CN115533616A - 通过振动与负载实现机床撞机保护的方法、系统及介质 - Google Patents

通过振动与负载实现机床撞机保护的方法、系统及介质 Download PDF

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CN115533616A CN202211035621.4A CN202211035621A CN115533616A CN 115533616 A CN115533616 A CN 115533616A CN 202211035621 A CN202211035621 A CN 202211035621A CN 115533616 A CN115533616 A CN 115533616A
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Abstract

本发明实施例公开了一种通过振动与负载实现机床撞机保护的方法、系统及介质，该方法包括获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据即功率数据；对所述振动数据和功率数据进行融合处理；判断所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；若判断结果为是，则判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，控制机床立即停机。本发明实施例提供的技术方案实时监控机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据即负载数据，从振动和功率两个维度综合判断机床是否发生撞机，准确率高，误报率低，提高了机床撞机保护的稳定性和可靠性，适宜推广应用。

Description

通过振动与负载实现机床撞机保护的方法、系统及介质
技术领域
本发明实施例涉及机床智能化技术领域，尤其涉及一种通过振动与负载实现机床撞机保护的方法、系统及介质。
背景技术
当前的机床(加工中心、车床、铣床、车铣复合、磨床及一些专用机床等)在加工过程中，难免会出现误操作、程序设计错误、系统异常等各种各样的意外，这些意外将会导致机床的加工部件发生碰撞即机床撞机。一旦出现机床撞机，轻则刀具损毁，重则工作台、主轴等核心部件报废，不仅会产生巨大的维修费用，而且停机维修影响企业正常生产。因此，亟需一种机床撞机保护方案，保护机床加工部件不会被严重损坏。
发明内容
为解决相关技术问题，本发明提供一种通过振动与负载实现机床撞机保护的方法、系统及介质，来解决以上背景技术部分提到的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种通过振动与负载实现机床撞机保护的方法，包括：
获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据(即负载数据)；
对所述振动数据和功率数据进行融合处理；
判断所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；
若判断结果为是，则判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，其中，所述机床撞机保护包括但不限于机床停机。
作为一种可选的实施方式，所述获取机床运动部件的振动数据，包括：
将振动传感器设置在所述机床运动部件上，其中，所述机床运动部件包括但不限于主轴、运动轴以及工作台面；
通过所述振动传感器实时采集机床运动部件的振动信号，并输出给振动信号AD采集模块；
所述振动信号AD采集模块对收到的振动信号进行模数转换后发送给控制单元的数据处理模块；
所述数据处理模块对收到的数据进行处理获得所需的振动数据。
作为一种可选的实施方式，所述数据处理模块对收到的数据进行处理获得所需的振动数据，包括：
将机床撞机保护的响应时间、数据处理模块从振动信号AD采集模块收集数据的周期即每次开始采样到结束采样的时间均设为T；其中，在T时间内所述数据处理模块收集n组数据，所述n组数据中每组数据均由A、B、C三个方向的振动数据组成；
所述数据处理模块计算每次获取的n组数据的向量和数据X[n]，然后将所述向量和数据压入向量和队列，其中，
Figure BDA0003818927510000021
所述数据处理模块从所述向量和队列中读取最新的n组向量和数据和历史数据中的(m-n)组向量和数据，求取平均值UX[n]并依次压入均值队列；
所述数据处理模块从所述向量和队列中取最新的n组向量和数据，并从所述均值队列中取最新的n组数据，计算最新数据的第一次方差
Figure BDA0003818927510000022
Figure BDA0003818927510000031
所述数据处理模块计算向量和队列中最新m组数据的均值C：
Figure BDA0003818927510000032
作为一种可选的实施方式，获取机床主轴电机的功率数据，包括：
将电流采集模块设置在机床主轴电机的供电电源线上；通过所述电流采集模块实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块；
采用如下两种方式的任一种实时采集所述机床主轴电机的电压信号，并输出给所述AD采集模块；其中，所述两种方式包括：一、通过电压采集模块实时采集所述机床主轴电机的电压信号；二、直接采集所述机床主轴电机的相电压信号或线电压信号；
所述电流电压AD采集模块对收到的电流信号和电压信号进行模数转换，并将转换后的数据发送给控制单元的数据处理模块；
所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率数据。
