CN101140461A - 多物理状态监测优化与远程综合诊断智能数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电一体化的数控技术领域，具体地讲，是一种基于多物理状态监测与优化以及远程综合诊断的智能化数控系统。为提供一种基于现场多物理状态监测与加工运行优化并具备远程综合诊断功能的智能化数控系统，本发明采用的技术方案是：所述的数控系统主要分为主控模块、运动控制模块、通讯模块、设备状态监控模块、在机检测模块以及网络监控诊断模块几个部分。除运动控制模块及采集与分析单元分别采用高速DSP为独立核心处理器外，其余部分与主控模块共享高性能微处理器，各模块间经系统内部总线1链接，实现功能调用以及数据传输。本发明主要用于制作具备远程综合诊断功能的智能化数控系统。

Description

多物理状态监测优化与远程综合诊断智能数控系统

技术领域

本发明属于机电一体化的数控技术领域，具体地讲，是一种基于多物理状态监测与优化以及远程综合诊断的智能化数控系统。

技术背景

随着现代机械加工对复杂化、精密化、大型化以及自动化的要求不断提高，一些高档精密数控加工设备日益得到广泛应用。这些设备对加工质量及效率起着关键乃至核心作用，往往造价相当昂贵；甚至某些加工出来的产品，由于复杂性或精密性或大型化等特征，其单件造价或加工成本亦相当惊人。在此情况下，加工设备损坏或产品报废甚至仅仅是加工效率的降低都可能造成巨大的损失。

由于数控机床的结构复杂性、技术先进性，一旦机床出现了故障，其检查工作量大，涉及技术领域多，现场工作人员或技术人员一般无力解决，而是需要异地机床生产厂家的技术人员和相关专家的技术支持。通常情况下，异地机床生产厂家的技术人员或相关专家为检修发生故障的数控设备，必须了解相关设备的现场信息。而在目前条件下，这些相关人员必须亲自到达加工现场，这使得除了增加经济及人员负担外，对机床用户来讲，其最大的损失在于设备故障不能及时排除，大大延误了生产周期，打乱了加工计划，甚至可能造成合同纠纷；而对于技术人员来讲，由于地域、行业及企业间的相互限制，彼此之间联系松散，使得实际技术力量显得严重不足，同时又有相当大的潜力没有得到充分利用。因此，当设备求诊时，由于地域限制，专家或生产厂家技术人员就会奔波于全国各地，造成资源的严重浪费。

传统上采用专门的检测设备，以巡检或定期检测的方式对加工设备进行检测。而现有的加工优化控制系统均采用独立于数控系统的外挂式形式^[1，2]，两者未能实现无缝集成。不符合开放式数控系统的模块化设计理念及发展趋势，并于无形中提高了系统复杂程度，增加了安装调试乃至操作的难度。目前，一些国外知名数控系统制造商已经以数控系统为监测平台开展了针对机床性能的远程监测^[3]，但其只能在非工作状态下对机床特定参数进行检测与评估，无法实现加工环境下制造系统的监测与诊断。

[1].智能自适应数控加工技术研究综述，金仁成，李水进，唐小琦等，工具技术，2004，34(11)：3-5

[2].Omat智能自适应控制系统，北京嘉源易润科技发展有限公司，制造技术与机床，2006，5：120-121

[3].ePS Network Services，SIEMENS，2006.2。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种基于现场多物理状态监测与加工运行优化并具备远程综合诊断功能的智能化数控系统，以此为平台实现以加工安全及加工优化为目标的智能化解决方案以及以远程监测诊断为目标的网络化解决方案。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

主控模块，分别以系统总线与运动控制模块、通讯模块、设备状态监控模块、在机检测模块以及网络监控诊断模块相连接，主控模块以高性能微处理器为核心，用于完成系统初始化、参数管理、全局数据管理、总体任务协调、人机交互管理、运动程序检错、机床调整、用户自定义功能开发、系统帮助等任务；

