CN104391479A - 基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法及系统，该方法通过对机床主轴功率的监控，实时识别机床加工状态，统计机床加工工件时间，换刀时间，主轴空转时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间，并统计机床加工工件数量和刀具使用数量。所述系统包括主轴功率监控系统，功率信号处理系统，功率信号数据库，加工管理系统，加工管理系统得到目前的加工任务，主轴功率监控系统得到实时的主轴功率信号，功率信号处理系统将主轴功率信号滤波、A/D转换和信号分析，得到处理后的机床功率信号及其平均值，再将功率平均值与功率数据库中的功率平均值进行对比，得出最终结果。本发明帮助管理者更好的安排加工任务，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工的机床加工监控领域，具体地，涉及一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法及系统。
背景技术
机床工作状态对企业制定生产计划，充分利用已有的加工设备，提高企业效率有重要影响。通过在线对机床工作状态的准确监测，企业可以了解机床的加工负荷、产品的生产数量、刀具的消耗量，从而核算生产成本，了解工人的工作强度，实时了解工厂产能与负荷。利用主轴功率监控来对机床工作状态的进行监测，是合理安排产能和生产任务的方法。
经对现有技术的文献检索发现，刘飞、黄文帝、陈真、何纯申请的发明专利(申请号201310134979.7)基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法及装置，该文通过功率传感器获知机床的功率信息，经过信号处理在线识别机床开机、机床关机、主轴启动、主轴关闭四种机床状态，并得到机床的开机率、设备运行率和设备利用率。该文涉及的技术主要存在以下缺陷和不足：(1)能够识别的机床状态仅为机床的开关机和主轴的启动与否，无法识别机床处于加工工件的状态或换刀的状态或空载的状态，因而无法知道机床实际加工工件的时间；(2)不能统计机床加工工件的数量和刀具的消耗量；(3)阀值是预设的，无法适应机床加工任务或加工参数或刀具磨损造成的功率信号的改变所带来的阀值改变。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法及系统，通过对机床主轴功率的在线监测，得到机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间，从而得到机床的实时加工状态。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法，所述方法将机床的状态分为加工状态、换刀状态、空载状态、闲置状态、开机状态，并分别对应机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，基于机床主轴的功率信号在线识别机床的状态，从而统计机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间。
所述方法具体包括如下步骤：
步骤一，主轴功率实时采集，即主轴功率监控系统实时采集主轴功率信号，并进行A/D转换；
步骤二，功率信号处理，即将主轴功率监控系统采集的信号传输给功率信号处理系统，功率信号处理系统对采集到的功率信号进行滤波，将采集到的信号以每S个计算出平均值，其中S为采样频率的10倍以上60倍以下的个数，并记录信号采集的时间；
步骤三，机床加工状态识别，即功率信号处理系统读取功率信号数据库中储存的步骤二得到的功率信号以及平均值，与功率信号处理系统计算出的平均值进行对比，得出机床的加工状态；
步骤四，机床工作状态的统计与显示，即功率信号处理系统基于步骤三识别的机床加工状态，统计机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，并将机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间传给加工管理系统。
进一步地，步骤三通过以下方式的一种或多种实现：
第一，对比信号的存储及更新，对比信号即功率信号数据库中储存的功率信号及对应的平均值，其存储和更新的过程：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，在识别出信号、平均值对应的机床状态后，将信号和处理后的平均值与对应的机床状态存入功率信号数据库；
第二，机床加工状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，当平均值到达一定阀值P时，其中P根据正态分布计算，功率信号数据库中储存的加工状态的功率信号平均值P加工以小于千分之三的概率小于P，其中P加工为功率信号数据库储存的加工状态的功率信号平均值，机床处于加工工件的状态，并将此时的功率平均值作为新的P加工存入功率信号数据库；
