一种基于数控加工的影子状态风险预测系统及方法与流程

本发明涉及数控加工，具体是一种基于数控加工的影子状态风险预测系统及方法。

背景技术：

1、数控加工中，影子状态预测技术通过在真实控制器运行流程之外维护同步状态副本，对轴位置、速度等运动学状态进行前瞻预测以实现风险预警。但现有影子状态在建立时载入初始刀具半径、刀具长度等物理参数后，默认参数在整个加工过程中保持不变。但实际加工中，刀具磨损使刀具半径持续减小，热变形和弹性变形使刀位点与编程轨迹之间的偏移量持续变化，这些物理参数漂移会随加工时间持续累积。

2、现有影子状态未感知上述变化，大多以固定参数推算刀位点位置和安全边界，其预测基准与真实物理状态之间的偏差随加工时间增大，长期运行下风险预测结果的准确性降低。本发明通过建立物理参数漂移的感知与自更新机制，使影子状态的预测基准能够跟随真实物理状态同步演化，在长期加工中保持与真实物理状态的一致性，从而提高风险预测的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于数控加工的影子状态风险预测系统及方法，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于数控加工的影子状态风险预测方法，包括：

4、在真实控制器运行过程中，建立与所述真实控制器同步的影子状态，获取所述真实控制器的运行时状态快照，包括驱动反馈信号、温度信号、程序段信息和运行状态；

5、根据所述驱动反馈信号，得到切削力估计值；根据所述切削力估计值和所述程序段信息，得到表征刀具磨损状态的力残差；

6、根据所述力残差，计算当前状态更新周期的刀具磨损增量，并根据所述刀具磨损增量更新累计刀具磨损量；

7、根据所述温度信号，计算机床结构的热致位移量，得到热变形量；根据所述切削力估计值，计算切削力导致的弹性位移量，得到弹性变形量；

8、根据所述累计刀具磨损量、所述热变形量和所述弹性变形量，得到更新后的影子状态等效加工边界参数；根据所述更新后的影子状态等效加工边界参数和所述运行状态，生成风险预测结果。

9、结合第一方面，在本技术第一方面的第一种实现方式中，所述在真实控制器运行过程中，建立与所述真实控制器同步的影子状态，获取所述真实控制器的运行时状态快照，包括驱动反馈信号、温度信号、程序段信息和运行状态，包括：

10、划分存储区域作为影子状态，获取真实控制器的初始状态数据并写入所述影子状态，所述初始状态数据包括初始刀具半径rm、初始温度参考值t0和上一状态更新周期的累计刀具磨损量rq-1，所述累计刀具磨损量的初始值为r0，其中q为状态更新周期的序号，rq-1表示第q-1个状态更新周期的累计刀具磨损量；

11、在所述真实控制器运行过程中，按预设采样周期获取所述真实控制器的运行时状态快照，所述运行时状态快照包括驱动反馈信号、温度信号、程序段信息和运行状态，所述驱动反馈信号包括各进给轴的驱动电流信号iq、速度信号v、同方向空载基线电流i0和惯性与摩擦补偿量f0，所述温度信号包括主轴轴承温度tb和丝杠螺母温度ts，所述程序段信息包括当前程序段的切深ap、每齿进给量fz和切削宽度ae，所述运行状态包括各轴位置pax和各轴速度vax；将所述各轴位置pax、所述各轴速度vax、预设系统刚度参数k和已有的目标加工表面法向n写入所述影子状态。

12、结合第一方面，在本技术第一方面的第二种实现方式中，所述根据所述驱动反馈信号，得到切削力估计值，包括：

13、根据所述驱动反馈信号中的驱动电流信号iq、同方向空载基线电流i0和惯性与摩擦补偿量f0，结合预设等效推力系数km，得到切削力估计值fc。

14、结合第一方面，在本技术第一方面的第三种实现方式中，所述根据所述切削力估计值和所述程序段信息，得到表征刀具磨损状态的力残差，包括：

15、根据所述程序段信息中的切深ap、每齿进给量fz和切削宽度ae，结合预设比切削力系数kc，得到理论切削力fth；

16、根据所述切削力估计值fc和所述理论切削力fth，得到力残差fw。

17、结合第一方面，在本技术第一方面的第四种实现方式中，所述根据所述力残差，计算当前状态更新周期的刀具磨损增量，并根据所述刀具磨损增量更新累计刀具磨损量，包括：

18、根据所述力残差fw和所述速度信号v，得到瞬时磨损深度变化率dr/dt，公式为dr/dt=k0×fw×v，其中k0为预设磨损系数；

19、根据所述主轴轴承温度tb，通过阿伦尼乌斯方程的指数表达式计算温度加速因子a；

20、根据所述上一状态更新周期的累计刀具磨损量rq-1，计算正反馈因子g，公式为g=min(gmax,1+β×rq-1)，其中β为预设正反馈系数，gmax为预设正反馈因子上限值；

