CN115616976A - 数控系统的健康度监控方法及健康度监控系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种数控系统的健康度监控方法及健康度监控系统，其中，健康度监控方法包括下位机采集动作设备的实施运行参数；下位机对实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据，实时运行参数和时域分析数据共同表征数控系统的实时状态信息；上位机接收下位机上传的实时状态信息；上位机基于预置的系统仿真模型对实时状态信息进行仿真，确定健康度基准；上位机对实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，并根据频域分析数据和健康度基准确定数控系统的健康度。维护人员可以通过上位机监控各个数控系统的健康度，解决了目前只能进行单个数控系统健康度评估和健康度评估复杂度高的问题。

Description

数控系统的健康度监控方法及健康度监控系统

技术领域

本申请涉及数控系统管控技术领域，尤其涉及一种数控系统的健康度监控方法及健康度监控系统。

背景技术

目前数控系统的复杂度越来越高，需要监控的参数越来越多，现有方案都是针对单个数控机床进行健康度评估，且健康度评估模型较为复杂，这些都造成数控机床的健康度评估速度较慢，无法及时给出优化措施，同时也仅能针对当前一个数控机床进行评估，当存在多个数控机床的时候，维护人员就需要逐个检查，显然不适于目前大规模生产的需求。

发明内容

本申请实施例提供了一种数控系统的健康度监控方法及健康度监控系统，能够通过上下位机的形式对多个数控系统进行监控，同时实时判断数控机床的健康度。

本申请第一方面的实施例提供了一种健康度监控方法，应用于数控系统的健康度监控系统，所述健康度监控系统包括上位机和多个下位机，其特征在于，所述方法包括：

所述下位机采集动作设备的实施运行参数；

所述下位机对所述实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据，所述实时运行参数和所述时域分析数据共同表征所述数控系统的实时状态信息；

所述上位机接收所述下位机上传的所述实时状态信息；

所述上位机基于预置的系统仿真模型对所述实时状态信息进行仿真，确定健康度基准；

所述上位机对所述实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，并根据所述频域分析数据和所述健康度基准确定所述数控系统的健康度。

根据本申请第一方面实施例的健康度监控方法，至少具有如下有益效果：下位机采集当前数控系统的实时运行参数并对实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据，将实时运行参数和时域分析数据作为实时状态信息上传到上位机；上位机可以连接多个下位机从而监控多个数控系统，在接收到下位机上传的实时状态信息后，基于系统仿真模型确定健康度基准，并对实时状态信息进行频域分析，得到频率分析数据，最后判断当前数控系统的实时状态信息对应何种健康度，从而为后续的维护维修策略提供依据。本申请包含两级数据采集和两级数据分析，通过时域分析、频域分析和健康度评估，维护人员可以通过上位机直接查看各个数控系统的健康度情况，实时判断数控机床的健康度，解决了目前只能进行单个数控系统健康度评估和健康度评估复杂度高的问题。

在一个实施例中，所述实时运行参数包括所述动作设备的实时位移、实时速度和实时加速度，所述时域分析数据包括位移误差、速度误差和加速度误差；所述时域分析数据通过以下步骤得到：

所述下位机获取轨迹规划中的目标位移、目标速度和目标加速度；

所述下位机根据所述目标位移和所述实时位移确定所述位移误差，根据所述目标速度和所述实时速度确定所述速度误差，根据所述目标加速度和所述实时加速度确定所述加速度误差。

在一个实施例中，所述健康度基准通过以下步骤得到：

所述上位机将所述实时状态信息输入到所述系统仿真模型，得到所述实时状态信息对应的测量项的中心值及预设阈值；

所述上位机根据各个测量项构建状态空间，并根据各个测量项的中心值及预设阈值在所述状态空间划定用于表征不同健康度基准的状态区域。

在一个实施例中，所述上位机根据所述频域分析数据和所述健康度基准确定所述数控系统的健康度，包括：

所述上位机根据频域分析数据和所述实时状态信息构建系统状态向量；

所述上位机对所述系统状态向量进行归一化处理，得到归一化系统状态向量，对各个测量项的中心值进行归一化处理，得到归一化中心值；

所述上位机计算所述归一化中心值和所述归一化系统状态向量之间的马氏距离；

所述上位机根据所述马氏距离和所述状态区域确定所述数控系统的健康度。

在一个实施例中，所述状态区域包括健康区域、亚健康区域和异常区域，所述上位机还包括状态数据库，所述状态数据库用于存储对应不同所述实时状态信息的维护维修策略；所述方法还包括：

