一种数控机床自动化协同控制方法及系统与流程

本发明涉及数控机床多机协同自动化控制，具体涉及一种数控机床自动化协同控制方法及系统。

背景技术：

1、在智能生产线中，常需多台数控机床与机械手、刀库等辅助装置协作完成复杂零件加工。各设备往往来自不同厂商，控制器采用的私有通信协议、数据格式和信号定义互不兼容，主轴负载、进给位置、刀库状态等多源传感数据难以直接汇聚与统一解析，系统集成需逐台开发协议转换接口，开发周期长、扩展性差，且转换延迟影响实时性。同时，车间内每台机床基于自身机械原点建立局部坐标系，工件在设备间流转后需重新装夹、对刀并标定本地坐标，反复定位不仅增加辅助工时，还会引入累积误差，导致多机协同加工的位置基准不一致，影响整体装配精度。在工序排程方面，现有调度系统多依据预设固定工时生成静态计划，未融合主轴磨损退化、刀具寿命衰减、毛坯来料尺寸偏差等实时工况信息，实际加工时长动态变化，易造成机床等待或加工干涉，严重拉低生产线节拍与设备利用率。此外，多机协同对时间同步要求极高，但常规基于以太网的时钟同步精度仅为毫秒级，且缺乏面向工序的精确时序偏移补偿，各设备控制指令无法在统一时间轴下严格对齐，易出现动作重叠或时序错位，引发碰撞风险。数据传输上，原始传感流、中间运算结果与最终控制指令往往混用同一通道，缺乏层次化隔离，高带宽信号易挤占指令带宽，引发控制抖动，破坏确定性。上述异构融合难、坐标不统一、动态时序失配、同步精度低及数据流冲突等问题，严重制约了多机协同加工的自动化水平与柔性生产能力，急需一种支持信号归一化、全局坐标映射、实时工序迭代优化和高可靠分层传输的协同控制方法。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数控机床自动化协同控制方法及系统，用于解决无法实现异构数控机床协同信号归一化与坐标统一的问题。本发明通过多维度传感采集，利用协议转换矩阵实现异构信号归一化，分段校验去噪；建立全局坐标映射统一各机床坐标；基于主轴损耗与坐标偏差加权迭代排序优化工序时序，并叠加时序偏移补偿生成时间对齐的分设备运动指令，经三级隔离传输通道分发，实现多机同步协同加工。

2、本发明提供一种数控机床自动化协同控制方法，包括：

3、s1: 通过多维度传感单元采集多台数控机床的主轴负载信号、进给轴位置信号、刀库定位信号、工件视觉坐标信号及辅助装置的运动状态信号，形成多源原始传感数据流；

4、s2: 使用多源原始传感数据流，通过预设协议转换矩阵运算模型完成异构设备信号归一化换算，形成标准化工况数值信号；通过分段式数值校验算法剔除噪声干扰信号，形成有效工况数据流；

5、s3: 使用有效工况数据流，通过全局工件坐标映射计算模型完成各机床本地坐标至全局坐标的换算，形成全局坐标视图信号；

6、s4: 使用有效工况数据流和全局坐标视图信号，通过实时工序时序加权迭代排序算法生成各机床更新后的工序执行时序信号；

7、s5: 使用更新后的工序执行时序信号，以统一时间戳为基准添加时序偏移补偿，形成时间对齐的分设备运动执行指令信号，输出至各数控机床及辅助装置完成同步协同加工。

8、在本发明的一个实施例中，采集得到多源原始传感数据流后对每一类传感信号配置专属固定数据帧头部标识，将携带不同头部标识的多源原始传感数据流划分至三级相互独立的数据传输通道完成分层传输，一级通道仅传输未经过换算处理的多源原始传感数据流，二级通道仅传输完成归一化换算后的标准化工况数值信号，三级通道仅存储待下发的各类时序信号与运动执行指令信号，三类数据传输通道分别配置互不通用的独立传输缓存空间，各类报文仅能在对应层级通道内部完成流转，不同层级通道之间仅允许单向的数据报文流转操作，仅在报文跨层级流转节点完成报文头部标识识别后执行对应层级的运算处理操作，全程保持不同类型数据流不会在同一传输缓存空间内发生混合存储与同步解析操作。