作为一种可选的实施方式，所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率值，之后还包括：
所述数据处理模块将所述功率值压入功率值队列；
所述数据处理模块从所述功率值队列中读取最新的n个功率值和历史数据中(m-n)个功率值，求取平均值UY[n]并依次压入均值队列；
所述数据处理模块从所述功率值队列中取最新的n个功率值，并从所述均值队列中取最新的n个均值，计算最新数据的第一次方差β[n]：
Figure BDA0003818927510000041
所述数据处理模块计算功率值队列中最新m个功率值的均值D：
Figure BDA0003818927510000042
作为一种可选的实施方式，所述对所述振动数据和功率数据进行融合处理，包括：
数据处理模块根据向量和队列中最新m组数据的均值C和功率值队列中最新m个功率值的均值D，计算机床撞机保护判断中振动数据与功率数据的权重比：
Figure BDA0003818927510000043
b为常数；
数据处理模块计算最新n组数据的融合状态：
Figure BDA0003818927510000044
其中，X[n]为最新n组振动数据的向量和数据，Y[n]为与振动数据对应的最新n组功率数据，a为权重比C/D，b为常数，
Figure BDA0003818927510000045
为最新的n组振动数据的第一次方差，β[n]为最新的n组功率数据的第一次方差。
第二方面，本发明实施例提供了一种通过振动与负载实现机床撞机保护的系统，包括：
获取模块，用于获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据；
融合计算模块，用于对所述振动数据和功率数据进行融合处理；
判断模块，用于所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；
执行模块，用于判断模块判断结果为是时，判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，其中，所述机床撞机保护包括但不限于机床停机。
作为一种可选的实施方式，所述获取模块包括：
振动传感器，设置在所述机床运动部件上，通过所述振动传感器实时采集机床运动部件的振动信号，并输出给振动信号AD采集模块；
振动信号AD采集模块对收到的振动信号进行模数转换后发送给控制单元的数据处理模块；
电流采集模块，设置在机床主轴电机的供电电源线上，用于实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块；
电流电压AD采集模块，用于对收到的电流信号、电压信号进行模数转换，并将转换后的数据发送给控制单元；
控制单元，一方面通过数据处理模块对振动信号AD采集模块发送的数据进行处理获得所需的振动数据，另一方面通过所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率数据；
所述融合模块、判断模块和执行模块均集成在所述数据处理模块中。
作为一种可选的实施方式，所述通过振动与负载实现机床撞机保护的系统还包括：
上位机，用于为所述控制单元配置参数，并实时监控机床撞机保护数据。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现第一方面任一项所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面任一项所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法。
本发明实施例提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法、系统及介质，该方法包括获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据即功率数据；对所述振动数据和功率数据进行融合处理；判断所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；若判断结果为是，则判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，控制机床立即停机。本发明实施例提供的技术方案实时监控机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据即负载数据，从振动和功率两个维度综合判断机床是否发生撞机，准确率高，误报率低，提高了机床撞机保护的稳定性和可靠性，适宜推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明及理解本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明背景技术、实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法流程示意图；
图2A为本发明实施例提供的机床在重切削过程中振动数据和功率数据的变化波动图；
图2B为本发明实施例提供的外界某一东西撞击到机床外壳时振动数据和功率数据的变化波动图；
图3为本发明实施例提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的系统的结构图示意。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
实施例一
如图1所示，图1为本发明实施例一提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法流程示意图；
本实施例中通过振动与负载实现机床撞机保护的方法100包括：
