CN104750027B - 一种基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统，其特征在于：它包括解析模块、实时监控模块、对比模块和显示模块。本发明中的实时监控模块采用机床内置传感器采集机床主轴功率信号，避免对于外部传感器的依赖，因此简化设备安装调试难度，设备成本较低，针对大批量生产模式下的一种非常经济的技术解决方案。另外，本发明由于采用将实时采集的主轴功率信号与该工步对应的阈值实时同步对比，因此同步性高、比对准确。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于故障诊断与设备监控领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种刀具破损预警系统，特别是关于一种基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统。
背景技术
数控生产线是大批量定制模式的有力支撑，可提高企业的市场反应能力，业已获得广泛应用。而刀具又是数控生产线上关乎产品质量和成本的重要因素。如刀具破损未能及时发现，可能导致后续加工产品的批量报废，为企业带来重大经济损失。因此，生产线工程运维人员需要定期人工查验各加工设备的刀具使用情况，工作量大且效率低，并导致刀具寿命估计偏保守，又进一步造成生产成本的无谓增加。
刀具破损预警技术可以通过提前或同步发现刀具失效状态，可触发机床自动换刀，并报警通知运维人员及时修复，能够有效提高产线运维管理的自动化程度，提高产线开动率，降低产线运维成本，受到制造企业的普遍欢迎。
近几十年内，国内外学者和工程技术人员针对刀具破损预警技术进行了大量的研究，理论上涉及时频域分析、数值微分、人工智能等手段，技术上涉及声发射、振动、功率传感器等物联网技术。但是，上述研究成果多数受环境因素影响大，仅能在特定研究环境下取得效果，同时由于需要外置传感器支持，导致安装调试复杂，设备成本较高，难以大范围推广。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够预警刀具在加工过程中的突然破损的基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统，其特征在于：它包括解析模块、实时监控模块、对比模块和显示模块；其中所述对比模块内置每一工序代码中切削阶段的阈值；所述解析模块针对数控系统中的每一工序代码添加标识符，该标识符包括工序号、工步号和刀号；针对每一工序代码添加工序号，针对每一添加完工序号的工序代码中的切削阶段添加工步号，针对每一工步号中的刀具添加刀号；所述解析模块将添加完标识符的全部工序代码传送给所述实时监控模块，并将每一工序代码中的切削阶段所对应的工步号和刀号传送给所述对比模块；所述实时监控模块根据机床的状态判断是否开始工作，在开始工作后根据数控系统当前执行的工序代码判断是否是切削阶段；当在切削阶段时，将数控系统当前执行的工序代码和采集的机床主轴功率值传送给所述对比模块；所述对比模块根据当前执行的工序代码所对应的机床主轴功率阈值和实时采集的机床主轴功率值做比对，判断是否超出相应的阈值，并将判断结果传送给所述显示模块显示；当超出相应的阈值时，所述显示模块发送报警信号给数控系统。
所述实时监控模块包括机床状态检测机构、采集机构和工序代码库；所述机床状态检测机构用于检测机床的状态，机床状态为运行、等待、报警和关机；当所述机床状态检测机构检测到机床的状态为运行时，发送工作信号给所述采集机构开始采集工作，否则一直检测机床的状态，直到机床状态为运行；所述采集机构利用机床内置的传感器采集切削阶段的机床主轴功率值和工序代码；所述工序代码库用于存储数控系统中添加完标识符的全部工序代码，其连接所述解析模块；所述采集机构获取数控系统中当前执行的工序代码，并将该工序代码一方面与工序代码库内置的全部工序代码做比对，判断当前执行的工序代码是否在待监控工序代码段内？若不在，则继续比对直到当前执行的工序代码在监控工序代码段内；若在，则所述采集机构采集机床的主轴功率值，并将该主轴功率值和相对应的工序代码实时发送给所述对比模块。