当确定所述数控系统处于所述健康区域，所述上位机维持所述数控系统当前的工作状态；

当确定所述数控系统处于所述亚健康区域，所述上位机查询所述状态数据库以确定维护维修策略；

当确定所述数控系统处于所述异常区域，所述上位机停止所述数控系统的运行，并查询所述状态数据库以确定维护维修策略。

在一个实施例中，所述上位机还包括状态数据库和可视化界面，所述状态数据库用于存储对应不同所述实时状态信息的维护维修策略，所述可视化界面用于在同一页面上显示所述时域分析数据、所述频域分析数据、所述数控系统的健康度和所述维护维修策略中的至少一个。

本申请第二方面的实施例提供了一种数控系统的健康度监控系统，包括：

多个下位机，所述下位机包括第一数据采集模块和第一数据分析模块，所述第一数据采集模块用于获取动作设备的实时运行参数，所述第一数据分析模块用于对所述实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据；所述实时运行参数和所述时域分析数据共同表征所述数控系统的实时状态信息；

上位机，包括第二数据采集模块、仿真模块和第二数据分析模块，所述第二数据采集模块用于接收所述实时状态信息，所述仿真模块用于基于预置的系统仿真模型对所述实时状态信息进行仿真，确定健康度基准，所述第二数据分析模块用于对所述实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，并根据所述频域分析数据和所述健康度基准确定所述数控系统的健康度。

在一些实施例中，还包括驱动电机、驱动器和驱动器采集模块，所述动作设备与所述驱动电机机械连接，所述驱动器与所述驱动电机电连接并用于获取所述驱动电机的运动信息，所述驱动器采集模块用于采集所述驱动电机的电气信息和温度信息；还包括设备传感器，所述设备传感器用于采集所述动作设备的振动信息。

在一些实施例中，还包括输入输出模块，所述输入输出模块连接所述设备传感器、所述驱动器和所述驱动器采集模块，以接收并上传所述电气信息、所述温度信息、所述运动信息和所述振动信息，所述第一数据采集模块用于根据所述电气信息、所述温度信息、所述运动信息和所述振动信息生成所述实时运行参数。

在一些实施例中，所述上位机还包括状态数据库，所述状态数据库与所述第二数据分析模块连接，用于存储所述实时状态信息和对应不同所述实时状态信息的维护维修策略。

在一些实施例中，所述数控系统的内部总线为EtherCAT或者CANopen总线，所述下位机与所述上位机之间通过有线以太网连接或者无线网络连接。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本申请实施例提供的有线连接的健康度监控系统的架构图；

图2是本申请实施例提供的无线连接的健康度监控系统的架构图；

图3是本申请实施例提供的上位机的人机交互界面示意图；

图4是本申请实施例提供的健康度监控的控制方法的整体流程图；

图5是本申请实施例提供的上位机和下位机之间数据交互的示意图；

图6是本申请实施例提供的第一数据分析模块进行时域分析的流程图；

图7是本申请实施例提供的下位机进行数据分析和执行优化处理措施的流程图；

图8是本申请实施例提供的上位机进行频域分析得到的频谱图；

图9是本申请实施例提供的系统仿真确定状态区域的流程图；

图10是本申请实施例提供的状态空间示意图；

图11是本申请实施例提供的判断数控系统健康度的流程图；

图12是本申请实施例提供的上位进行数据分析和执行优化处理措施的流程图；

图13是本申请实施例提供的控制器的结构连接图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

在本申请的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

数控系统是数字控制系统的简称，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。在工业应用上，数控系统及相关的自动化产品主要是为数控机床配套。数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品：数控系统装备的机床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。

