CN110347115A - 主轴共振转速在线检测和优化的方法及系统 - Google Patents

主轴共振转速在线检测和优化的方法及系统 Download PDF

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CN110347115A CN201810306047.9A CN201810306047A CN110347115A CN 110347115 A CN110347115 A CN 110347115A CN 201810306047 A CN201810306047 A CN 201810306047A CN 110347115 A CN110347115 A CN 110347115A
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Abstract

本申请涉及数控系统，公开了一种主轴共振转速在线检测和优化的方法及系统。能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速。本发明中，包括：控制数控系统执行检测G代码以使得数控系统的主轴以不同的转速空转；在执行检测G代码的过程中，从设置在主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到G代码行号与振动信号的对应关系；根据G代码行号与振动信号的对应关系，计算主轴共振转速。

Description

主轴共振转速在线检测和优化的方法及系统
技术领域
本申请涉及数控系统技术领域，特别涉及数控系统的主轴共振转速检测和优化技术领域。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，数控机床领域得到了迅猛发展，数控机床逐渐朝着极端智能的超精密加工数控机床方向发展。
为确保数控机床主轴系统的加工性能，关键是确定其共振转速，主轴的共振转速与其振动的固有频率直接相关，传统的确定共振转速的方法往往是先求得主轴系统的振动的固有频率。
具体的，传统的检测主轴系统固有频率的方法有锤击实验法，数学模型求解法等。
但是，锤击法往往需要机床停机检测，而且需要各种仪器设备和专业人员，耗时耗力。数学模型求解法的理论和求解过程也十分复杂，往往不适用于车间实际情况。
另外，除去求固有频率并计算的方法，测试共振转速往往也会使用启停机测试的方法，在设备转轴上贴上反光带，这样启停机过程中，就能得到相位。可以看到整个过程的幅值和相位变化。设备启停机过程中，使用峰值保持方式记录振动值。如果没有共振，振动幅值以一定比率下降。如果某转速下出现振动峰值且相位变化180度，就显示了设备有共振频率。这个共振频率是相位90度处，在该种方法中，需要使用到转速测量仪，而且基于时域来进行检测结果信号的分析，往往不能精确的对应转速，造成检测结果的误差，同时使用了较多的辅助设备，过程较为复杂，对于车间现场而言经济效应较差。
综上所述，本领域迫切需要一种更好的主轴共振转速检测技术，能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速。
发明内容
本申请的目的在于提供一种主轴共振转速在线检测和优化的方法及系统，能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速。
为了解决上述问题，本申请公开了一种主轴共振转速在线检测方法，包括：
控制数控系统执行检测G代码以使得该数控系统的主轴以不同的转速空转；
在执行该检测G代码的过程中，从设置在该主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从该数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到 G代码行号与振动信号的对应关系；
根据该G代码行号与该振动信号的对应关系，计算主轴共振转速。
在一优选例中，该控制数控系统执行检测G代码以使得该数控系统的主轴以不同的转速空转，进一步包括：
以该检测G代码控制该数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，每按其中一个转速空转时维持约定的时长。
在一优选例中，该检测G代码控制该数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，进一步包括：
该检测G代码控制该数控系统的主轴从约定的转速下限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速上限。
在一优选例中，该检测G代码控制该数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，进一步包括：
该检测G代码控制该数控系统的主轴从约定的转速上限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速下限。
在一优选例中，该“根据该G代码行号与该振动信号的对应关系，计算主轴共振转速”进一步包括：
根据该G代码行号找到该检测G代码中的指令；
分析该指令以获得所对应的转速；
根据该分析的结果建立转速和该振动信号的对应关系；
根据该转速和该振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
在一优选例中，该“根据该G代码行号与该振动信号的对应关系，计算主轴共振转速”进一步包括：
获取G代码行号与转速的对应关系，其中，该G代码行号与转速的对应关系由对该G代码的分析得到；
根据该G代码行号与该振动信号的对应关系，和该G代码行号与转速的对应关系，获得该转速和该振动信号的对应关系；
根据该转速和该振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
在一优选例中，在该控制数控系统执行检测G代码以使得该数控系统的主轴以不同的转速空转之前，还包括：
将该G代码传输给该数控系统。
