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摘 要：数控机床加工工艺参数一般都会处于线下进行优化设计，于是为了提高工艺参数优化的便捷性和有效性，文章提出了一种基于实时采集指令域示波器的机床加工工艺参数优化方式。这种方式能够在数控机床加工过程中，通过对各种相关数据的收集和存储，然后对收集的大数据进行分析，于是可以实现在线状态上对加工工艺参数进行优化。这种优化方式比较简单，而且能够提高数控机床加工的效率，能够在实际零件加工中发挥一定的作用。
关键词：指令域示波器;数控机床;参数优化
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0138-04
Optimization of CNC Machine Tool Processing Parameters Based on Real-time Acquisition Command Domain Oscilloscope
Qin Honglang
（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）
Abstract：The processing parameters of CNC machine tools are generally optimized offline. Therefore， in order to improve the convenience and effectiveness of the optimization of the process parameters， the paper proposes a method of optimizing the processing parameters of the machine tool based on the real-time acquisition command domain oscilloscope. This method can collect and store various related data during the processing of CNC machine tools， and then analyze the collected big data， so that the processing process parameters can be optimized on-line. This optimization method is relatively simple， and can improve the efficiency of CNC machine tool processing， and can play a certain role in actual parts processing.
Key words：command domain oscilloscope; CNC machine tool;parameter optimization
當前对数控机床加工工艺参数进行优化时会在离线状态下进行，这种方式不利于系统的优化便捷性，虽然也有在线上对工艺参数进行优化设计，但是没有和数控系统插补周期同步[1-2]。对参数进行优化时，其中需要涉及到数据的处理，然而其中数据处理方式比较多，比如时域或者频域方法、数值分析等方法，在数控加工方面，其中非常重要的就是G代码程序，对机床后续所以动作起决定性作用[3-5]。文章提出了一种基于实时采集指令域示波器的参数优化方式，通过对加工过程中的大数据进行分析利用，从而实现线上工艺优化设计，在一定程度促进了数控机床的加工效率。
1 指令域工艺参数优化模块
我国的高档数控系统相比于国外来讲，技术比较落后，导致在数控加工领域中国外的品牌占据中国的主要市场[6]。数控系统在工作过程中，无法对其中的大数据进行拷贝，所以难以进行相关研究。文章通过对某型号的高档数控系统进行深入研究，对其进行优化设计，开发了一种嵌入式的指令域工艺参数优化模块，有助于提高高档数控系统的综合性能。
1.1 加工过程数据模块和工艺参数优化模型
系统在工作过程中，其中涉及到很多工艺参数都会影响零件的加工质量，如果对这些相关参数进行优化，在很大程度上可以提高系统的加工效果。在机床加工过程中通过使用指令域示波器可以获取相关的大数据，然后系统会实时对数据进行采集，并且对其进行分析，从而可以实现在线优化相关参数。图1即为指令域示波器的工艺参数优化流程。
数控加工过程中，其中电机的运行模式是恒转矩模式，然后其他电流处于一种稳定状态，但是在实际的加工过程中，会存在很多的加工条件差异，于是就会导致电机并不是处于恒定状态，所以电机在工作过程中没有发挥出全部实力[7-8]。为了解决这个问题，人们通过人为对局部地方进行修改，这种修改方式并不较大程度提高加工效率。所以文章将以电流为优化目标，保证电流的平衡，然后提高系统的加工效率和质量。优化函数关系表达式如下：