所述对比模块包括学习机构和对比及判断机构；所述学习机构连接解析模块，并接收所述解析模块中传送的每一工序号中切削阶段所对应的工步号和刀号，并针对所有切削阶段中每一时刻的机床主轴功率设定相应的阈值；所述对比及判断机构将从所述采集机构接收的当前执行的工序代码向所述学习机构中调取该工序代码对应的机床主轴功率阈值，并进行同步对比，判断实时采集的机床主轴功率值是否超出设定的阈值，然后将判断结果传送给所述显示模块。
所述显示模块包括人机交互界面和通信机构；所述人机交互界面将机床主轴功率和相应的阈值进行显示；当实时采集的机床主轴功率值超出相应设定的阈值时，则说明刀具破损，通过所述通信机构将报警信号传送给数控系统。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明中的实时监控模块采用机床内置传感器采集机床主轴功率信号，避免对于外部传感器的依赖，因此简化设备安装调试难度，设备成本较低，是针对大批量生产模式下的一种非常经济的技术解决方案。2、本发明所采用的解析模块针对数控系统中的工序代码添加标识符，通过标识符的添加可以获知在哪一工序号下的哪一工步号(切削阶段)中哪把刀具的损坏情况，并且只针对切削阶段进行监控，而不是盲目的监控非切削阶段，不但方法简便，而且达到了数据处理量的减少和监控效率的提高，同时增加了报警准确率。3、本发明中采用的学习机构连接解析模块并针对所有切削阶段中每一时刻的机床主轴功率设定相应的阈值，由于针对不同工步设定不同阈值，使得阈值的设定符合实际工况，从而大大增加本发明报警的准确性，减少了本发明的误报率。另外，本发明由于采用将实时采集的主轴功率信号与该工步对应的阈值实时同步对比，因此同步性非常准确。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于故障诊断与设备监控领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括解析模块1、实时监控模块2、对比模块3和显示模块4。
解析模块1针对数控系统中的工序代码添加标识符(该标识符并不影响数控系统原本的工作)，该标识符包括工序号、工步号和刀号，一个现有数控系统中是有若干个加工不同工件的工序代码，这若干个工序代码中的每一个都有相应的工序号1、工序号2、…工序号n；每一工序号中都包含加工工件的切削阶段和非切削阶段，针对切削阶段的工步进行标注，形成工步号，形成针对工步号内的工序代码进行监控，即只针对切削阶段(刀具与工件接触时)的刀具进行监控，而不是盲目的监控非切削阶段，达到了数据处理量的减少和监控效率的提高，同时增加了报警准确率。针对工步号中的每一刀具进行标注形成刀号，这样就可以获知在哪一工序号下的哪一工步号(切削阶段)中哪把刀具(由于针对每一把刀具都进行了标号)的损坏情况。
实时监控模块2包括机床状态检测机构21、采集机构22和工序代码库23。
机床状态检测机构21用于检测机床(数控机床)的状态，其中机床状态分为运行、等待、报警和关机。当机床状态检测机构21检测到机床的状态为运行时，发送工作信号给采集机构22开始采集工作，否则一直检测机床的状态，直到机床状态为运行。采集机构22利用机床内置的传感器采集切削阶段的机床主轴功率值和工序代码。工序代码库23用于存储数控系统中添加完标识符的全部工序代码，其连接解析模块1。上述采集机构22获取数控系统中当前执行的工序代码，并将该工序代码与工序代码库23内置的全部工序代码做比对，判断当前执行的工序代码是否在待监控工序代码段内？若不在，则继续比对直到当前执行的工序代码在监控工序代码段内；若在，则采集机构22采集机床的主轴功率值，并将该主轴功率值和相对应的工序代码实时发送给对比模块3。
上述实施例中，采集机构22中采用的机床内置的传感器，常用的有检测各个轴转速的测速发电机和脉冲编码器，检测位置的直线光栅和光电编码器以及检测各个轴功率的霍尔传感器，采集各个轴的实时功率以及刀号和当前加工工序代码等一系列信息。
对比模块3包括学习机构31和对比及判断机构32。
学习机构31连接解析模块1，并接收该解析模块1中传送的每一工序号中切削阶段所对应的工步号和刀号，并针对所有切削阶段中每一时刻的机床主轴功率设定相应的阈值。由于学习机构31针对切削阶段中设定相应的阈值使得监控阈值的设定更加符合实际工况，从而大大增加本发明报警的准确性，减少了本发明的误报率。