在一优选例中，该振动传感器是加速度传感器。
在一优选例中，该得到G代码行号与振动信号的对应关系，进一步包括：
对该振动信号按时间刻度进行分段，与主轴转速G代码行号相对应，得到基于指令域的振动信号；
对该指令域的振动信号中每一段振动信号进行积分，得到振动位移数据；
对该振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值作为特征值；
生成该G代码行号和该特征值的对应关系，作为该G代码行号与振动信号的对应关系。
在一优选例中，该特征值是均方根值。
在一优选例中，该振动传感器是振动位移传感器。
本申请还公开了一种主轴共振转速优化方法，包括：
控制数控系统执行检测G代码以使得该数控系统的主轴以不同的转速空转；
在执行该检测G代码的过程中，从设置在该主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从该数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到 G代码行号与振动信号的对应关系；
根据该G代码行号与振动信号的对应关系得到对应最大和最小振动幅度的转速，其中，对应最大振动幅度的转速为待规避转速，对应最小振动幅度的转速为优选转速，
根据该待规避转速和该优选转速对该数控系统进行转速优化。
在一优选例中，该根据该待规避转速和该优选转速对该数控系统进行转速优化，包括：
对需要在该数控系统中运行的G代码进行检查，如果检查到与该规避转速相对应的G代码指令，则将该G代码指令调整为与该优选转速向对应的G 代码指令。
本申请还公开了一种主轴共振转速在线检测系统，包括：
第一转速控制模块，用于控制数控系统执行检测G代码以使得该数控系统的主轴以不同的转速空转；
第一行号振动对应模块，用于在执行该检测G代码的过程中，从设置在该主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从该数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到G代码行号与振动信号的对应关系；
共振转速计算模块，用于根据该G代码行号与该振动信号的对应关系，计算主轴共振转速。
在一优选例中，该第一转速控制模块以该检测G代码控制该数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，每按其中一个转速空转时维持约定的时长。
在一优选例中，该检测G代码控制该数控系统的主轴从约定的转速下限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速上限。
在一优选例中，该检测G代码控制该数控系统的主轴从约定的转速上限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速下限。
在一优选例中，该共振转速计算模块进一步包括：
指令查找子模块，用于根据该G代码行号找到该检测G代码中的指令；
转速分析子模块，用于分析该指令以获得所对应的转速；
第一转速振动对应子模块，用于根据该分析的结果建立转速和该振动信号的对应关系；
第一计算子模块，用于根据该转速和该振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
在一优选例中，该共振转速计算模块进一步包括：
行号转速对应子模块，用于获取G代码行号与转速的对应关系，其中，该G代码行号与转速的对应关系由对该G代码的分析得到；
第二转速振动对应子模块，用于根据该G代码行号与该振动信号的对应关系，和该G代码行号与转速的对应关系，获得该转速和该振动信号的对应关系；
第二计算子模块，用于根据该转速和该振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
在一优选例中，还包括：
传输模块，用于将该G代码传输给该数控系统。
在一优选例中，该振动传感器是加速度传感器。
在一优选例中，该行号振动对应模块进一步包括：
振动分割子模块，用于对该振动信号按时间刻度进行分段，与主轴转速 G代码行号相对应，得到基于指令域的振动信号；
位移计算子模块，用于对该指令域的振动信号中每一段振动信号进行积分，得到振动位移数据；
特征值计算子模块，用于对该振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值作为特征值；
行号特征值对应子模块，用于生成该G代码行号和该特征值的对应关系，作为该G代码行号与振动信号的对应关系。
在一优选例中，该特征值是均方根值。
在一优选例中，该振动传感器是振动位移传感器。
本申请还公开了一种主轴共振转速优化系统，包括：
第二转速控制模块，用于控制数控系统执行检测G代码以使得该数控系统的主轴以不同的转速空转；
第二行号振动对应模块，用于在执行该检测G代码的过程中，从设置在该主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从该数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到G代码行号与振动信号的对应关系；
转速检测模块，用于根据该G代码行号与振动信号的对应关系得到对应最大和最小振动幅度的转速，其中，对应最大振动幅度的转速为待规避转速，对应最小振动幅度的转速为优选转速；
避振模块，用于根据该待规避转速和该优选转速对该数控系统进行转速优化。
本申请还公开了一种主轴共振转速在线检测系统，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行该计算机可执行指令时实现如权利要求1至10中任意一项该的方法中的步骤；
振动传感器，设置在数控系统的主轴上，用于实时获得振动信号。
本申请还公开了一种主轴共振转速优化系统，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行该计算机可执行指令时实现如权利要求11或12该的方法中的步骤；
