CN105652794B - 基于focas的数控机床数据采集和管理系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统及其方法，该系统包括数据采集与管理单元、数据分类单元和进给系统摩擦力提取单元；该采集和管理方法为采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力。

Description

基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统及其方法
技术领域
本发明属于数控机床数据采集技术领域，具体涉及基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统及其方法。
背景技术
经过多年的努力，我国数控机床制造业通过与国外合作、技术引进以及自主攻关等方式，解决了大部分设计手段与制造关键技术，使得数控机床整体制造水平得到了很大提高，与国外先进制造水平的差距正在缩小。但我国数控机床制造业与国外先进企业相比，在可靠性、高速度、高精度等方面还有一定差距。
我国数控机床的可靠性研究始于20世纪80年代末，而20世纪90年代以后，国家在重点科技攻关项目中加入了数控机床可靠性研究。目前对于数控机床可靠性研究主要集中于可靠性试验方法，如定时截尾试验、定数截尾试验、序贯试验。实施可靠性试验得到数据以后，去除疑似异常的数据，进行数据处理及可靠性建模分析，因此，建模方法也是数控机床可靠性研究的一个内容。常用的主要有：两参数威布尔分布模型、三参数威布尔分布模型、威布尔混合分布模型和竞争威布尔分布模型等，参数求解方法有极大似然估计、矩法估计、相关系数优化法、双线性回归法、概率权重法、灰色估计法和Bayes估计。通过可靠性试验与分析，可以实现快速、准确评定当前数控机床可靠性水平，是获取数控机床故障信息、进行可靠性分析、评价、实施可靠性增长等可靠性研究的重要基础。
但上述试验方法很难确定数控机床工作过程中各关键零部件的载荷工况，对各类故障的溯源分析带来困难。因此，获取数控机床工作过程中实时数据确定关键零部件载荷谱则成为工程届关注的焦点问题。在数控机床工作过程中，计算机数控系统利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序实现自动控制的一种控制系统。在现代制造系统中，利用现有的网络技术实现对作为制造系统自动化装备的数控机床进行远程监控、远程故障诊断等。而国际生产厂商生产的数控系统也正在由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展，使得用户通过二次开发或系统提供相应的函数获取系统加工过程中信息，如西门子840D和OPC数据库、FANUC的FOCAS等。而利用现有系统功能开发数据实时监测系统成为国内外学者研究主题之一。如：重庆大学利用DNC建立了数控机床状态监控系统及数控群系统状态监测与集成，北京航空航天大学建立的数控机床负载网络监测系统，南京理工大学建立了基于Web的开放式数控系统远程监测与诊断系统，广州数控提出了数控系统远程诊断系统等等。
数控系统工作过程实时性比较高，控制实施周期已达到2ms。而上述系统最快也得达到1s，而且很难确定数据时间定标，很难满足数控系统负载数据获取的实时性要求。虽然有些数控系统提供了时间戳，如西门子数控系统OPC提供的变量结构，但时间戳更新频率很低，不可能记录数控数据时间点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统及其方法。
基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统，包括数据采集与管理单元、数据分类单元和进给系统摩擦力提取单元；
所述数据采集与管理单元，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，获取数控机床报警时间和报警内容，并对数据进行存储；显示与数控机床的连接状态、数控机床运行状态和加工程序运行状态；设定用户权限，将用户添加和修改的数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序进行存储；
所述数据分类单元，用于读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储；
所述进给系统摩擦力提取单元，用于读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力。
所述数据采集与管理单元，包括主界面管理模块、用户管理模块、报警管理模块、故障采集管理模块、加工工件信息管理模块、实时数据管理模块、数控程序管理模块、数控机床维护和保养管理模块和数据库；
所述主界面管理模块，用于显示各功能模块，并提供给用户，显示与数控机床的连接状态、数控机床运行状态和加工程序运行状态；
所述用户管理模块，用于根据用户性质设定权限，设定其对各功能模块的操作权限；
所述报警管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，获取数控机床报警时间和报警内容，存储于数据库中；
所述故障采集管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床故障时间和故障内容，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的故障时间和故障内容存储于数据库中；
所述加工工件信息管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床加工工件信息，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的加工工件信息存储于数据库中；
所述实时数据管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，以二进制形式存储于数据库中；
