(jù)端均接于單片機的P3端口，外圍擴展I/O模塊、RAM以及ROM的地址端接地址鎖存器(373)的輸出和單片機P4端口。數(shù)據(jù)存儲器采用62128芯片，程序存儲器27256芯片。接口電路芯片8279、鍵盤和LED組成人機接口模塊用以輸入控制參數(shù)和顯示；擴展I/O芯片8255輸出連接進給速度修正開關和報警起停開關，根據(jù)單片機的指令實時在線調(diào)節(jié)電機進給速度和報警。
用于向接口電路、RAM以及ROM提供片選信號的譯碼器連接在單片機P4端口，譯碼器可采用74LS138等芯片。74LS138的三個輸入(A、B、C)接單片機P4端口，它的輸出Y7接8279的CS端，Y5、Y6通過與門電路接62128的CE端，Y1-Y4通過4輸入與門電路接27256的CE端。P4端口的A14、A15通過與非門電路接8255的CS端。
A/D轉(zhuǎn)換器采用單片機內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，本例單片機選用8098。負載信號的檢測是由電流傳感器將負載信號送往內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換器的8098的ACH4口來完成的。
數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置的工作原理為首先將負載信號即主電機的電流經(jīng)電流傳感器檢測到后送往A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為能被單片機識別的數(shù)字信號。然后單片機將此數(shù)字信號與內(nèi)存中所設定的值進行比較后得到一誤差值后，此誤差值按一定的控制算法進行處理做出相應的決策需要報警就將控制指令送往報警模塊；需要對加工參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)就將數(shù)字信號送往D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為能被機床所接受的模擬信號對加工參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)。
數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置對銑削功率的監(jiān)測采用監(jiān)測主軸電動機電流的辦法來檢測銑削功率。電流的檢測一般有三種方法電阻法、互感器法和霍爾傳感器。本數(shù)控加工實時監(jiān)控專家系統(tǒng)采用的是霍爾傳感器法?；魻杺鞲衅鞑粌H實現(xiàn)被測電路與反饋電路的可靠隔離，而且還具有以下優(yōu)點(a)可測量任意波形的電流波形信號。頻帶寬，可測量從直流到1000KHZ的各種信號；(b)線性度好，測量區(qū)間寬，測量精度高；(c)響應速度快，延時和響應時間均小于0.1μS；(d)過載能力強，使用安全。當被測量大大超過額定值時，內(nèi)部電路及磁路均有飽和限幅作用，不會損壞傳感器。
電機功率是通過電流傳感器經(jīng)過單片機檢測運算得出電機的輸入功率，是各種損耗功率與切削功率之和。
機床工作時，主電機的功率消耗可分兩部分Pi＝Pis+Pic式中Pi-電機有功功率瞬時值；Pis-電機及機床傳動系統(tǒng)所消耗的功率；Pic-切削時所消耗的功率；Pic＝U×I式中U為主電機輸入電壓，其值是穩(wěn)定的；I為主電機的輸出電流，是變化量。
切削力/扭矩引起電機功率的變化只是反應Pic在上，對Pis影響甚小，可忽略不計。并且電機及機床傳動系統(tǒng)所消耗的功率僅占電機總功率的2％。所以通過電流傳感器檢測到的量包含了負載的工況信息。只要使主電機的輸出電流I等于其額定電流，那么主電機就一直是恒功率運行也就實現(xiàn)了恒功率控制。
數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置在充分總結前人經(jīng)驗的基礎上利用智能控制理論對數(shù)控加工過程進行控制。采用改進型的模糊控制算法通過在線實時調(diào)節(jié)進給速度來實現(xiàn)恒功率控制的目的。圖3為改進型的模糊控制算法同工業(yè)界廣泛使用的PID控制算法的計算機模擬仿真比較圖。
圖3中破折線為數(shù)學模型為二階的改進型的模糊控制算法仿真圖，點劃線為同一數(shù)學模型的PID控制算法仿真圖；實線和虛線分別為數(shù)學模型發(fā)生改變后變?yōu)橐浑A的改進型的模糊控制算法仿真圖和PID控制算法仿真圖。從圖3可以看出改進型的模糊控制算法比PID控制算法具有較強的抗干擾性和快速響應時間。
數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置控制流程圖2所示。其控制步驟描述如下①初始化。對A/D，外擴I/O模塊，人機接口及報警模塊初始化。
②電流檢測。A/D轉(zhuǎn)換器將電流傳感器檢測到的主電機電流信號轉(zhuǎn)為能被單片機CPU所能接受的數(shù)字信號Im送往單片機等待CPU進行處理。
③單片機將檢測到的電流值Im與單片機所設定的機床運行在額定功率下的電流值IR進行比較。若Im＞IR，并且超調(diào)量＝Im-IR在允許的范圍內(nèi)則單片機根據(jù)所給定的控制算法輸出一個符號為負的進給速度增量ΔV，若超調(diào)量超出所允許的范圍則向報警模塊發(fā)出報警信號使機床緊急停機。若Im＝IR，則輸出ΔV＝O。若有Im＜IR則單片機根據(jù)所給定的控制算法輸出一個符號為正的進給速度增量ΔV。
④CPU計算出進給速度V＝進給速度增量ΔV+前一時刻的進給速度值(初始時的進給速度值為操作者從人機接口所輸入的值)。
