CN110737243B - 一种基于nc代码触发的机床多源数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统及方法，采集系统包括数控系统数据采集模块、外加传感器数据采集模块和工控机，其中工控机上安装有NC代码监听模块和时间配准模块；采集方法包括设置采集标志码、触发采集判定、多源数据采集、数据时间配准等步骤；当机床运行到采集标志码所在的目标加工程序时，采集系统能够自动触发机床数控和外加传感器数据的采集，并对多源传感器数据进行时间配准和存储。本发明解决了数控系统与外加传感器数据由于孤立采集，难以保障多源数据时间同步的难题。

Description

一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统及方法

技术领域

本发明属于工业自动化和测试领域，特别是一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统及方法。

背景技术

随着数控机床在高精度化、智能化方向的发展，仅依靠机床本身数控系统所携带的数据已不能满足机床故障诊断、健康预警以及能耗分析等智能化技术研究的数据需求。因此，现阶段大部分研究都是通过在机床上外加传感器的方式来扩展、丰富数控机床的运行数据。将机床运行过程中，数控系统和机床外加传感器产生的机床状态数据统称为多源数据，针对这种多源数据的采集，目前普遍的做法是等机床启动运行后，机床数控系统和外加传感器的数据采集独立进行，其中传感器的数据采集还需人为的触发数采系统进行外加传感器数据的采集，由此导致了机床多源数据采集效率低、采集的传感器数据与机床数控系统数据时间匹配度差、传感器数据难以与机床状态相匹配等问题。

中国专利公开号CN104298173A公开了一种面向网络实时监控的数控机床加工过程参数采集方法，该采集方法能获取多台机床数控系统的运行数据，并通过记录NC程序实现工艺参数的记录，但该采集过程未能实现机床数控系统数据的自动采集，而且没有考虑外加传感器数据的采集。中国专利公开号CN10256603A公开了一种数控机床远程监控与故障诊断系统，该系统利用传感器采集机床的状态信息数据，但该采集系统未能采集机床数控系统数据，而且不能将采集的传感器数据同机床运行状态相对应。中国专利公开号CN106647628A公开了一种数控加工过程中G代码执行状态数据的实时采集方法。该方法能够同时采集机床内、外部传感器信息，但该方法需要在数控系统和采集终端上添加专用的蓝牙模块，采集装置复杂，且受监测代码类型的限制，不能准确的与机床运行状态进行匹配。同时，以上专利均未对采集的多传感器数据进行时间同步配准处理。

综上所述，目前的采集装置不能在匹配机床实际加工状况的基础上实现机床状态数据的自动采集，而且数控系统和外加传感器的数据采集相互孤立，不便于后期数据的处理和分析，限制了大数据和多传感器融合技术在机床行业的应用和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统及方法，实现针对特定加工程序的机床多源数据的自动触发采集，并将数控系统数据和外加传感器数据进行时间配准和保存。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统，包括数控系统数据采集模块、外加传感器数据采集模块和工控机，所述工控机上安装有NC代码监听模块和时间配准模块：

所述数控系统数据采集模块用于采集数控机床的数控系统数据；所述外加传感器数据采集模块用于机床外加传感器数据采集；

所述NC代码监听模块用于监测数控系统当前运行的NC代码，并将获取当前运行代码与预先设置的采集标志代码比对，并通过采集变量触发数据的采集；

所述时间配准模块用于将采集的不同传感器和不同采样周期的测量数据进行时间配准，得到融合值，使数据统一到相同的时间参考点上。

一种基于NC代码触发的机床多源数据采集方法，包括以下步骤：

步骤1、设置采集标志码：在机床加工的过程中，针对需要监测的数控机床加工程序段，在NC程序段的开始处设置开始采集标志代码，在NC程序段的结束处设置结束采集标志代码；

步骤2、采集变量值判定：通过NC代码监听模块，获取当前运行代码并与预先设置的采集标志代码比对：根据二者是否一致，分别将采集变量设置为True或者False，当采集变量值为True时触发采集，当采集变量值为False中止采集；