第三，机床换刀状态识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，当平均值为零，且为0的功率信号的前一段信号的平均值P前与为0的功率信号的后一段信号的平均值P后相比，P前与P后的之差大于某个范围，即P前-P后≥C时，其中C根据正态分布计算，功率信号数据库中储存的C换刀以小于千分之三的概率小于C，其中C换刀是功率信号数据库中储存的为0的功率信号的前一段信号的平均值P前与为0的功率信号的后一段信号的平均值P后的差P前-P后，为机床处于换刀的状态，并将此时的P前-P后作为C换刀存入功率信号数据库，并将此时P前-P后作为新的C换刀存入功率信号数据库；
第四，机床空载状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，当平均值P空载到达一定范围时，其中P1、P2根据正态分布计算，功率信号数据库中储存的空载状态的功率信号平均值以千分之三的概率小于P1，功率信号数据库中储存的空载状态的功率信号平均值以千分之三的概率大于P2，机床处于空载状态，并将P空载作为新的空载状态的功率信号平均值存入功率信号数据库；
第五，机床闲置状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，且连续大于30分钟间功率平均值都是零时，机床处于闲置状态；
第六，机床开机状态的识别：加工状态、换刀状态、空载状态都是机床的开机状态。
本发明还提供了一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计系统，包括主轴功率监控系统，功率信号处理系统，功率信号数据库，加工管理系统；其中：
主轴功率监控系统在线监测机床主轴的功率信号并传递给功率信号处理系统；
功率信号处理系统对信号进行滤波、A/D转换和数据处理后，得到处理后的机床功率信号及其平均值；
功率信号处理系统将查询功率信号数据库得到的机床功率信号及其平均值与新的处理后的机床功率信号及其平均值进行对比，得出机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，将这些信息反馈给加工管理系统，并在加工结束后将处理后的机床功率信号及其平均值传给功率信号数据库；
功率信号数据库储存并更新处理后的机床功率信号及其平均值；
加工管理系统保存机床编号、刀具序列号、加工任务，并查询功率信号处理系统，得到机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，并进行显示。
优选的，所述的主轴功率监控系统包括：智能电表以及主轴功率监控系统RS485串行接口，其中：智能电表在线测量主轴功率信号；主轴功率监控系统RS485串行接口与功率信号处理系统相连接并传输功率信号。
优选的，所述的功率信号处理系统包括：ARM单片机，主轴功率监控系统RS485串行接口，Socket接口，功率信号处理系统RS485串行接口；其中：ARM单片机通过主轴功率监控系统RS485串行接口接收主轴功率监控系统的功率信号，经Socket接口从功率信号数据库查询所在机床的生产加工信息，传输机床编号、刀具序列号、加工任务、功率信号及其平均值，通过功率信号处理系统RS485串行接口传递机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间给加工管理系统。
优选的，所述的功率信号数据库包括：数据库服务器和数据库系统接口，其中：数据库服务器存储机床编号、刀具序列号、加工任务、处理后的机床功率信号、机床功率信号的平均值，通过数据库系统Socket接口与功率信号处理系统相接，用以传输刀具序列号、机床编号、加工任务、处理后的机床功率信号、机床功率信号的平均值。
优选的，所述的加工管理系统包括：功率信号处理系统RS485串行接口，液晶显示屏输出接口，液晶显示屏，其中：功率信号处理系统RS485串行接口与功率信号处理系统相连接并传输机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置的时间、机床开机总时间；通过液晶显示屏输出接口传输机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置的时间、机床开机总时间，并显示给工作人员。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)可以实时监测机床的加工状态、空载状态、换刀状态、闲置状态、开机状态，并进行统计、更新和反馈；
(2)可以统计机床的加工负荷、机床加工工件的数量和刀具的使用数量；
(3)数据的采集和统计实现自动化；
(4)随着功率信号数据库的更新，可以自动适应多种加工任务和加工参数，并适应刀具磨损所造成的机床加工功率的改变。