其中，Vx、Vy、Vz表示的是优化后进给速度值，i和v分别表示的是各个进给轴电流和速度值。
系统在工作过程中进给速度和电流的数据会被指令域示波器实时采集，可能会出现采集的数据量过大而导致无法全部保存，此时就会使用移动平均计算行特征值。表达公式如下：
其中，Mt1表示的是当前时刻平均电流，dn+1表示的是当前采集值，St0表示的是上一时刻的平均电流，n表示的是当前采样点个数。
指令域示波器需要能够同时采集不同的数据信息，这样就能够保证数据的准确性，然后通过指令域特征提取，对数据进行分析时，并不需要对所有数据进行分析，只需要对插补行特征值即可，所以在一定程度上可以提高数据分析效率。优化后新进给速度值F的表达公式如下： 其中，k表示的是优化系数，k≤1，M表示的是全加工周期平均电流，f 表示的是优化前后进给速度值，m表示的是某插补行平均电流。其中优化系数k对整个公式的影响比较大，因为k值不同，优化效果就会不一样。在实时优化过程中，在每行的后面会新加入一个模态F值。
数据机床在加工过程中，会通过时域波形以插补周期的方式实时显示加工状态，这种显示方式属于微观显示，然后还能够通过指令柱状波形以插补行的方式对加工状态进行统计，这种方式属于宏观显示，所以在加工过程中通过使用宏观和微观相结合的方式进行显示，更有助于提高系统的优化和分析过程。
1.2 指令域分析软件模块设计
指令域示波器软件属于数控系统中的一个分析模块，所以该软件能够同时拥有指令领域分析和时域分析。指令域示波器的主要作用是收集相关的加工状态数据，并且能够将大数据在时域界面进行波形显示，如图2所示，还能够对数据进行保存和查找等操作。图2中横坐标有两行，分别为时间轴和G代码行号轴。然而在指令域界面中，如图3所示，是以一种柱状图的方式进行显示，其中横坐标表示的是G代码行，纵坐标表示的是行特征提取，能够将最大值或者平均值等数据进行显示，还能够将G代码程序的工艺参数进行修改，还能够对特征数据进行动态保存等操作。
指令域软件采集的数据主要包含两个方面，第一个就是系统内部通过加工产生的大数据，第二个就是机床传感器信息，其中大部分信息来自于外部传感器，其中涉及到的接入方式如图4所示。
软件示波器可视化功能开发主要包含4点设计：
（1）通道同步设计。
（2）采样结构设计。示波器模块使用的是双缓设计，其设计流程如图5所示，其中包含一级缓冲，最大有16个通道，单通道能够有10k个数据，能够保证数据不被丢失，第二个缓冲只有一个通道，其中能够包含100k个数据，并且该频率和屏幕刷新频率一致，所以在展示效果时能够保证人眼视觉效果。
（3）波形可视化设计。这种设计方式有两种表现形式，其中一种就是满屏重绘，这种方式就是屏满重绘，其数据点没有上限，这种表现方式主要适用于状态变化周期较长的信号，比如压力等外部传感器信号。另外一种就是循环滚动，这种方式得到的波形就会自适应窗口大小，然后还会实时调整窗口坐标，这种表现方式主要适用于状态变化周期较短的信号，比如在加工作业时的信号，如速度、位置、跟随误差等。图6为波形自适应调整算法设计流程图。
图6中的max和min分别表示的是波形当前可视范围内的最大值和最小值，y表示的纵轴坐标零点，top_coord、bottom_coord分别表示的是示波器图形界面的上界面和下界面，scale表示的y轴当前刻度值。另外，图6中的各个变量的单位全部是像素。
（4）参数配置设计。指令域示波器的功能强大，不仅能够对生产加工时的数据信息进行收集、对机床的零件进行优化，而且对生产加工当前的状态进行可视化，能够提高系统生产加工的效率和质量。参数配置界面设计的种类比较多，比如采样方式、采样通道、采样周期、绘图模式等，其中采样通道比较方便，能够对其配置任意的信号。图7即为指令域示波器配置界面图。如图8所示即为机床加工过程中收集到的各种状态心电图。
2 优化实验
根据某厂的要求，需要提高加工效率，从而降低零件加工的时间。优化实验将以加工生产壁框类工件为优化对象，该零件的现场完成图如图9所示，然后根据要求对其进行G代码优化设计，其中使用的数控系统内部集成指令域软件模块。加工的零件材料为铝合金，属于粗加工方式。加工过的过程如下：
（1）浅腔加工。进行浅腔加工时，其中切削深度为62mm，其中使用D28短刀和立铣刀的切削总深度为44mm，在切削过程中不能一次全部切削完成，需要将其分为3次，分别切削10mm、17mm和17mm，两种刀的原G代码中主轴转速分别为1000r/min和360r/min，进给量分别为400mm/min和150mm/min。通过优化之后的短刀时间效率提高了24.3%。长刀优化之后，其效率提高了37.5%。