上述实施例中，学习机构31可以采用实时监控模块2在数控系统中刀具全部完好的状态下针对标注样件进行加工时，将切削阶段中对应的主轴功率值作为相应的阈值。
对比及判断机构32将从采集机构22接收的当前执行的工序代码向学习机构31中调取该工序代码对应的机床主轴功率阈值，并进行同步对比，判断实时采集的机床主轴功率值是否超出设定的阈值，然后将判断结果传送给显示模块4。
显示模块4包括人机交互界面41和通信机构42。
人机交互界面41将机床主轴功率和相应的阈值进行显示。当实时采集的机床主轴功率值超出相应设定的阈值时，则说明刀具破损发生，通过通信机构42将报警信号传送给数控系统采取相应措施，例如数控系统针对报警信号修改机床的操作模式-手动状态(通常生产线机床在加工过程中切削加工的模式为自动状态)，从而实现只是主轴转动，进给停止，阻止了刀具和工件进一步接触。上述人机交互界面41上可以采用曲线形式阈值和直线形式阈值进行表示，其中直线阈值适合于粗加工，曲线形式阈值适合于半精加工和精加工。
上述实施例中，本发明可以集成在数控系统中。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (3)
1.一种基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统，其特征在于：它包括解析模块、实时监控模块、对比模块和显示模块；其中所述对比模块内置每一工序代码中切削阶段的阈值；
所述解析模块针对数控系统中的每一工序代码添加标识符，该标识符包括工序号、工步号和刀号；针对每一工序代码添加工序号，针对每一添加完工序号的工序代码中的切削阶段添加工步号，针对每一工步号中的刀具添加刀号；所述解析模块将添加完标识符的全部工序代码传送给所述实时监控模块，并将每一工序代码中的切削阶段所对应的工步号和刀号传送给所述对比模块；
所述实时监控模块根据机床的状态判断是否开始工作，在开始工作后根据数控系统当前执行的工序代码判断是否是切削阶段；当在切削阶段时，将数控系统当前执行的工序代码和采集的机床主轴功率值传送给所述对比模块；所述实时监控模块包括机床状态检测机构、采集机构和工序代码库；所述机床状态检测机构用于检测机床的状态，机床状态为运行、等待、报警和关机；当所述机床状态检测机构检测到机床的状态为运行时，发送工作信号给所述采集机构开始采集工作，否则一直检测机床的状态，直到机床状态为运行；所述采集机构利用机床内置的传感器采集切削阶段的机床主轴功率值和工序代码；所述工序代码库用于存储数控系统中添加完标识符的全部工序代码，其连接所述解析模块；所述采集机构获取数控系统中当前执行的工序代码，并将该工序代码一方面与工序代码库内置的全部工序代码做比对，判断当前执行的工序代码是否在待监控工序代码段内，若不在，则继续比对直到当前执行的工序代码在监控工序代码段内；若在，则所述采集机构采集机床的主轴功率值，并将该主轴功率值和相对应的工序代码实时发送给所述对比模块；
所述对比模块根据当前执行的工序代码所对应的机床主轴功率阈值和实时采集的机床主轴功率值做比对，判断是否超出相应的阈值，并将判断结果传送给所述显示模块显示；当超出相应的阈值时，所述显示模块发送报警信号给数控系统。
2.如权利要求1所述的一种基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统，其特征在于：所述对比模块包括学习机构和对比及判断机构；
所述学习机构连接解析模块，并接收所述解析模块中传送的每一工序号中切削阶段所对应的工步号和刀号，并针对所有切削阶段中每一时刻的机床主轴功率设定相应的阈值；所述对比及判断机构将从所述采集机构接收的当前执行的工序代码向所述学习机构中调取该工序代码对应的机床主轴功率阈值，并进行同步对比，判断实时采集的机床主轴功率值是否超出设定的阈值，然后将判断结果传送给所述显示模块。
3.如权利要求2所述的一种基于机床主轴功率信号的刀具破损预警系统，其特征在于：所述显示模块包括人机交互界面和通信机构；
所述人机交互界面将机床主轴功率和相应的阈值进行显示；当实时采集的机床主轴功率值超出相应设定的阈值时，则说明刀具破损，通过所述通信机构将报警信号传送给数控系统。
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