S101.获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据；值得一提的是，所述机床主轴电机的功率数据即指机床主轴电机的负载数据。
示例性的，在本实施例中所述运动部件包括但不限于主轴、运动轴以及工作台面，在具体应用中以获取机床主轴振动数据的情况居多。
S102.对所述振动数据和功率数据进行融合处理；
S103.判断所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；
示例性的，在本实施例中所述撞机报警边界值的获取过程如下：通过试验获得机床正常加工时机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据的融合结果，将该融合结果乘以一个经验系数获得撞机报警边界值。
S104.若步骤S103的判断结果为是，则判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，其中，所述机床撞机保护包括但不限于机床停机。
本发明实施例提供的技术方案解决了只采集机床运动部件的振动数据，仅通过振动情况判断机床是否发生撞机的方案存在的问题，具体如下：只采集机床运动部件的振动数据，仅通过振动情况判断机床是否发生撞机，这种方案对于高速撞机的情况监控效果较好，但是，如图2A所示，在重切削过程中，机床的负载数据往往比较大，而振动数据往往并没有非常明显波动，如果单纯用振动数据判断是否发生撞机，将很容易出现误判情况；另外，如图2B所示，机床在正常加工过程中，如果外界某一东西撞击到机床外壳，有时也会误判为发生机床撞机。本发明实施例提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法实时监控机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据即负载数据，从振动和功率两个维度综合判断机床是否发生撞机，在判定发生机床撞机时触发机床撞机保护，准确率高，误报率低，提高了机床撞机保护的稳定性和可靠性。
实施例二
本实施例中通过振动与负载实现机床撞机保护的方法包括：
S201.获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据；值得一提的是，所述机床主轴电机的功率数据即指机床主轴电机的负载数据。
S202.对所述振动数据和功率数据进行融合处理；
S203.判断所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；
示例性的，在本实施例中所述撞机报警边界值的获取过程如下：通过试验获得机床正常加工时机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据的融合结果，将该融合结果乘以一个经验系数获得撞机报警边界值。
S204.若步骤S203的判断结果为是，则判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，其中，所述机床撞机保护包括但不限于机床停机。
示例性的，在本实施例中所述步骤201中获取机床运动部件的振动数据，具体包括：
S20111.将振动传感器设置在所述机床运动部件上；
在本实施例中振动传感器的安装位置需要根据机床的情况进行判断，一般以机床的运动部件为主但并不局限于机床的运动部件，不同的机床，会安装在不同的位置。示例性的，在本实施例中所述运动部件包括但不限于主轴、运动轴以及工作台面，在具体应用中主轴的情况居多。
示例性的，在本实施例中所述振动传感器使用单轴传感器或三轴传感器，优选采用三轴加速度传感器，三轴加速度传感器的加速度范围根据具体的应用场景灵活选配。
S20112.通过所述振动传感器实时采集机床运动部件的振动信号，并输出给振动信号AD采集模块；
S20113.所述振动信号AD采集模块对收到的振动信号进行模数转换后发送给控制单元的数据处理模块；
示例性的，在本实施例中根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，选择采集频率、采集精度符合要求的振动信号AD采集模块。示例性的在本实施例中振动信号AD采集模块将收的振动信号模数转换为振动数据，每秒钟发送大量振动数据给控制单元的数据处理模块，例如在一应用中振动信号AD采集模块每秒推送3600组数据给控制单元的数据处理模块，其中一组数据即指一组振动数据。示例性，在本实施例中所述AD采集模块可选择通过SPI接口将数据发送给控制单元，但并不局限于此数据通讯方式。
S20114.所述数据处理模块对收到的数据进行处理获得所需的振动数据，具体包括：
S20115.将机床撞机保护的响应时间、数据处理模块从振动信号AD采集模块收集数据的周期即每次开始采样到结束采样的时间均设为T；其中，在T时间内所述数据处理模块收集n组数据，所述n组数据中每组数据均由A、B、C三个方向的振动数据组成；在本实施例中n为正整数；在本实施例中A、B、C三个方向的振动数据即分别指x，y，z三个方向的振动数据；
S20116.所述数据处理模块计算每次获取的n组数据的向量和数据X[n]，然后将所述向量和数据压入向量和队列，其中，
Figure BDA0003818927510000101
在本实施例中振动信号AD采集模块将收的振动信号模数转换为振动数据，每秒钟会发送大量振动数据给控制单元的数据处理模块，数据处理模块每次获取n组数据，计算每次获取的n组数据的向量和数据X[n]，然后将所述向量和数据压入向量和队列，所以，在工作时，向量和队列中一直会有新的向量和数据加入。
S20117.所述数据处理模块从所述向量和队列中读取最新的n组向量和数据和历史数据中的(m-n)组向量和数据，求取平均值UX[n]并依次压入均值队列；
需要说明的是，此处最新的n组向量和数据即指最新T时间内向量和队列中压入的n组向量和数据。在本实施例中m为大于n的正整数，在本实施例中优选n取4，m取64。
