CN111993157A - 一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统及方法，监测系统包括电信号采集装置、控制板、数据传输模块、云服务器和内部服务器，电信号采集装置与控制板串口连接，控制板通过数据传输模块分别与云服务器、内部服务器信号连接；通过电信号采集装置采集机械加工设备的电信号数据，并将电信号数据分段、计算后，得到的每段电信号数据对应的机械加工设备的生产状态。通过将电信号分为开机、关机、各零件加工工序、待加工和异常状态，完成设备运行状态的监测。能够针对不同品牌、型号甚至老旧的离线机械加工设备进行工作状态监测。

Description

一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统及方法

技术领域

本发明是涉及制造业生产信息化管理技术领域，具体的说是一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统及方法。

背景技术

在实际的中心型机械加工企业中存在一些老旧的离线设备，或者设备类型、品牌不同，无法满足当代机械加工业数字化、信息化管理，实现机械加工设备网联。机械加工设备网联的通信协议种类复杂，类别繁多，因此很难通过一套系统适配所有类别的数控加工设备，例如广州数控、法兰克数控机床可以利用通信协议将数控机床内部的加工数据有效的抓取，通过有线或者无线的方式将生产加工数据有线的上传，实现数控加工在线网联、在线管理。利用数控系统内部的协议可以抓取到详细的数控加工信息，如加工时间、等待加工时间、加工个数、刀具信息、加工状态、故障信息等等。而利用电信号采集装置，通过电流、电压、功率的信号采集依靠后期的数据分析，来获取机械加工设备的实时状态。其中主要获取的信息有，开机、加工、停工、关机四种状态、开机时间、加工时间、加工个数信息。这些设备状态和信息正是中小型企业所关心和想获取的有价值生产信息，通过电信号的采集不依赖于数控系统，可以实现每台数控加工设备在线监测，为制造执行系统MES、生产计划任务安排，设备稼动率、员工设备管理提供了真实有效的现场数据。同时防止一线员工虚报产量、私自更改机械加工倍率造成设备磨损和零件加工质量下降。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统及方法，通过对机械加工设备单相电流、电压、功率的在线监测，根据加工工序的特性对采集到的电信号进行分段匹配，将电信号分为开机、关机、各零件加工工序、待加工和异常状态，完成设备运行状态的监测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：通过电信号采集装置采集机械加工设备的电信号数据，并将电信号数据分段、计算后，得到的每段电信号数据对应的机械加工设备的生产状态，机械加工设备生产过程中相邻两生产状态之间存在换刀工序；具体检测方法步骤如下：

步骤1，分别采集机械加工设备在开机、关机、各零件加工工序、待加工、换刀过程中的电信号数据，并分别将每个过程中的电信号数据段进行数模转换；

步骤2，对开机、关机、各零件加工工序、单位时间内待加工过程中的电信号数据进行提取和计算，得到每种工作过程中电信号的特征序列，形成标准特征序列库；

步骤3，在机械加工设备生产过程中通过电信号采集装置持续采集机械加工设备的电信号数据，并将采集到的电信号数据数模转换；

步骤4，换刀过程的时间为T，持续监测最近接收到的T时间段的电信号数据，并将该段电信号数据的第一特征序列与换刀过程的标准特征序列对比，若匹配成功，则在该时间点对电信号数据进行分段，得到一段X+换刀过程的电信号数据，所述的X为待判定工序；

步骤5，对待判定工序X的第一特征序列分别与开机、关机、各零件加工工序的标准特征序列进行对比，若能完成匹配，则确定待判定工序X对应的工作状态；

步骤6，若不能完成匹配，则将待判定工序X的电信号数据按照单位时间划分为Q段，顺次将Q段电信号数据的第二特征序列分别与单位时间内待加工过程的特征序列进行对比，将能够完成匹配的电信号段标识为待加工状态；将不能匹配的电信号段标识为异常状态；

步骤7，按照时间顺序输出机械加工设备生产状态，完成对机械加工设备生产状态的监测。

所述的第一特征序列由若干个特征值顺序排列组成，所述的特征值包括但不限于最大值、最小值、方差、平均值、持续时长。

所述的第二特征序列为方差和平均值中的一个或两个组成。

所述的各零件加工工序包括该机械加工设备计划生产的每种零件的全部工序。

根据中步骤7中按照时间顺序输出机械加工设备生产状态以及每个生产状态对应的特征序列，能够进一步得到该机械加工设备在生产状态监测过程中的工作数据，所述的工作数据包括但不限于开机时间、关机时间、设备运行时长、加工时长、零件种类和零部件加工个数、待加工状态时长、异常状态分布。