数控机床通常具有多个动作装置(例如机械手)，每个动作装置可以通过一个单独的伺服电机控制，根据伺服电机的运动参数，动作装置可以实现不同的功能，包括移动、旋转、抓取、注液等等。通过伺服系统对数控机床的各个动作装置进行控制，能够实现复杂的生产和加工。

随着工业技术的不断发展，数控系统的复杂度越来越高，为了保证生产顺利进行，需要考虑数控系统工作时候的稳定性。通过评估数控机床的健康度，维护人员可以提前知道数控机床可能出现或者已经出现的故障，从而对数控机床进行维护或者维修，保证生产的顺利进行。

目前针对数控机床的健康度评估的方式较为复杂，建立的模型都比较复杂、计算量大，需要大量的数据训练模型，而且这些方法采用外挂式的数据采集和分析方法，加大了维护维修的处理难度，数据采集不全面，并且仅仅局限于单个数控机床健康度的评估。对于多个数控机床的情况，每个数控机床都输出相应的健康度分析结果，使得健康度评估过程变得更加复杂，影响维护人员的判断。

基于此，本申请实施例提供了一种数控系统的健康度监控方法及健康度监控系统，通过上位机连接对应数控系统的下位机，从而可以通过上位机挂载多个下位机进行健康度评估，另一方面，上位机和下位机之间利用两级数据采集和两级数据分析，可以降低健康度评估的复杂度。

下面结合附图进行说明：

参照图1，本申请实施例提供的一种数控系统的健康度监控系统，包括

多个下位机，下位机包括第一数据采集模块和第一数据分析模块，第一数据采集模块用于获取动作设备的实时运行参数，第一数据分析模块用于对实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据；实时运行参数和时域分析数据共同表征数控系统的实时状态信息；

上位机，包括第二数据采集模块、仿真模块和第二数据分析模块，第二数据采集模块用于接收实时状态信息，仿真模块用于基于预置的系统仿真模型对实时状态信息进行仿真，确定健康度基准，第二数据分析模块用于对实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，并根据频域分析数据和健康度基准确定数控系统的健康度。

动作设备用于执行实际的生产动作，例如动作设备为注塑机械手，则注塑机械手能够执行注塑等相关动作。下位机用于控制数控系统运行，发送控制参数和指令等，还可以将收集的运行数据发送到上位机。上位机用于向下位机下发指令，这些指令可以是控制指令，也可以是获取指令，下位机收到控制指令后能够根据控制指令执行相应的动作，下位机收到获取指令后能够根据获取指令采集实时参数并将实时参数上传到上位机，下位机也可以主动发送状态信息或者警报信息给上位机，因此上位机和下位机之间通过特定的通信协议进行通信，由此上位机可以通过星形连接等方式连接多个下位机，实现多个数控系统的控制。

对于本申请的健康度监控系统，在架构上采用上位机连接多个数控系统，从而实时评估多个数控系统的健康度。上位机可以是服务器，下位机可以是示教器、工控电脑或者控制平板。以示教器为例，示教器是进行机器人手动操纵、程序编写、参数配置以及监控用的装置，是机器人控制系统的核心部件，是一个用来注册和存储机械运动或处理记忆的设备，该设备是由电子系统或计算机系统执行的。通过示教器方便用户对机器人的运行进行控制和修改机器人的运行程序。上位机通过采集示教器反馈回来的各种状态信息和运行参数，能够方便对各个机器人的健康度进行分析和评估。

具体来说，在下位机一侧，通过第一数据采集模块和第一数据分析模块对健康度相关的数据进行初步处理。第一数据采集模块按照一定采样频率，周期性采集数控系统运行过程的原始数据，即实时运行参数，其中，实时运行参数可以包括电气信息、温度信息、运动信息和振动信息。这几个信息的详细获取过程将在后面详述。第一数据分析模块将第一数据采样模块采集得到的实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据。时域分析数据是根据原始数据进行计算得到的数据，同样可以用来表征动作设备当前的运行状态，因此下位机将实时运行参数和时域分析数据作为数控系统的实时状态信息上传到上位机。