S20118.所述数据处理模块从所述向量和队列中取最新的n组向量和数据，并从所述均值队列中取最新的n组数据，计算最新数据的第一次方差
Figure BDA0003818927510000102
Figure BDA0003818927510000111
S20119.所述数据处理模块计算向量和队列中最新m组数据的均值C：
Figure BDA0003818927510000112
示例性的，在本实施例中所述步骤201中获取机床运动部件的功率数据，具体包括：
S20121.将电流采集模块设置在机床主轴电机的供电电源线上；通过所述电流采集模块实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块；
示例性的，在具体应用中所述电流采集模并不局限于设置在机床主轴电机的供电电源线即机床主轴电机的动力线上，根据监控场景等需求不同，也可以将所述电流采集模块设置在机床的加工轴例如伺服轴等，本实施例以机床主轴为例，安装在其它位置的应用与安装于主轴上雷同，不再一一赘述。
在本实施例中通过所述电流采集模块实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块。示例性的，所述电流采集模块优选霍尔电流传感器。根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，需要选择对应精度的霍尔电流传感器，正常采用精度不低于千分之五的霍尔电流传感器。值得一提的是，本实施例中将霍尔电流传感器安装在机床主轴电机的供电电源线上，安装简单方便易操作、不改变机床现有状态，电流作为监控对象的采集的实时性高，而且电流具有很好的交流电频率特征，不容易被外部信号干扰，经过大量的对比分析实验，确定电流非常适合用于机床撞机保护方案。
示例性的，采用如下两种方式的任一种实时采集所述机床主轴电机的电压信号，并输出给所述电流电压AD采集模块；其中，所述两种方式包括：一、通过电压采集模块实时采集所述机床主轴电机的电压信号；其中，所述电压采集模块优选霍尔电流传感器。根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，需要选择对应精度的霍尔电流传感器；二、直接采集所述机床主轴电机的相电压信号或线电压信号。
示例性的，在本实施例中优选采用直接采集所述机床主轴电机的相电压信号或线电压信号方式获取机床主轴电机的电压信号。
S20122.所述电流电压AD采集模块对收到的电流信号和电压信号进行模数转换，并将转换后的数据发送给控制单元的数据处理模块；
示例性的，在本实施例中根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，选择采集频率、采集精度符合要求的电流电压AD采集模块。示例性的在本实施例中电流电压AD采集模块将收的电流信号和电压信号(即三相电流信号和三相电压信号)转换为三相电流数据和三相电压数据，每秒钟发送大量三相电流数据和三相电压数据给控制单元。示例性，在本实施例中所述电流电压AD采集模块可选择通过SPI接口将数据发送给控制单元，但并不局限于此数据通讯方式。
S20123.所述数据处理模块对收到的电流数据和电压数据进行处理后获得机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率值；
示例性的，在本实施例中所述数据处理模块对收集的数据依次进行滤波、精准带通滤波处理，获得所述机床主轴电机的电流值和电压值，现择一实现方案说明如下：
将机床撞机保护的响应时间、控制单元从电流电压AD采集模块收集数据的周期即每次开始采样到结束采样的时间均设为T；其中，在T时间内所述控制单元收集n组数据，所述n组数据中每组数据均由一组三相电流数据和一组三相电压数据组成；其中，n为正整数，优选的经验值为4。
所述控制单元每次对收集到的M组数据做FFT变换获得M组数据的FFT频域数据，查询所述M组数据的FFT频域数据中频域幅值最大的数据并将其作为该组数据的核心频率FH；其中，所述M组数据由所述控制单元最新收集的n组数据和(M-n)组历史数据组成；值得一提的是，M为满足FFT对数据的个数要求的任一正整数，优选的经验值为1024。
所述控制单元针对所述M组数据的FFT频域数据，将所述核心频率FH的正负设定值的幅值和对称的(M-FH)保留，其他频域数据设置为零，完成精准带通滤波；示例性的，在本实施例中所述正负设定值需根据实际情况确定，优选的经验值是10。
所述控制单元对精准带通滤波后的频域数据做逆FFT运算，获得M组时域数据，提取M组时域数据中的前n组数据，所述前n组数据即为当T时间内的所述机床主轴电机实际的三相电流值Ia，Ib，Ic和三相电压值Ua，Ua，Uc。
所述控制单元对当T时间内的所述机床主轴电机实际的三相电流值Ia，Ib，Ic和三相电压值Ua，Ua，Uc做积分运算计算出所述机床主轴电机的瞬时功率值P：
Figure BDA0003818927510000131
通过公式(1)和公式(2)对所述瞬时功率值P进行数据平滑处理：
Figure BDA0003818927510000132
Figure BDA0003818927510000133
其中，P[N]指步骤S3014每次计算出来的功率数据，N是指做平滑处理的数据个数。通过移动平滑处理，可以有效去除干扰和异常毛刺数据，提高机床撞机保护判断的准确性。
示例性的，在本实施例中所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率值，之后还包括：
S20124.所述数据处理模块将所述功率值压入功率值队列；
