CN103268083B - 一种数控机床排屑系统按需节能运行控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数控机床排屑系统的按需节能运行控制方法及系统，利用CNC系统对数控机床的排屑系统进行控制，是通过在加工之前输入工件、工艺参数和排屑系统参数，经过初始化设置和解析之后得到切屑产生的平均速率；读取切屑产生速率和相关参数并导入按需运行控制算法进行计算得到在一道工序中排屑系统按需运行的时间节点，在加工开始之后按照排屑系统运行时间节点依次发送排屑系统开启/关闭信号，在一道工序加工时间之内控制排屑系统按需运行，达到节能的目的；本发明解决了数控机床的排屑系统加工过程中长时间连续运行而导致能量浪费的问题。

Description

一种数控机床排屑系统按需节能运行控制方法及系统

技术领域

本发明涉及机械制造业能耗、数控机床等领域，尤其涉及一种面向数控机床排屑系统按需节能运行控制方法及系统。

背景技术

全球气候变暖和碳排放法规在全球范围实施，都是迫使制造业节能的重要因素。电能作为机械车间生产过程的必要资源，减少其消耗不仅是为了降低生产运行成本，同时也是为了减少CO₂的排放。量大面广的机械车间能耗总量巨大，因而其能耗问题也日益受到重视，并被视为机械制造领域实现可持续发展必须解决的重要问题之一，机床和机床部件的节能降耗也成为降低整个车间能量消耗的必要研究途径。

目前，国内对机床和机床部件的节能研究已经有部分探索。例如ZL201210235799.3公开的发明名称为《一种机床节能型油温控制系统》，它提供了一种机床节能型油温控制系统，用于实现机床油温的有效控制从而提高液压油使用性能，并且将油液中交换出的热量进行回收再利用，降低了机床的能量消耗。ZL201110378244.X公开的发明名称为《一种节能机床》，它提供了在机床上设置微型发电机通过齿轮传动与主轴连接，可将主轴运动的部分能量通过微型发电机传导给蓄电池，以此将主轴的部分多余能耗保存下来供机床照明等辅助部件使用，达到机床节能的目的。ZL200810070302.0公开的发明名称为《一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能实施方法》，它提供一种数控机床相邻工步间空载运行时停机节能的实施方法，在加工前根据加工工艺获得主轴运行转速及数控机床编程时所确定的相邻工步间空载运行时间，并通过测试数据表和曲线拟和的方法计算相邻工步间实施停机节能后再启动的控制时间和节能百分比。当节能百分比为正数时，在数控程序中按控制时间嵌入该工步间停机指令和后续的再启动指令，达到节约机床能源的效果。ZL200910061412.5公开的发明名称为《一种无主轴机械变速箱节能机床》，提供一种将电机转子装配在机床主轴后端头，用变频调压技术控制卡盘的转矩与转速来节电。

综上所述，目前对于机床节能的研究主要针对机床整体按需运行的节能、机床主轴节能和机床液压油能量浪费的改善问题，对于机床众多的辅助部件如冷却系统、排屑/冲屑系统、照明系统、气压系统、油污分离系统和电柜风扇等均还没有比较成熟的节能降耗措施。目前大多数机械加工厂的机床配套排屑系统在一个班次的加工过程中处于长时间开启的状态，因而造成了不必要的能量浪费，并缺乏一定的措施对机床排屑系统进行按需运行的控制，而目前已有的上述专利并未涉及到机床排屑系统的按需节能运行控制。

发明内容

针对现有技术缺乏对机床排屑系统进行按需运行的控制，造成能量浪费之不足，本发明解决数控机床的排屑系统加工过程中长时间连续运行而导致能量浪费的问题，提供一种实现节能的数控机床排屑系统按需节能运行控制方法。

本发明还提供实现上述方法的数控机床排屑系统按需节能运行控制系统。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种数控机床排屑系统按需节能运行控制方法，利用CNC系统对数控机床的排屑系统进行控制，依次包括如下步骤：