21、将所述瞬时磨损深度变化率dr/dt、所述温度加速因子a和所述正反馈因子g在当前状态更新周期进行积分，得到当前状态更新周期的刀具磨损增量δrq，公式为：

22、；

23、其中，τ为积分变量，tq−1表示第q-1个状态更新周期的结束时刻，所述第q-1个状态更新周期的结束时刻等于第q个状态更新周期的起始时刻，tq表示第q个状态更新周期的结束时刻，a(τ)为τ时刻的温度加速因子，g(τ)为τ时刻的正反馈因子；

24、将所述当前状态更新周期的刀具磨损增量δrq累加至所述上一状态更新周期的累计刀具磨损量rq-1上，得到更新后的当前状态更新周期的累计刀具磨损量rq，将rq写入所述影子状态。

25、结合第一方面，在本技术第一方面的第五种实现方式中，所述根据所述温度信号，计算机床结构的热致位移量，得到热变形量，包括：

26、根据所述温度信号中的主轴轴承温度tb和丝杠螺母温度ts及所述影子状态中的初始温度参考值t0，计算热致位移量，将所述热致位移量投影至所述已有的目标加工表面法向n，得到热变形量δl。

27、结合第一方面，在本技术第一方面的第六种实现方式中，所述根据所述切削力估计值，计算切削力导致的弹性位移量，得到弹性变形量，包括：

28、根据所述切削力估计值fc和所述影子状态中的预设系统刚度参数k，得到弹性位移量，将所述弹性位移量投影至所述已有的目标加工表面法向n，得到弹性变形量δ。

29、结合第一方面，在本技术第一方面的第七种实现方式中，所述根据所述累计刀具磨损量、所述热变形量和所述弹性变形量，得到更新后的影子状态等效加工边界参数，包括：

30、获取所述影子状态中的初始刀具半径rm，结合所述当前状态更新周期的累计刀具磨损量rq、所述热变形量δl和所述弹性变形量δ，得到更新后的影子状态等效加工边界参数rn，公式为rn=rm−rq+δl+δ；

31、将所述更新后的影子状态等效加工边界参数rn写入所述影子状态。

32、结合第一方面，在本技术第一方面的第八种实现方式中，所述根据所述更新后的影子状态等效加工边界参数和所述运行状态，生成风险预测结果，包括：

33、根据所述更新后的影子状态等效加工边界参数rn与所述影子状态中的初始刀具半径rm，计算等效加工边界偏差δrt；

34、以所述影子状态中的各轴位置pax和各轴速度vax为基础，按照预设插补周期δt逐周期向前递推，计算未来n个控制周期的各轴预测位置p(k)；

35、根据所述等效加工边界偏差δrt、预设安全裕量阈值rl和所述各轴预测位置p(k)，生成风险预测结果，具体为当δrt

36、第二方面，本发明提供了一种基于数控加工的影子状态风险预测系统，包括：

37、数据采集与影子状态管理模块：包括影子状态初始化单元和状态快照采集单元；其中，影子状态初始化单元建立影子状态并写入初始状态数据；状态快照采集单元获取真实控制器的运行时状态快照并写入影子状态；

38、物理参数漂移感知与分离模块：包括切削力估计值计算单元、理论切削力计算单元和力残差计算单元；其中，切削力估计值计算单元根据驱动反馈信号得到切削力估计值；理论切削力计算单元根据程序段信息得到理论切削力；力残差计算单元根据切削力估计值和理论切削力得到表征刀具磨损状态的力残差；

39、物理漂移量计算模块：包括累计刀具磨损量计算单元、热变形量计算单元和弹性变形量计算单元；其中，累计刀具磨损量计算单元根据当前状态更新周期的力残差计算刀具磨损增量并更新累计刀具磨损量；热变形量计算单元根据温度信号得到热变形量；弹性变形量计算单元根据切削力估计值和预设系统刚度参数得到弹性变形量；

40、等效加工边界参数自更新模块：包括等效加工边界参数更新单元；其中，等效加工边界参数更新单元根据累计刀具磨损量、热变形量和弹性变形量和初始刀具半径更新等效加工边界参数；

41、风险预测与判定模块：包括等效加工边界偏差计算单元、位置预测单元和风险判定单元；其中，等效加工边界偏差计算单元根据更新后的等效加工边界参数与初始刀具半径得到等效加工边界偏差；位置预测单元根据各轴位置和各轴速度递推得到各轴预测位置；风险判定单元根据等效加工边界偏差、预设安全裕量阈值和各轴预测位置是否超出预设位置限位生成安全信号或风险预警信号。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

43、1、本发明将切削力估计值与理论切削力之间的力残差作为刀具磨损状态的观测输入，从混叠信号中分离出等效加工边界参数漂移附加力，使影子状态获得独立的漂移量来源。

44、2、本发明通过将分离出的力残差与速度相乘、经温度修正和正反馈修正、对时间积分，将力信号逐步转换为当前周期刀具磨损增量，并以此更新累计刀具磨损量，使物理参数漂移信息以磨损量的形式进入影子状态。

45、3、本发明将累计刀具磨损量、热变形量和弹性变形量的物理量叠加后更新影子状态中的等效加工边界参数，使影子状态的预测基准随物理状态同步更新，并基于更新后的等效加工边界参数同时进行加工边界偏差和位置越界的风险判定。