（2）深腔加工。对零件进行深腔加工时，其总的切削深度为65mm，其中使用D28立铣刀短刀需要切削的深度为47mm，同样需要对其进行三次切削，三次的深度分别设置为13mm、17mm和17mm。然后长刀和短刀的原G代码中主轴转速和进给量与浅腔加工的设置一致。然后对短刀优化前和优化后的加工时间进行对比，发现优化后的切削效率提高了27.5%，长刀优化后的效率提高了37%。优化前后G代码如图10所示。
通过优化實验可知，采用实时采集指令域示波器对系统加工负载电流优化进给速度，在该薄壁零件的加工上能够显著提高加工效率，在浅腔加工上工作效率提高了37.5%，另外在深腔加工效率也提高了37%，所以基于这种示波器，通过对数控加工机床的相关参数进行优化设计，能够有效提高加工效率，从而为企业带来更大的效益。
3 结语
文章通过对某高档数控系统进行优化设计，基于实时采集指令域示波器，能够获取更多的大数据，然后对其进行分析利用，从而有助于对参数进行优化设计，能够对数控机床在工作时的状态进行实时检测，能够及时对相关参数进行优化设计。这种数控机床在传统的机床基础上，能够对数据进行采集并且存储和分析，能够在零件加工过程中对相关工艺参数进行优化设计，及时调整系统的运作状态，使得数控机床的加工效率更高。我国的高档数控机床发展没有国外快，所以为了提高我国装备的性能，需要对其进行不断创新和优化设计。
参考文献
[1]熊尧，吴军，邓超.面向重型数控机床的加工工艺参数优化方法[J].计算机集成制造系统，2012，18（004）：729-737.
[2]吴继春.曲面数控加工编程轨迹的NURBS拟合及插补算法研究[D].武汉：华中科技大学，2012.
[3]李郝林，王健.基于灰色关联分析的平面磨削工艺参数优化[J].中国机械工程，2011（06）：631-635.
[4]祁雪沙，戚厚军.基于遗传算法的数控铣削参数优化[J].煤矿机械，2015，36（11）：143-145.
[5]贺知明，黄巍，向敬成.数字脉压时域与频域处理方法的对比研究[J].电子科技大学学报，2002，31（002）：120-124.
[6]刘本刚，梁明，王碧玲.国产高档数控系统在航空领域的应用与性能分析[J].航空精密制造技术，2015，51（1）：47-50.
[7]李江玲，周旭东.PLC与变频器在电机装配与运行检测实训系统中的应用[J].现代制造技术与装备，2018（1）：165-167.
[8]胡鹏.交流伺服电机的高精度恒转矩控制系统[J].机床电器，2012，39（5）：23-25.
关键词：指令域示波器;数控机床;参数优化
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0138-04
Optimization of CNC Machine Tool Processing Parameters Based on Real-time Acquisition Command Domain Oscilloscope
Qin Honglang
（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）
Abstract：The processing parameters of CNC machine tools are generally optimized offline. Therefore， in order to improve the convenience and effectiveness of the optimization of the process parameters， the paper proposes a method of optimizing the processing parameters of the machine tool based on the real-time acquisition command domain oscilloscope. This method can collect and store various related data during the processing of CNC machine tools， and then analyze the collected big data， so that the processing process parameters can be optimized on-line. This optimization method is relatively simple， and can improve the efficiency of CNC machine tool processing， and can play a certain role in actual parts processing.
