CN111596615A - 一种数控机床在线监测及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控机床技术领域。为提高数控机床的加工质量、精度、效率及安全性，本发明提出一种数控机床在线监测及控制系统，其中，传感装置采集数控机床的测试点的温度、噪声及振动信息并通过数据采集装置实时转化为数字信号传输到数据处理分析存储装置中；数据处理分析存储装置对接收到的数字信号进行处理得到测试点的温度T、噪声R和振动量F与预设的温度阈值T₀、噪声阈值R₀和振动量阈值F₀比较，根据比较结果发出警报、调整待测数控机床的运行参数以减小振动或者预测待测数控机床是否存在潜在故障。本发明数控机床在线监测及控制系统对整机进行实时监测并在存在故障时自主控制数控机床的运行状态，提高加工质量、精度、效率及运行安全性。

Description

一种数控机床在线监测及控制系统

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种对数控机床进行在线监测及控制的系统。

背景技术

随着经济的发展和科技水平的提高，数控机床越来越多地应用到航空航天、船舶及交通运输等领域的关键零部件的加工中。在加工过程中，被加工产品的加工质量、加工精度及加工时长都受到数控机床能否安全运行的影响。

目前，数控机床正在向高速度、高精密度及多轴联动复合加工等方向发展，导致数控机床出现故障的概率逐渐增大，且出现故障的原因也日渐复杂。另外，在加工过程中，数控机床的振动量过大不仅会导致加工的零部件的加工质量下降，还会对数控机床的刀具造成损坏，甚至影响数控机床的运行安全性。因此，为确保数控机床能够安全稳定地运行，在加工过程中需对数控机床的振动、噪声及温度进行实时监测，以实现故障预警。

为实现对数控机床的故障进行实时预警，本领域技术人员通常是对数控机床的状态进行监测，且监测部位主要集中在数控机床的主轴部分，当监测到潜在故障时，也仅仅是发出故障预警，而不会自主排除故障，进而影响数控机床的加工质量、加工精度及加工效率，甚至发生安全事故。

发明内容

为提高数控机床的加工质量、加工精度、加工效率及安全性，本发明提出一种数控机床在线监控及控制系统，该数控机床在线监测及控制系统中，传感装置布设在测试点上并与数据采集装置电连接，用于采集所述测试点的温度、噪声及振动并转化为温度模拟信号、噪声模拟信号和振动模拟信号实时传输到所述数据采集装置中，且所述测试点分布在待测数控机床的主轴、电机、装夹平台及床身上；

所述数据采集装置与数据处理分析存储装置电连接，并将所述温度模拟信号、所述噪声模拟信号及所述振动模拟信号转化为温度数字信号、噪声数字信号和振动数字信号并传输到所述数据处理分析存储装置中；

所述数据处理分析存储装置处理分析所述温度数字信号、所述噪声数字信号及所述振动数字信号得到所述测试点的温度T、噪声R和振动量F并与预设的温度阈值T₀、噪声阈值R₀和振动量阈值F₀比较，并根据比较结果发出警报、调整所述待测数控机床的运行参数以减小振动或者预测所述待测数控机床是否存在潜在故障。