所述数控程序管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控加工程序，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的数控加工程序存储于数据库中；
所述数控机床维护和保养管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床维护和保养记录，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的数控机床维护和保养记录存储于数据库中；
所述数据库，用于存储采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，存储获取的数控机床报警时间和报警内容，存储添加及修改的数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控加工程序、数控机床维护和保养记录。
采用基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统进行数据采集和管理的方法，包括：
通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，获取数控机床报警时间和报警内容，并对数据进行存储；
通过用户的添加和修改，存储数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序；
将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储；
读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力。
所述将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储，包括：
读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储；
根据进给轴位置发生变化时的记录时间确定时间基准，将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配；
将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储。
所述读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力，包括：
读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据对和伺服电机力矩电流与时间匹配数据对；
建立进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数；
利用高斯消去法解进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数，得到进给轴位置数据的三次样条函数系数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数；
选取密化采样数据周期，根据进给轴总采集时间确定采样数据个数；
利用进给轴位置数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到进给轴位置的密化采样点值，利用伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到伺服电机力矩电流的密化采样点值；
对进给轴位置的密化采样点值进行两次微分计算，得到采样点工作台速度值和采样点工作台加速度值；
根据丝杠导程、伺服电机力矩系数和伺服电机力矩电流的密化采样点值，得到工作台采样点丝杠驱动力，根据工作台运动方程计算数控机床进给系统摩擦力。
本发明的有益效果：
本发明提出基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统及其方法，本发明可以记录数控机床工作过程的实时数据，同时用户可以进行数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序的添加和修改，可以通过实时数据计算出数控机床进给系统摩擦力，为数控机床的可靠性设计提供依据。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统的结构框图；
图2为本发明具体实施方式中基于FOCAS的数控机床数据采集和管理方法的流程图；
图3为本发明具体实施方式中将主轴数据和进给轴数据进行分类存储的方法的流程图；
图4为本发明具体实施方式中提取数据机床进给系统的摩擦力的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
本实施方式中，针对FANUC数控机床系统，利用FOCAS函数获取数控机床系统的采集数据，系统硬件为系统硬件为PC104总线工业控制计算机，由主板、液晶屏、硬盘、机箱、电源、薄膜键盘组成。
其中，主板型号为SBC3577，液晶屏型号为AA065VE11，640×480，硬盘为1TB SSD，机箱型号为HXL-2535，电源型号为APW100，薄膜键盘为小于64键防水键盘。
基于FOCAS的数控机床数据采集系统，如图1所示，包括数据采集与管理单元、数据分类单元和进给系统摩擦力提取单元。
数据采集与管理单元，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，获取数控机床报警时间和报警内容，并对数据进行存储；显示与数控机床的连接状态、数控机床运行状态和加工程序运行状态；设定用户权限，将用户添加和修改的数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序进行存储。