步骤3、多源数据采集：当采集变量被触发后，触发数控系统数据采集模块和外加传感器数据采集模块，分别采集数控系统内部数据和外加传感器数据的采集，并为采集的数据打上时间戳标记；

步骤4、数据时间配准：通过时间配准模块，将多个测量值融合成一个虚拟的融合值，作为某时刻传感器的测量值，再与其他传感器的测量值进行融合，完成时间配准。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明设计了特定NC代码自动触发的采集方式，节省了人力资源，可以实现针对特定加工过程数据的自动化采集和长期监测；同时，该方法不会在机床运行无关程序时触发采集，保证了数据采集的准确性及可靠性。

(2)本发明设计了全局的采集变量，实现了数控系统数据和外加传感器数据采集的同步触发，解决了目前两系统数据孤立采集的问题；通过共用工控机的时间戳，保证了二者之间数据的同步性和关联性，方便以后对采集数据进行分析研究。

(3)本专利可同步数控系统内置传感器和机床外加传感器数据，为解决由于测量周期不同导致的数据异步问题，引入最小二乘法进行了时间配准，使得测量数据可以反映目标同一时刻的运动状态，有利于后续多传感器数据的融合。

附图说明

图1为基于NC代码触发的机床多源数据采集系统结构图。

图2为基于NC代码触发的机床多源数据采集方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

依据获取方式，机床运行分为两大类：一类是通过监测数控系统获取的机床润滑和冷却状态数据、直线轴位移和速度数据、电机的电流和温度数据、旋转轴角位移和转速数据等数控系统数据；另一类是振动、功率、力、电压以及声发射等外加传感器数据，本专利中将以上两者数据统称为多源数据。

本发明的一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统及方法，包括数控系统数据采集模块、外加传感器数据采集模块和工控机，所述工控机上安装有NC代码监听模块和时间配准模块；

所述数控系统数据采集模块包括机床内置的压力传感器7、直线光栅尺8、电流传感器9、温度传感器10、脉冲编码器11等传感器的一种或者多种组合；所述压力传感器7用于数控机床上润滑状态、冷却状态数据采集；所述直线光栅尺8用于机床X、Y、Z直线轴位移和速度数据的采集；所述电流传感器9用于主轴或进给轴电机的电流数据采集，读取的数据值一般为机床主轴或者进给轴的实际电流占额定电流的百分比；所述温度温度传感器10用于主轴或者进给轴电机温度数据的采集；所述脉冲编码器11用机床旋转轴角位移和转速数据的采集。

所述外加传感器数据采集模块包括数据采集装置14以及机床外加的加速度传感器1、功率传感器2、力传感器3、电压传感器4以及声发射传感器5的一种或者多种组合；所述数据采集装置14用于控制机床外加传感器信号的采集；所述加速度传感器1用于测量机床加工过程中的振动信号数据；所述功率传感器2和电压传感器4分别用于测量机床加工过程中功率与电压数据；所述力传感器3用于测量机床加工过程中切削力数据；所述声发射传感器5用于测量机床加工时的声发射信号数据。

所述NC代码监听模块包括采集标志设置单元、采集判定单元、采集触发单元。所述采集标志设置单元用于设置采集标志码，针对需要监测的数控机床加工程序段，在NC程序段的开始处设置开始采集标志代码，如“N8888”，在NC程序段的结束处设置结束采集标志代码，如“N9999”。所述采集判定单元用于获取当前代码，并将获取当前运行代码与预先设置的采集标志代码比对：根据二者是否一致，分别将采集变量设置为True或者False。所述采集触发单元用于触发数据采集：数控系统数据采集模块和外加传感器数据采集模块监测采集变量值，当采集变量值为True时触发采集，当采集变量值为False中止采集。

所述时间配准模块包括数据输入单元和配准计算单元，用于将不同传感器和不同采样周期的数据进行时间配准。时间配准的数据指的数控系统数据和外加传感器数据组成的多源数据，可以将不同类型传感器和不同采样周期的数据进行时间配准。