本发明数控机床在线监测及控制系统利用传感装置对待测数控机床的温度、噪声及振动量进行实时监测时，不仅对数控机床的主轴部件进行实时监测，还对数控机床的电机、装夹平台及床身进行实时监测，能够准确地得出数控机床的整机状态，方便工作人员能够对数控机床的状态进行更加深入、细致地了解；利用传感装置监测数控机床上各个测试点的温度、噪声及振动信息并转化为模拟信号传输到数据采集装置中，由数据采集装置将传感装置采集到的模拟信号转化为数字信号传输到数据处理分析存储装置中；利用数据处理分析存储装置对监测到的温度数字信号、噪声数字信号及振动数字信号进行处理分析得到测试点的温度T、噪声R和振动量F后，对温度T、噪声R和振动量F与预设的温度阈值T₀、噪声阈值R₀和振动量阈值F₀进行比较，从而根据比较结果确定数控机床的运行状态，并针对不同的运行状态发出警报、调整数控机床的运行参数减小振动或预测数控机床是否存在潜在故障。由此可见，在使用本发明数控机床在线监测及控制系统对数控机床进行监测和控制时，传感装置可对数控机床的整机进行实时监测，监测全面细致，从而可使工作人员能够更加深入、细致地了解数控机床的运行状态；数据处理分析存储装置对监测数据进行处理分析获知数控机床的运行状态，并根据数控机床的运行状态发出警报、调整数控机床的运行参数减小振动或者预测数控机床是否存在潜在故障。这样，本发明数控机床在线监测及控制系统不仅能够全面细致地监测数控机床的运行状态，方便工作人员实时深入细致地了解数控机床的运行状态；还可以在数控机床存在故障时调整数控机床的运行参数以减小振动，快速减小数控机床过大的振动对被加工件、刀具及数控机床本身的影响，减小加工的残次品率，提高数控机床的加工质量和加工精度；而且还能够在数控机床正常运行时对数控机床可能存在的潜在故障进行预测，从而实现对数控机床的潜在故障进行提前预警，以提醒工作人员注意检修，避免数控机床因发生故障而停机检修，甚至出现安全事故，提高数控机床的加工效率及运行安全性。

优选地，当T＞T₀或R＞R₀时，所述数据处理分析存储装置发出警报；当F＞F₀时，所述数据处理分析存储装置发出警报，处理分析所述振动数字信号确定所述待测数控机床的故障类型并向所述待测数控机床发出控制信号调整所述待测数控机床的运行参数；当T≤T₀、R≤R₀且F≤F₀时，所述数据处理分析存储装置对所述振动数字信号进行时域分析、频域分析及相关性分析并提取出所述振动数字信号中的时域特征值和频域特征值，所述数据处理分析存储装置对所述时域特征值和所述频域特征值进行处理分析并根据处理分析结果预测所述待测数控机床是否存在潜在故障，当所述待测数控机床存在潜在故障时，所述数据处理分析存储装置发出警报；当所述待测数控机床不存在潜在故障时，所述数据处理分析存储装置不发出警报。这样，本发明数控机床在线监测及控制系统中的数据处理分析存储装置可根据振动数字信号包含的信息准确判定数控机床的故障类型，方便数据处理分析存储装置根据数控机床的故障类型向数控机床发出控制信号调整数控机床的运行参数，减小数控机床的振动；可对振动数字信号中的时域特征值和频域特征值进行处理分析并根据处理分析结果预测数控机床是否存在潜在故障，可提高潜在故障的预测准确性，方便工作人员根据预测结果对数控机床进行检修，避免数控机床因发生故障而影响加工质量、加工精度及加工效率，甚至加工安全性。进一步地，所述数据处理分析存储装置中设置有人工智能模块，当F＞F₀时，所述振动数字信号实时传输到所述人工智能模块中，由所述人工智能模块对所述振动数字信号进行处理分析确定所述待测数控机床的故障类型；当T≤T₀、R≤R₀且F≤F₀时，由所述人工智能模块对所述时域特征值和所述频域特征值进行处理分析，并根据处理分析结果预测所述待测数控机床是否存在潜在故障。这样，本发明数控机床在线监测及控制系统利用人工智能模块通过人工智能技术对数控机床的潜在故障进行预测，可进一步提高预测准确性。进一步优选地，所述数据处理分析存储装置中设置有与所述人工智能模块电连接的信号发射模块，所述人工智能模块在确定所述待测数控机床的故障类型后通过所述信号发射模块向所述待测数控机床发送控制信号调整所述待测数控机床的运行参数，所述控制信号包括减小进给量信号、降低电机转速信号及停机信号。这样，人工智能模块在确定数控机床的故障类型后可根据数控机床的故障类型通过信号发射模块向数控机床发送控制信号，比如减小进给量信号、降低电机转速信号及停机信号，对数控机床的运行参数进行调整，减小数控机床的振动，即通过减小进给量、降低电机转速甚至停机的方式来排除故障或者减小因数控机床发生故障而产生地损失。

