CN113050541B - 一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统，属于数控机床技术领域。功率采集模块输入端同时连接机床总线路和主轴电机线路，其输出端连接信号转换模块输入端，信号转换模块输出端连接上位机，光电型转速传感器设置在主轴处且输出端连接频率计数模块输入端，频率计数模块输出端连接信号转换模块输入端，开关量采集模块的输入端同时连接数控系统PLC和冷却泵、润滑泵继电器，且其输出端连接信号转换模块的输入端，信号转换模块将以上数据进行信号转换，并传输至上位机，上位机将接受到的数据进行综合判断而获得机床运行状态，并进行显示。本发明能更精确的监测机床的功率。

Description

一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，更具体地，涉及一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统。

背景技术

节能减排是我国重要的发展战略，而机床的能耗和运行状态的透明化，能帮助提高机床的加工效率，为机床的能量消耗评估和节能控制打下基础，我国机床保有量世界第一，其中有大量低端机床不具有网络接口和传输网卡，无法实时监测机床的能耗和运行状态，这是车间实现节能减排的阻碍之一。

目前，国内外在机床能耗和机床加工状态的识别方面已经有一些研究，例如实用新型专利“数控机床实时能耗监测系统”(专利号：ZL201120320637)公开了一种数控机床实时监测系统，通过互感器感应回路中的电流，从而计算出各个回路的电功率，供生产人员查看，但只能查看机床总功率的数据。发明专利“一种数控机床切削工步全过程中关键时刻的判断方法”(公开号为：CN106154977B)根据机床数控系统的数控加工代码和主轴电机功率的变化来判断机床每个状态的关键时刻，但是这要求机床能够实时传输出所执行的代码，数控系统的保护机制使得代码很难实时导出，甚至部分旧式机床并不具有数据导出功能。“一种数控机床能效在线监测方法”(公开号为CN109725599A)则是在机床主电动机处和总电源处安装功率传感器，实时采集功率信息，再根据功率平衡方程和附加载荷损耗特性分离出切削功率。“机床多源能耗系统多信息在线检测系统”(公开号为CN104808554A)通过在机床各个耗能上安装功率传感器，全面检测机床的能耗动态信息，这样需要的功率传感器非常多，成本很高。

综上所述，现有技术大多是在机床耗能部件供电处安装功率传感器，通过主轴电机或者机床的输入功率来间接识别机床的状态，但是，如果机床的状态改变了而功率变化小，那么就会识别不出来新的状态。还有部分旧式机床仍然没有数据交互功能，无法直接获得机床的运行代码。

因此，需要开发一种更加精确、更加可靠的系统，数控机床能耗与加工状态在线监测系统。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提出一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统，通过建立此数控机床能耗与加工状态在线监测系统，能更好的监测机床的功率，并识别到加工过程机床处于何种加工状态，为机加工的节能降耗提供支持。

为实现上述目的，本发明提供了一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统，其包括功率采集模块，光电型转速传感器、频率计数模块、信号转换模块、开关量采集模块和上位机，其中，

功率采集模块输入端同时连接机床总线路和主轴电机线路，以能采集获得机床总功率数据和主轴电机功率数据，功率采集模块输出端连接信号转换模块输入端，信号转换模块输出端连接上位机，

光电型转速传感器设置在主轴处，以能采集获得主轴的转速，光电型传感器的输出端连接频率计数模块，以能在光电型转速传感器采集到主轴转速信息时给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，从而获得机床的主轴转速，频率计数模块连接信号转换模块输入端，

开关量采集模块的输入端同时连接数控系统PLC和冷却泵、润滑泵继电器，以能采集获得数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵、润滑泵继电器开闭信号，开关量采集模块的输出端连接信号转换模块的输入端，

信号转换模块将接受到的机床总功率数据、主轴电机功率数据、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号、冷却泵、润滑泵继电器开闭信号进行信号转换，并传输至上位机，上位机用于将接受到的机床总功率数据、主轴电机功率数据、数控系统PLC发出的开关量信号以及主轴转速进行综合判断，进而获得机床运行状态，并进行显示。