9、在本发明的一个实施例中，执行异构设备信号归一化换算操作前预先录入不同类型数控机床控制器与配套辅助装置控制器对应的完整转换矩阵组，转换矩阵组内部包含适配各类设备原生信号协议的独立转换矩阵单元，调取多源原始传感数据流时依据数据流携带的帧头部标识匹配对应设备类型下的转换矩阵单元，将单帧原始传感数据流内部全部数值依次代入匹配完成的转换矩阵单元完成统一比特格式换算，单条报文内全部传感数值完成矩阵换算后统一封装生成完整的标准化工况数值信号报文，所有报文封装操作均按照统一固定报文长度标准执行，换算完成的标准化工况数值信号全部存入二级数据传输通道对应的专属缓存空间等待后续校验运算处理，比特格式换算的计算过程如下：

10、

11、其中，为第 i 路传感信号标准化比特输出值，为第 k 类设备协议比特缩放系数，为第 k 类设备转换矩阵单元第 i 行 j 列矩阵系数，为单帧原始数据流第 j 路原始传感数值，为第 k 类设备原生协议固定偏移量，n为单帧报文包含的传感信号总路数。

12、在本发明的一个实施例中，执行全局工件坐标映射计算模型运算操作前预先录入车间固定基准原点对应的坐标数值集合，调取有效工况数据流内部包含的单台机床本地工件坐标数值、转运辅助装置抓取坐标数值，将两类坐标数值集合同步输入全局工件坐标映射计算模型内部，模型依次执行坐标平移运算操作与坐标旋转换算操作完成本地坐标至车间统一全局坐标的数值转换，单台设备全部工件坐标数值完成换算后整合为单设备全局坐标数值集合，多台设备对应的全局坐标数值集合完成汇总整合操作后生成完整的全局坐标视图信号，生成后的全局坐标视图信号单独封装专属报文头部标识并存储至二级数据传输通道缓存空间用于后续工序时序运算调用，全局坐标的数值转换的计算公式如下：

13、

14、其中，为第 p 台设备工件全局基准坐标值，为三轴标准化传感坐标数值，为设备工位相对车间基准原点旋转角度，、、为车间基准原点三轴平移补偿量。

15、在本发明的一个实施例中，生成全局坐标视图信号后将完整全局坐标视图信号拆分为单设备独立坐标子信号并分别存入二级数据传输通道内部相互隔离的分区缓存单元，接收工序时序运算单元发出的信号调取请求时依据请求携带的设备标识提取对应分区缓存单元内部存储的单设备坐标子信号，提取完成的坐标子信号与同一批次有效工况数据流同步传输至工序时序加权迭代排序算法运算单元，全部坐标子信号调取操作仅能按照加工批次顺序依次执行，未完成当前批次全部坐标子信号调取前不启动下一加工批次的坐标信号提取与传输操作，传输过程中全局坐标视图信号原始完整报文持续保留在缓存单元不做覆盖删除处理。

16、在本发明的一个实施例中，启动实时工序时序加权迭代排序算法运算时先从有效工况数据流内部提取主轴损耗对应数值集合与工件来料坐标偏差对应数值集合，为两类数值集合分别配置独立的加权修正系数集合，将两类数值集合与对应加权修正系数集合同步输入实时工序时序加权迭代排序算法内部执行单次时序迭代运算操作，单次迭代运算过程中先依据加权修正系数修正单道工序原始标准执行时长数值，全部工序时长数值完成修正后重新排列各机床对应的工序执行先后顺序，顺序排列完成后整合全部机床修正后的工序时长数值生成完整的各机床更新后的工序执行时序信号，单次迭代运算生成的工序执行时序信号统一添加批次标识后存入三级数据传输通道缓存单元，单次时序迭代运算操作的计算过程如下：