Key words：command domain oscilloscope; CNC machine tool;parameter optimization
當前对数控机床加工工艺参数进行优化时会在离线状态下进行，这种方式不利于系统的优化便捷性，虽然也有在线上对工艺参数进行优化设计，但是没有和数控系统插补周期同步[1-2]。对参数进行优化时，其中需要涉及到数据的处理，然而其中数据处理方式比较多，比如时域或者频域方法、数值分析等方法，在数控加工方面，其中非常重要的就是G代码程序，对机床后续所以动作起决定性作用[3-5]。文章提出了一种基于实时采集指令域示波器的参数优化方式，通过对加工过程中的大数据进行分析利用，从而实现线上工艺优化设计，在一定程度促进了数控机床的加工效率。
1 指令域工艺参数优化模块
我国的高档数控系统相比于国外来讲，技术比较落后，导致在数控加工领域中国外的品牌占据中国的主要市场[6]。数控系统在工作过程中，无法对其中的大数据进行拷贝，所以难以进行相关研究。文章通过对某型号的高档数控系统进行深入研究，对其进行优化设计，开发了一种嵌入式的指令域工艺参数优化模块，有助于提高高档数控系统的综合性能。
1.1 加工过程数据模块和工艺参数优化模型
系统在工作过程中，其中涉及到很多工艺参数都会影响零件的加工质量，如果对这些相关参数进行优化，在很大程度上可以提高系统的加工效果。在机床加工过程中通过使用指令域示波器可以获取相关的大数据，然后系统会实时对数据进行采集，并且对其进行分析，从而可以实现在线优化相关参数。图1即为指令域示波器的工艺参数优化流程。
数控加工过程中，其中电机的运行模式是恒转矩模式，然后其他电流处于一种稳定状态，但是在实际的加工过程中，会存在很多的加工条件差异，于是就会导致电机并不是处于恒定状态，所以电机在工作过程中没有发挥出全部实力[7-8]。为了解决这个问题，人们通过人为对局部地方进行修改，这种修改方式并不较大程度提高加工效率。所以文章将以电流为优化目标，保证电流的平衡，然后提高系统的加工效率和质量。优化函数关系表达式如下：
其中，Vx、Vy、Vz表示的是优化后进给速度值，i和v分别表示的是各个进给轴电流和速度值。
系统在工作过程中进给速度和电流的数据会被指令域示波器实时采集，可能会出现采集的数据量过大而导致无法全部保存，此时就会使用移动平均计算行特征值。表达公式如下：
其中，Mt1表示的是当前时刻平均电流，dn+1表示的是当前采集值，St0表示的是上一时刻的平均电流，n表示的是当前采样点个数。
指令域示波器需要能够同时采集不同的数据信息，这样就能够保证数据的准确性，然后通过指令域特征提取，对数据进行分析时，并不需要对所有数据进行分析，只需要对插补行特征值即可，所以在一定程度上可以提高数据分析效率。优化后新进给速度值F的表达公式如下： 其中，k表示的是优化系数，k≤1，M表示的是全加工周期平均电流，f 表示的是优化前后进给速度值，m表示的是某插补行平均电流。其中优化系数k对整个公式的影响比较大，因为k值不同，优化效果就会不一样。在实时优化过程中，在每行的后面会新加入一个模态F值。
数据机床在加工过程中，会通过时域波形以插补周期的方式实时显示加工状态，这种显示方式属于微观显示，然后还能够通过指令柱状波形以插补行的方式对加工状态进行统计，这种方式属于宏观显示，所以在加工过程中通过使用宏观和微观相结合的方式进行显示，更有助于提高系统的优化和分析过程。
1.2 指令域分析软件模块设计
指令域示波器软件属于数控系统中的一个分析模块，所以该软件能够同时拥有指令领域分析和时域分析。指令域示波器的主要作用是收集相关的加工状态数据，并且能够将大数据在时域界面进行波形显示，如图2所示，还能够对数据进行保存和查找等操作。图2中横坐标有两行，分别为时间轴和G代码行号轴。然而在指令域界面中，如图3所示，是以一种柱状图的方式进行显示，其中横坐标表示的是G代码行，纵坐标表示的是行特征提取，能够将最大值或者平均值等数据进行显示，还能够将G代码程序的工艺参数进行修改，还能够对特征数据进行动态保存等操作。
指令域软件采集的数据主要包含两个方面，第一个就是系统内部通过加工产生的大数据，第二个就是机床传感器信息，其中大部分信息来自于外部传感器，其中涉及到的接入方式如图4所示。
软件示波器可视化功能开发主要包含4点设计：
（1）通道同步设计。
（2）采样结构设计。示波器模块使用的是双缓设计，其设计流程如图5所示，其中包含一级缓冲，最大有16个通道，单通道能够有10k个数据，能够保证数据不被丢失，第二个缓冲只有一个通道，其中能够包含100k个数据，并且该频率和屏幕刷新频率一致，所以在展示效果时能够保证人眼视觉效果。