本发明通过对机床加工过程中主轴功率的实时监测，得到进行具体的加工任务时机床加工状态的实时变化，从而统计了机床和工人的实际加工时间。本发明帮助管理者提高了对机床的加工能力的了解，有助于管理者了解机床目前的加工负荷，并使管理者了解刀具的使用情况和工件的加工数量，从而帮助管理者更好的安排加工任务，提高生产效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一较优实施例中方法的流程框图；
图2为本发明一较优实施例中的系统框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明一实施例的方法流程图，基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法具体步骤如下：
步骤一，主轴功率实时采集，即主轴功率监控系统实时采集主轴功率信号，并进行A/D转换；
步骤二，功率信号处理，即将主轴功率监控系统采集的信号传输给功率信号处理系统，功率信号处理系统对采集到的功率信号进行滤波，将采集到的信号每200个计算出平均值，并记录信号采集的时间；
步骤三，机床加工状态识别，即功率信号处理系统读取功率信号数据库中储存的功率信号以及平均值，与功率信号处理系统计算出的平均值进行对比，得出机床的加工状态；
步骤四，机床工作状态的统计与显示，即功率信号处理系统基于步骤三识别的机床加工状态，统计机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间，并将机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间传给加工管理系统，加工管理系统将信息显示在显示屏上。
本实施例中，上述的步骤三可以按照以下几个部分来实现：
第一，对比信号的存储及更新，对比信号即功率信号数据库中储存的功率信号及对应的平均值，其存储和更新的过程：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对200个数据(该数据个数可以根据实际要求进行调整)进行处理得到平均值，在识别出信号、平均值对应的机床状态后，将信号和处理后的平均值与对应的机床状态存入功率信号数据库；
第二，机床加工状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对200个数据进行处理得到平均值，当平均值到达一定阀值P时，其中P为功率信号数据库中储存的加工状态的功率信号平均值P加工的95％(该阀值可以根据实际要求进行调整)，机床处于加工工件的状态；
第三，机床换刀状态识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对200个数据进行处理得到平均值，当平均值为零，且为零的功率信号的前一段信号的平均值P前与为0的功率信号的后一段信号的平均值P后相比，P前与P后的之差大于某个范围，即P前-P后≥C时，其中C为功率信号数据库中的P前-P后的95％(该阀值可以根据实际要求进行调整)，机床处于换刀工件的状态；
第四，机床空载状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对200个数据进行处理得到平均值，当平均值P空载到达一定范围时，其中P1为功率信号数据库中储存的空载状态的功率信号平均值的95％(该阀值可以根据实际要求进行调整)，P2为功率信号数据库中储存的空载状态的功率信号平均值的105％(该阀值可以根据实际要求进行调整)，机床处于空载状态；
第五，机床闲置状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对200个数据进行处理得到平均值，当平均值为零，且连续10个平均值都是零时，机床处于闲置状态；
第六，机床开机状态的识别：加工状态、换刀状态、空载状态都是机床的开机状态。
如图2所示，为本发明一实施例中系统图，基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计系统，包括主轴功率监控系统，功率信号处理系统，功率信号数据库，加工管理系统；
主轴功率监控系统在线监测机床主轴的功率信号并传递给功率信号处理系统；
功率信号处理系统对信号进行滤波、A/D转换和数据处理后，得到处理后的机床功率信号及其平均值；
功率信号处理系统将查询功率信号数据库得到的机床功率信号及其平均值与新的处理后的机床功率信号及其平均值进行对比，得出机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，将这些信息反馈给加工管理系统，并在加工结束后将处理后的机床功率信号及其平均值传给功率信号数据库；
功率信号数据库储存并更新处理后的机床功率信号及其平均值；