1、确定参数种类并初始化：根据具体拟加工的产品和工艺，初始化设置加工工艺参数和排屑系统参数；

2、计算排屑系统按需运行时间节点：根据工艺参数计算排屑系统的优化运行时间节点；

3、排屑系统按需节能运行的实施：按照排屑系统的优化运行时间节点控制机床排屑系统的开启和关闭，达到节能优化的目的。

进一步，本发明还提供实现上述方法的数控机床排屑系统按需节能运行控制系统，是在数控机床的CNC系统嵌入参数输入模块、控制算法模块和控制实施模块；其中，

1）参数输入模块用于初始化设置工件加工工艺参数和排屑系统参数并进行基本解析；输入的参数包括排屑系统参数和工艺参数，其中排屑系统参数包含排屑速度v_p(kg/s)、排屑槽安全容纳值M₀(kg)和排屑槽内残留切屑残留量m'(kg)；工艺参数包含工步工时t_i(s)、工序工时T、工件材料密度ρ(kg/mm³)、工步数n和工件设计参数，并将工艺参数按工步进行解析获得每工步产生切屑的平均速率v_ci(kg/s)；

2）控制算法模块用于读取经过基本解析之后的参数并导入按需节能运行控制算法，控制算法计算得到结果之后激活控制实施模块；

3）控制实施模块通过读取排屑系统按需运行的时间节点序列t_mj和t_clj，在加工开始之后建立与CNC系统的DDE链接，通过CNC系统中的DDE服务改写PLC数据块中对应排屑系统控制的相应变量，再由PLC程序控制机床排屑系统开启或关闭。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明方法的思路是通过在加工之前输入工件、工艺参数和排屑系统参数，经过初始化设置和解析之后得到切屑产生的平均速率；读取切屑产生速率和相关参数并导入按需运行控制算法进行计算得到在一道工序中排屑系统按需运行的时间节点，在加工开始之后按照排屑系统运行时间节点依次发送排屑系统开启/关闭信号，在一道工序加工时间之内控制排屑系统按需运行，达到节能的目的。

2、本发明方法通过对加工过程和排屑系统运行过程进行配合，在不影响机床生产加工的情况下对排屑系统进行按需节能控制，减少不必要的能量消耗，从而达到减少机床能量消耗的目的。

3、本发明系统实现了按加工过程需要对数控机床排屑系统进行按需节能运行的控制。首先由参数输入模块初始化设置两个部分的基本参数分别是排屑系统参数和加工工艺参数，并对参数进行解析；然后由控制算法模块读取参数解析结果并导入节能运行控制算法中进行计算，生成排屑系统优化控制方案的运行时间节点；最后由控制实施模块按照控制算法模块生成的运行时间节点依次给排屑系统发送开启/关闭控制信号，控制排屑系统按加工过程需要运行，达到节能优化的目的。本发明系统能够在加工过程中自动输出控制信号对排屑系统进行节能控制，无需人工成本，仅需在一段加工过程开始前输入基本参数即可，实施过程简单明了。

4、实现本发明方法的系统通过嵌入式软件方法将节能运行控制程序嵌入到机床CNC系统当中，系统具有了软件功能，通过模块化运作技术方案，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能，实现成本低，无需传感器等复杂精密仪器的支持。

5、本发明方法的思路和实现本发明方法的系统经过技术改进，还可以运用于机床其他能耗部件的节能控制，有良好的拓展性，对实现机床节能控制和机械车间精细化节能降耗控制提供有效工具支持。

附图说明

图1为本发明数控机床排屑系统按需节能运行控制方法（系统）的流程（组成）框图；

图2为图1中参数输入模块功能流程图；

图3为本发明按需节能运行控制方法中切屑产生的平均速率运算过程流程图；

图4为本发明按需节能运行控制方法中算法流程图；

图5为本发明按需节能运行控制方法中控制实施过程示意图；

图6为实施例加工的齿圈示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

一种数控机床排屑系统按需节能运行控制方法，利用机床的计算机数控(Computerizednumerical control,简称CNC)系统对数控机床的排屑系统进行控制，依次包括如下步骤：