（3）波形可视化设计。这种设计方式有两种表现形式，其中一种就是满屏重绘，这种方式就是屏满重绘，其数据点没有上限，这种表现方式主要适用于状态变化周期较长的信号，比如压力等外部传感器信号。另外一种就是循环滚动，这种方式得到的波形就会自适应窗口大小，然后还会实时调整窗口坐标，这种表现方式主要适用于状态变化周期较短的信号，比如在加工作业时的信号，如速度、位置、跟随误差等。图6为波形自适应调整算法设计流程图。
图6中的max和min分别表示的是波形当前可视范围内的最大值和最小值，y表示的纵轴坐标零点，top_coord、bottom_coord分别表示的是示波器图形界面的上界面和下界面，scale表示的y轴当前刻度值。另外，图6中的各个变量的单位全部是像素。
（4）参数配置设计。指令域示波器的功能强大，不仅能够对生产加工时的数据信息进行收集、对机床的零件进行优化，而且对生产加工当前的状态进行可视化，能够提高系统生产加工的效率和质量。参数配置界面设计的种类比较多，比如采样方式、采样通道、采样周期、绘图模式等，其中采样通道比较方便，能够对其配置任意的信号。图7即为指令域示波器配置界面图。如图8所示即为机床加工过程中收集到的各种状态心电图。
2 优化实验
根据某厂的要求，需要提高加工效率，从而降低零件加工的时间。优化实验将以加工生产壁框类工件为优化对象，该零件的现场完成图如图9所示，然后根据要求对其进行G代码优化设计，其中使用的数控系统内部集成指令域软件模块。加工的零件材料为铝合金，属于粗加工方式。加工过的过程如下：
（1）浅腔加工。进行浅腔加工时，其中切削深度为62mm，其中使用D28短刀和立铣刀的切削总深度为44mm，在切削过程中不能一次全部切削完成，需要将其分为3次，分别切削10mm、17mm和17mm，两种刀的原G代码中主轴转速分别为1000r/min和360r/min，进给量分别为400mm/min和150mm/min。通过优化之后的短刀时间效率提高了24.3%。长刀优化之后，其效率提高了37.5%。
（2）深腔加工。对零件进行深腔加工时，其总的切削深度为65mm，其中使用D28立铣刀短刀需要切削的深度为47mm，同样需要对其进行三次切削，三次的深度分别设置为13mm、17mm和17mm。然后长刀和短刀的原G代码中主轴转速和进给量与浅腔加工的设置一致。然后对短刀优化前和优化后的加工时间进行对比，发现优化后的切削效率提高了27.5%，长刀优化后的效率提高了37%。优化前后G代码如图10所示。
通过优化實验可知，采用实时采集指令域示波器对系统加工负载电流优化进给速度，在该薄壁零件的加工上能够显著提高加工效率，在浅腔加工上工作效率提高了37.5%，另外在深腔加工效率也提高了37%，所以基于这种示波器，通过对数控加工机床的相关参数进行优化设计，能够有效提高加工效率，从而为企业带来更大的效益。
3 结语
文章通过对某高档数控系统进行优化设计，基于实时采集指令域示波器，能够获取更多的大数据，然后对其进行分析利用，从而有助于对参数进行优化设计，能够对数控机床在工作时的状态进行实时检测，能够及时对相关参数进行优化设计。这种数控机床在传统的机床基础上，能够对数据进行采集并且存储和分析，能够在零件加工过程中对相关工艺参数进行优化设计，及时调整系统的运作状态，使得数控机床的加工效率更高。我国的高档数控机床发展没有国外快，所以为了提高我国装备的性能，需要对其进行不断创新和优化设计。
参考文献
[1]熊尧，吴军，邓超.面向重型数控机床的加工工艺参数优化方法[J].计算机集成制造系统，2012，18（004）：729-737.
[2]吴继春.曲面数控加工编程轨迹的NURBS拟合及插补算法研究[D].武汉：华中科技大学，2012.
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[4]祁雪沙，戚厚军.基于遗传算法的数控铣削参数优化[J].煤矿机械，2015，36（11）：143-145.
[5]贺知明，黄巍，向敬成.数字脉压时域与频域处理方法的对比研究[J].电子科技大学学报，2002，31（002）：120-124.
[6]刘本刚，梁明，王碧玲.国产高档数控系统在航空领域的应用与性能分析[J].航空精密制造技术，2015，51（1）：47-50.
[7]李江玲，周旭东.PLC与变频器在电机装配与运行检测实训系统中的应用[J].现代制造技术与装备，2018（1）：165-167.
[8]胡鹏.交流伺服电机的高精度恒转矩控制系统[J].机床电器，2012，39（5）：23-25.