加工管理系统保存机床编号、刀具序列号、加工任务，并查询功率信号处理系统，得到机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间，并显示在显示屏上。
本实施例中，所述的主轴功率监控系统包括：智能电表以及主轴功率监控系统RS485串行接口，其中：智能电表在线测量主轴功率信号；主轴功率监控系统RS485串行接口与功率信号处理系统相连接并传输功率信号。
本实施例中，所述的功率信号处理系统包括：ARM单片机，主轴功率监控系统RS485串行接口，Socket接口，功率信号处理系统RS485串行接口；其中：ARM单片机通过主轴功率监控系统RS485串行接口接收主轴功率监控系统的功率信号，经Socket接口从功率信号数据库查询所在机床的生产加工信息，传输机床编号、刀具序列号、加工任务、功率信号及其平均值，通过功率信号处理系统RS485串行接口传递机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间给加工管理系统。
本实施例中，所述的功率信号数据库包括：数据库服务器和数据库系统接口，其中：数据库服务器存储机床编号、刀具序列号、加工任务、处理后的机床功率信号、机床功率信号的平均值，通过数据库系统Socket接口与功率信号处理系统相接，用以传输刀具序列号、机床编号、加工任务、处理后的机床功率信号、机床功率信号的平均值。
本实施例中，所述的加工管理系统包括：功率信号处理系统RS485串行接口，液晶显示屏输出接口，液晶显示屏，其中：功率信号处理系统RS485串行接口与功率信号处理系统相连接并传输机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置的时间，机床开机总时间；通过液晶显示屏输出接口传输机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置的时间，机床开机总时间，并在液晶显示屏上显示给工作人员。
本发明借助计算机辅助机床工作状态的管理，对机床的主轴功率进行实时监控，进而得到机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间，使管理者可以实时了解机床的加工负荷、加工工件的数量和刀具的使用量，从而更合理的安排生产任务，降低生产成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一，主轴功率实时采集，即主轴功率监控系统实时采集主轴功率信号，并进行A/D转换；
步骤二，功率信号处理，即将主轴功率监控系统采集的信号传输给功率信号处理系统，功率信号处理系统对采集到的功率信号进行滤波，将采集到的信号以每S个计算出平均值，其中S为采样频率的10倍以上60倍以下的个数，并记录信号采集的时间；
步骤三，机床加工状态识别，即功率信号处理系统读取功率信号数据库中储存的步骤二得到的功率信号以及平均值，与功率信号处理系统计算出的平均值进行对比，得出机床的加工状态，并将加工状态与功率信号处理系统计算出的平均值一一对应的存入功率信号数据库；
步骤四，机床工作状态的统计与显示，即功率信号处理系统基于步骤三识别的机床加工状态，统计机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，并将机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，统计机床加工状态的数量即为机床加工工件的数量，统计机床换刀状态的数量，即为机床刀具使用的数量，传给加工管理系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计方法，其特征在于：步骤三通过以下方式中的一种或几种实现：
第一，对比信号的存储及更新，对比信号即功率信号数据库中储存的功率信号及对应的平均值，其存储和更新的过程：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，在识别出信号、平均值对应的机床状态后，将信号和处理后的平均值与对应的机床状态存入功率信号数据库；
第二，机床加工状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，当平均值到达一定阀值P时，其中P根据正态分布计算，功率信号数据库中储存的加工状态的功率信号平均值P加工以小于千分之三的概率小于P，其中P加工为功率信号数据库储存的加工状态的功率信号平均值，机床处于加工工件的状态，并将此时的功率平均值作为新的P加工存入功率信号数据库；
第三，机床换刀状态识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，当平均值为零，且为0的功率信号的前一段信号的平均值P前与为0的功率信号的后一段信号的平均值P后相比，P前与P后的之差大于某个范围，即P前-P后≥C时，其中C根据正态分布计算，功率信号数据库中储存的C换刀以小于千分之三的概率小于C，其中C换刀是功率信号数据库中储存的为0的功率信号的前一段信号的平均值P前与为0的功率信号的后一段信号的平均值P后的差P前-P后，为机床处于换刀的状态，并将此时的P前-P后作为C换刀存入功率信号数据库，并将此时P前-P后作为新的C换刀存入功率信号数据库；