振动传感器，设置在数控系统的主轴上，用于实时获得振动信号。
本申请还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如上述主轴共振转速在线检测方法中的步骤。
本申请还公开了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现如上述主轴共振转速优化方法中的步骤。
本申请实施方式中，能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速，从而为加工提供指导，也能为主轴系统固有频率的计算提供参考。并可以通过检测到的共振转速对数控系统的G代码进行优化，以优选转速替代共振转速，提高数控系统的加工质量。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E 的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中一种主轴共振转速在线检测方法的流程示意图；
图2是本发明第二实施方式中一种主轴共振转速优化方法的流程示意图；
图3是本发明第三实施方式中一种主轴共振转速在线检测系统的结构示意图；
图4是本发明第四实施方式中一种主轴共振转速优化系统的结构示意图；
图5是本发明第一实施方式中一种主轴共振转速在线检测方法的一种具体实现方式的流程示意图；
图6是本发明第一实施方式中一种主轴共振转速在线检测方法的一种具体实现方式中硬件系统结构示意图；
图7是本发明第一实施方式中振动数据处理结果与转速相对应的示意图。
图8是本发明中指令域数据分割方式示意图。
在各附图中，
301：第一转速控制模块
302：第一行号振动对应模块
303：共振转速计算模块
401：第二转速控制模块
402：第二行号振动对应模块
403：转速检测模块
404：避振模块
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
术语解释：
数控系统：是数字控制系统的简称(Numerical Control System)，根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量等。
G代码：G代码是数控程序中的指令。一般都称为G指令。使用G代码可以实现快速定位、逆圆插补、顺圆插补、中间点圆弧插补、半径编程、跳转加工。下文中将进一步举例描述本申请中G代码的生成方式。
本发明人经过广泛而深入的研究发现，在数控系统中执行一段G代码，这段G代码可以控制数控系统的主轴在多个不同的时间片中以不同的转速来转动(例如在一个转速区间内把所有的转速扫描一遍)，在执行这段G代码的过程中，一方面从数控系统实时地不断获取当前正在执行的G代码行号，另一方面通过设置在主轴上的振动传感器实时地不断获取当前的振动信号，这样就可以形成由一系列的G代码行号和一系列的振动信号组成的对应关系，由于可以根据G代码行号所对应的G代码知道所对应的转速，所以最终可以形成转速和振动信号的对应关系，由此可以计算出主轴共振转速。
可选地，振动传感器是加速度传感器，获得的振动信号是加速度信号，对加速度信号按所对应的G代码行号进行分段，可以得到基于指令域的振动信号，然后对每段内的振动信号进行积分运算，得到振动位移数据；再将得到的振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值(均方根值) 作为特征值；利用计算特征值来反映主轴各转速所对应的振动大小。不但成本低，而且操作方便(只需要将振动传感器安装在主轴上即可)，而且计算结果的抗干扰能力比较强。
请注意，在本发明实施方式中，数据采集模块同步采集的是数控系统(如数控机床，数控铣床，加工中心等)主轴运行时的振动数据和机床的实时G 指令数据。即采集到的是指令域内的主轴振动信息。数据处理模块通过对G 指令特征的提取对主轴振动数据进行分割，即分割得到各段基于指令域的主轴振动信息，这种做法有别于传统的基于时域的振动信息。
本发明实施方式中，关键技术手段在于采集到振动信号的分割及处理，传统的分割处理手段在时间域内对信号进行分割处理，这也是需要转速测量仪来进行测试的原因之一，并且该种分割方法精度并不是非常高。进一步的，本发明实施方式采用的是基于G指令分割，即指令域内分割信号的方法，具有更好的精度和转速同步性，使结果更加的准确。
进一步地说，采集的振动信号是与主轴转速严格对应的，通过机床的G 指令在指令域内进行的信号的匹配和同步。通过机床运行指令来触发采集的开始，对机床G指令进行毫秒级的读取，以适应信号的同步性。
如上，采集到的时候是与指令严格对应的，所以在计算时，按照G指令将整体信号进行分割，每一段数据与G指令一一对应，也即与G指令的转速严格对应，保证了数据的准确性。同时，采集到的信号是振动加速度信号，实际中位移信号更能反映特点，故对采集到的信号进行积分处理，使用高通滤波的方法去除积分中的趋势项。
基于此，通过得到的指令域振动的特征值绘制指令域振动谱，对振动谱进行拟合，得到指令域振动谱曲线，自动识别波峰波谷值及其对应的转速，并输入数控系统中。
需要指出的是，本发明实施方式的特点包括：
1)将传统的时域对齐信号的方法换成指令域对齐方法，在转速的匹配上具有更高的精度，同时能够省去转速测速仪的使用，精简操作步骤和流程，节省器材，方便快捷。
2)自动识别转速的波峰波谷值，并将波峰波谷值输入数控系统中，指导加工。
3)基于指令域的数据同步及处理，与转速的同步性更好，计算结果更准确。
4)相较于传统的求固有频率或者启停机测试，不需要添加更多的额外的设备，如转速测量仪等，优化了测试的流程，操作方便，符合车间现场的实际情况。
进一步的，本发明实施方式主要的技术难点在于：
1)指令域对齐数据，从数控系统中实时读取G指令信息，并于传感器数据进行同步(达到毫秒级精确度)。
2)运算结果完成后进行波峰波谷数据的自动识别，并输入数控系统中。
本发明实施方式可应用于以下场景：
1)在精加工中提供加工参数的指导，具体为转速选择策略的指导。
2)在粗加工，大负荷加工中提供参数指导，避开共振转速，降低对机床的损耗。