运动控制模块，运动控制模块以高速DSP为核心，由下载到该模块FLASH存储器中的运动程序及配置参数，用于独立完成运动程序译码、刀具补偿、螺距补偿、插补、伺服控制、PLC控制等机床动作相关的控制；

在机检测模块，包括几何信息测量单元、误差评定单元、在机检测存储区，几何信息测量单元分别与三维测头、系统总线、误差评定单元相连，几何信息测量单元、误差评定单元分别和在机检测存储区相连；

设备状态监控模块，包括信号采集与分析单元、电气状态监测单元、突变信号监测单元，电气状态监测单元分别与各电气端口相连，信号采集与分析单元与平稳信号传感器相连，设置有红外光电开关构成视觉前馈器，其输出信号经系统数字IO电路连接循环监测程序处理模块，设置有处理无法预警的突变信号，通过阻尼器与冗余器相结合构建成的安全缓冲器，安全缓冲器经总线连接到主控模块；

网络监控诊断模块包括加工场景监测单元、软件定时抓屏单元、现场物理状态远程诊断单元、网络监控策略单元、诊断信息存储单元，网络监控策略单元与远程监控终端相连，网络监控策略单元还分别与软件定时抓屏单元、现场物理状态远程诊断单元、加工场景监测单元相连，加工场景监测单元与现场高速CCD摄像头相连，软件定时抓屏单元、加工场景监测单元分别由数据缓冲区经通讯模块连接至远程监控终端，现场物理状态远程诊断单元连接系统总线，现场物理状态远程诊断单元还经通讯模块连接远程监控诊断终端；

通讯模块与主控模块共用一个主处理器，进一步包括RS232接口芯片及接口、USB接口芯片及接口，以太网接口芯片及接口。

所述的信号采集与分析单元与平稳信号传感器相连，信号采集与分析单元以高速DSP为核心、FLASH存储器、传感器、大容量SDRAM，SDRAM用以维持单元内程序运行所需内存空间，并可作为各通道采集数据的缓存区，FLASH存储可多次下载的系统智能策略库，信号采集与分析单元按需要可配置为2至32通道，配以前端各类平稳信号传感器阵列可完成振动、切削力、声发射、温度、电机电流、电网电压等加工状态信号的连续采集，信号采集与分析单元通过固化有经典信号分析手段的专用芯片完成信号常规特征量提取，信号采集与分析单元通过FLASH所存储专家知识库与模糊策略库完成信号状态识别与优化参数计算，信号采集与分析单元通过数控系统内部总线与主控模块相连。

本发明具备以下技术效果：

本发明构建的多物理状态监测优化与远程综合诊断的智能数控系统，采用多物理状态分类监测处理体系，由数控系统一体化完成数控加工过程中多种物理状态信息的快速并行监测优化与故障处理。其中针对工件加工几何信息的在机质量检测可减少工件装卡次数，数控系统可及时获取工件形位误差信息，便于后续工艺参数调整，有助于降低废品率。多种对象网络化综合监控诊断体系，可为远程监控终端提供多种在线或离线状态信息，丰富了远程监控诊断的数据来源依据。融合状态监测与网络化综合监控诊断的数控系统，充分利用了高速发展的软硬件技术优势，可一体化实现对机床的运动控制以及现场多物理状态的监测优化与网络化远程监控诊断，增强了系统集成度。

附图说明

图1：设备状态监控模块。图中：

1、系统总线，21、传感器阵列，5、设备状态监控模块，5-1、信号采集与分析单元，5-2、电气状态监测单元，5-3、突变信号监测单元，41、红外光电开关，51、阻尼器或冗余器。

图2：在机检测模块。图中：

1、系统总线，22、红宝石接触式三维测头，6、在机检测模块，6-1、几何信息测量单元，6-2、误差评定单元。

图3：网络监控诊断模块。图中：

1、系统总线、23、高速CCD摄像头、7、网络监控诊断模块，7-1、加工场景监测单元，7-2、软件定时抓屏单元，7-3、现场物理状态远程诊断单元，7-4、网络监控策略单元，7-5、诊断信息存储单元。