优选地，所述数据处理分析存储装置还包括参数设定模块和数据存储模块，所述参数设定模块用于预设参数，所述数据存储模块用于存储监测数据及处理分析结果。这样，在使用时，工作人员可利用参数设定模块在数据处理分析存储装置中预设参数，比如，各个测试点的温度阈值T₀、噪声阈值R₀和振动量阈值F₀，以便于数据处理分析存储装置在获知数控机床各个测试点的温度T、噪声R及振动量F后进行比较，确定数控机床是否存在故障；可利用数据存储模块存储监测数据及处理分析结果，以便于工作人员在需要时查看。进一步地，所述数据处理分析存储装置还包括显示模块，用于显示警报信息、监测数据及处理分析结果。这样，工作人员可通过显示模块读取警报信息、监测数据及处理分析结果，方便工作人员在需要时查询警报信息、监测数据及处理分析结果。进一步优选地，所述数据处理分析存储装置可选用PC机或工作站。这样的数据处理分析存储装置选取简单，使用方便。

优选地，所述传感装置包括多个与所述数据采集装置电连接的温度传感器、噪声传感器和振动传感器。这样，在使用时，可根据需要利用传感装置同时采集数控机床上多个不同测试点的温度、噪声及振动情况，方便对数控机床进行全面细致地监测，进而方便获知数控机床的整体状态。进一步地，所述振动传感器可选用加速度传感器、速度传感器或位移传感器，选取及使用方便。

优选地，所述数据采集装置可选用数据采集仪，选材简单方便。

附图说明

图1为本发明数控机床在线监测及控制系统的结构框图；

图2为本发明数控机床在线监测及控制系统在线监测及控制数控机床的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

下面，结合图1和2对本发明数控机床在线监测及控制系统进行详细说明。

如图1和2所示，本发明数控机床在线监测及控制系统包括传感装置100、数据采集装置200以及数据处理分析存储装置300。其中，传感装置100布设在测试点上并与数据采集装置200电连接，用于采集测试点的温度、噪声及振动并转化为温度模拟信号、噪声模拟信号和振动模拟信号实时传输到数据采集装置200中，且测试点分布在数控机床400的主轴、电机、装夹平台及床身上，从而使传感装置100对数控机床400的整体状态进行实时监测。优选地，传感装置100包括多个与数据采集装置200电连接温度传感器101、噪声传感器102和振动传感器103，且温度传感器101、噪声传感器102和振动传感器103布设在数控机床400的测试点上，对数控机床400上各个测试点的温度、噪声及振动情况进行实时监测。温度传感器101用于采集数控机床400上测试点所在部位的温度信息并将该温度信息转化为温度模拟信号实时传输到数据采集装置200中。优选地，温度传感器101采用铂电阻温度传感器，温度监测精度高，使用简单方便。噪声传感器102用于采集数控机床400上测试点所在部位的噪声信息并将该噪声信息转化为噪声模拟信号实时传输到数据采集装置200中。优选地，噪声传感器102可采用声级计，噪声监测精度高，使用简单方便。振动传感器103用于采集数控机床400上测试点所在部位的振动信息并将该振动信息转化为振动模拟信号实时传输到数据采集装置200中。优选地，振动传感器103可选用加速度传感器、速度传感器或位移传感器，比如，Kistler 8763B型压电式加速度传感器，监测精度高，选取及使用简单方便。

数据采集装置200与数据处理分析存储装置300电连接，且数据采集装置200在接收到温度模拟信号、噪声模拟信号及振动模拟信号后，将温度模拟信号转化为温度数字信号，将噪声模拟信号转化为噪声数字信号，将振动模拟信号分别转化为振动数字信号，并实时传输到数据处理分析存储装置300中。优选地，数据采集装置200可采用数据采集仪，比如，SIEMENS LMS SCADAS XS数据采集仪和NI数据采集仪，使用简单方便。