数据分类单元，用于读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储。
进给系统摩擦力提取单元，用于读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力。
数据采集与管理单元，包括主界面管理模块、用户管理模块、报警管理模块、故障采集管理模块、加工工件信息管理模块、实时数据管理模块、数控程序管理模块、数控机床维护和保养管理模块和数据库。
主界面管理模块，用于显示各功能模块，并提供给用户，显示与数控机床的连接状态、数控机床运行状态和加工程序运行状态。
本实施方式中，通过网络连接与数控系统建立连接，显示与数控机床的连接状态，若与数控机床未建立连接，则弹出对话框，提示用户检查网络，启动1s定时器，通过检测主轴转速运行，确定数控机床处于加工状态，显示数控机床运行状态和加工程序运行状态。
用户管理模块，用于根据用户性质设定权限，设定其对各功能模块的操作权限。
本实施方式中，设定用户性质为系统管理级用户、故障采集管理级用户、加工工件信息管理级用户、实时数据管理级用户、数控程序管理级用户、数控机床维护和保养管理级用户。
系统管理级用户的操作权限不设限定，可以对所有功能模块进行操作，同时可以对用户进行账户密码设置；
故障采集管理级用户的操作权限为：可以对数控机床故障时间和故障内容进行添加和修改；
加工工件信息管理级用户的操作权限为：可以对数控机床加工工件信息进行添加和修改；
实时数据管理级用户的操作权限为：可以选择采集的数据类型，对数据进行采集；
数控程序管理级用户的操作权限为：可以对数控加工程序进行添加和修改；
数控机床维护和保养管理级用户的操作权限为：可以对数控机床维护和保养记录进行添加和修改。
报警管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，获取数控机床报警时间和报警内容，存储于数据库中。
故障采集管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床故障时间和故障内容，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的故障时间和故障内容存储于数据库中。
本实施方式中，连接数据库，用户选择时间段，显示该时间段的故障内容，系统管理级用户和故障采集管理级用户可以对该故障时间的故障内容进行添加和修改。
加工工件信息管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床加工工件信息，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的加工工件信息存储于数据库中。
本实施方式中，连接数据库，用户选择时间段，显示该时间段的加工工件信息，系统管理级用户和加工工件信息管理级用户可以对该时间段的加工工件信息进行添加和修改。
实时数据管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，以二进制形式存储于数据库中。
本实施方式中，系统管理级用户和实时数据管理级用户可以选择采集数据类型，选择采集主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流的一种，对其数据进行采集，存储到二进制文件中。
数控程序管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控加工程序，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的数控加工程序存储于数据库中。
本实施方式中，连接数据库，用户选择时间段，显示该时间段的数控加工程序，系统管理级用户和数控程序管理级用户可以对该时间段的数控加工程序进行添加和修改。
数控机床维护和保养管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床维护和保养记录，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的数控机床维护和保养记录存储于数据库中。
本实施方式中，连接数据库，用户选择时间段，显示该时间段的数控机床维护和保养记录，系统管理级用户和数控机床维护和保养管理级用户可以对该时间段的数控机床维护和保养记录进行添加和修改。
数控机床维护和保养记录包括：保养内容、日期与时间、备注。
数据库，用于存储采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，存储获取的数控机床报警时间和报警内容，存储添加及修改的数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控加工程序、数控机床维护和保养记录。
本实施方式中，选用SQL_Server数据库，存储方式如下所示：
用户管理数据表：ID(主键)、用户名、密码；
系统报警数据表：报警ID(主键)、组号、轴号、日期、时间、报警内容、处理方法；
故障采集数据表：故障ID(主键)、日期、时间、故障描述、前现象、处理方法、后现象；
加工工件信息表：工件ID(主键)、程序名、数据文件名、材料、尺寸、毛坯类型、热处理方法及其它；
数控机床维护和保养信息表：ID(主键)、内容、日期与时间、备注；
数控加工程序文件夹：存有数控加工程序的txt文件，与实时数据同名；
实时数据文件夹：二进制文件，存储加工过程中数控系统实时数据。
采用基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统进行数据采集和管理的方法，如图2所示，包括：
1、通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，获取数控机床报警时间和报警内容，并对数据进行存储。