图4：数控系统。图中：

1、系统总线，2、主控模块，3、运动控制模块，4、通讯模块，5、设备状态监控模块，6、在机检测模块，7、网络监控诊断模块。

图5多物理状态分类监测处理流程。

图6多种对象网络化综合监控诊断流程。

具体实施方式

本发明面向多种目标功能任务，采用模块化设计思想，相互协作的各功能单元间又保持相对独立性，以适应用户特殊定制需求，便于升级扩展与功能裁减。系统功能单元级底层硬件间通过PCI、PC104、USB串行总线等总线形式进行通讯，在满足特定功能、速度及稳定性的前提下，可自由选配。主控模块以1G或以上(可选配)高速工业CPU为控制核心，完成内存管理、人机交互、文件管理、任务调度、总线控制、资源配置等管理性任务，提供标准的扩展接口及API函数库，提供动态分层链式任务管理结构，以节点形式表述任务单元，各任务节点只对父、子节点及兄、弟四个节点产生影响，以支持系统的灵活配置需求。

以数控系统为发明对象，综合运用数控、测控、网络以及人工智能技术，以高性能微处理器与DSP核心，构建基于现场多物理状态监测与加工运行优化并具备远程综合诊断功能的智能化数控系统，实现数控加工控制、状态监测与优化以及远程诊断的协调并行运行。

发明的特色主要体现在多物理状态分类监测处理体系、多种对象网络化综合监控诊断体系以及融合上述体系的数控系统一体化机制。

数控系统主要分为主控模块、运动控制模块、通讯模块、设备状态监控模块、在机检测模块以及网络监控诊断模块6大部分，主控模块以高性能微处理器为核心，完成系统初始化、参数管理、全局数据管理、总体任务协调、人机交互管理、运动程序检错、机床调整、用户自定义功能开发、系统帮助等任务，并响应状态监测模块的故障处理措施；运动控制模块以高速DSP为核心，由下载到该模块FLASH存储器中的运动程序及配置参数，可独立完成运动程序译码、刀具补偿、螺距补偿、插补、伺服控制、PLC控制等机床动作相关的控制功能；通讯模块与主控模块共用一个主处理器，完成RS232接口、USB接口以及以太网接口的传输控制，为其它模块提供远程通讯功能支持；设备状态监控模块、在机检测模块以及网络监控诊断模块则分别体现了数控系统自身所具备的多种物理状态分类监测处理体系与多种对象网络化综合监控诊断体系特征。用户命令由主控模块发出，除主控模块自身可以响应的命令外，其余命令经系统内部总线被自动转发到相应模块处理。各模块的协同运行实现了融合状态监测与网络化综合监控诊断的数控系统一体化机制。

下面对本发明的技术方案进行详细说明。

(1)、多物理状态分类监测处理体系是这样实现的：

监测状态信息分为数控加工设备(包括数控机床及数控系统)运行状态信息以及被加工工件几何信息两大类。

数控加工设备运行状态信息由设备状态监控模块进行处理。在该模块中，设备运行状态信息又进一步分为系统限制级信号、平稳信号以及突变信号三种类型分别处理。包括数控系统内部硬件链路状态、接口电气状态、通讯连接状态、伺服驱动状态以及其它外设状态等离散形式的物理状态信号与系统安全直接相关，作为系统限制级信号，属于最高级别的状态信息，由电气状态监测单元迅速做出反应。通过建立快速响应策略库，在特定存储区内存储各系统限制级信号包括信号索引、信号含义、处理措施、帮助信息等在内的相关信息。高速运行于系统后台的端口监测程序循环检测各电气端口状态。该类信号发生时，触发系统的消息响应机制，电气状态监测单元以索引号查询快速响应策略库，并向数控系统主控模块提交警告、错误、危险、停机四级处理措施；同时，包括信号来源，发生时间，已采取的处理措施在内的该信号属性被记录在系统限制级信号日志，作为系统故障诊断的依据。