确定参数种类并初始化：根据具体拟加工的产品和工艺，初始化设置加工工艺参数和排屑系统参数；

计算排屑系统按需运行时间节点：根据工艺参数计算排屑系统的优化运行时间节点；

排屑系统按需节能运行的实施：按照排屑系统的优化运行时间节点控制机床排屑系统的开启和关闭，达到节能优化的目的。

一、下面以一台YS3120CNC6数控滚齿机配套的JWPXJ01型链板式排屑系统为例，控制过程是在YS3120CNC6数控滚齿机上进行齿轮滚齿加工工序中完成的。

第一步，确定参数种类并初始化：初始化设置工件如图6的齿圈滚齿，其加工工艺参数和排屑系统参数如表1和表2，并进行基本解析，解析结果用于按需节能运行控制算法的计算；

表1齿圈滚齿工序卡片如下：

表2本案例所使用排屑系统型号及参数如下：

根据表1和表2，确定需要输入的参数，对参数进行初始化设置，各输入参数值如下所示：

根据齿轮加工工序卡片可得以下信息：工步工时t₁=2460s，工步数n=1，工序工时T=2460s，根据具体实施步骤中工艺参数解析公式结合齿轮设计参数计算可得该滚齿工步产生切屑的平均速率v_c1=0.000566kg/s。

根据排屑系统参数表可得以下信息：排屑速度v_p=0.0097kg/s，排屑槽安全容纳值M₀=0.8kg。

从数控系统的内存中自动读取残余切屑量m'=0kg。

基本参数初始化完毕进入第二步。

第二步，计算排屑系统按需运行时间节点：计算排屑系统优化控制方案的运行时间节点；

将第一步中初始化设置完成后的参数导入控制算法，得到两个控制时间点，分别为加工到1414秒时开启排屑系统，加工到1499秒时关闭排屑系统，最后计算出切屑残留量理论值为0.544kg，存入CNC系统内存中供下次加工使用。

控制算法计算得到结果之后进入第三步。

第三步，排屑系统按需节能运行的实施：根据计算出的节能运行时间节点控制排屑系统的运行，达到节能的目的，并记录排屑系统开启总时间和开启时间百分比。

二、本实施例实施结果分析及节能情况对比：

得到控制结果为：排屑系统开启总时间为84.8秒，开启时间占总加工时间百分比为3.4%，可以看出，本发明提供的按需节能运行控制方法能够明显减小排屑系统总开启时间，这一道工序总共节省了大约0.26kw·h的电能消耗，如果长期进行该按需节能运行控制方法来控制机床排屑系统则能明显降低机床能量消耗。

三、实现上述方法的一种数控机床排屑系统按需节能运行控制系统，是在数控机床的CNC系统嵌入参数输入模块、控制算法模块和控制实施模块；其中，

1、参数输入模块：用于初始化设置工件加工工艺参数和排屑系统参数并进行基本解析；

1.1基本参数的初始化

参数输入模块首先确定需要输入的参数，对参数进行初始化设置，其功能流程如图2所示。输入的参数包括排屑系统参数和工艺参数，其中排屑系统参数包含排屑速度v_p(kg/s)、排屑槽安全容纳值M₀(kg)和排屑槽内残留切屑残留量m'(kg)；工艺参数包含工步工时t_i(s)、工序工时T(s)、工件材料密度ρ(kg/mm³)、工步数n、和工件设计参数。

1.2工艺参数的基本解析

对工艺参数按工步进行解析获得每工步产生切屑的平均速率v_ci(单位：kg/s)，具体实施方式以滚齿加工工序为例进行，说明其功能流程如图3示。由于普通数控滚齿机的滚齿工序只需要一道滚齿工步即可完成对一件齿轮工件的整个齿形加工，因此计算切屑产生的平均速率可以用以下方法：通过齿轮设计参数计算整个滚齿工步切除材料的体积V_c(mm³)，然后乘以密度ρ得到切除材料的质量，最后除以工步工时t_i得到该滚齿工步切屑产生的平均速率v_ci(单位：kg/s)，具体计算公式如下：

$V_c=\frac{\mathrm{\π}(d_a^2-d_f^2)H}{4}-z[\frac{d_b^2}{12}({\tan }^3{\mathrm{\α}}_{\mathrm{at}}-{\tan }^3{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ft}})+\frac{d_a^2}{4}(\frac{\mathrm{\π}}{2z}+\frac{{2x}_t{\tan \mathrm{\α}}_t}{z}+{\mathrm{inv\α}}_t-{\mathrm{inv\α}}_{\mathrm{at}})-$

$\frac{d_f^2}{4}(\frac{\mathrm{\π}}{2z}+\frac{{2x}_t{\tan \mathrm{\α}}_t}{z}+{\mathrm{inv\α}}_t-{\mathrm{inv\α}}_{\mathrm{ft}})]H$ ……………………………………①