示例性的，在本实施例中为了实现振动数据和功率数据的同步，在本实施例中振动信号AD采集模块和电流电压AD采集模块向控制单元在相同时间内推送数据的数量和频率相同，例如在一应用中振动信号AD采集模块每秒推送3600组数据给控制单元的数据处理模块，则电流电压AD采集模块也每秒推送3600组数据给控制单元的数据处理模块。
S20125.所述数据处理模块从所述功率值队列中读取最新的n个功率值和历史数据中(m-n)个功率值，求取平均值UY[n]并依次压入均值队列；
此处最新的n个功率值即指最新T时间内功率值队列中压入的n个功率值。在本实施例中m为大于n的正整数，在本实施例中优选n取4，m取64。
S20126.所述数据处理模块从所述功率值队列中取最新的n个功率值，并从所述均值队列中取最新的n个均值，计算最新数据的第一次方差β[n]：
Figure BDA0003818927510000141
S20127.所述数据处理模块计算功率值队列中最新m个功率值的均值D：
Figure BDA0003818927510000142
在本实施例中所述步骤S202中对所述振动数据和功率数据进行融合处理，具体包括：
S2021.数据处理模块根据向量和队列中最新m组数据的均值C和功率值队列中最新m个功率值的均值D，计算机床撞机保护判断中振动数据与功率数据的权重比：
Figure BDA0003818927510000151
b为常数；
S2022.数据处理模块计算最新n组数据的融合状态：
Figure BDA0003818927510000152
其中，X[n]为最新n组振动数据的向量和数据，Y[n]为与振动数据对应的最新n组功率数据，a为权重比C/D，b为常数，
Figure BDA0003818927510000153
为最新的n组振动数据的第一次方差，β[n]为最新的n组功率数据的第一次方差。
在本实施例中所述步骤S203中判断所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值，具体包括：判断T时间内的所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值。
在本实施例中所述撞机报警边界值是通过试验获得机床正常加工时机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据的融合结果，将该融合结果乘以一个经验系数获得撞机报警边界值，实际应用中优选的经验系数是1.3。因此，需要预先通过实验获取机床正常加工时机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据的融合结果，然后再确定一个经验系数，计算出撞机保护边界值即撞机报警边界值，最大限度保证撞机保护响应的准确性，减少甚至避免撞机保护的误触发。具体的，在本实施例中在振动传感器、电流采集模块安装完成后，让机床正常加工运行一段时间，控制单元对运行过程中的数据进行统计，运行时间可以由上位机进行设定，等数据统计完成后，控制单元将统计数据的上下边界值，发送到上位机，从而可以知道机床正常运转过程中的数据边界值，统计出机床正常加工时机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据的融合结果的边界值，实际监控过程中，将该融合结果的边界值乘以一个经验系数系数，即为撞机报警边界值，系数值一般大于1的，系数越小，报警越灵敏。
值得一提的是，在本实施例中机床主轴的进给倍率不同，对应的撞机报警边界值不同，因此，需要预先通过实验获取机床主轴各进给倍率场景下对应的机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据的融合结果即各场景下的绝对报警边界，然后再确定一个经验系数，计算出各进给倍率场景下的撞机报警边界值即各场景下的撞机报警边界值，保证各进给倍率场景下撞机保护响应的准确性，减少甚至避免各进给倍率场景下撞机保护的误触发。在机床撞机保护监控开始时，实时获取当前机床主轴的进给倍率，调取当前进给倍率场景下对应的撞机报警边界值用于机床撞机保护判断，其中，实时获取当前机床主轴的进给倍率的方式优选但不限于如下两种的任一种：一、控制单元通过与机床的控制器通讯实时获取机床主轴的状态，例如，控制单元的IO/以太网/232等通讯接口和机床的控制器通讯实现；二、修改T图，其中，T图是机床控制器中的运行程序，有的机床没有提供机床工作模式的点位或者地址，通过修改机床的程序来进行输出。
在本实施例中，机床的撞机事件一般发生在运动部件的动作过程中，在主轴停止旋转时并不会发生撞机，因此，在本实施例中实时监控机床主轴的状态，当监控到机床主轴开始旋转时，控制单元工作，启动本实施例提出的机床撞机保护方案，机床实施撞机监控工作；当监控到机床主轴停止旋转时，控制单元停止工作，关闭本实施例提出的机床撞机保护方案，机床撞机监控停止。示例性的，在本实施例中实时监控机床主轴的状态方式优选但不限于如下两种的任一种：一、控制单元通过与机床的控制器通讯实时获取机床主轴的状态，例如，控制单元的IO/以太网/232等通讯接口和机床的控制器通讯实现；二、修改T图，其中，T图是机床控制器中的运行程序，有的机床没有提供机床工作模式的点位或者地址，通过修改机床的程序来进行输出。
示例性的，在本实施例中所述步骤S204中一旦判定发生机床撞机事件，则触发机床撞机保护。在本实施例中所述机床撞机保护包括但不限于机床停机，当控制单元判定发生机床撞机事件时，本实施例优选的方式是控制单元通过报警反馈模块将机床发生撞机事件的结果立即反馈给机床端，机床端将在撞机保护响应时间内(如1ms)实现机床停机，并可同时触发声控报警、红色灯报警、语音报警等等，也可在机床端显示报警的内容。