数据处理分析存储装置300在接收到温度数字信号、噪声数字信号及振动数字信号后对温度数字信号、噪声数字信号及振动数字信号进行处理分析，得出数控机床400上各个测试点所在位置的温度T、噪声R及振动量F，并对该温度T、噪声R及振动量F和预设的各个测试点的温度阈值T₀、噪声阈值R₀及振动量阈值F₀进行比较。当T＞T₀，则认为待测数控机床400的温度过高，并发出报警信号，以提示工作人员注意并及时对数控机床400进行检修。当R＞R₀时，则认为数控机床400的噪声过大，并发出报警信号，以提示工作人员注意并及时对数控机床400进行检修。当F＞F₀时，则认为数控机床400振动量过大，存在故障，数据处理分析存储装置300发出警报，同时对振动数字信号进行处理分析确定数控机床400的故障类型并根据数控机床400的故障类型向数控机床400发出控制信号，调整数控机床400的运行参数，减小数控机床400的振动。当T≤T₀、R≤R₀且F≤F₀时，则认为数控机床400正常，数据处理分析存储装置300对振动数字信号进行时域分析、频域分析及相关性分析并提取出振动数字信号中的时域特征值和频域特征值，对提取的时域特征值和频域特征值进行处理分析并根据处理分析结果预测数控机床400是否存在潜在故障，当数控机床400存在潜在故障时，数据处理分析存储装置300发出警报；当数控机床400不存在潜在故障时，数据处理分析存储装置300不发出警报。优选地，数据处理分析存储装置300中设置有人工智能模块301，当数据处理分析存储装置300比较得知F＞F₀时，则将振动数字信号实时传输到人工智能模块301中，由人工智能模块301对振动数字信号进行时域分析并对振动数字信号的波形进行处理分析，提取振动数字信号的波形的幅值和形状特征，从而根据表1识别确定数控机床400的故障类型，进而由人工智能模块301根据数控机床400的故障类型向数控机床400发送控制信号，比如减小进给量信号、降低电机转速信号及停机信号，调整数控机床400的运行参数，从而改变数控机床400的运行状态，进而减小数控机床400的振动，排除数控机床400的故障或者减小因数控机床400发生故障而产生的损失。具体地，当数控机床400的故障类型明确时，人工智能模块301可直接通过减小进给量、降低电机转速或停机的方式来排除故障或减小因故障而产生的损失；当数控机床400的故障类型不明确时，人工智能模块301可通过不断尝试的方式来排除故障或减小因故障而产生的损失，比如，先减小进给量，并通过监测分析数控机床400的振动状态即振动信号来确认数控机床400的振动是否减小，如果振动减小则可以继续加工；如果没有振动减小则继续减小进给量或/和减小电机转速；如果上述方式均无法减小数控机床400的振动，则停机，由工作人员对数控机床400进行检修。

表1故障类型与时域波形特征对应表

故障类型	时域波形特征
		不平衡	出现正弦波
冲击	等距离的尖脉冲
		摩擦	出现削波
单纯不平衡	波形正弦式
		单纯不对中	波形稳定，光滑
自激振动(油膜涡动、油膜震荡等)	波形杂乱重复性差，波动大

数字处理分析存储装置300还包括信号发射模块302、参数设定模块303、数据存储模块304及显示模块305。其中，信号发射模块302与人工智能模块301电连接，并将人工智能模块301发出的控制信号发送给数控机床400。优选地，信号发射模块302可选用通讯模块。参数设定模块303用于设定预设参数，比如在数据处理分析存储装置300中预测数控机床上各个测试点温度阈值T₀、噪声阈值R₀和振动量阈值F₀，以便于数据处理分析存储装置300在获知数控机床400的温度T、噪声R及振动量F后进行比较确定数控机床400是否存在故障。数据存储模块304用于存储监测数据及处理分析结果，以便于工作人员在需要时比如后期检修时查看。显示模块305用于显示警报信息、监测数据及处理分析结果，方便工作人员在需要时查询警报信息、监测数据及处理分析结果。优选地，数据处理分析存储装置300可选用PC机或工作站。这样的数据处理分析存储装置300选取简单，使用方便。