17、

18、其中，为第 t 轮迭代后第 m 道工序修正执行时长，为主轴损耗加权系数，为第 m 道工序主轴实时损耗数值，为坐标偏差加权系数，为第 m 工件全局坐标，为工件标准全局坐标，t为当前迭代轮次，为工序原始标准时长，m为单批次总工序数量。

19、在本发明的一个实施例中，生成各机床更新后的工序执行时序信号后按照设备类型划分多个相互独立的时序信号缓存分区，不同机床对应的工序执行时序信号分别存入对应专属缓存分区，单次迭代运算仅更新单一批次加工对应的时序信号数值集合，其余历史批次时序信号数值集合保持原有存储状态不执行覆盖修改操作，启动下一轮迭代运算时仅读取当前待加工批次对应的工序执行时序信号与对应有效工况数据流、全局坐标视图信号，多轮迭代运算生成的多版本工序执行时序信号按照迭代生成顺序依次分层存储，调取时序信号时可依据迭代批次标识提取任意一轮迭代运算生成的时序信号报文。

20、在本发明的一个实施例中，对标准化工况数值信号执行分段式数值校验算法处理时逐帧提取标准化工况数值信号报文内部所有传感数值，调取预先配置完成的各类传感数值对应的数值区间范围集合，将单帧报文内每一项传感数值依次与对应数值区间范围集合开展比对操作，比对后保留数值处于对应区间范围内部的传感数值，剔除数值超出区间范围的干扰类传感数值，将全部保留的有效传感数值重新整合封装形成完整单帧有效工况数据流报文，所有完成校验操作的报文统一汇总整合后生成完整有效工况数据流整体报文并传输至二级数据传输通道等待坐标换算运算调用，校验过程中原始标准化工况数值信号报文完整留存不做删减处理。

21、在本发明的一个实施例中，生成更新后的工序执行时序信号后按照车间内部全部数控机床与辅助装置划分独立设备分组，为每一组设备分配专属时序偏移补偿数值集合，调取对应设备分组的工序执行时序信号后将时序信号内部全部时长数值与该分组专属时序偏移补偿数值集合叠加运算，叠加运算完成后生成适配单组设备的分设备运动执行指令子信号，所有设备分组对应的运动执行指令子信号整合完成完整运动执行指令信号后按照三级数据传输通道的独立缓存分区分别下发至对应设备控制器，不同设备分组的指令子信号下发链路相互隔离不存在报文交叉传输的操作流程。

22、本发明还提供一种数控机床自动化协同控制系统，包括：

23、多维度信号采集模块，多维度信号采集模块采集机床与辅助装置各类传感信号并输出多源原始传感数据流；

24、分层数据流传输模块，分层数据流传输模块设置三级独立传输通道分别承载原始传感数据流、标准化工况数值信号、时序指令信号；

25、运算处理模块，运算处理模块集成协议换算单元、数值校验单元、坐标映射单元、时序迭代单元，接收分层数据流传输模块输出报文依次生成标准化工况数值信号、有效工况数据流、全局坐标视图信号、工序执行时序信号；

26、时序指令生成模块，时序指令生成模块调取工序执行时序信号叠加时序偏移补偿数值得到分设备运动执行指令信号并输出至外部加工设备；

27、分布式时序存储模块，分布式时序存储模块对各类信号绑定批次时序编号完成分片本地存储，收到调取请求后依据编号整合分片恢复完整信号报文，五个模块独立完成对应信号处理操作，模块间仅传输匹配层级的标准化信号，各模块传输链路相互隔离。

28、本发明提供的一种数控机床自动化协同控制方法及系统，通过多维度传感采集，利用协议转换矩阵实现异构信号归一化，分段校验去噪；建立全局坐标映射统一各机床坐标；基于主轴损耗与坐标偏差加权迭代排序优化工序时序，并叠加时序偏移补偿生成时间对齐的分设备运动指令，经三级隔离传输通道分发，实现多机同步协同加工。