本实施方式中，针对FANUC数控机床系统，利用FOCAS函数获取数控机床系统的采集数据，将采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流存储为二进制文件，实时记录的文件名以f+YY(年)+MM(月)+DD(日)+N(序号)的命名的二进制文件，以选择文件名创建文件夹，将处理后数据文件存入文件夹中。
本实施方式中，利用Windows系统的精确定时函数QueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函数，对获得的实时数据进行时间定标，以确定各数据之间时间间隔，得到时间记时点数据。
2、通过用户的添加和修改，存储数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序。
3、将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储，如图3所示。
301、读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储。
本实施方式中，顺次读取依次存储的数据二进制文件头，根据文件头数据类型判断是主轴数据还是进给轴数据，根据数据类型创建主轴数据文件、X轴进给轴数据文件或Z轴进给轴数据文件。依据文件记录数据类型，按命名规则对输出文件进行命名，其命名规则为：主轴数据文件以ST+NNN为文件名的文本文件，X轴进给轴数据以XT+NNN为文件名的文本文件，Z轴进给轴数据以ZT+NNN为文件名的文本文件，其中，NNN为从0开始的文件号。
302、根据进给轴位置发生变化时的记录时间确定时间基准，将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配。
本实施方式中，其中若只有主轴数据，可视为主轴空转试验，直接提取主轴数据包括主轴转速和负载，进行存储；进给轴位置发生变化时，记录进给轴数据，进给轴数据包括进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流。
采集的Z轴进给轴的进给轴位置和时间记时点的数据对表示形式如式(1)所示：
…，(Pzi，TzPi)，(Pzi+1，TzPi+1)，(Pzi+2，TzPi+2)，…(1)
其中，Pzi、Pzi+1、Pzi+2分别为Z轴进给轴的进给轴位置，TzPi、TzPi+1、TzPi+2分别为Z轴进给轴的进给轴位置Pzi、Pzi+1、Pzi+2对应的时间记时点，时间记时点为计算机系统高精度定时器值，为双长整型。
采集的Z轴进给轴的伺服电机力矩电流和时间记时点的数据对表示形式如式(2)所示：
…，(Izi，TzIi)，(Izi+1，TzIi+1)，(Izi+2，TzIi+2)，…(2)
其中，Izi、Izi+1、Izi+2分别为Z轴进给轴的伺服电机力矩电流，TzIi、TzIi+1、TzIi+2分别为Z轴进给轴的伺服电机力矩电流Izi、Izi+1、Izi+2对应的时间记时点。
采集的X轴进给轴的进给轴位置和时间记时点的数据对表示形式如式(3)所示：
…，(Pxi，TxPi)，(Pxi+1，TxPi+1)，(Pxi+2，TxPi+2)，…(3)
其中，Pxi、Pxi+1、Pxi+2分别为X轴进给轴的进给轴位置，TxPi、TxPi+1、TxPi+2分别为X轴进给轴的进给轴位置Pxi、Pxi+1、Pxi+2对应的时间记时点。
采集的X轴进给轴的伺服电机力矩电流和时间记时点的数据对表示形式如式(4)所示：
…，(Ixi，TxIi)，(Ixi+1，TxIi+1)，(Ixi+2，TxIi+2)，…(4)
其中，Ixi、Ixi+1、Ixi+2分别为X轴进给轴的伺服电机力矩电流，TxIi、TxIi+1、TxIi+2分别为X轴进给轴的伺服电机力矩电流Ixi、Ixi+1、Ixi+2对应的时间记时点。
确定时间基准：当进给轴位置发生变化时，即当Pzi＝Pzi+1，Pzi+1≠Pzi+2(Pxi＝Pxi+1，Pxi+1≠Pxi+2)时，以进给轴位置发生变化前的进给轴位置对应的时间记时点TzPi+1(TxPi+1)和伺服电机力矩电流对应的时间记时点TzIi+1(TxIi+1)进行比较，若TzIi+1(TxIi+1)小于等于TzPi+1(TxPi+1)，则将伺服电机力矩电流对应的时间记时点TzIi+1(TxIi+1)作为时间基准T0，否则，将该伺服电机力矩电流对应的时间记时点TzIi+1(TxIi+1)的上一个记时时间点TzIi(TxIi)作为时间基准T0。
根据时间基准T0，确定各数据对应的具体时间值tmki表示如式(5)所示：
tmki＝1000(Tmki-T0)/F0 (5)
其中，下标m为x、z或s，x表示X轴进给轴，z表示Z轴进给轴，s表示主轴，下标k为P或I，P表示位置，I表示伺服电机力矩电流，下标i＝0，1，2，…，n，n为数据个数，F0为计算机统计计算频率。
303、将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储。
4、读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力，如图4所示。
401、读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据对和伺服电机力矩电流与时间匹配数据对。
本实施方式中，数控机床进给轴位置与时间匹配的数据对或伺服电机力矩电流与时间匹配对可以表示为如式(6)所示：
S(t)＝{sj(t)，t∈(tj，tj+1)，j＝0，1，2，…，n-1} (6)
其中，S(t)为进给轴位置数据与时间的数据对或伺服电机力矩电流数据与时间的数据对，sj(t)为进给轴位置数据或伺服电机力矩电流数据。
402、建立进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数。
在给定区间t∈[tj，tj+1]，建立进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数如式(7)所示：
sj(t)＝ajt3+bjt2+cjt+dj (7)
其中，aj、bj、cj和dj为三次样条函数的系数。