多个下位机向上位机上传各自的实时状态信息，上位机根据接收到的实时状态信息进行数控系统的健康度评估。上位机通过第二数据采集模块、仿真模块和第二数据分析模块实现健康度分析和评估。第二数据采集模块周期性采集工厂内各个数控系统的实时状态信息，包括表示原始数据的实时运行参数和表示时域分析结果的时域分析数据。基于采集的实时状态信息，在仿真模块的系统仿真模型内，进行多个维度的仿真，结合数控系统的指标，确定数控系统运动过程中，各个维度参数的中心值和正常取值范围，从而确定数控系统的健康度基准，第二数据分析模块基于频域分析数据和健康度基准进行运算，确定数控系统的健康度。

上述两级数据采集和两级数据分析能够实现上位机统筹各个数控系统健康度的方案，维护人员通过上位机可以容易监控到各个数控系统当前的健康度，并且两级数据采集和两级数据分析也减轻了上位机的健康度分析负担，降低了健康度分析评估的复杂度，提高了监控效率，便于维护人员根据健康度对数控系统进行维护。其中，第一数据采集模块汇总对应的数控系统的参数，第二数据采集模块则汇总各个数控系统的参数，第一数据分析模块从时域对参数进行分析，从而为上位机提供更多、更直接的参数，第二数据分析模块从频域对参数进行分析，并基于仿真结果确定数控系统的健康度。关于具体的数据分析过程，将在后面进行详述，此处先着重说明健康度监控系统的架构。

本申请实施例的系统还包括驱动电机、驱动器和驱动器采集模块，动作设备与驱动电机机械连接，驱动器与驱动电机电连接并用于获取驱动电机的运动信息，驱动器采集模块用于采集驱动电机的电气信息和温度信息；本申请实施例的系统还包括设备传感器，设备传感器用于采集动作设备的振动信息。

如前可知，动作设备可以包括多个动作装置(动作设备为机械臂，则动作设备包括多个关节)，同样地，本申请的每一个动作设备(图1中以注塑机械手表示)也可以对应多个驱动电机(图1中以伺服电机表示)，每个驱动电机设置一个驱动器(图1中以伺服驱动模块表示)，驱动器采集模块(图1未标示，可以集成在驱动器中)可以与驱动器一一对应，也可以通过少数一个或几个驱动器采集模块对应数量更多的驱动器。其中，驱动器与驱动电机信号连接并输出动作设备的运动信息，驱动器采集模块用于实时采集驱动电机的电气信息和温度信息，设备传感器用于采集动作设备的振动信息，运动信息和振动信息构成动作设备的实时状态信息。驱动器可以监控驱动电机的实时运行情况，生成对应的动作设备的运动信息，这些运动信息包括但不限于以下数据：动作设备的实时反馈位移、实时反馈速度、实时反馈加速度以及运行状态码(包括错误码等)。驱动器采集模块也可以监控驱动电机的实时运行情况，主要涉及电气信息和温度信息，电气信息包括但不限于电机的相电流，温度信息包括但不限于电机板卡温度和驱动器工作温度。设备传感器主要用于采集动作设备的运动过程中的机械振动数据，即振动信息包括但不限于以下数据：电机振动数据和动作设备的机械轴振动数据。这些运动信息和振动信息上传到上位机，上位机结合运动信息、电气信息、温度信息、振动信息和实际的用户指令，计算动作设备的运动轨迹，从而提高协同工作的精确度。

为了提高采集数据的效率，下位机和上位机之间可以设置输入输出模块，用于上传采集的数据。输入输出模块连接设备传感器、驱动器和驱动器采集模块，以接收并上传电气信息、温度信息、运动信息和振动信息，第一数据采集模块用于根据电气信息、温度信息、运动信息和振动信息生成实时运行参数。输入输出模块还连接到上位机，以向上位机发送实时状态信息以及接收上位机下发的指令。输入输出模块在图1中以I/O模块表示，I/O模块连接伺服驱动模块和设备传感器，然后将采集的数据汇总到上位机，还可以接收上位机下发的指令，然后通过执行器下发对应的动作设备执行。