进一步的，所述上位机设置有系统参数配置模块，所述系统参数配置模块用于对被监测机床的型号、加工任务信息、机床恒定功率组件的功率数据和通信参数进行配置管理。

进一步的，机床恒定功率组件的功率数据包括风机、冷却泵、润滑泵、照明灯和数控面板的功率数据，其中，只要数控机床开机，风机和数控面板一定为启动状态，风机、冷却泵、润滑泵、照明灯和数控面板只要开启，功率即为定值，能通过功率采集模块分别一次性获得。

进一步的，所述通信参数包括功率采集模块、开关量采集模块、频率计数模块各自与上位机之间的通信参数，还包括机床数控系统PLC发出的开关量信号的定义，开关量信号的定义能从配套的数控系统说明书中获得。

进一步的，所述上位机上还设置有数据处理与显示模块，数据处理与显示模块连接系统参数配置模块，数据处理与显示模块在收到机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵和润滑泵的继电器开闭信号后，在系统参数的约束下，综合判别机床的加工状态，所述数控系统PLC发出的开关量信号包括给主轴电机变频器和进给系统伺服控制器的进给速度信号，机床加工状态包括待机、快速进给、空走、切削四种主要加工状态，还包括冷却泵、润滑泵继电器的开闭状态。

进一步的，数据处理与显示模块显示的内容包括机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、机床加工状态、机床的型号和加工任务信息，其中，机床的型号和加工任务信息通过外界手动输入。

进一步的，所述上位机上还设置有数据导出模块，数据导出模块连接数据处理与显示模块，数据导出模块用于从数据处理与显示模块获得机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、机床加工状态、机床型号和加工任务信息，并按照时间点将以上信息同步整合进入表格文件，并进行保存。

进一步的，主轴上设置有反光条，主轴每旋转一圈，光电型转速传感器就给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，从而获得机床的主轴转速。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明在实时监测了机床总功率和主轴电机功率的基础上，还能通过实时采集数控系统PLC、冷却泵、润滑泵继电器的开关量信号以及主轴转速，准确判断并实时显示机床的状态，判断依据的数据源种类多且容易获取。

(2)本发明中监测的所有数据于上位机中汇总、处理后，不仅能够显示各项信息，还能导出至文件夹，便于后续进行能耗优化改进，具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中数控机床能耗与加工状态在线监测系统框图；

图2是本发明实施例中在线监测系统与数控机床连接结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例中数控机床能耗与加工状态在线监测系统框图，由图可知，本发明提供了一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统，其包括功率采集模块，光电型转速传感器、频率计数模块、信号转换模块、开关量采集模块和上位机。

图2是本发明实施例中在线监测系统与数控机床连接结构示意图，结合图1和图2可知，功率采集模块输入端同时连接机床总线路和主轴电机线路，以能采集获得机床总功率数据和主轴电机功率数据，功率采集模块输出端连接信号转换模块输入端，信号转换模块输出端连接上位机。光电型转速传感器设置在主轴处，以能采集获得主轴的转速，光电型传感器的输出端连接频率计数模块，以能在光电型转速传感器采集到主轴转速信息时给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，从而获得机床的主轴转速。比如，主轴上设置有反光条，主轴每旋转一圈，光电型转速传感器就给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，从而获得机床的主轴转速。频率计数模块连接信号转换模块输入端。开关量采集模块的输入端同时连接数控系统PLC和冷却泵、润滑泵继电器，以能采集获得数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵、润滑泵继电器开闭信号，开关量采集模块的输出端连接信号转换模块的输入端。信号转换模块将接受到的机床总功率数据、主轴电机功率数据、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号、冷却泵、润滑泵继电器开闭信号进行信号转换，并传输至上位机。上位机用于将接受到的机床总功率数据、主轴电机功率数据、数控系统PLC发出的开关量信号以及主轴转速进行综合判断，进而获得机床运行状态，并进行显示。

在本发明的一个实施例中，所述上位机设置有系统参数配置模块，所述系统参数配置模块用于对被监测机床的型号、加工任务信息、机床恒定功率组件的功率数据和通信参数进行配置管理。机床恒定功率组件的功率数据包括风机、冷却泵、润滑泵、照明灯和数控面板的功率数据，其中，只要数控机床开机，风机和数控面板一定为启动状态，风机、冷却泵、润滑泵、照明灯和数控面板只要开启，功率即为定值，能通过功率采集模块分别一次性获得。所述通信参数包括功率采集模块、开关量采集模块、频率计数模块各自与上位机之间的通信参数，还包括机床数控系统PLC发出的开关量信号的定义，开关量信号的定义能从配套的数控系统说明书中获得。