第四，机床空载状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，当平均值P空载到达一定范围时，其中P1、P2根据正态分布计算，功率信号数据库中储存的空载状态的功率信号平均值以千分之三的概率小于P1，功率信号数据库中储存的空载状态的功率信号平均值以千分之三的概率大于P2，机床处于空载状态，并将P空载作为新的空载状态的功率信号平均值存入功率信号数据库；
第五，机床闲置状态的识别：功率信号处理系统处理监控得到的功率信号，每次对S个数据进行处理得到平均值，且连续大于30分钟间功率平均值都是零时，机床处于闲置状态，如机床的闲置状态和机床的换刀状态同时存在时，机床归为闲置状态和换刀状态并存，但机床工作状态的时间的统计上归为机床闲置时间；
第六，机床开机状态的识别：加工状态、换刀状态、空载状态都是机床的开机状态。
3.一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计系统，其特征在于，包括主轴功率监控系统，功率信号处理系统，功率信号数据库，加工管理系统；
主轴功率监控系统在线监测机床主轴的功率信号并传递给功率信号处理系统；
功率信号处理系统对信号进行滤波、A/D转换和数据处理后，得到处理后的机床功率信号及其平均值；
功率信号处理系统将查询功率信号数据库得到的机床功率信号及其平均值与新的处理后的机床功率信号及其平均值进行对比，得出机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间，并统计机床加工工件的数量和刀具的使用数量，将这些信息反馈给加工管理系统，并在加工结束后将处理后的机床功率信号及其平均值传给功率信号数据库；
功率信号数据库储存并更新处理后的机床功率信号及其平均值；
加工管理系统保存机床编号、刀具序列号、加工任务，并查询功率信号处理系统，得到机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置时间、机床开机总时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计系统，其特征在于，所述的主轴功率监控系统包括：智能电表以及主轴功率监控系统RS485串行接口，其中：智能电表在线测量主轴功率信号；主轴功率监控系统RS485串行接口与功率信号处理系统相连接并传输功率信号。
5.根据权利要求3所述的一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计系统，其特征在于，所述的功率信号处理系统包括：ARM单片机，主轴功率监控系统RS485串行接口，Socket接口，功率信号处理系统RS485串行接口；其中：ARM单片机通过主轴功率监控系统RS485串行接口接收主轴功率监控系统的功率信号，经Socket接口从功率信号数据库查询所在机床的生产加工信息，传输机床编号、刀具序列号、加工任务、功率信号及其平均值，通过功率信号处理系统RS485串行接口传递机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置时间，机床开机总时间，机床加工工件的数量，刀具的使用数量给加工管理系统。
6.根据权利要求3所述的一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计系统，其特征在于，所述的功率信号数据库包括：数据库服务器和数据库系统接口，其中：数据库服务器存储机床编号、刀具序列号、加工任务、处理后的机床功率信号、机床功率信号的平均值，通过数据库系统Socket接口与功率信号处理系统相接，用以传输刀具序列号、机床编号、加工任务、处理后的机床功率信号、机床功率信号的平均值。
7.根据权利要求3-6任一项所述的一种基于主轴功率监控的机床工作状态的自动统计系统，其特征在于，所述的加工管理系统包括：功率信号处理系统RS485串行接口，液晶显示屏输出接口，液晶显示屏，其中：功率信号处理系统RS485串行接口与功率信号处理系统相连接并传输机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间，换刀的时间，主轴空转的时间，加工结束机床闲置的时间，机床开机总时间，机床加工工件的数量，刀具的使用数量；通过液晶显示屏输出接口传输机床编号、刀具序列号、加工任务、机床加工工件的时间、换刀的时间、主轴空转的时间、加工结束机床闲置的时间、机床开机总时间、机床加工工件的数量、刀具的使用数量，并进行显示。
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