由传感器测量得到的加工设备及加工过程物理状态变量的平稳信号以连续形式表现，通常稳定加工情况下，这类信号不会有长时间超越各自门限值的波动。以DSP为核心配以大容量SDRAM与FLASH芯片构建信号采集与分析单元。SDRAM用以维持单元内程序运行所需内存空间，并可作为各通道采集数据的缓存区。FLASH存储可多次下载的系统智能策略库。信号采集与分析单元按需要可配置为2至32通道，配以前端各类传感器阵列可完成振动、切削力、声发射、温度、电机电流、电网电压等加工状态信号的连续采集。信号采集与分析单元通过固化有经典信号分析手段的专用芯片完成信号常规特征量提取。信号采集与分析单元通过FLASH所存储专家知识库与模糊策略库完成信号状态识别与优化参数计算。信号采集与分析单元通过数控系统内部总线向主控模块报告结果数据，包括原始采样数据、信号特征量、信号所代表的物理量状态以及优化结果。

对于在加工中无法预知何时发生而又对系统或机床造成重大影响的突变信号，如电网电压突变、不规范作业或刀具松动而造成的刀具碰撞、工件干涉碰撞等，发生几率较小，但在发生时系统没有足够的时间进行响应。突变信号监测单元负责该类信号的监测处理。采用红外光电开关构成视觉前馈器，其输入信号经系统数字IO电路，由高速运行于系统后台的循环监测程序处理，实现碰撞预警。对于无法预警的突变信号，通过阻尼器与冗余器相结合构建安全缓冲器，将突变信号转化为安全的平稳信号，或利用冗余措施规避不良突变信号的危害。同时，突变信号处理结果经数控系统内部总线通知主控模块。包括信号来源，发生时间，已采取的处理措施在内的突变信号属性被记录在突变信号日志，作为系统故障诊断的依据。

被加工工件几何信息的检测由数控系统在机检测模块实现。在机检测模块以外部三维测头的触发信号作为输入标志量。测头可选用国产或国外品牌红宝石接触式三维测头。测头规格、测针长度及测球直径等参数根据机床床身及工件尺寸选择。数控加工过程中，当完成某一特定工序后，开始进入工件几何信息检测流程，主要用于分析该工序结束后工件的几何精度。在机检测模块检测到测头输入标志量后，经系统总线从运动控制模块获取反馈的当前测量点实际坐标。所有测量点测量完后测量数据将被送入误差评定单元。所有测量点测量数据以及误差评定单元分析结果以日志形式保存在在机检测存储区，作为后续工艺调整及故障诊断的信息源。

(2)、多种对象网络化综合监控诊断体系是这样实现的：

数控系统通讯模块通过以太网接口建立与远程监控终端的网络通讯连接。网络监控诊断模块则将网络化监测对象被确认为数控系统运行界面、加工场景、设备状态监控模块获得的监测数据或处理结果以及在机检测模块的误差分析评定结果4种信息。软件定时抓屏功能单元按照一定的时间间隔，不断获取系统运行界面图像信息，由数据缓冲区经通讯模块不断上传至远程监控终端。在远程监控终端，按照相同的时间间隔重放这些图像，可远程再现数控系统运行界面。加工场景监测单元利用高速CCD摄像头拍摄现场运行场景，由数据缓冲区经通讯模块不断上传至远程监控终端。现场物理状态远程诊断单元经系统内部总线访问设备状态监控模块获得的监测数据或处理结果，以及在机检测模块的测量数据及误差分析评定结果，并将相关数据经通讯模块上传至远程监控诊断终端。

上述4种监控信息分别为远程监控诊断提供不同的信息源，可对现场运行状况实施全面监控。远程监控终端可随时发出登陆请求进行远程监控。数控系统网络监控策略单元负责响应登陆请求，远程监控诊断结束后接收远程终端反馈的诊断结论并存于远程诊断结论存储区。同时网络监控策略单元还根据远程终端选取的监测对象，采用同步切换机制确保一个远程终端同一时刻最多只监测一种对象。