示例性的，在本实施例中所述报警反馈模块通过但不限于IO/以太网/RS232/RS422/PROFIBUS/PROFINET/ETHERCAT等接口实现与机床端数据通讯。示例性的，在本实施例中优选通过干接点将报警触发信号并入到机床的急停信号中，发生发机床撞机事件，报警触发，机床立即停止。示例性的，在本实施例中通过修改机床T图，当将报警信息输入到机床端后后，机床端上会显示报警内容。其中，T图是机床控制器中的运行程序，有的机床没有提供机床工作模式的点位或者地址，通过修改机床的程序来进行输出。示例性的，在本实施例中还可以在机床端和机床撞机保护系统端对报警的类型进行扩展，例如短信报警、语音报警、PLC报警等等，最大限度第一时间通知相关人员发生机床撞机事件。
本发明实施例提供的技术方案解决了只采集机床运动部件的振动数据，仅通过振动情况判断机床是否发生撞机的方案存在的问题，具体如下：只采集机床运动部件的振动数据，仅通过振动情况判断机床是否发生撞机，这种方案对于高速撞机的情况监控效果较好，但是，如图2A所示，在重切削过程中，机床的负载数据往往比较大，而振动数据往往并没有非常明显波动，如果单纯用振动数据判断是否发生撞机，将很容易出现误判情况；另外，如图2B所示，机床在正常加工过程中，如果外界某一东西撞击到机床外壳，有时也会误判为发生机床撞机。本发明实施例提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法实时监控机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据即负载数据，从振动和功率两个维度综合判断机床是否发生撞机，在判定发生机床撞机时触发机床撞机保护，准确率高，误报率低，提高了机床撞机保护的稳定性和可靠性。
实施例三
如图3所示，图3为本发明实施例三提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的系统的结构示意图；
本实施例提供一种通过振动与负载实现机床撞机保护的系统，该系统采用上述实施例一或实施例二任一所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法。示例性的，所述通过振动与负载实现机床撞机保护的系统具体包括：
获取模块，用于获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据；
融合计算模块，用于对所述振动数据和功率数据进行融合处理；
判断模块，用于所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；
执行模块，用于判断模块判断结果为是时，判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，其中，所述机床撞机保护包括但不限于机床停机。
示例性的，在本实施例中所述获取模块包括：
振动传感器，设置在所述机床运动部件上，通过所述振动传感器实时采集机床运动部件的振动信号，并输出给振动信号AD采集模块；
在本实施例中振动传感器的安装位置需要根据机床的情况进行判断，一般以机床的运动部件为主但并不局限于机床的运动部件，不同的机床，会安装在不同的位置。示例性的，在本实施例中所述运动部件包括但不限于主轴、运动轴以及工作台面，在具体应用中主轴的情况居多。示例性的，在本实施例中所述振动传感器使用单轴传感器或三轴传感器，优选采用三轴加速度传感器，三轴加速度传感器的加速度范围根据具体的应用场景灵活选配。
振动信号AD采集模块对收到的振动信号进行模数转换后发送给控制单元的数据处理模块；
示例性的，在本实施例中根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，选择采集频率、采集精度符合要求的振动信号AD采集模块。示例性的在本实施例中振动信号AD采集模块将收的振动信号模数转换为振动数据，每秒钟发送大量振动数据给控制单元的数据处理模块，例如在一应用中振动信号AD采集模块每秒推送3600组数据给控制单元的数据处理模块，其中一组数据即指一组振动数据。示例性，在本实施例中所述AD采集模块可选择通过SPI接口将数据发送给控制单元，但并不局限于此数据通讯方式。
电流采集模块，设置在机床主轴电机的供电电源线上，用于实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块；
示例性的，在具体应用中所述电流采集模并不局限于设置在机床主轴电机的供电电源线即机床主轴电机的动力线上，根据监控场景等需求不同，也可以将所述电流采集模块设置在机床的加工轴例如伺服轴等，本实施例以机床主轴为例，安装在其它位置的应用与安装于主轴上雷同，不再一一赘述。
在本实施例中通过所述电流采集模块实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块。示例性的，所述电流采集模块优选霍尔电流传感器。根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，需要选择对应精度的霍尔电流传感器，正常采用精度不低于千分之五的霍尔电流传感器。值得一提的是，本实施例中将霍尔电流传感器安装在机床主轴电机的供电电源线上，安装简单方便易操作、不改变机床现有状态，电流作为监控对象的采集的实时性高，而且电流具有很好的交流电频率特征，不容易被外部信号干扰，经过大量的对比分析实验，确定电流非常适合用于机床撞机保护方案。
示例性的，采用如下两种方式的任一种实时采集所述机床主轴电机的电压信号，并输出给所述电流电压AD采集模块；其中，所述两种方式包括：一、通过电压采集模块实时采集所述机床主轴电机的电压信号；其中，所述电压采集模块优选霍尔电流传感器。根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，需要选择对应精度的霍尔电流传感器；二、直接采集所述机床主轴电机的相电压信号或线电压信号。
示例性的，在本实施例中优选采用直接采集所述机床主轴电机的相电压信号或线电压信号方式获取机床主轴电机的电压信号。