在本发明的又一个实施例中，所述上位机上还设置有数据处理与显示模块，数据处理与显示模块连接系统参数配置模块，数据处理与显示模块在收到机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵和润滑泵的继电器开闭信号后，在系统参数的约束下，综合判别机床的加工状态。所述数控系统PLC发出的开关量信号包括给主轴电机变频器和进给系统伺服控制器的进给速度信号。机床加工状态包括待机、快速进给、空走、切削四种主要加工状态，还包括冷却泵、润滑泵继电器的开闭状态。

其中，数控机床的数控系统发出的控制信号都是开关量信号，数控系统运行每个代码都会向特定组件发出特定的开关量信号，以此控制组件进行特定的运动，利用这一特点，每个组件收到的开关量信号即可代表机床的运行代码，截取数控系统PLC的开关量信号，再配合主轴转速以及机床总功率和主轴电机功率，通过这些数据，即可获得机床的运行状态。数据处理与显示模块显示的内容包括机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、机床加工状态、机床的型号和加工任务信息，其中，机床的型号和加工任务信息通过外界手动输入。具体的，数据处理与显示模块将功率数据进行处理、计算能耗后实时显示出功率曲线以及能耗曲线。

在本发明的又一个实施例中，所述上位机上还设置有数据导出模块，数据导出模块连接数据处理与显示模块，数据导出模块用于从数据处理与显示模块获得机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、机床加工状态、机床型号和加工任务信息，并按照时间点将以上信息同步整合进入表格文件，并进行保存。

概括而言，即为，开关量采集模块并线接入数控系统的信号输出总线，采集机床数控系统PLC发出的开关量信号，开关量采集模块还采集冷却泵、润滑泵的继电器的开闭信号；频率计数模块通过光电型转速传感器采集机床的主轴转速，开关量信号和主轴转速通过信号转换模块传至上位机，上位机中的数据处理与显示模块通过功率数据、开关量信号以及主轴转速对数控机床的运行状态进行判别和显示。

本发明的数控机床与加工状态在线监测系统的处理流程为：

(1)功率采集模块通过互感器采集被监测机床的主轴电机供电以及机床总供电的功率数据；

(2)在主轴上贴反光条，主轴每转一圈，光电型转速传感器就给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，获得主轴转速；

(3)开关量采集模块将数控系统PLC发出的开关量信号转化为数字信号；

(4)将主轴转速、功率数据和数控系统PLC发出的开关量信号经由信号转换模块传至上位机；

(5)系统参数配置模块配置上位机的系统参数，所述上位机的系统参数是指被监测机床的型号、加工任务信息、机床恒定功率组件的功率数据和通信参数，其中，通信参数包括功率采集模块、开关量采集模块、频率计数模块各自与上位机之间的通信参数，还包括机床数控系统PLC发出的开关量信号的定义，开关量信号的定义能从配套的数控系统说明书中获得。配置上位机的系统参数是为了使数据处理与显示模块在收到机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵和润滑泵的继电器开闭信号后，将系统参数作为判别约束，综合判别机床的加工状态。数据导出模块导出机床总功率、主轴电机功率、主轴转速和机床加工状态、能耗状态，还导出系统参数。

(6)数据处理与显示模块将机床总功率、主轴电机功率、主轴转速和机床加工状态、能耗状态显示在上位机的界面上；

(7)数据导出模块将机床总功率、主轴电机功率、主轴转速和机床加工状态、能耗状态和系统参数导出并保存为文件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种数控机床能耗与加工状态在线监测系统，其特征在于，其包括功率采集模块、光电型转速传感器、频率计数模块、信号转换模块、开关量采集模块和上位机，其中，

功率采集模块输入端同时连接机床总线路和主轴电机线路，以能采集获得机床总功率数据和主轴电机功率数据，功率采集模块输出端连接信号转换模块输入端，信号转换模块输出端连接上位机，

光电型转速传感器设置在主轴处，以能采集获得主轴转速，光电型传感器的输出端连接频率计数模块输入端，以能在光电型转速传感器采集到主轴转速信息时给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，从而获得机床的主轴转速，频率计数模块输出端连接信号转换模块输入端，具体的，主轴上设置有反光条，主轴每旋转一圈，光电型转速传感器就给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，从而获得机床的主轴转速，