3)在对机床整体进行测试整修中，由获取的转速来推出主轴结构的模态频率，可节省整机测试维修时间；
4)积累使用本方法测试的数据，可对主轴的健康状态评估提供参考。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种主轴共振转速在线检测方法。图1是该主轴共振转速在线检测方法的流程示意图。该主轴共振转速在线检测方法包括：
步骤101：控制数控系统执行检测G代码以使得数控系统的主轴以不同的转速空转。
可选地，步骤101进一步包括：
以检测G代码控制数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，每按其中一个转速空转时维持约定的时长。此步骤又有多种实现方式，例如：
可选地，检测G代码控制数控系统的主轴从约定的转速下限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速上限。
可选地，检测G代码控制数控系统的主轴从约定的转速上限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速下限。
可选地，多个转速不一定是等距的。
可选地，多个转速不一定按照从大到小或从小到大的顺序依次执行。
步骤102：在执行检测G代码的过程中，从设置在主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到G代码行号与振动信号的对应关系。
步骤103：根据G代码行号与振动信号的对应关系，计算主轴共振转速。
具体的，步骤103也有多种实现方式：
可选地，步骤103进一步包括：根据G代码行号找到检测G代码中的指令。分析指令以获得所对应的转速。根据分析的结果建立转速和振动信号的对应关系。根据转速和振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
可选地，步骤103进一步包括：获取G代码行号与转速的对应关系，其中，G代码行号与转速的对应关系由对G代码的分析得到。根据G代码行号与振动信号的对应关系，和G代码行号与转速的对应关系，获得转速和振动信号的对应关系。根据转速和振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
具体的，G代码的设置也有多种方式，可选地，在步骤101之前可以将 G代码传输给数控系统。可选地，检测用的G代码也可以预先设置在数控系统中，在需要检测时调用。
具体的，振动传感器可以是多种多样的。例如，加速度传感器，振动位移传感器，等等。
其中，可选地，如果使用上述加速度传感器作为振动传感器，则步骤102 可以包括以下子步骤：
对振动信号按时间刻度进行分段，与主轴转速G代码行号相对应，得到基于指令域的振动信号。
然后，对指令域的振动信号中每一段振动信号进行积分，得到振动位移数据。
然后，对振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值(例如均方根值)作为特征值。
然后，生成G代码行号和特征值的对应关系，作为G代码行号与振动信号的对应关系。
上述实施方式可以通过多种方式来实现，下面通过其中一个具体实现方式，对上述实施方式做进一步说明。
在该实现方式中，通过运行特定的G代码实现机床主轴的调速，使用数据采集模块采集数控系统主轴运行振动数据，并将数据存入本地存储端，通过数据处理模块来按G代码对应处理数据采集模块所采集到的主轴振动数据，并将得到的结果输入NC装置进行转速的规避，同时，在数据采集过程中，通过蓝牙等方式实现数据采集模块与NC装置的连接，获取当前采集数据的加工G代码，进而获取加工的信息。
其中，NC装置即数控装置，也就是数控系统。
具体地，在该实现方式中，通过在机床上运行特定的G代码来控制主轴梯度变速，采集主轴在不同转速下的振动信号，其中主轴梯度加速的方式为，设置转速上限，下限，合理设置转速的梯度值及当前梯度持续时间，生成特定G代码并运行G代码使数控系统主轴空转，实现指令域主轴振动测试。
进一步的，图5示出该实现方式的在线扫查方法的流程示意图。如图5 所示，包括以下步骤：
步骤501：连接振动传感器，采集卡，设置转速上限、下限、梯度值、单梯度持续时间，自动生成特定检测用G代码导入数控机床等待运行。
步骤502：数控机床运行检测用G代码，通过G代码控制机床主轴转速调整，并向数据采集模块发送开始采集数据指令，同步采集主轴振动数据和当前运行G代码指令，完成指令域测试。
步骤503：G代码运行完成后，数据处理模块按G代码指令分段对振动数据进行提取处理。
步骤504：依据步骤503中得出的各主轴转速条件下振动大小，绘制指令相关振动谱，并提取波峰波谷。
步骤505：利用步骤504中的振动波峰波谷，自动生成机床规避转速与优选转速的G代码，导入NC装置进行转速优化。
这样做的好处在于，能在线检测数控系统主轴共振转速，保证结果准确性，为数控加工参数提供参考，同时为主轴系统振动固有频率计算提供参考。
图6是该实现方式中的硬件系统结构示意图，如图6所示，包括便携设备端和NC装置端。具体的，NC装置：即数控装置，也即是数控系统。便携设备端：便携设备端指的是移动智能终端，诸如智能手机、智能平板等设备。在本实例中的具体化即是Android系统的智能平板。
其中，NC装置通过通信模块实现与数据采集模块交互，本实现方式中，采用蓝牙通信。
具体地，数据采集模块在完成主轴梯度加速参数设置后生成检测用G代码，通过通信模块即蓝牙传输至NC装置，准备运行。
振动位移传感器粘贴在数控系统主轴上，用于采集振动信号，并通过通信模块传输至数据采集模块中，如上，采用无线Wifi传输振动数据。
当机床运行检测用G代码时，NC装置会向数据采集模块发送开始采集主轴振动数据指令，开始进行主轴振动信号采集，同时，实时传回当前运行G 代码。
当检测用G代码运行完成后，NC装置发送信号给数据采集模块，数据采集模块开始向数据处理模块传递数据，数据处理模块开始工作，调用相应的数据处理算法。