⑤CPU將所計算出的進給速度V與內(nèi)存中所貯存的機床所允許的最大進給速度Vmax進行比較。若V＞Vmax，單片機則將Vmax值送往外擴I/O模塊使機床以進給速度Vmax進行加工。若V＜Vmax，單片機則將V值送往外擴I/O模塊使機床以進給速度V進行加工。
⑥返回步驟(2)繼續(xù)進行電流檢測。
采用本數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置所具有的經(jīng)濟效果如下
(1)能夠充分發(fā)揮設備的效益，創(chuàng)造高投資帶來的高回報。在普通的數(shù)控機床加工過程中，操作者必須經(jīng)常監(jiān)視機床，根據(jù)實際情況調(diào)整進給速度或主軸轉(zhuǎn)速，防止損壞刀具或機床。這就降低了機床的使用率，并增加了成本。另一方面，操作者在編程時由于擔心損壞刀具或機床所以給的加工參數(shù)都比較保守，這就不能充分發(fā)揮設備的性能。而采用數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置它會實時在線調(diào)節(jié)加工參數(shù)使設備能夠發(fā)揮它的最大性能。
(2)提高生產(chǎn)效率。數(shù)控系統(tǒng)中引進數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置，使得數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)銑削深度和寬度的變化對加工參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以始終保持最大的進給率(切除率)，而且零件形狀越復雜、加工余量越大，數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置的效果越好。大量分析試驗結果表明，較之傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置的加工效率有可能提高20-40％。另一方面，數(shù)數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置由于采用了負載反饋控制，它使得機床在空切時轉(zhuǎn)入快速進給這就增加了機床的有效切削時間，提高了生產(chǎn)率。
(3)可有效保護設備和刀具及其防止不安全事故的發(fā)生。數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置帶有加工過載自動保護系統(tǒng)它可以對操作者的誤操作及在加工期間所給出的會造成設備損壞的加工參數(shù)及時報警并發(fā)出控制指令使機床及時停機防止不安全事故的發(fā)生。
權利要求1.一種數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置，包括單片機、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)以及地址鎖存器，其特征在于還包括外圍擴展I/O模塊，它的輸出連接進給速度修正開關和報警起停開關，根據(jù)單片機的指令實時在線調(diào)節(jié)進給速度和報警；接口電路，用于連接LED顯示器和鍵盤；檢測主電機負載信號的電流傳感器；以及轉(zhuǎn)換電流傳感器輸出信號為能被單片機識別的數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器；所述外圍擴展I/O模塊、接口電路、數(shù)據(jù)存儲器以及程序存儲器的數(shù)據(jù)端均接于單片機的一個端口，外圍擴展I/O模塊、數(shù)據(jù)存儲器以及程序存儲器的地址端接地址鎖存器的輸出和單片機的另一端口，用于向接口電路、數(shù)據(jù)存儲器以及程序存儲器提供片選信號的譯碼器連接在單片機的另一端口；單片機將檢測的主電機電流信號與設定值比較，根據(jù)比較誤差值按一定的控制算法計算進給速度，對加工參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)或報警處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置，其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換器采用單片機內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置，其特征在于所述外圍擴展I/O模塊采用8255芯片。
專利摘要一種數(shù)控加工實時監(jiān)控裝置，包括單片機、RAM、ROM及鎖存器，其特征在于還包括I/O模塊，根據(jù)單片機的指令實時在線調(diào)節(jié)進給速度和報警；接口電路；電流傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器；I/O模塊、接口電路、RAM及ROM的數(shù)據(jù)端均接于單片機的一個端口，它們的地址端接鎖存器和單片機的另一端口；單片機將檢測的主電機電流信號與設定值比較，根據(jù)比較誤差值按一定的控制算法計算進給速度，對加工參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)或報警。其采用帶負載反饋的恒功率控制技術及改進的控制算法，可全面優(yōu)化加工參數(shù)，延長刀具壽命，減少廢料產(chǎn)生，數(shù)控設備的加工效率平均提高20％以上，加工成本降低20％以上。
文檔編號G05B19/18GK2539984SQ0222653
公開日2003年3月12日 申請日期2002年3月28日 優(yōu)先權日2002年3月28日
發(fā)明者馮小軍, 寧仲良, 朱華雙 申請人:深圳職業(yè)技術學院