所述数据输入单元用于传感器测量值的输入：以n·T₁(或m·T₂)为一个数据配准的周期，将一个数据配准周期内的不同传感器(以两个传感器为例)的测量值输入到测量值向量z⁽¹⁾和z⁽²⁾中：

其中

表示传感器S₁的第i个测量值(1≤i≤n)，

表示传感器S₂的第j个测量值(1≤j≤m)；T₁和T₂分别是两个传感器的采样周期，m和n是互质的正整数，且满足比例关系：T₁：T₂＝m：n。

所述配准计算单元用于时间配准后数据值的计算：针对数据输入单元的测量值数据进行最小二乘估计,则得到估计值为：

其中

是传感器S₁最小二乘时间融合后测量值的估计值，

是传感器S₂最小二乘时间融合后测量值的估计值；其中c₁＝-2/n，c₂＝6/n(n+1)，d₁＝-2/m，d₂＝6/m(m+1)。

时间配准后，传感器的值即在同一时间参考点上，最后将数据以统一的文件格式保存，供后续的数据分析。

基于上述的采集系统，本发明提出的一种基于NC代码触发的数控机床多源数据同步采集方法，具体实施步骤如下：

步骤1、设置采集标志码：设置采集标志码在机床加工的过程中，针对需要监测的数控机床加工程序段，在NC程序段的开始处设置开始采集标志代码，在NC程序段的结束处设置结束采集标志代码；获取当前代码；

步骤1.1、设置采集标志码在机床加工的过程中，针对需要监测的数控机床加工程序段，在NC程序段的开始处设置开始采集标志代码，如“N8888”，在NC程序段的结束处设置结束采集标志代码，如“N9999”。

步骤1.2、与数控系统通讯：将工控机和数控系统通过网线、路由器、网线连接起来，将工控机和数控系统IP地址设置为同一网段的IP，如工控机IP设置为“192.168.1.1”，数控系统IP设置为“192.168.1.2”.在工控机上，运行编写的Socket客户端程序，与数控系统内的Socket服务器端程序建立连接，实现通讯协议实现与机床数控系统的通讯，监听数控机床NC代码。

步骤1.3、获取当前代码：工控机向数控系统服务器端发送获取当前运行代码的请求

“<blocks><auto>yes</auto><time>100</time><req>yes</req>_servo</blocks>\n”，数控系统服务器端收到请求后反馈带有NC代码的XML数据，将XML数据中的NC代码提取出来“N460X160 Y19 Z46 A39 B-32F1000”。

步骤2、采集变量值判定：将获取当前运行代码与预先设置的采集标志代码比对：根据二者是否一致，分别将采集变量设置为True或者False，当采集变量值为True时触发采集，当采集变量值为False中止采集；

步骤2.1、设置采集变量：设置一个布尔类型的采集变量，该变量为数控系统数据采集模块和外加传感器数据采集模块读取的全局变量，将采集变量初始值值设置为False。

步骤2.2、判定采集变量：将获取当前运行代码“N460X160 Y19 Z46 A39B-32F1000”，并与预先设置的采集标志代码比对：如果与开始采集标志代码一致，将采集变量设置为True，否则采集变量值不变，如果与结束采集标志代码一致，将采集变量设置为False，否则采集变量值不变。

步骤2.3、触发采集：数控系统数据采集模块和外加传感器数据采集模块监测采集变量值，当采集变量值为True时触发采集，当采集变量值为False中止采集。

步骤3、多源数据采集：当采集变量被触发后，触发数控系统数据采集模块和外加传感器数据采集模块，分别采集数控系统内部数据和外加传感器数据的采集，并为采集的数据打上时间戳标记。