另外，在具体实施本发明数控机床在线监测及控制系统时，数据处理分析存储装置300中的所有数据处理分析工作均可由人工智能模块301完成。

本发明数控机床在线监测及控制系统利用传感装置对待测数控机床的温度、噪声及振动量进行实时监测时，不仅对数控机床的主轴部件进行实时监测，还对数控机床的电机、装夹平台及床身进行实时监测，能够准确地得出数控机床的整机状态，方便工作人员能够对数控机床的状态进行更加深入、细致的了解；在数据处理分析存储模块中设置人工智能模块，可利用人工智能模块通过人工智能技术对数控机床的潜在故障进行预测，从而可实现对数控机床的潜在故障进行提前预警，提醒工作人员能够注意观察数控机床的状态，及时停机检修，以防止数控机床在工作过程中出现故障，进而可减少损失；当监测到数控机床出现故障比如振动量过大时，可利用人工智能模块向数控机床发出控制信号对数控机床的运行参数进行自主调整，比如减小数控机床的进给量或/和降低电机转速来减小数控机床的振动，从而可快速减小过大的振动对被加工件、刀具及数控机床的影响，减小加工产品的残次品率，提高数控机床的加工质量和加工精度，避免数控机床因出现故障而停机检修，甚至出现安全事故，提高数控机床的加工效率及运行安全性。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (10)

1.一种数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，该数控机床在线监测及控制系统中，传感装置布设在测试点上并与数据采集装置电连接，用于采集所述测试点的温度、噪声及振动并转化为温度模拟信号、噪声模拟信号和振动模拟信号实时传输到所述数据采集装置中，且所述测试点分布在待测数控机床的主轴、电机、装夹平台及床身上；

所述数据采集装置与数据处理分析存储装置电连接，并将所述温度模拟信号、所述噪声模拟信号及所述振动模拟信号转化为温度数字信号、噪声数字信号和振动数字信号并传输到所述数据处理分析存储装置中；

所述数据处理分析存储装置处理分析所述温度数字信号、所述噪声数字信号及所述振动数字信号得到所述测试点的温度T、噪声R和振动量F并与预设的温度阈值T₀、噪声阈值R₀和振动量阈值F₀比较，并根据比较结果发出警报、调整所述待测数控机床的运行参数以减小振动或者预测所述待测数控机床是否存在潜在故障。

2.根据权利要求1所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，当T＞T₀或R＞R₀时，所述数据处理分析存储装置发出警报；当F＞F₀时，所述数据处理分析存储装置发出警报，处理分析所述振动数字信号确定所述待测数控机床的故障类型并向所述待测数控机床发出控制信号调整所述待测数控机床的运行参数；当T≤T₀、R≤R₀且F≤F₀时，所述数据处理分析存储装置对所述振动数字信号进行时域分析、频域分析及相关性分析并提取出所述振动数字信号中的时域特征值和频域特征值，所述数据处理分析存储装置对所述时域特征值和所述频域特征值进行处理分析并根据处理分析结果预测所述待测数控机床是否存在潜在故障，当所述待测数控机床存在潜在故障时，所述数据处理分析存储装置发出警报；当所述待测数控机床不存在潜在故障时，所述数据处理分析存储装置不发出警报。

3.根据权利要求2所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述数据处理分析存储装置中设置有人工智能模块，当F＞F₀时，所述振动数字信号实时传输到所述人工智能模块中，由所述人工智能模块对所述振动数字信号进行处理分析确定所述待测数控机床的故障类型；当T≤T₀、R≤R₀且F≤F₀时，由所述人工智能模块对所述时域特征值和所述频域特征值进行处理分析，并根据处理分析结果预测所述待测数控机床是否存在潜在故障。

4.根据权利要求3所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述数据处理分析存储装置中设置有与所述人工智能模块电连接的信号发射模块，所述人工智能模块在确定所述待测数控机床的故障类型后通过所述信号发射模块向所述待测数控机床发送控制信号调整所述待测数控机床的运行参数，所述控制信号包括减小进给量信号、降低电机转速信号及停机信号。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述数据处理分析存储装置还包括参数设定模块和数据存储模块，所述参数设定模块用于预设参数，所述数据存储模块用于存储监测数据及处理分析结果。

6.根据权利要求5所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述数据处理分析存储装置还包括显示模块，用于显示警报信息、监测数据及处理分析结果。

7.根据权利要求6所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述数据处理分析存储装置可选用PC机或工作站。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述传感装置包括多个与所述数据采集装置电连接的温度传感器、噪声传感器和振动传感器。

9.根据权利要求8所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述振动传感器可选用加速度传感器、速度传感器或位移传感器。

10.根据权利要求1-4中任意一项所述的数控机床在线监测及控制系统，其特征在于，所述数据采集装置可选用数据采集仪。

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