403、利用高斯消去法解进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数，得到进给轴位置数据的三次样条函数系数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数。
本实施方式中，在给定时间点上，如式(8)、(9)和(10)所示：
sj(tj+1)＝sj+1(tj+1)＝yj+1 (8)
s′j(tj+1)＝s′j+1(tj+1) (9)
s″j(tj+1)＝s″j+1(tj+1) (10)
其中，j＝1，2，…，n-1，yj+1为ti+1时刻的进给轴位置数据或伺服电机力矩电流数据。
式(8)、(9)和(10)表明拟合曲线为二阶光滑，则在两个端点上，对应轴处于停止状态，因此边界条件如式(11)和(12)所示：
s0(t0)＝y0，sn-1(tn)＝yn (11)
s′0(t0)＝s′n-1(tn)＝s″0(t0)＝s″n-1(tn)＝0 (12)
其中，y0为t0时刻的进给轴位置数据或伺服电机力矩电流数据，yn为tn时刻的进给轴位置数据或伺服电机力矩电流数据。
对于X轴进给轴，进给轴位置采样数据表示为：ix＝0，1，…，nx，nx为X轴进给轴位置数据个数，因此得到X轴进给轴位置数据的三次样条函数系数为：jx＝1，…，nx-1。
对于Z轴进给轴，进给轴位置采样数据表示为：iz＝0，1，…，nz，nz为Z轴进给轴位置数据个数，因此得到Z轴进给轴位置数据的三次样条函数系数为：jz＝0，1，…，nz-1。
对于X轴进给轴，伺服电机力矩电流采样数据表示为：i′x＝0，1，…，n′x，其中，n′x为X轴伺服电机力矩电流数据个数，因此得到X轴伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数为：j′x＝1，…，n′x-1。
对于Z轴进给轴，伺服电机力矩电流采样数据表示为：i′z＝0，1，…，n′z，其中，n′z为Z轴伺服电机力矩电流数据个数，因此得到Z轴伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数为：j′z＝1，…，n′z-1。
404、选取密化采样数据周期，根据进给轴总采集时间确定采样数据个数。
本实施方式中，对进给轴位置数据或伺服电机力矩电流数据的采样为非等时采样，且样本采样时间较长，单类进给轴为40-25ms，两类信号采样时间间隔为70-75ms。因此选取密化采样数据周期为小于1ms，X轴和Z轴进给轴总记录时间分别为tnx和tnz，X轴和Z轴进给轴密化采样数据周期分别为Tsx和Tsz。
因此得到X轴进给轴采样数据个数kx的计算公式如式(13)所示：
tnx＝kxTsx (13)
得到Z轴进给轴采样数据个数kz的计算公式如式(14)所示：
tnx＝kzTsz (14)
其中，kx和kz为正整数。
405、利用进给轴位置数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到进给轴位置的密化采样点值，利用伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到伺服电机力矩电流的密化采样点值。
本实施方式中，利用进给轴位置数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到X轴进给轴位置的密化采样点值xk如式(15)所示：
得到Z轴进给轴位置的密化采样点值zk如式(16)所示：
利用伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到X轴伺服电机力矩电流的密化采样点值cxk如式(17)所示：
得到Z轴伺服电机力矩电流的密化采样点值qzk如式(18)所示：
406、对进给轴位置的密化采样点值进行两次微分计算，得到采样点工作台速度值和采样点工作台加速度值。
本实施方式中，对进给轴位置的密化采样点进行微分计算，得到X轴采样点工作台速度值vxk和Z轴采样点工作台速度值vzk，对采样点工作台速度值进行微分，得到X轴采样点工作台加速度值axk和Z轴采样点工作台加速度值azk。
407、根据丝杠导程、伺服电机力矩系数和伺服电机力矩电流的密化采样点值，得到工作台采样点丝杠驱动力，根据工作台运动方程计算数控机床进给系统摩擦力。
本实施方式中，工作台采样点丝杠驱动力Fe的计算公式如式(19)所示：
2πktI＝Fekp (19)
其中，kt为伺服电机力矩系数，p为丝杠导程，Fe为采样点丝杠驱动力，I为伺服电机力矩电流。
忽略丝杠及螺母接触副的受力变形，工作台运动方程如式(20)所示：
Fe-Ff＝mtat (20)
其中，Ff为进给系统摩擦力，mt工作台质量，at为工作台加速度。
因此将伺服电机力矩电流的密化采样点值和采样点工作台加速度值带入公式(19)和公式(20)得到X轴进给轴采样点摩擦力Ffxi如式(21)所示：
Ffxi＝2πktxcxk/px-mtxaxk，k＝0，1，…，kx (21)
其中，ktx为X轴进给伺服电机的力矩系数，px为X轴丝杠导程，mtx为X轴工作台质量。得到Z轴进给轴采样点摩擦力Ffzi如式(22)所示：
Ffzi＝2πktzqzk/pz-mtzazk，k＝0，1，…，kz (22)
其中，ktz为Z轴进给伺服电机的力矩系数，pz为Z轴丝杠导程，mtz为Z轴工作台质量。

Claims (4)

1.基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统，其特征在于，包括数据采集与管理单元、数据分类单元和进给系统摩擦力提取单元；
所述数据采集与管理单元，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，获取数控机床报警时间和报警内容，并对数据进行存储；显示与数控机床的连接状态、数控机床运行状态和加工程序运行状态；设定用户权限，将用户添加和修改的数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序进行存储；