值得注意的是，上位机还包括状态数据库，状态数据库与第二数据分析模块连接，用于存储实时状态信息和对应不同实时状态信息的维护维修策略。由此可知，第二数据采集模块每次获得新的实时状态信息，状态数据库可以将该实时状态信息存储起来，作为能被以后查询的历史状态信息。状态数据库还可以存储维护维修策略，维护维修策略可以是由专家针对不同系统状态设定的策略，也可以是上位机根据当前系统状态自动设定的策略，这些维护维修策略与实时状态信息构成键值对，一同存储在状态数据库。因此在实际工作过程中，上位机在分析评估数控系统的当前健康度时，可以参考状态数据库中的历史状态信息，从而可以快速得出数控系统的当前健康度情况，也可以直接得出对应的维护维修策略，降低上位机进行健康度评估的复杂度，加快了面对多个数控系统场景下的健康度评估速度。

上位机和下位机之间通过工业总线连接或者通过特定的通信协议进行通信。例如，数控系统的内部总线为EtherCAT或者CANopen总线(其架构参照图1和图2所示)，下位机与上位机之间通过有线以太网连接或者无线网络连接(其架构参照图1和图2所示)。

在一个实施例中，上位机还包括数据可视化模块，用于向维护人员展示相关的监控数据。在实际应用中，数据可视化模块可以是显示屏，显示屏提供人机交互界面。参照图3所示，人机交互界面可以显示但不限于以下显示区域：健康度评估显示区域、优化措施显示区域、时域分析曲线显示区域、频域分析曲线显示区域和状态数据库查询入口区域。可以理解的是，显示屏可以是触摸屏，维护人员直接通过触摸屏进行相关操作，显示屏也可以是普通的显示器，维护人员通过其他输入设备(如鼠标键盘)进行相关操作，在此不作限定。

针对上述健康度监控系统，本申请还提供了一种健康度监控方法，应用于数控系统的健康度监控系统，健康度监控系统包括上位机和多个下位机，控制方法包括但不限于以下步骤：

步骤S100，下位机采集动作设备的实施运行参数；

步骤S200，下位机对实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据，实时运行参数和时域分析数据共同表征数控系统的实时状态信息

步骤S300，上位机接收下位机上传的实时状态信息；

步骤S400，上位机基于预置的系统仿真模型对实时状态信息进行仿真，确定健康度基准；

步骤S500，上位机对实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，并根据频域分析数据和健康度基准确定数控系统的健康度。

健康度监控系统的架构可以参照图1和图2所示的架构，具体的架构连接方式也可以参照前述健康度监控系统的说明，在此不再重复一次。针对监控系统的控制方法，可以参照图5所示的数据交互流程。具体来说，第一数据采集模块通过各种传感器或模块获取原始的测量数据，包括：通过驱动器获取动作设备的运动信息，通过驱动器采集模块获取动作设备的电器信息和温度信息，通过设备传感器获取动作设备的振动信息，第一数据采集模块将运动信息、电气信息、温度信息和振动信息发送到第二数据分析模块和上位机。第二数据分析模块对运动信息、电气信息、温度信息和振动信息进行时域分析，得到时域分析数据，并把时域分析数据发送到上位机。

上位机通过第二数据采集模块按周期性获取上述实时运行参数和时域分析数据，得到用于健康度分析评估的实时状态数据。然后通过仿真模块中的预置的系统仿真模型对实时状态数据进行仿真，结合数控系统指标，确定动作设备在运动过程中，各个维度测量项的中心值及正常取值范围，从而确定健康度基准。之后第二数据分析模块还对实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，根据各个测量项与健康度基准之间的差距，最终确定数控系统的健康度情况。

在这个过程中，上位机还设置有状态数据库，状态数据库用于存储对应不同实时状态信息的维护维修策略。第二数据采集模块每次获得新的实时状态信息，状态数据库可以将该实时状态信息存储起来，作为能被以后查询的历史状态信息。在健康度分析过程中，通过查询状态数据库，可以快速得出数控系统的当前健康度情况，也可以直接得出对应的维护维修策略。