$v_{\mathrm{ci}}=\frac{V_c\·\mathrm{\ρ}}{t_i}$ …………………………………………②

在得到一道工步切屑产生的平均速率v_ci(kg/s)之后，将数据导入按需节能运行控制算法，结合排屑系统参数和齿轮加工工艺参数进行计算。

2、控制算法模块：用于读取经过基本解析之后的参数并导入按需节能运行控制算法;

控制算法模块读取经过基本解析之后的参数并导入按需节能运行控制算法，计算在一道工序中排屑系统按需运行的时间节点序列t_mj和t_clj，若本道工序结束后残留的切屑量m'小于排屑槽安全容纳值M₀，则将其作为下一道工序之前的输入参数。

本模块具体流程如图5所示，其输入/输出如下：

1）输入参数：工序总时间T、工步数n（默认为1）、上次工序之后切屑残留量m'、切屑产生的平均速率v_ci、排屑槽安全容纳值M₀和排屑速率V_p；

2）输出参数：排屑系统关闭时间点t_mj、排屑系统开启时间点t_clj和本次工序之后切屑残留量m'；

3）中间变量：控制序列编号j、工步编号i、排屑系统关闭时所处工步号h、切屑积累判断中间值m、m_t和△m；

该算法用于在一道工序之内对排屑系统进行按需运行的控制，遵循的原则主要为：

①保证在排屑系统本次工序加工结束后排屑槽内残留切屑m'不超过设定的安全容纳值M₀；

②保证该按需运行控制策略的实施不会影响排屑系统正常工作；

③保证工序开始前排屑系统关闭且工序结束后排屑系统也关闭。

3、控制实施模块：

所述控制实施模块用于在加工开始之后按照排屑系统运行时间节点依次发送排屑系统开启/关闭信号，在一道工序加工时间之内控制排屑系统按需运行，达到节能的目的；

该模块主要包括实时加工进度的模拟和控制模块与机床CNC系统的通讯，通过模拟加工进度，在加工开始后就能按照排屑系统运行时间节点判断当前应该输出的控制变量，通过CNC系统中的通讯协议建立前端控制界面与机床PLC数据块间的连接就能准确输出控制信号。

3.1控制实施模块功能流程分析：控制实施模块读取排屑系统按需运行的时间节点序列t_mj和t_clj，在加工开始之后建立与CNC系统的DDE链接，通过CNC系统中的DDE服务改写PLC数据块中对应排屑系统控制的相应变量，再由PLC程序控制机床排屑系统开启或关闭。

该模块的流程如图6所示，主要流程分析如下：

1）读取排屑系统按需运行的时间节点序列t_mj和t_clj；

2）控制准备阶段，检测主轴开启信号；

3）检测到主轴开始运转之后，开启随真实时间一同增长的动态时间，动态时间与控制时间序列t_mj和t_clj进行匹配判断；

4）动态时间与任一控制时间节点相匹配时则与CNC系统建立DDE链接，通过DDE链接发送对应开启/关闭的0/1数字信号；若动态时间与控制时间节点不匹配则不发送控制信号；

5）动态时间随加工过程结束而结束，并且结束整个控制过程，将切屑残留理论值m'作为下一道工序前的输入参数；

6）关闭整个控制流程，程序恢复初始状态准备下一道工序加工开始前的参数初始化设置。

3.2控制实施流程底层通讯原理分析：

控制实施模块与机床CNC系统通讯的主要途径是动态数据交换DDE通讯协议，该协议是WINDOWS操作系统提供的一种数据交换技术,是WINDOWS环境下应用程序之间进行通讯的一种手段，它利用一种公共的协议实现两个或多个应用程序之间的通讯。

根据交换信息时两个应用程序在DDE中扮演的角色，可以分为“客户端”和“服务器”，提供服务的程序称为DDE服务器，申请告知信息的应用程序称之为DDE客户，通常DDE客户向DDE服务器提出请求并按DDE客户要求进行动作，信息从服务器流向客户，但客户也能将信息发回服务器。在应用程序之间进行数据交换必须建立DDE链接，DDE链接有三种类型：

