数控加工刀具磨损智能预警与实时补偿系统的制作方法

本发明涉及数控加工，具体是数控加工刀具磨损智能预警与实时补偿系统。

背景技术：

1、在现代机械制造领域，数控加工为其中一种机械加工手段，刀具作为直接参与切削作业的关键部件，在持续切削过程中会不可避免地产生磨损，而刀具磨损会直接造成工件加工尺寸超差、表面质量下降，严重时还会引发崩刀、断刀等故障，造成工件报废、机床损伤，甚至引发生产安全事故，制约加工效率与产品良率。

2、现阶段数控车间对于刀具管控大多采用定时换刀或者人工抽检刀具状态的方式，但定时换刀往往会提前更换仍具备加工能力的刀具，造成刀具资源浪费，而人工抽检需停机拆卸刀具，打断生产连续性，依赖操作人员经验判断磨损程度，主观性强，检测效率低，难以适配大批量连续自动化生产场景。

3、现有部分刀具磨损监测技术主要分为离线检测与在线监测两类，离线检测需要将刀具拆下后借助仪器测量磨损量，无法实现加工过程实时干预，现有在线监测方案多依靠单一传感器采集振动、声音信号做简单故障报警，仅能识别刀具已经发生严重破损的工况，难以对刀具全生命周期的磨损演化过程进行定量建模，无法预判磨损发展趋势。同时现有技术普遍缺少分级处置闭环调控能力，不能够根据刀具不同磨损阶段匹配差异化补偿策略，无法完成分级自动化处置。

4、基于此，现在提供数控加工刀具磨损智能预警与实时补偿系统，可以消除现有技术方案存在的弊端。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供数控加工刀具磨损智能预警与实时补偿系统，以解决背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、数控加工刀具磨损智能预警与实时补偿系统，包括数据采集模块、刀具磨损建模模块、磨损状态划分模块、实时工况监测模块、策略决策模块、执行调控模块、存储模块；

4、所述数据采集模块用于采集多刀具的全生命周期状态数据与磨损实测数据，采集数据至少包括刀具种类标识、工件种类标识、单工件加工时间、单工件加工次数、刀具实际磨损量、刀具加工合格工件数量，并将采集数据上传至刀具磨损建模模块以及存储模块；

5、所述刀具磨损建模模块用于接收多刀具的全生命周期状态数据与磨损实测数据，针对不同刀具种类、不同工件种类，拟合构建刀具磨损量与单工件加工时间之间的关联关系式，基于所述关联关系式输出对应工况下的预设磨损量以及预设总生命值并存入存储模块；

6、所述磨损状态划分模块用于接收所述关联关系式、预设磨损量以及预设总生命值，以单工件加工累计次数为标尺，划分得到四个磨损区间，输出各磨损区间对应的加工次数阈值并存入存储模块；

7、所述实时工况监测模块与数控加工机床相连接，用于实时采集现场加工的实时工况数据，并将实时工况数据输送至策略决策模块，所述实时工况数据包括实时单工件加工累计次数、实时单工件加工时间、当前加工刀具种类、当前加工工件种类；

8、所述策略决策模块用于接收实时工况监测模块的输入数据，同时调取存储模块中与当前加工刀具、当前加工工件匹配的加工次数阈值、预设磨损量和预设总生命值，将实时单工件加工累计次数与各磨损区间对应的加工次数阈值比对，判定刀具当前所处磨损区间，根据所处磨损区间匹配生成对应的处置策略，将处置策略转化为控制指令下发至执行调控模块；

9、所述执行调控模块与数控加工机床相连接，用于接收控制指令，执行对应操作；

10、所述存储模块用于存储原始采集数据、刀具磨损量与单工件加工时间之间的关联关系式、各磨损区间的加工次数阈值、预设磨损量、预设总生命值以及历史处置记录。

11、进一步地，所述刀具磨损建模模块构建刀具磨损量与单工件加工时间之间的关联关系式，具体包括：

12、对同一种刀具-工件配对下的多组样本数据做回归拟合，得到不同刀具种类、不同工件种类一一对应的刀具磨损量-单工件加工时间函数；

13、结合加工次数换算得到加工次数与理论刀具磨损量的映射关系，确定对应工况下的预设磨损量，同时根据刀具失效临界磨损量反推得到所述预设总生命值，所述加工次数为单把刀具投入使用后累计完成加工的工件总件数，所述预设总生命值为刀具所能加工尺寸合格产品的最大产品加工数量。