所述数据分类单元，用于读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储；
所述进给系统摩擦力提取单元，用于读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力；
所述数据采集与管理单元，包括主界面管理模块、用户管理模块、报警管理模块、故障采集管理模块、加工工件信息管理模块、实时数据管理模块、数控程序管理模块、数控机床维护和保养管理模块和数据库；
所述主界面管理模块，用于显示各功能模块，并提供给用户，显示与数控机床的连接状态、数控机床运行状态和加工程序运行状态；
所述用户管理模块，用于根据用户性质设定权限，设定其对各功能模块的操作权限；
所述报警管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，获取数控机床报警时间和报警内容，存储于数据库中；
所述故障采集管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床故障时间和故障内容，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的故障时间和故障内容存储于数据库中；
所述加工工件信息管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床加工工件信息，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的加工工件信息存储于数据库中；
所述实时数据管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，以二进制形式存储于数据库中；
所述数控程序管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控加工程序，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的数控加工程序存储于数据库中；
所述数控机床维护和保养管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床维护和保养记录，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的数控机床维护和保养记录存储于数据库中；
所述数据库，用于存储采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，存储获取的数控机床报警时间和报警内容，存储添加及修改的数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控加工程序、数控机床维护和保养记录。
2.采用权利要求1所述的基于FOCAS的数控机床数据采集和管理系统进行数据采集和管理的方法，其特征在于，包括：
通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，获取数控机床报警时间和报警内容，并对数据进行存储；
通过用户的添加和修改，存储数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序；
将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储；
读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力。
3.根据权利要求2所述的基于FOCAS的数控机床数据采集和管理方法，其特征在于，所述将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储，包括：
读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储；
根据进给轴位置发生变化时的记录时间确定时间基准，将进给轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配；
将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储。
4.根据权利要求2所述的基于FOCAS的数控机床数据采集和管理方法，其特征在于，所述读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力，包括：
读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据对和伺服电机力矩电流与时间匹配数据对；
建立进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数；
利用高斯消去法解进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数，得到进给轴位置数据的三次样条函数系数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数；
选取密化采样数据周期，根据进给轴总采集时间确定采样数据个数；
利用进给轴位置数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到进给轴位置的密化采样点值，利用伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到伺服电机力矩电流的密化采样点值；
对进给轴位置的密化采样点值进行两次微分计算，得到采样点工作台速度值和采样点工作台加速度值；
根据丝杠导程、伺服电机力矩系数和伺服电机力矩电流的密化采样点值，得到工作台采样点丝杠驱动力，根据工作台运动方程计算数控机床进给系统摩擦力。
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