自动链接：服务器发送位于专门为DDE对话而设的项目内数据，当这些数据发生变化时，链接将实时动作，自动更新数据；

手动链接：当数据发生变化时，客户必须明确指出更新要求，数据才会被更新；

通知链接：服务器在数据发生变化时通知客户，客户根据自己的要求决定是否更新数据。

本发明中的控制实施模块中，前端控制模块为DDE客户端，CNC数据块为DDE服务器，本模块中对DDE通讯协议的应用如下：

1）检测主轴开启的过程采用DDE自动链接方法，当CNC数据块中标识主轴状态的参数发生变化时，则自动发送改变值到前端控制模块，由前端控制模块检测数据做出判断，采用的基本语句如下：

Label2.LinkTopic="ncdde|ncu840d"

Label2.LinkItem="/Channel/Spindle/actSpeed"

Label2.LinkMode=1

Label2为前端控件，LinkTopic为DDE链接主题，表明当前DDE链接的内容，在这里是与西门子840D的数控内核建立DDE链接；linkitem为链接传输的数据，在这里为主轴实际转速；linkmode为链接类型，在这里为“1”即自动链接；

2）发送控制信号的过程采用DDE手动连接方法，当动态时间与控制时间点相匹配时则采用LikePoke方法发送对应开启/关闭的0/1数字信号，实现实时控制，采用的基本语句如下：

Label9.LinkTopic="ncdde|local"

Label9.LinkItem=plcDBaddress

Label9.LinkMode=2

Label9.Caption=0

Label9.LinkPoke

其他属性意义同上，其中链接传输数据linkitem为需要接收信号的机床PLC数据块地址及字节号（由机床用户自己确定，对应控制排屑系统的程序接口），链接类型linkmode为“2”即手动链接，Label9.Caption为需要写入的参数值，LinkPoke为触发写入参数的行为。

其中，计算机数控系统(Computerized numerical control,简称CNC)是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给(伺服)驱动装置(包括检测装置)等组成。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种数控机床排屑系统按需节能运行控制系统，其特征在于，是在数控机床的CNC系统嵌入参数输入模块、控制算法模块和控制实施模块；其中，

1)参数输入模块用于初始化设置工件加工工艺参数和排屑系统参数并进行基本解析；输入的参数包括排屑系统参数和工艺参数，其中排屑系统参数包含排屑速度v_p(kg/s)、排屑槽安全容纳值M₀(kg)和排屑槽内残留切屑残留量m'(kg)；工艺参数包含工步工时t_i(s)、工序工时T、工件材料密度ρ(kg/mm³)、工步数n和工件设计参数，并将工艺参数按工步进行解析获得每工步产生切屑的平均速率v_ci(kg/s)；

2)控制算法模块用于读取经过基本解析之后的参数并导入按需节能运行控制算法，控制算法计算得到结果之后激活控制实施模块；

3)控制实施模块通过读取排屑系统按需运行的时间节点序列t_mj和t_clj，在加工开始之后建立与CNC系统的DDE链接，通过CNC系统中的DDE服务改写PLC数据块中对应排屑系统控制的相应变量，再由PLC程序控制机床排屑系统开启或关闭。

2.根据权利要求1所述数控机床排屑系统按需节能运行控制系统，其特征在于：所述控制算法模块用于读取参数输入模块中的参数和解析结果，并导入按需节能运行控制算法，通过算法进行运算得到排屑系统优化控制方案的运行时间节点；该控制算法遵循的原则为：

①保证本次工序加工结束后排屑系统的排屑槽内残留切屑不超过设定的安全容纳值；

②保证该按需运行控制策略的实施不会影响排屑系统正常工作；

③保证工序开始前排屑系统关闭且工序结束后排屑系统也关闭；

直接记录下本次工序后残留的切屑作为下一道工序的输入参数。

3.根据权利要求1所述数控机床排屑系统按需节能运行控制系统，其特征在于：所述控制实施模块用于在加工开始之后按照排屑系统运行时间节点依次发送排屑系统开启/关闭信号，在一道工序加工时间之内控制排屑系统按需运行，达到节能的目的；

所述控制实施模块主要包括实时加工进度的模拟和控制模块与机床CNC系统的通讯，通过模拟加工进度，在加工开始后就能按照排屑系统运行时间节点判断当前应该输出的控制变量，通过CNC系统中的通讯协议建立前端控制界面与机床PLC数据块间的连接就能准确输出控制信号。