所述的电信号数据包括电流、电压、功率中的至少一种。

一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统，其特征在于：包括电信号采集装置、控制板、数据传输模块、云服务器和内部服务器，所述的电信号采集装置与控制板串口连接，所述的控制板通过数据传输模块分别与云服务器、内部服务器信号连接；

所述的电信号采集装置用于采集机械加工设备的电信号数据，电信号采集装置将采集到的电信号数据数模转换后发出；所述的控制板用于对采集到的电信号数据进行整合、计算，得到每一段电信号数据特征序列；将每一段电信号数据的特征序列与标准特征序列进行匹配，得到每一段电信号数据代表的生产状态信息，通过对每一段电信号对应的生产状态进行累加完整加工过程，形成零件个数、设备加工状态时长、待加工时长统计、设备信息、零件信息一同形成设备特征集；

所述的数据传输模块用于将设备特征集发送至云服务器和内部服务器内。

所述的控制板还包括存储单元和数据处理单元，所述的存储单元用于存储所述权利要求1中步骤1至步骤2得到的标准特征序列库；所述的数据处理单元内用于执行所述的权利要求1中骤3至步骤7；所述的存储单元和数据处理单元连接，所述的数据处理单元与数据传输模块连接。

所述的电信号采集装置与控制板通过RS485接口连接。

所述的数据传输模块通过无线信号连接或有线信号连接的方法分别与云服务器和内部服务器信号连接，所述的云服务器和内部服务器用于与查询终端信号连接。

本发明基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统及方法的有益效果是：能够根据零部件加工时换刀工序存在于任何相邻两工序之间的特性，通过对换刀电信号的监测实现对机械加工设备电信号的分段，进而实现对加工状态的判断和匹配。通过该种方法能够对不同品牌、型号甚至老旧的离线机械加工设备进行工作状态监测，只需要更改特征序列和特征值便可实现所有机械加工设备的监测。通过机械加工设备电信号自动采集，不局限于设备通信接口协议，实现设备状态、时长、零件个数监测和统计自动化。现场人员可以通过显示屏实时监测机械加工设备的运行状态、加工时长和零件个数。同时可以对设备加工状态和零件个数等数据进行反馈，修改特征值起到准确监测的目的。

附图说明

图1是本发明基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统的系统框图。

图2是本发明基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统的结构示意图。

图3是本发明基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法工作流程图。

图4为本发明基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法中单相采集功率过程曲线图。

图5为本发明基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法中某加工零件的工序流程图。

图6为本发明基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法中某加工零件一个完整加工过程的曲线图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统，其特征在于：包括电信号采集装置、控制板、数据传输模块、云服务器和内部服务器，所述的电信号采集装置与控制板串口连接，所述的控制板通过数据传输模块分别与云服务器、内部服务器信号连接；

所述的电信号采集装置用于采集机械加工设备的电信号数据，电信号采集装置将采集到的电信号数据数模转换后发出；所述的控制板用于对采集到的电信号数据进行整合、计算，得到每一段电信号数据特征序列；将每一段电信号数据的特征序列与标准特征序列进行匹配，得到每一段电信号数据代表的生产状态信息，通过对每一段电信号对应的生产状态进行累加完整加工过程，形成零件个数、设备加工状态时长、待加工时长统计、设备信息、零件信息一同形成设备特征集；所述的数据传输模块用于将设备特征集发送至云服务器和内部服务器内。控制板还包括存储单元和数据处理单元，所述的存储单元和数据处理单元连接，所述的数据处理单元与数据传输模块连接。

利用上述的机械加工设备生产状态监测系统实现基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：通过电信号采集装置采集机械加工设备的电信号数据，并将电信号数据分段、计算后，得到的每段电信号数据对应的机械加工设备的生产状态，机械加工设备生产过程中相邻两生产状态之间存在换刀工序；具体检测方法步骤如下：

步骤1，分别采集机械加工设备在开机、关机、各零件加工工序、待加工、换刀过程中的电信号数据，并分别将每个过程中的电信号数据段进行数模转换；

步骤2，对开机、关机、各零件加工工序、单位时间内待加工过程中的电信号数据进行提取和计算，得到每种工作过程中电信号的特征序列，形成标准特征序列库；

步骤3，在机械加工设备生产过程中通过电信号采集装置持续采集机械加工设备的电信号数据，并将采集到的电信号数据数模转换；

步骤4，换刀过程的时间为T，持续监测最近接收到的T时间段的电信号数据，并将该段电信号数据的第一特征序列与换刀过程的标准特征序列对比，若匹配成功，则在该时间点对电信号数据进行分段，得到一段X+换刀过程的电信号数据，所述的X为待判定工序；