为了方便后面说明健康度分析评估用到的各个测量项，通过下面表1展示了设备原始运行数据。

表1.数控系统的测量项分类

参照图6所示，对于时域分析过程，具体可以通过以下方式得到：

步骤S210，下位机获取轨迹规划中的目标位移、目标速度和目标加速度；

步骤S220，下位机根据目标位移和实时位移确定位移误差，根据目标速度和实时速度确定速度误差，根据目标加速度和实时加速度确定加速度误差。

下位机的第一数据采集模块周期性采集如表1所示的原始运行数据，并进行缓存。其中第一数据分析模块针对反馈的位移、速度和加速度进行时域分析，以及提供性能优化分析。时域分析中，获取上位机(如示教器)轨迹规划的目标位移、目标速度和目标加速度，然后将其分别与实时位移、实时速度和实时加速度做差，计算得到位移、速度和加速度的误差数据，如下式表示：

Δ＝|S_p-S_f|

其中，S_p为轨迹规划中的位移/速度/加速度，S_f为实时反馈的位移/速度/加速度，Δ为位移/速度/加速度的误差，Δ作为时域分析数据。

由上式在时域内进一步判断位移/速度/加速度的误差是否存在毛刺点，例如当Δ>T，T表示预设的毛刺点阈值，当位移/速度/加速度的误差大于阈值T，则表示动作设备存在不稳定的情况。

在第一数据分析模块中，基于以下两个规则做性能优化：

①计算得到的位移/速度/加速度的误差存在毛刺点；

②由加速度传感器测量的实时振动幅度超过振动幅度阈值。

如果上述①②情况存在任意一种，则数控系统可以降低电机运动的加速度的最大值或者降低电机运动的急动度(加加速度，表示加速度的变化速率)的最大值，又或者将加速度的最大值和急动度最大值都降低。如果上述①②情况均不存在，则数控系统可以提高加速度的最大值或者提高急动度最大值。

可以理解的是，上述加速度和急动度的调整都属于数控系统自身根据实际情况进行调整的优化处理措施，并可以将该优化处理措施相关的信息显示在下位机上。以下位机为示教器为例，示教器通常包括显示屏，用于显示数控系统的各种数据和接收用户的设定。在下位机指示数控系统执行该优化处理措施的时候，示教器可以通过该显示屏显示优化处理措施的相关信息。具体的流程可以参照图7所示。

第一数据采集模块缓存的实时运行参数以及第一数据分析模块分析得到的时域分析数据，都按周期上传到上位机，上位机的第二数据采集模块则按周期采集下位机上传的实时运行参数和时域分析数据，它们作为实时状态数据用于后续的健康度评估。

第二数据分析模块可以根据第二数据采集模块接收到的实时状态数据进行时域分析。具体来说，在频域内，对实时位移、实时速度和实时加速度进行快速傅里叶变换，对变换得到的频谱进行频谱分析，计算扰动频率，如图8所示。图8中的两个尖端表示扰动频率。

接着可以进行系统仿真。参照图9所示，上述步骤S400中上位机基于预置的系统仿真模型对实时状态信息进行仿真，确定健康度基准，具体包括以下步骤：

步骤S410，上位机将实时状态信息输入到系统仿真模型，得到实时状态信息对应的测量项的中心值及预设阈值；

步骤S420，上位机根据各个测量项构建状态空间，并根据各个测量项的中心值及预设阈值在状态空间划定用于表征不同健康度基准的状态区域。

基于用户指令，第二数据采集模块将实时状态数据发送到仿真模块，仿真模块根据内部预置的系统仿真模型对实时状态数据进行仿真，包括对运动信息、振动信息、电气信息、温度信息以及时域分析数据(可认为是上述的误差数据Δ)进行仿真，结合数控系统指标(如数控系统的型号、标定参数等)确定动作设备在运动过程中，实时状态数据各个测量项的中心值和预设阈值(如正常取值范围)，同时根据各个测量项构建状态空间，这个状态空间一般是多维的，维度数量根据实时状态数据中不同测量项的种类或者个数确定。然后根据各个测量项的中心值划定多个表征不同健康度的状态区域。参照图10所示，图10仅以三维坐标系表示三个不同的健康度状态区域，但实际维度更多情况下状态空间并不能如图10的形式。