具体地，算法的具体流程为：对采集模块传递的数据按时间刻度进行分段，与主轴转速G代码相对应，得到基于指令域的振动信号。然后，对分段完成的信号进行积分运算，得到振动位移数据。然后，将得到的振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值(均方根值)作为特征值。最后，利用计算特征值来反映主轴各转速振动大小，从而获取共振转速。
具体地，通信模块主要用来实现NC装置与数据采集模块和振动传感器与数据采集模块的连接。
具体地，显示模块用来显示数据采集模块采集的振动数据，也可用来显示数据处理模块处理后的振动数据。显示模块还包括设置运行用G代码参数的界面，包括转速上限、转速下限、梯度值、梯度持续时间的输入栏和生成 G代码及确认按钮，用来设置运行用G代码参数。
具体地，如图7所示，NC装置上装有主轴转速避振模块，当数据处理模块处理完数据后，得到指令域振动谱，提取振动谱的波峰波谷，可获取波峰波谷的转速，自动生成机床规避转速的G代码，包括待规避转速和优选转速，并将之传入NC装置中，避振模块生效后会检测G代码，当检测到待规避转速后，会自动调整转速至优选转速，完成主轴转速优化。
进一步的，G代码生成方式可以有多种，下面介绍两种具体的实现方式。
方式一
转速上限：5000RPM、转速下限：0RPM、梯度值：100RPM、单梯度持续时间2s；则总时长为(5000-0)/100*2＝100s，G代码如下：
M03
S100 G04 P2000
S200 G04 P2000
S300 G04 P2000
S400 G04 P2000
S500 G04 P2000
……
S4900 G04 P2000
S5000 G24 P2000
M30
方式二
转速上限：5000RPM、转速下限：100RPM、梯度值：100RPM、单梯度持续时间2s；则总时长为(5000-100)/100*2＝98s，G代码如下：
M03
S200 G04 P2000
S300 G04 P2000
S400 G04 P2000
……
S5000 G04 P2000
M30
注意，G代码的生成方式有多种选择，并不限于以上两种，在此不做赘述。
进一步的，下面介绍本实现方式中指令域数据的分割。
G指令运行时刻表记录下了每一个G指令运行的起始时间、结束时间、持续时间等信息，这些信息可以通过调用数控系统接口函数读取数控系统内部信息得到。
图8示出采集到的G指令信号的数据示意图，图中m，m+1，m+2为连续的三个G代码行号，n、p、q为m，m+1，m+2行号的采样点的个数，P1，P2， P3分别为m，m+1，m+2行号的起始时间，若G指令数据的采样频率为Sg(Hz)，那么通过计算得到的每一段行号的执行时长为：
每一段行号的执行时长还可以表示为：
tzn＝P2-P1
在本文的实现中采用了时刻差的模式计算每段行号执行时长。
获取了每一段行号的执行时长后，可以建立振动数据与G指令间的映射关系。若振动数据的采样频率为Sz(Hz)，那么任意时间段t(ms)内它的对应数据点数为：
由此可以计算出第m行号所对应的振动数据的数量。
上述实施方式的优点至少包含：能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速，从而为加工提供指导，也能为主轴系统固有频率的计算提供参考。并可以通过检测到的共振转速对数控系统的G代码进行优化，以优选转速替代共振转速，提高数控系统的加工质量。
本发明第二实施方式涉及一种主轴共振转速优化方法。图2是该主轴共振转速优化方法的结构示意图。该主轴共振转速优化方法包括：
步骤201：控制数控系统执行检测G代码以使得数控系统的主轴以不同的转速空转。
步骤202：在执行检测G代码的过程中，从设置在主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到G代码行号与振动信号的对应关系。
步骤203：根据G代码行号与振动信号的对应关系得到对应最大和最小振动幅度的转速，其中，对应最大振动幅度的转速为待规避转速，对应最小振动幅度的转速为优选转速。
步骤204：根据待规避转速和优选转速对数控系统进行转速优化。
可选的，步骤204可以进一步包括：对需要在数控系统中运行的G代码进行检查，如果检查到与规避转速相对应的G代码指令，则将该G代码指令调整为与优选转速向对应的G代码指令。
上述实施方式的优点至少包含：能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速，从而为加工提供指导，也能为主轴系统固有频率的计算提供参考。并可以通过检测到的共振转速对数控系统的G代码进行优化，以优选转速替代共振转速，提高数控系统的加工质量。
本发明第三实施方式涉及一种主轴共振转速在线检测系统。图3是该主轴共振转速在线检测系统的结构示意图。该主轴共振转速在线检测系统包括：
第一转速控制模块301，用于控制数控系统执行检测G代码以使得数控系统的主轴以不同的转速空转。
具体地，第一转速控制模块301用于检测G代码控制数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，每按其中一个转速空转时维持约定的时长。
在上述实施方式的基础上，可选的，检测G代码控制数控系统的主轴从约定的转速下限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速上限。
或者，在上述实施方式的基础上，可选的，检测G代码控制数控系统的主轴从约定的转速上限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速下限。
第一行号振动对应模块302，用于在执行检测G代码的过程中，从设置在主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到G代码行号与振动信号的对应关系。
共振转速计算模块303，用于根据G代码行号与振动信号的对应关系，计算主轴共振转速。