步骤3.1、通讯连接准备：工控机通过Socket通讯协议实现与数控系统数据采集模块的通讯，准备读取数控系统内部数据，如：主轴及进给轴的转速、电流负载率、电机温度等；工控机通过串口通讯协议、TCP协议通讯协议实现与外加传感器数据采集模块通讯连接，准备通过数采系统读取外加传感器的数据，如：振动、功率、力等。

步骤3.2、设置时间戳：实时获取工控机的时间，并准备为采集的多源数据打上时间戳标记。

步骤3.3、数据采集：当采集被触发后，数控系统数据采集模块读取数控系统内部数据，如：机床润滑和冷却状态数据、直线轴位移和速度数据、电机的电流和温度数据、旋转轴角位移和转速数据等，并将其打上时间戳后传递到工控机上；外加传感器数据采集模块读取外加传感器的数据，如：振动、功率、力、声发射等，并将其打上时间戳后同样传递到工控机上。

步骤4、数据时间配准：采用最小二乘法将多个测量值融合成一个虚拟的测量值，作为某时刻传感器的测量值，再与其他传感器的测量值进行融合，完成时间配准。

步骤4.1、测量值输入：以n·T₁(或m·T₂)为一个数据配准的周期，将一个数据配准周期内的不同传感器(以两个传感器为例)的测量值输入到测量值向量z(1)和z(2)中：

其中

表示传感器S₁的第i个测量值(1≤i≤n)，

表示传感器S₂的第j个测量值(1≤j≤m)；T₁和T₂分别是两个传感器的采样周期，m和n是互质的正整数，且满足比例关系：T₁：T₂＝m：n。

步骤4.2、配准计算：针对测量值数据进行最小二乘估计,则得到时间配准的融合值为：

其中c₁＝-2/n，c₂＝6/n(n+1)，d₁＝-2/m，d₂＝6/m(m+1)。其中

是传感器S₁最小二乘时间融合后测量值的融合值；式中

是传感器S₂最小二乘时间融合后测量值的融合值。

时间配准后，传感器的值即在同一时间参考点上，最后将数据以统一的文件格式保存，供后续的数据分析。

本发明提出了一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统及方法，当机床运行目标加工程序时，采集系统能够自动进行机床数控和机床外加传感器数据的采集，并对多源传感器数据进行时间配准和存储。本发明解决了数控系统与外加传感器数据由于孤立采集，难以保障多源数据时间同步的难题,可以促进大数据和多传感器融合技术在机床行业的应用和发展。

Claims (6)

1.一种基于NC代码触发的机床多源数据采集系统，其特征在于，包括数控系统数据采集模块、外加传感器数据采集模块和工控机，所述工控机上安装有NC代码监听模块和时间配准模块：

所述数控系统数据采集模块用于采集数控机床的数控系统数据；

所述外加传感器数据采集模块用于机床外加传感器数据采集；

所述NC代码监听模块采用Socket通讯协议监测数控系统当前运行的NC代码，并将获取当前运行代码与预先设置的采集标志代码比对，一致时并通过采集变量触发数据的采集；所述NC代码监听模块包括采集标志设置单元、采集判定单元、采集触发单元；

所述采集标志设置单元用于设置采集标志码，针对需要监测的数控机床加工程序段，在NC程序段的开始处设置开始采集标志代码，在NC程序段的结束处设置结束采集标志代码；

所述采集判定单元用于获取当前代码，并将获取当前运行代码与预先设置的采集标志代码比对：根据二者是否一致，分别将采集变量设置为True或者False；

所述采集触发单元用于触发数据采集：数控系统数据采集模块和外加传感器数据采集模块监测采集变量值，当采集变量值为True时触发采集，当采集变量值为False中止采集；

所述时间配准模块用于将采集的不同传感器和不同采样周期的测量数据进行时间配准，得到融合值，使数据统一到相同的时间参考点上；所述时间配准模块包括数据输入单元和配准计算单元；所述数据输入单元用于不同传感器在不同采样周期测量值的输入，所述配准计算单元用于时间配准后的数据计算。