(3)融合状态监测与网络化综合监控诊断的数控系统一体化机制是这样实现的：

所述的数控系统除完成传统数控系统所具有的对机床的运动控制功能外，拓展了现场多物理状态监测与网络化远程监控诊断功能。数控系统主要分为主控模块、运动控制模块、通讯模块、设备状态监控模块、在机检测模块以及网络监控诊断模块6大部分。主控模块以高性能微处理器为核心，完成系统初始化、参数管理、全局数据管理、总体任务协调、人机交互管理、运动程序检错、机床调整、用户自定义功能开发、系统帮助等任务，并响应状态监测模块的故障处理措施。运动控制模块以高速DSP为核心，由下载到该模块FLASH存储器中的运动程序及配置参数，可独立完成运动程序译码、刀具补偿、螺距补偿、插补、伺服控制、PLC控制等机床动作相关的控制功能。通讯模块与主控模块共用一个主处理器，完成RS232接口、USB接口以及以太网接口的传输控制，为其它模块提供远程通讯功能支持。设备状态监控模块、在机检测模块以及网络监控诊断模块则分别体现了数控系统自身所具备的多种物理状态分类监测处理体系与多种对象网络化综合监控诊断体系特征。用户命令由主控模块发出，除主控模块自身可以响应的命令外，其余命令经系统内部总线被自动转发到相应模块处理。各模块的协同运行实现了融合状态监测与网络化综合监控诊断的数控系统一体化机制。

下面将结合实施例及附图说明对本发明的技术方案进行详细说明。

设备状态监控模块3主要包括信号采集与分析单元5-1、电气状态监测单元5-2以及突变信号监测单元5-3。各单元间并行实施各自监测任务。电气状态监测单元依靠其高速运行于系统后台的端口监测程序经系统总线1循环检测各电气端口状态。电气状态监测单元内部快速响应策略库存储各类系统限制级信号的索引、信号含义、处理措施及帮助信息。若监测到某一端口状态发生异常，触发系统的消息响应机制，电气状态监测单元以索引号查询快速响应策略库，经系统总线向数控系统主控模块提交警告、错误、危险、停机四级处理措施；同时，包括信号来源，发生时间，已采取的处理措施在内的该信号属性被记录在系统限制级信号日志。对于平稳信号，由传感器阵列2连续不断的监测相应的物理量，以DSP为核心的采集与分析单元独立完成对这些物理量信号的连续采集与常规特征量分析，并通过调用单元内部存储有专家知识库与模糊策略库的FLASH芯片内的智能算法完成信号状态识别与优化参数计算，同时通过数控系统内部总线向主控模块报告结果数据。对于突变信号，红外光电开关构成的视觉前馈器进行运动碰撞预警，其输入信号经系统数字IO电路，由突变信号监测单元内高速运行于系统后台的循环监测程序处理。对于无法预警的突变信号，利用阻尼器与冗余器将突变信号转化为安全的平稳信号。突变信号处理结果经数控系统内部总线通知主控模块。包括信号来源、发生时间、已采取的处理措施在内的突变信号属性被记录在突变信号日志。

被加工工件几何信息的检测由在机检测模块3实现。选用雷尼绍红宝石接触式三维测头22。测头输入标志量信号触发几何信息测量单元5-1内测量程序，经系统总线从运动控制模块获取反馈的当前测量点实际坐标。所有测量点测量完后测量数据将被送入误差评定单元5-2。所有测量点测量数据以及误差评定单元分析结果以日志形式保存在在机检测存储区。

远程监控终端可随时发出登陆请求进行远程监控或发送诊断信息。网络监控诊断模块7的网络监控策略单元7-4响应远程登陆请求，并判断登陆目的。若登陆连接目的是发送诊断结果，诊断信息存储单元7-5接收并保存远程诊断结果信息。否则，进一步判断监测何种信号。若监测系统运行界面，软件定时抓屏单元7-2按照一定的时间间隔，不断获取系统运行界面图像信息，由数据缓冲区经通讯模块不断上传至远程监控终端。否则，若监测加工场景，加工场景监测单元7-1利用高速CCD摄像头23拍摄现场运行场景，由数据缓冲区经通讯模块不断上传至远程监控终端。否则，若监测设备状态，现场物理状态远程诊断单元7-3经系统内部总线1访问设备状态监控模块获得的监测数据或处理结果，并将相关数据经通讯模块上传至远程监控诊断终端。否则，若监测工件几何信息，现场物理状态远程诊断单元经系统内部总线访问在机检测模块的测量数据及误差分析评定结果，并将相关数据经通讯模块上传至远程监控诊断终端。