参照图11，上述步骤S500的根据频域分析数据和健康度基准确定数控系统的健康度具体可以包括以下步骤：

步骤S510，上位机根据频域分析数据和实时状态信息构建系统状态向量；

步骤S520，上位机对系统状态向量进行归一化处理，得到归一化系统状态向量，对各个测量项的中心值进行归一化处理，得到归一化中心值；

步骤S530，上位机计算归一化中心值和归一化系统状态向量之间的马氏距离；

步骤S540，上位机根据马氏距离和状态区域确定数控系统的健康度。

具体来说，上位机构建状态空间中多维向量。其中实时状态数据的多维向量以下式表示：

X＝[A_i,T_i,I_i,Δ_i,...]^T

其中，A_i表示电机的第i个振动幅度数据，T_i表示电机的第i个温度值，I_i表示电机的第i个电流值，Δ_i表示第i个位移/速度/加速度的误差。

对上式进行归一化处理，得到状态空间内归一化的多维向量，表示为：

由上述仿真结果可以知道各个测量项的正常取值范围，那么在满足健康度要求的取值范围内，可以确定一个归一化的基准中心值，表示为

计算针对某一数控系统的归一化的多维向量

与基准中心值

之间的马氏距离，如下式：

其中D_M(X)表示数控系统对应的马氏距离，将计算得到的马氏距离D_M(X)进行聚类分析，并与预设阈值进行比较，从而确定该数控系统的健康度。本申请实施例中预设阈值为D_w和D_e，当D_M<D_w，表示该数控系统的健康度处于健康区域，当D_w<D_M<D_e，表示该数控系统的健康度处于亚健康区域，当D_M>D_e，表示该数控系统的健康度处于异常区域。

如前说明，上位机还包括状态数据库，状态数据库用于存储对应不同实时状态信息的维护维修策略，那么在确定数控系统的健康度之后，还可以执行以下步骤之一：

当确定数控系统处于健康区域，上位机维持数控系统当前的工作状态；

当确定数控系统处于亚健康区域，上位机查询状态数据库以确定维护维修策略；

当确定数控系统处于异常区域，上位机停止数控系统的运行，并查询状态数据库以确定维护维修策略。

具体来说，当数控系统在健康状态(健康区域)下，数控系统可以满负荷运行，无需维护维修；当数控系统在亚健康状态(亚健康区域)下，数控系统运行受限，需定期维修维护，通过查询状态数据库，预测出现概率大的故障，给出维修维护措施及维修维护频率；当数控系统在异常状态(异常区域)下，数控系统需立即停止运行，进行维修维护，通过查询状态数据库，给出维修维护措施。

另外，还可以将健康度分析结果及优化措施显示在可视化界面上。参照图3所示，该可视化界面用于在同一页面上显示时域分析数据、频域分析数据、数控系统的健康度和维护维修策略中的至少一个，以供生产管理和维修维护人员决策用。对于上位机的健康度整体分析评估流程可以参照图12所示。

通过上述详细控制过程，上位机可以连接多个下位机从而监控多个数控系统，在接收到下位机上传的实时状态信息后，基于仿真模块确定健康度基准，并通过第二数据分析模块进行频域分析，得到频率分析数据，最后判断当前数控系统的实时状态信息对应何种健康度，从而为后续的维护维修策略提供依据。本申请包含两级数据采集和两级数据分析，通过时域分析、频域分析和健康度评估，维护人员可以通过上位机直接查看各个数控系统的健康度情况，解决了目前只能进行单个数控系统健康度评估和健康度评估复杂度高的问题。