可选的，共振转速计算模块303进一步包括：指令查找子模块，用于根据G代码行号找到检测G代码中的指令。转速分析子模块，用于分析指令以获得所对应的转速。第一转速振动对应子模块，用于根据分析的结果建立转速和振动信号的对应关系。第一计算子模块，用于根据转速和振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
或者，可选的，共振转速计算模块303进一步包括：行号转速对应子模块，用于获取G代码行号与转速的对应关系，其中，G代码行号与转速的对应关系由对G代码的分析得到。第二转速振动对应子模块，用于根据G代码行号与振动信号的对应关系，和G代码行号与转速的对应关系，获得转速和振动信号的对应关系。第二计算子模块，用于根据转速和振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
可选的，本发明实施方式的主轴共振转速在线检测系统还包括：
传输模块，用于将G代码传输给数控系统。
可选的，本发明实施方式中，上述振动传感器是加速度传感器，或者是振动位移传感器。
可选的，第一行号振动对应模块302进一步包括：
振动分割子模块，用于对振动信号按时间刻度进行分段，与主轴转速G 代码行号相对应，得到基于指令域的振动信号。
位移计算子模块，用于对指令域的振动信号中每一段振动信号进行积分，得到振动位移数据。
特征值计算子模块，用于对振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值作为特征值。
行号特征值对应子模块，用于生成G代码行号和特征值的对应关系，作为G代码行号与振动信号的对应关系。
可选的，上述特征值是均方根值。
第一实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
上述实施方式的优点至少包含：能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速，从而为加工提供指导，也能为主轴系统固有频率的计算提供参考。并可以通过检测到的共振转速对数控系统的G代码进行优化，以优选转速替代共振转速，提高数控系统的加工质量。
本发明第四实施方式涉及一种主轴共振转速优化系统。图4是该主轴共振转速优化系统的结构示意图。该主轴共振转速优化系统包括：
第二转速控制模块401，用于控制数控系统执行检测G代码以使得数控系统的主轴以不同的转速空转。
第二行号振动对应模块402，用于在执行检测G代码的过程中，从设置在主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到G代码行号与振动信号的对应关系。
转速检测模块403，用于根据G代码行号与振动信号的对应关系得到对应最大和最小振动幅度的转速，其中，对应最大振动幅度的转速为待规避转速，对应最小振动幅度的转速为优选转速。
避振模块404，用于根据待规避转速和优选转速对数控系统进行转速优化。
可选地，避振模块404进一步包括：
转速调整子模块，用于将与所述规避转速相对应的G代码指令调整为与所述优选转速向对应的G代码指令；
检查子模块，用于对需要在所述数控系统中运行的G代码进行检查，如果检查到与所述规避转速相对应的G代码指令，则控制所述转速调整子模块将该G代码指令调整为与所述优选转速向对应的G代码指令。
第二实施方式是与本实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。
上述实施方式的优点至少包含：能够在确保时效性的同时能简便实用地检测出数控机床主轴的共振转速，从而为加工提供指导，也能为主轴系统固有频率的计算提供参考。并可以通过检测到的共振转速对数控系统的G代码进行优化，以优选转速替代共振转速，提高数控系统的加工质量。
本发明第五实施方式涉及一种主轴共振转速在线检测系统。该主轴共振转速在线检测系统包括存储器、处理器，和振动传感器。其中，存储器，用于存储计算机可执行指令。处理器，用于在执行计算机可执行指令时实现第一实施方式中的步骤。振动传感器，设置在数控系统的主轴上，用于实时获得振动信号。
本发明第六实施方式涉及一种主轴共振转速优化系统。该主轴共振转速优化系统包括存储器、处理器，和振动传感器。其中，存储器，用于存储计算机可执行指令。处理器，用于在执行计算机可执行指令时实现第二实施方式中的步骤。振动传感器，设置在数控系统的主轴上，用于实时获得振动信号。
本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(Programmable ArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-Only Memory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(Digital Versatile Disc，简称“DVD”)等等。
需要说明的是，本发明各设备实施方式中提到的各模块都是逻辑模块，在物理上，一个逻辑模块可以是一个物理模块，也可以是一个物理模块的一部分，还可以以多个物理模块的组合实现，这些逻辑模块本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑模块所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各设备实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的模块引入，这并不表明上述设备实施方式并不存在其它的模块。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本申请的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (30)

1.一种主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，包括：
控制数控系统执行检测G代码以使得所述数控系统的主轴以不同的转速空转；