2.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述数控系统数据采集模块包括机床内置的压力传感器(7)、直线光栅尺(8)、电流传感器(9)、温度传感器(10)、脉冲编码器(11)传感器的一种或者多种组合；所述压力传感器(7)用于数控机床上润滑状态、冷却状态数据采集；所述直线光栅尺(8)用于机床直线轴位移和速度数据的采集；所述电流传感器(9)用于主轴或进给轴电机的电流数据采集；所述温度传感器(10)用于主轴或者进给轴电机温度数据的采集；所述脉冲编码器(11)用机床旋转轴角位移和转速数据的采集。

3.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述外加传感器数据采集模块包括数据采集装置(14)以及机床外加的加速度传感器(1)、功率传感器(2)、力传感器(3)、电压传感器(4)以及声发射传感器(5)的一种或者多种组合；所述数据采集装置(14)用于控制机床外加传感器信号的采集；所述加速度传感器(1)用于测量机床加工过程中的振动信号数据；所述功率传感器(2)和电压传感器(4)分别用于测量机床加工过程中功率与电压数据；所述力传感器(3)用于测量机床加工过程中切削力数据；所述声发射传感器(5)用于测量机床加工时的声发射信号数据。

4.根据权利要求1所述的采集系统，其特征在于，所述数据输入单元用于传感器测量值的输入过程为：以n·T₁或m·T₂为一个数据配准的周期，将一个数据配准周期内的不同传感器的测量值输入到测量值向量z⁽¹⁾和z⁽²⁾中：

其中

表示传感器S₁的第i个测量值，1≤i≤n，

表示传感器S₂的第j个测量值，1≤j≤m；T₁和T₂分别是两个传感器的采样周期，m和n是互质的正整数，且满足比例关系：T₁∶T₂＝m∶n；

所述配准计算单元用于时间配准后数据值的计算过程为：针对数据输入单元的测量值数据进行最小二乘估计，则得到估计值为：

其中

是传感器S₁最小二乘时间融合后测量值的估计值，

是传感器S₂最小二乘时间融合后测量值的估计值；其中c₁＝-2/n，c₂＝6/n(n+1)，d₁＝-2/m，d₂＝6/m(m+1)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的采集系统的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设置采集标志码：在机床加工的过程中，针对需要监测的数控机床加工程序段，在NC程序段的开始处设置开始采集标志代码，在NC程序段的结束处设置结束采集标志代码；

步骤2、采集变量值判定：通过NC代码监听模块，获取当前运行代码并与预先设置的采集标志代码比对：根据二者是否一致，分别将采集变量设置为True或者False，当采集变量值为True时触发采集，当采集变量值为False中止采集；

步骤3、多源数据采集：当采集变量被触发后，触发数控系统数据采集模块和外加传感器数据采集模块，分别采集数控系统内部数据和外加传感器数据的采集，并为采集的数据打上时间戳标记；

步骤4、数据时间配准：通过时间配准模块，将多个测量值融合成一个虚拟的融合值，作为某时刻传感器的测量值，再与其他传感器的测量值进行融合，完成时间配准。

6.根据权利要求5所述的采集方法，其特征在于，步骤4数据时间配准，具体包括以下步骤：

步骤4.1、测量值输入：以n·T₁或m·T₂为一个数据配准的周期，将一个数据配准周期内的不同传感器的测量值输入到测量值向量z⁽¹⁾和z⁽²⁾中：

其中

表示传感器S₁的第i个测量值，1≤i≤n，

表示传感器S₂的第j个测量值，1≤j≤m；T₁和T₂分别是两个传感器的采样周期，m和n是互质的正整数，且满足比例关系：T₁∶T₂＝m∶n；

步骤4.2、配准计算：针对测量值数据进行最小二乘估计，则得到时间配准的融合值为：

其中

是传感器S₁最小二乘时间融合后测量值的估计值，

是传感器S₂最小二乘时间融合后测量值的估计值；其中c₁＝-2/n，c₂＝6/n(n+1)，d₁＝-2/m，d₂＝6/m(m+1)。

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