14、进一步地，四个所述磨损区间分别为可能出现磨损区间、磨损可修复区间、磨损不可修复且未失效区间、失效需更换区间，所述磨损状态划分模块按照四个磨损区间进行区间分段，基于预设总生命值、预设磨损量，结合加工次数与理论刀具磨损量的映射关系，分别确定第一阈值n1、第二阈值n2、第三阈值n3，具体表示为：

15、累计加工件数0

16、累计加工件数n1

17、累计加工件数n2

18、累计加工件数n>n3为失效需更换区间；

19、其中，所述第一阈值n1、第二阈值n2、第三阈值n3均为基于各磨损区间临界预设磨损量求解得到的临界加工次数，且满足0

20、进一步地，当所述策略决策模块判定刀具处于可能出现磨损区间时，处置策略为：输出初级预警提示，同时下发切削参数微调指令至执行调控模块，所述执行调控模块降低切削进给量，同时实时工况监测模块持续采集现场加工的实时工况数据回传至存储模块，用于迭代更新刀具磨损量与单工件加工时间之间的关联关系式。

21、进一步地，当所述策略决策模块判定刀具处于磨损可修复区间时，处置策略为：输出中级磨损预警提示，下发刀具局部修磨补偿指令至执行调控模块，所述执行调控模块调用刀具局部修磨机构对刀具切削刃部位进行局部修磨，局部修磨完成后，刀具磨损建模模块基于局部修磨后采集的实时工况数据更新预设磨损量与预设总生命值。

22、进一步地，当所述策略决策模块判定刀具处于磨损不可修复且未失效区间时，处置策略为：输出高级预警提示，执行调控模块对数控加工机床执行切削参数调整，通过降低切削速度、减小切削深度的方式进行尺寸补偿，同时记录该磨损区间下每一次加工的工件尺寸偏差数据。

23、进一步地，当所述策略决策模块判定刀具处于失效需更换区间时，处置策略为：输出刀具失效报警提示，执行调控模块下发换刀指令，暂停加工任务，输出换刀提醒或者直接执行换刀动作，换刀完成后，系统重置实时单工件加工次数，开启新刀具的全生命周期监测。

24、进一步地，所述数据采集模块对接有外部工件尺寸检测装置，采集工件加工完成后的工件实际尺寸检测真值，所述存储模块将工件实际尺寸检测真值与对应刀具的磨损数据进行绑定存储，所述刀具磨损建模模块周期性读取存储模块内绑定后的数据，对刀具磨损量与单工件加工时间之间的关联关系式进行迭代修正，同步更新对应工况下的预设磨损量以及预设总生命值。

25、进一步地，所述实时工况监测模块还用于实时接收数控加工机床振动、切削声音的传感数据，将传感数据作为辅助特征送入策略决策模块，当所述传感数据出现异常时，所述策略决策模块基于异常数据对当前磨损区间判定结果进行修正，在实时单工件加工累计次数未达到磨损区间阈值时，提前触发对应上一级磨损区间的预警和处置策略。

26、进一步地，所述存储模块内预存有不同刀具-工件配对对应的参数库，所述参数库包含允许修磨的刀具类型、允许修磨最大次数、切削参数可调上下限。

27、相较于现有技术，本发明的有益效果如下：

28、1、本发明针对不同刀具-工件配对构建刀具磨损量与单工件加工时间的关联关系，建立加工次数与理论磨损量映射，实现刀具磨损定量建模，结合刀具失效临界磨损量计算预设总生命值，量化不同工况下刀具磨损演化规律，充分挖掘刀具可用寿命，减少刀具过早更换带来的资源浪费，降低加工成本；

29、2、本发明将刀具全生命周期划分为可能出现磨损区间、磨损可修复区间、磨损不可修复且未失效区间、失效需更换区间四个阶段，以加工累计次数作为标尺设置多级阈值，针对不同磨损区间匹配对应的处置策略，在刀具磨损的不同阶段采取对应应对方式，保障加工连续性；

30、3、本发明将工件实际尺寸检测真值和刀具磨损数据绑定存储，周期性迭代修正磨损关联关系式，同步更新预设磨损量与预设总生命值，实现模型自迭代，提升监测可靠性。