在执行所述检测G代码的过程中，从设置在所述主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从所述数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到所述G代码行号与所述振动信号的对应关系；
根据所述G代码行号与所述振动信号的对应关系，计算主轴共振转速。
2.根据权利要求1所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述控制数控系统执行检测G代码以使得所述数控系统的主轴以不同的转速空转，进一步包括：
以所述检测G代码控制所述数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，每按其中一个转速空转时维持约定的时长。
3.根据权利要求2所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述检测G代码控制所述数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，进一步包括：
所述检测G代码控制所述数控系统的主轴从约定的转速下限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速上限。
4.根据权利要求2所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述检测G代码控制所述数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，进一步包括：
所述检测G代码控制所述数控系统的主轴从约定的转速上限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速下限。
5.根据权利要求1所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述“根据所述G代码行号与所述振动信号的对应关系，计算主轴共振转速”进一步包括：
根据所述G代码行号找到所述检测G代码中的指令；
分析所述指令以获得所对应的转速；
根据所述分析的结果建立转速和所述振动信号的对应关系；
根据所述转速和所述振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
6.根据权利要求1所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述“根据所述G代码行号与所述振动信号的对应关系，计算主轴共振转速”进一步包括：
获取G代码行号与转速的对应关系，其中，所述G代码行号与转速的对应关系由对所述G代码的分析得到；
根据所述G代码行号与所述振动信号的对应关系，和所述G代码行号与转速的对应关系，获得所述转速和所述振动信号的对应关系；
根据所述转速和所述振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
7.根据权利要求1所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，在所述控制数控系统执行检测G代码以使得所述数控系统的主轴以不同的转速空转之前，还包括：
将所述G代码传输给所述数控系统。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述振动传感器是加速度传感器。
9.根据权利要求8所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述得到G代码行号与振动信号的对应关系，进一步包括：
对所述振动信号按时间刻度进行分段，与主轴转速G代码行号相对应，得到基于指令域的振动信号；
对所述指令域的振动信号中每一段振动信号进行积分，得到振动位移数据；
对所述振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值作为特征值；
生成所述G代码行号和所述特征值的对应关系，作为所述G代码行号与振动信号的对应关系。
10.根据权利要求9所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述特征值是均方根值。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的主轴共振转速在线检测方法，其特征在于，所述振动传感器是振动位移传感器。
12.一种主轴共振转速优化方法，其特征在于，包括：
控制数控系统执行检测G代码以使得所述数控系统的主轴以不同的转速空转；
在执行所述检测G代码的过程中，从设置在所述主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从所述数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到所述G代码行号与所述振动信号的对应关系；
根据所述G代码行号与所述振动信号的对应关系得到对应最大和最小振动幅度的转速，其中，对应最大振动幅度的转速为待规避转速，对应最小振动幅度的转速为优选转速，
根据所述待规避转速和所述优选转速对所述数控系统进行转速优化。
13.根据权利要求12所述的主轴共振转速优化方法，其特征在于，所述根据所述待规避转速和所述优选转速对所述数控系统进行转速优化，包括：
对需要在所述数控系统中运行的G代码进行检查，如果检查到与所述规避转速相对应的G代码指令，则将该G代码指令调整为与所述优选转速向对应的G代码指令。
14.一种主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，包括：
第一转速控制模块，用于控制数控系统执行检测G代码以使得所述数控系统的主轴以不同的转速空转；
第一行号振动对应模块，用于在执行所述检测G代码的过程中，从设置在所述主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从所述数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到所述G代码行号与所述振动信号的对应关系；