电流电压AD采集模块，用于对收到的电流信号、电压信号进行模数转换，并将转换后的数据发送给控制单元；
示例性的，在本实施例中根据不同场景对机床撞机保护响应速度的要求，选择采集频率、采集精度符合要求的电流电压AD采集模块。示例性的在本实施例中电流电压AD采集模块将收的电流信号和电压信号(即三相电流信号和三相电压信号)转换为三相电流数据和三相电压数据，每秒钟发送大量三相电流数据和三相电压数据给控制单元。示例性，在本实施例中所述电流电压AD采集模块可选择通过SPI接口将数据发送给控制单元，但并不局限于此数据通讯方式。
控制单元，一方面通过数据处理模块对振动信号AD采集模块发送的数据进行处理获得所需的振动数据，另一方面通过所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率数据；
示例性的，所述融合模块、判断模块和执行模块均集成在所述数据处理模块中。
示例性的，在本实施例中所述控制单元还包括一报警反馈模块。当控制单元判定发生机床撞机事件时，本实施例优选的方式是控制单元通过报警反馈模块将机床发生撞机事件的结果立即反馈给机床端，机床端将在撞机保护响应时间内(如1ms)实现机床停机，并可同时触发声控报警、红色灯报警、语音报警等等，也可在机床端显示报警的内容。示例性的，在本实施例中所述报警反馈模块通过但不限于IO/以太网/RS232/RS422/PROFIBUS/PROFINET/ETHERCAT等接口实现与机床端数据通讯。示例性的，在本实施例中优选通过干接点将报警触发信号并入到机床的急停信号中，发生发机床撞机事件，报警触发，机床立即停止。示例性的，在本实施例中通过修改机床T图，当将报警信息输入到机床端后后，机床端上会显示报警内容。其中，T图是机床控制器中的运行程序，有的机床没有提供机床工作模式的点位或者地址，通过修改机床的程序来进行输出。示例性的，在本实施例中还可以在机床端和机床撞机保护系统端对报警的类型进行扩展，例如短信报警、语音报警、PLC报警等等，最大限度第一时间通知相关人员发生机床撞机事件。
示例性的，在本实施例中还设置一上位机，所示上位机与控制单元通讯，用于为所述控制单元配置参数，并实时监控机床撞机保护数据。示例性的，在本实施例中所述配置参数包括但不限于振动数据的滤波参数、振动数据的边界参数设定、功率数据的滤波参数、功率数据的报警边界参数、电流监控，功率监控选项参数、报警类型设定(PLC报警，急停报警，三色灯报警，语音报警，短信报警等等)、报警时长设定(报警触发后的保持时间)。所述实时监控机床撞机保护数据，包括但不限于当前电流电压实时数据、振动实时数据、报警状态、历史报警记录等。示例性的，在本实施例中所述上位机包括但不限于手机、平板或其他智能终端。
本发明实施例提供的通过振动与负载实现机床撞机保护的系统实时监控机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据即负载数据，从振动和功率两个维度综合判断机床是否发生撞机，在判定发生机床撞机时触发机床撞机保护，准确率高，误报率低，提高了机床撞机保护的稳定性和可靠性，而且安装方便快捷，适宜推广应用。
实施例四
本实施例提供一种计算机可读存储介质，，该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)、磁盘或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，具体的，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现上述实施例一、实施例二任一所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的。
实施例五
本实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例一、实施例二任一所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由本申请的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种通过振动与负载实现机床撞机保护的方法，其特征在于，包括：
获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据；
对所述振动数据和功率数据进行融合处理；
判断所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；
若判断结果为是，则判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，其中，所述机床撞机保护包括但不限于机床停机。
2.根据权利要求1所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法，其特征在于，所述获取机床运动部件的振动数据，包括：
将振动传感器设置在所述机床运动部件上，其中，所述机床运动部件包括但不限于主轴、运动轴以及工作台面；
通过所述振动传感器实时采集机床运动部件的振动信号，并输出给振动信号AD采集模块；
所述振动信号AD采集模块对收到的振动信号进行模数转换后发送给控制单元的数据处理模块；
所述数据处理模块对收到的数据进行处理获得所需的振动数据。
3.根据权利要求2所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法，其特征在于，所述数据处理模块对收到的数据进行处理获得所需的振动数据，包括：
将机床撞机保护的响应时间、数据处理模块从振动信号AD采集模块收集数据的周期即每次开始采样到结束采样的时间均设为T；其中，在T时间内所述数据处理模块收集n组数据，所述n组数据中每组数据均由A、B、C三个方向的振动数据组成；