步骤5，对待判定工序X的第一特征序列分别与开机、关机、各零件加工工序的标准特征序列进行对比，若能完成匹配，则确定待判定工序X对应的工作状态；

步骤6，若不能完成匹配，则将待判定工序X的电信号数据按照单位时间划分为Q段，顺次将Q段电信号数据的第二特征序列分别与单位时间内待加工过程的特征序列进行对比，将能够完成匹配的电信号段标识为待加工状态；将不能匹配的电信号段标识为异常状态；

步骤7，按照时间顺序输出机械加工设备生产状态，完成对机械加工设备生产状态的监测。

本实施例中，电信号数据包括电流、电压、功率中的至少一种。

本实施例中，第一特征序列由若干个特征值顺序排列组成，所述的特征值包括但不限于最大值、最小值、方差、平均值、持续时长。第二特征序列为方差和平均值中的一个或两个组成。

进一步的，机械加工设备在开机、关机、零件在加工状态时，电信号值波动比待加工状态高，可以用多个特征值来定义特征序列，实现匹配的精准度，而待加工状态电信号值波动较小，且有电信号值持续较低的特征，因此，一般只采用方差或者平局值作为特征序列即可，由于待加工状态持续时间不确定，因此通过对单位时间内电信号进行逐一匹配，即可得到待加工状态持续时间，也能够实现对待加工状态的精准匹配。进一步的，在监测的匹配过程中，特征序列内每个特征值均在标准特征值上下浮动5%内为匹配成功。

本实施例中，各零件加工工序包括该机械加工设备计划生产的每种零件的全部工序。

根据中步骤7中按照时间顺序输出机械加工设备生产状态以及每个生产状态对应的特征序列，能够进一步得到该机械加工设备在生产状态监测过程中的工作数据，所述的工作数据包括但不限于开机时间、关机时间、设备运行时长、加工时长、零件种类和零部件加工个数、待加工状态时长、异常状态分布。

进一步的，控制板的显示屏能够显示加工信息，开机时间、关机时间、设备运行时长、加工时长、零件个数，同时将累加的加工信息，设备开机时长、加工时长、零件个数信息形成设备特征集，通过控制板的数据传输模块定时上传至企业内部服务和云服务器。所述的企业内部服务和云服务器保存着设备型号名称、加工零件名称、设备从开机到关机的时长、加工时长、待加工时长和零件加工个数等数据，通过监测终端能够调取数据进行查询，企业内部服务器和云服务器与数据传输模可通过有线或无线的方式连接，所述的监测终端与服务器也通过有线或无线的方式连接，所述的有线连接采用网线等信号线连接，所述的无线连接方式采用4G、wifi无线传输等方式实现连接。监测终端可以让管理人员查看现场设备加工情况，如当前开机设备数量、型号，加工零件种类和数量、设备能耗、稼动率等设备管理信息，为订单管理和生产任务安排提供数据支持。能够更加高效的订单管理，提高信息化、数字化生产水平和生产效率。

以南京肯迈得数控机床SDM8060A加工锭子轴的工况为例，加工锭子轴的六个工序顺次为小孔平端面、大孔平端面、小孔车内孔、大孔车内孔、小孔倒圆角和大孔倒圆角，如图5所示，通过单相功率采集装置采集电信号，在采集标准特征序列库时可通过在人工暂停的方式实现对特定工序的标准电信号采集，如图4所示。

在加工过程中采集到的电信号如图6所示，每段电信号的尾部均为换刀状态，选取特征集中的时长、方差、最大值、最小值作为特征值，可以顺次匹配得到加工过程。依次为工锭子轴的小孔平端面、工锭子轴的大孔平端面、工锭子轴的小孔车内孔、工锭子轴的大孔车内孔、工锭子轴的小孔倒圆角和工锭子轴的大孔倒圆角。由于小孔车内孔和大孔车内孔同步采用同一组刀具，因此上述两步按照同一工序进行标准特征序列提取和匹配，相邻两个锭子轴之间为待加工状态。对该数控机床工作状态的持续监测能够得到该数控机床完整的工作状态信息。

监测完整的设备状态信息，在现场监测客户端中实时显示，同时定时通过控制板的数据传输模块发送至服务器。管理人员在管理客户端中查看设备当前运行的状态和零件加工数量等管理信息。至此电信号机械加工设备生产状态监测完成。