共振转速计算模块，用于根据所述G代码行号与所述振动信号的对应关系，计算主轴共振转速。
15.根据权利要求14所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述第一转速控制模块以所述检测G代码控制所述数控系统的主轴先后按多个约定的转速空转，每按其中一个转速空转时维持约定的时长。
16.根据权利要求15所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述检测G代码控制所述数控系统的主轴从约定的转速下限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速上限。
17.根据权利要求15所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述检测G代码控制所述数控系统的主轴从约定的转速上限以约定的梯度值逐级变速，每一级持续约定的单梯度持续时间，直至转速达到转速下限。
18.根据权利要求14所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述共振转速计算模块进一步包括：
指令查找子模块，用于根据所述G代码行号找到所述检测G代码中的指令；
转速分析子模块，用于分析所述指令以获得所对应的转速；
第一转速振动对应子模块，用于根据所述分析的结果建立转速和所述振动信号的对应关系；
第一计算子模块，用于根据所述转速和所述振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
19.根据权利要求14所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述共振转速计算模块进一步包括：
行号转速对应子模块，用于获取G代码行号与转速的对应关系，其中，所述G代码行号与转速的对应关系由对所述G代码的分析得到；
第二转速振动对应子模块，用于根据所述G代码行号与所述振动信号的对应关系，和所述G代码行号与转速的对应关系，获得所述转速和所述振动信号的对应关系；
第二计算子模块，用于根据所述转速和所述振动信号的对应关系计算主轴共振转速。
20.根据权利要求14所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，还包括：
传输模块，用于将所述G代码传输给所述数控系统。
21.根据权利要求14所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述振动传感器是加速度传感器。
22.根据权利要求21所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述行号振动对应模块进一步包括：
振动分割子模块，用于对所述振动信号按时间刻度进行分段，与主轴转速G代码行号相对应，得到基于指令域的振动信号；
位移计算子模块，用于对所述指令域的振动信号中每一段振动信号进行积分，得到振动位移数据；
特征值计算子模块，用于对所述振动位移数据进行截断提取，计算截断提取后信号的有效值作为特征值；
行号特征值对应子模块，用于生成所述G代码行号和所述特征值的对应关系，作为所述G代码行号与振动信号的对应关系。
23.根据权利要求22所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述特征值是均方根值。
24.根据权利要求14所述的主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，所述振动传感器是振动位移传感器。
25.一种主轴共振转速优化系统，其特征在于，包括：
第二转速控制模块，用于控制数控系统执行检测G代码以使得所述数控系统的主轴以不同的转速空转；
第二行号振动对应模块，用于在执行所述检测G代码的过程中，从设置在所述主轴上的振动传感器实时获得振动信号，并同步地从所述数控系统获取当前正在执行的G代码行号，得到所述G代码行号与所述振动信号的对应关系；
转速检测模块，用于根据所述G代码行号与振动信号的对应关系得到对应最大和最小振动幅度的转速，其中，对应最大振动幅度的转速为待规避转速，对应最小振动幅度的转速为优选转速；
避振模块，用于根据所述待规避转速和所述优选转速对所述数控系统进行转速优化。
26.根据权利要求25所述的主轴共振转速优化系统，其特征在于，所述避振模块进一步包括：
转速调整子模块，用于将与所述规避转速相对应的G代码指令调整为与所述优选转速向对应的G代码指令；
检查子模块，用于对需要在所述数控系统中运行的G代码进行检查，如果检查到与所述规避转速相对应的G代码指令，则控制所述转速调整子模块将该G代码指令调整为与所述优选转速向对应的G代码指令。
27.一种主轴共振转速在线检测系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行所述计算机可执行指令时实现如权利要求1至10中任意一项所述的方法中的步骤；
振动传感器，设置在数控系统的主轴上，用于实时获得振动信号。
28.一种主轴共振转速优化系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机可执行指令；以及，
处理器，用于在执行所述计算机可执行指令时实现如权利要求11或12所述的方法中的步骤；
振动传感器，设置在数控系统的主轴上，用于实时获得振动信号。
29.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1至10中任意一项所述的方法中的步骤。
30.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现如权利要求11或12所述的方法中的步骤。
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