所述数据处理模块计算每次获取的n组数据的向量和数据X[n]，然后将所述向量和数据压入向量和队列，其中，
Figure FDA0003818927500000021
所述数据处理模块从所述向量和队列中读取最新的n组向量和数据和历史数据中的(m-n)组向量和数据，求取平均值UX[n]并依次压入均值队列；
所述数据处理模块从所述向量和队列中取最新的n组向量和数据，并从所述均值队列中取最新的n组数据，计算最新数据的第一次方差
Figure FDA0003818927500000022
Figure FDA0003818927500000023
所述数据处理模块计算向量和队列中最新m组数据的均值C：
Figure FDA0003818927500000024
4.根据权利要求3所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法，其特征在于，获取机床主轴电机的功率数据，包括：
将电流采集模块设置在机床主轴电机的供电电源线上；通过所述电流采集模块实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块；
采用如下两种方式的任一种实时采集所述机床主轴电机的电压信号，并输出给所述AD采集模块；其中，所述两种方式包括：一、通过电压采集模块实时采集所述机床主轴电机的电压信号；二、直接采集所述机床主轴电机的相电压信号或线电压信号；
所述电流电压AD采集模块对收到的电流信号和电压信号进行模数转换，并将转换后的数据发送给控制单元的数据处理模块；
所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率数据。
5.根据权利要求4所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法，其特征在于，所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率值，之后还包括：
所述数据处理模块将所述功率值压入功率值队列；
所述数据处理模块从所述功率值队列中读取最新的n个功率值和历史数据中(m-n)个功率值，求取平均值UY[n]并依次压入均值队列；
所述数据处理模块从所述功率值队列中取最新的n个功率值，并从所述均值队列中取最新的n个均值，计算最新数据的第一次方差β[n]：
Figure FDA0003818927500000031
所述数据处理模块计算功率值队列中最新m个功率值的均值D：
Figure FDA0003818927500000032
6.根据权利要求5所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法，其特征在于，所述对所述振动数据和功率数据进行融合处理，包括：
数据处理模块根据向量和队列中最新m组数据的均值C和功率值队列中最新m个功率值的均值D，计算机床撞机保护判断中振动数据与功率数据的权重比：
Figure FDA0003818927500000033
b为常数；
数据处理模块计算最新n组数据的融合状态：
Figure FDA0003818927500000034
其中，X[n]为最新n组振动数据的向量和数据，Y[n]为与振动数据对应的最新n组功率数据，a为权重比C/D，b为常数，
Figure FDA0003818927500000035
为最新的n组振动数据的第一次方差，β[n]为最新的n组功率数据的第一次方差。
7.一种通过振动与负载实现机床撞机保护的系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取机床运动部件的振动数据和机床主轴电机的功率数据；
融合计算模块，用于对所述振动数据和功率数据进行融合处理；
判断模块，用于所述融合处理的结果是否不小于预设的撞机报警边界值；
执行模块，用于判断模块判断结果为是时，判定发生机床撞机事件，触发机床撞机保护，其中，所述机床撞机保护包括但不限于机床停机。
8.根据权利要求7所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的系统，其特征在于，所述获取模块包括：
振动传感器，设置在所述机床运动部件上，通过所述振动传感器实时采集机床运动部件的振动信号，并输出给振动信号AD采集模块；
振动信号AD采集模块对收到的振动信号进行模数转换后发送给控制单元的数据处理模块；
电流采集模块，设置在机床主轴电机的供电电源线上，用于实时采集所述机床主轴电机的电流信号，并输出给电流电压AD采集模块；
电流电压AD采集模块，用于对收到的电流信号、电压信号进行模数转换，并将转换后的数据发送给控制单元；
控制单元，一方面通过数据处理模块对振动信号AD采集模块发送的数据进行处理获得所需的振动数据，另一方面通过所述数据处理模块计算出所述机床主轴电机的电流值和电压值，并根据该电流值和电压值计算出所述机床主轴电机的功率数据；
所述融合模块、判断模块和执行模块均集成在所述数据处理模块中。
9.根据权利要求8所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的系统，其特征在于，所述通过振动与负载实现机床撞机保护的系统还包括：
上位机，用于为所述控制单元配置参数，并实时监控机床撞机保护数据。
10.一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执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现权利要求1至6任一项所述的通过振动与负载实现机床撞机保护的方法。
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