所述的数控系统主要分为主控模块2、运动控制模块3、通讯模块4、设备状态监控模块5、在机检测模块6以及网络监控诊断模块7几个部分。除运动控制模块及采集与分析单元分别采用高速DSP为独立核心处理器外，其余部分与主控模块共享高性能微处理器。各模块间经系统内部总线1链接，实现功能调用以及数据传输。各模块的协同运行可实现对机床的运动控制以及现场多物理状态的监测优化与网络化远程监控诊断。

Claims (2)

1.一种多物理状态监测优化与远程综合诊断智能数控系统，其特征在于，包括：

主控模块，分别以系统总线与运动控制模块、通讯模块、设备状态监控模块、在机检测模块以及网络监控诊断模块相连接，主控模块以高性能微处理器为核心，用于完成系统初始化、参数管理、全局数据管理、总体任务协调、人机交互管理、运动程序检错、机床调整、用户自定义功能开发、系统帮助等任务；

运动控制模块，运动控制模块以高速DSP为核心，由下载到该模块FLASH存储器中的运动程序及配置参数，用于独立完成运动程序译码、刀具补偿、螺距补偿、插补、伺服控制、PLC控制等机床动作相关的控制；

在机检测模块，包括几何信息测量单元、误差评定单元、在机检测存储区，几何信息测量单元分别与三维测头、系统总线、误差评定单元相连，几何信息测量单元、误差评定单元分别和在机检测存储区相连；

设备状态监控模块，包括信号采集与分析单元、电气状态监测单元、突变信号监测单元，电气状态监测单元分别与各电气端口相连，信号采集与分析单元与平稳信号传感器相连，设置有红外光电开关构成视觉前馈器，其输出信号经系统数字IO电路连接循环监测程序处理模块，设置有处理无法预警的突变信号，通过阻尼器与冗余器相结合构建成的安全缓冲器，安全缓冲器经总线连接到主控模块；

网络监控诊断模块包括加工场景监测单元、软件定时抓屏单元、现场物理状态远程诊断单元、网络监控策略单元、诊断信息存储单元，网络监控策略单元与远程监控终端相连，网络监控策略单元还分别与软件定时抓屏单元、现场物理状态远程诊断单元、加工场景监测单元相连，加工场景监测单元与现场高速CCD摄像头相连，软件定时抓屏单元、加工场景监测单元分别由数据缓冲区经通讯模块连接至远程监控终端，现场物理状态远程诊断单元连接系统总线，现场物理状态远程诊断单元还经通讯模块连接远程监控诊断终端；

通讯模块与主控模块共用一个主处理器，进一步包括RS232接口芯片及接口、USB接口芯片及接口，以太网接口芯片及接口。

2.根据权利要求1所述的一种多物理状态监测优化与远程综合诊断智能数控系统，其特征在于，所述的信号采集与分析单元与平稳信号传感器相连，信号采集与分析单元以高速DSP为核心、FLASH存储器、传感器、大容量SDRAM，  SDRAM用以维持单元内程序运行所需内存空间，并可作为各通道采集数据的缓存区，FLASH存储可多次下载的系统智能策略库，信号采集与分析单元按需要可配置为2至32通道，配以前端各类平稳信号传感器阵列可完成振动、切削力、声发射、温度、电机电流、电网电压等加工状态信号的连续采集，信号采集与分析单元通过固化有经典信号分析手段的专用芯片完成信号常规特征量提取，信号采集与分析单元通过FLASH所存储专家知识库与模糊策略库完成信号状态识别与优化参数计算，信号采集与分析单元通过数控系统内部总线与主控模块相连。

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