通过电信号采集装置、监测客户端、管理客户端，实现对机械加工设备状态监测，将现场的机械加工设备上传的开机时长、加工时长、待加工时长、加工零件个数、设备运行状态，设备稼动率、设备能耗的管理信息。可以管理人员查看现场设备生产情况，为订单管理和生产任务安排提供数据支持。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：通过电信号采集装置采集机械加工设备的电信号数据，并将电信号数据分段、计算后，得到的每段电信号数据对应的机械加工设备的生产状态，机械加工设备生产过程中相邻两生产状态之间存在换刀工序；具体检测方法步骤如下：

步骤1，分别采集机械加工设备在开机、关机、各零件加工工序、待加工、换刀过程中的电信号数据，并分别将每个过程中的电信号数据段进行数模转换；

步骤2，对开机、关机、各零件加工工序、单位时间内待加工过程中的电信号数据进行提取和计算，得到每种工作过程中电信号的特征序列，形成标准特征序列库；

步骤3，在机械加工设备生产过程中通过电信号采集装置持续采集机械加工设备的电信号数据，并将采集到的电信号数据数模转换；

步骤4，换刀过程的时间为T，持续监测最近接收到的T时间段的电信号数据，并将该段电信号数据的第一特征序列与换刀过程的标准特征序列对比，若匹配成功，则在该时间点对电信号数据进行分段，得到一段X+换刀过程的电信号数据，所述的X为待判定工序；

步骤5，对待判定工序X的第一特征序列分别与开机、关机、各零件加工工序的标准特征序列进行对比，若能完成匹配，则确定待判定工序X对应的工作状态；

步骤6，若不能完成匹配，则将待判定工序X的电信号数据按照单位时间划分为Q段，顺次将Q段电信号数据的第二特征序列分别与单位时间内待加工过程的特征序列进行对比，将能够完成匹配的电信号段标识为待加工状态；将不能匹配的电信号段标识为异常状态；

步骤7，按照时间顺序输出机械加工设备生产状态，完成对机械加工设备生产状态的监测。

2.如权利要求1所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：所述的第一特征序列由若干个特征值顺序排列组成，所述的特征值包括但不限于最大值、最小值、方差、平均值、持续时长。

3.如权利要求2所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：所述的第二特征序列为方差和平均值中的一个或两个组成。

4.如权利要求1所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：所述的各零件加工工序包括该机械加工设备计划生产的每种零件的全部工序。

5.如权利要求1所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：根据步骤7中按照时间顺序输出机械加工设备生产状态以及每个生产状态对应的特征序列，能够进一步得到该机械加工设备在生产状态监测过程中的工作数据，所述的工作数据包括但不限于开机时间、关机时间、设备运行时长、加工时长、零件种类和零部件加工个数、待加工状态时长、异常状态分布。

6.如权利要求1所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测方法，其特征在于：所述的电信号数据包括电流、电压、功率中的至少一种。

7.一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统，其特征在于：包括电信号采集装置、控制板、数据传输模块、云服务器和内部服务器，所述的电信号采集装置与控制板串口连接，所述的控制板通过数据传输模块分别与云服务器、内部服务器信号连接；

所述的电信号采集装置用于采集机械加工设备的电信号数据，电信号采集装置将采集到的电信号数据数模转换后发出；所述的控制板用于对采集到的电信号数据进行整合、计算，得到每一段电信号数据特征序列；将每一段电信号数据的特征序列与标准特征序列进行匹配，得到每一段电信号数据代表的生产状态信息，通过对每一段电信号对应的生产状态进行累加完整加工过程，形成零件个数、设备加工状态时长、待加工时长统计、设备信息、零件信息一同形成设备特征集；

所述的数据传输模块用于将设备特征集发送至云服务器和内部服务器内。

8.如权利要求7所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统，其特征在于：所述的控制板还包括存储单元和数据处理单元，所述的存储单元用于存储所述权利要求1中步骤1至步骤2得到的标准特征序列库；所述的数据处理单元内用于执行所述的权利要求1中骤3至步骤7；所述的存储单元和数据处理单元连接，所述的数据处理单元与数据传输模块连接。

9.如权利要求7所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统，其特征在于：所述的电信号采集装置与控制板通过RS485接口连接。

10.如权利要求7所述的一种基于电信号的机械加工设备生产状态监测系统，其特征在于：所述的数据传输模块通过无线信号连接或有线信号连接的方法分别与云服务器和内部服务器信号连接，所述的云服务器和内部服务器用于与查询终端信号连接。

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