开关量采集模块的输入端同时连接数控系统PLC和冷却泵、润滑泵继电器，以能采集获得数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵、润滑泵继电器开闭信号，开关量采集模块的输出端连接信号转换模块的输入端，

信号转换模块将接受到的机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵和润滑泵的继电器开闭信号进行信号转换，并传输至上位机，

上位机用于将接受到的机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵和润滑泵的继电器开闭信号行综合判断，进而获得机床运行状态，并进行显示，

所述上位机设置有系统参数配置模块，所述系统参数配置模块用于对被监测机床的型号、加工任务信息、机床恒定功率组件的功率数据和通信参数进行配置管理，

机床恒定功率组件的功率数据包括来自风机、冷却泵、润滑泵、照明灯和数控面板的功率数据，其中，风机、冷却泵、润滑泵、照明灯和数控面板只要开启，功率即为定值，能通过功率采集模块分别一次性获得，

所述通信参数包括功率采集模块、开关量采集模块、频率计数模块各自与上位机之间的通信参数，还包括机床数控系统PLC发出的开关量信号的定义，开关量信号的定义能从配套的数控系统说明书中获得，

所述上位机上还设置有数据处理与显示模块，数据处理与显示模块连接系统参数配置模块，数据处理与显示模块在收到机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵和润滑泵的继电器开闭信号后，在系统参数的约束下，综合判别机床的加工状态，

所述数控系统PLC发出的开关量信号包括给主轴电机变频器和进给系统伺服控制器的进给速度信号，

机床加工状态包括待机、快速进给、空走、切削四种主要加工状态，还包括冷却泵、润滑泵继电器的开闭状态，

所述数控机床能耗与加工状态在线监测系统的工作流程为：

(1)功率采集模块通过互感器采集被监测机床的主轴电机供电以及机床总供电的功率数据，

(2)在主轴上贴反光条，主轴每转一圈，光电型转速传感器就给频率计数模块一个开关量，频率计数模块计算开关量的频率，获得主轴转速，

(3)开关量采集模块将数控系统PLC发出的开关量信号转化为数字信号，

(4)将主轴转速、功率数据和数控系统PLC发出的开关量信号经由信号转换模块传至上位机，

(5)系统参数配置模块配置上位机的系统参数，所述上位机的系统参数是指被监测机床的型号、加工任务信息、机床恒定功率组件的功率数据和通信参数，其中，通信参数包括功率采集模块、开关量采集模块、频率计数模块各自与上位机之间的通信参数，还包括机床数控系统PLC发出的开关量信号的定义，开关量信号的定义能从配套的数控系统说明书中获得，配置上位机的系统参数是为了使数据处理与显示模块在收到机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、数控系统PLC发出的开关量信号以及冷却泵和润滑泵的继电器开闭信号后，将系统参数作为判别约束，综合判别机床的加工状态，

数据处理与显示模块显示的内容包括机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、机床加工状态、机床的型号和加工任务信息，其中，机床的型号和加工任务信息通过外界手动输入，

所述上位机上还设置有数据导出模块，数据导出模块连接数据处理与显示模块，数据导出模块用于从数据处理与显示模块获得机床总功率、主轴电机功率、主轴转速、机床加工状态、机床型号和加工任务信息，并按照时间点将以上信息同步整合进入表格文件，并进行保存，

工作中，数控机床的数控系统发出的控制信号均是开关量信号，数控系统运行每个代码都会向特定组件发出特定的开关量信号，以此控制组件进行特定的运动，每个组件收到的开关量信号即可代表机床的运行代码，截取数控系统PLC的开关量信号，再配合主轴转速以及机床总功率和主轴电机功率，能获得机床的运行状态，

开关量采集模块并线接入数控系统的信号输出总线，采集机床数控系统PLC发出的开关量信号，开关量采集模块还采集冷却泵、润滑泵的继电器的开闭信号；频率计数模块通过光电型转速传感器采集机床的主轴转速，开关量信号和主轴转速通过信号转换模块传至上位机，上位机中的数据处理与显示模块通过功率数据、开关量信号以及主轴转速对数控机床的运行状态进行判别和显示。

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