下面通过一个具体示例说明本申请的数控系统的健康度监控系统。

上位机通过路由器或者交换机以Ethernet的方式连接到下面多个下位机，下位机用于监测和控制数控系统，此时上位机作为服务器接入网络。数控系统包括注塑机械手、连接注塑机械手的多个伺服电机、对应每个伺服电机的伺服驱动模块、设备传感器、I/O模块和下位机，数控系统的内部总线为EtherCAT总线或者CANopen总线，下位机在本示例中为示教器，I/O模块连接伺服驱动模块和设备传感器以接收注塑机械手的实时运行参数(包括电机振动、机械轴振动、板卡发热、驱动器发热、电机相电流、位移、速度、加速度等)，实时运行参数通过串口线传输到I/O模块，I/O模块将实时运行参数上传到示教器；另外，示教器的控制芯片内运行第一数据采集模块和第一数据分析模块，第一数据采集模块周期性采集I/O模块上传的实时运行参数，并进行缓存。在第一数据分析模块，对反馈的位移、速度、加速度信息进行时域和性能优化分析。在时域内，将示教器轨迹规划的指令位移/速度/加速度与I/O模块上传的反馈位移/速度/加速度做差，计算位移/速度/加速度误差。如下式：

Δ＝|S_p-S_f|

其中，S_p为轨迹规划中的位移/速度/加速度，S_f为实时反馈的位移/速度/加速度，Δ为位移/速度/加速度的误差，Δ作为时域分析数据。

由上式在时域内进一步判断位移/速度/加速度的误差是否存在毛刺点。

毛刺点：ifΔ＞阈值T

在第一数据分析模块中，基于以下两个规则做性能优化：

①计算得到的位移/速度/加速度的误差存在毛刺点；

②由加速度传感器测量的实时振动幅度超过振动幅度阈值。

如果上述①②情况存在任意一种，则数控系统可以降低电机运动的加速度的最大值或者降低电机运动的急动度的最大值，又或者将加速度的最大值和急动度最大值都降低。如果上述①②情况均不存在，则数控系统可以提高加速度的最大值或者提高急动度最大值。

之后，示教器将实时运行参数和时域分析数据上传到上位机。

上位机作为服务器包括第二数据采集模块、仿真模块、第二数据分析模块、状态数据库和可视化界面。第二数据采集模块周期性采集示教器上传的实时运行参数和时域分析数据，整合成实时状态信息。基于采集的实时状态信息，在系统仿真模型内，进行振动，热量，和运动误差等的仿真，结合系统指标，确定系统运动过程中，振动幅值Ai，温度值Ti，相电流值Ii，运动误差Δi等的中心值及正常取值范围。状态数据库内，存储各数控系统的历史状态信息，包括振动，温度，运动误差等信息，并对相关信息及时更新。在第二数据分析模块，对采集的各数控系统实时信息，进行频域分析和健康度评估，并给出优化措施。在数据可视化模块，图形化显示时域/频域分析，健康度评估结果，系统状态变化趋势和预测结果，及优化措施。

在第二数据分析模块，在频域内，对反馈的位移/速度/加速度，基于快速傅里叶变换，做频谱分析，计算扰动频率。基于频域分析，给出数控系统运行的优化措施，如优化滤波器滤波参数，优化数控系统的运行参数(速度，加速度，加加速度最大值)，对数控系统进行相应维修维护等。

要对各数控系统做健康度评估，首先对采集的实时状态信息，构建系统状态向量，如下式所示：

X＝[A_i,T_i,I_i,Δ_i,...]^T

其中，A_i表示电机的第i个振动幅度数据，T_i表示电机的第i个温度值，I_i表示电机的第i个电流值，Δ_i表示第i个位移/速度/加速度的误差。

对上式进行归一化处理，得到状态空间内归一化的多维向量，表示为：

对应地，由机械的，热的，电的，及其他测量项构成了一个N维的系统状态空间。如图10所示。然后，基于系统仿真模型输出或系统指标，确定各项测量值的正常取值范围。同时，确定在状态空间，健康区域归一化的中心值

计算针对某一数控系统的归一化的多维向量

与基准中心值

之间的马氏距离，如下式：

其中D_M(X)表示数控系统对应的马氏距离。

将计算得到的马氏距离D_M(X)进行聚类分析，并与预设阈值进行比较，可得到如下判断：

依据健康评估结果，可确定目前各机台所处的状态：健康状态，亚健康状态，或异常状态。进而，由第二数据分析模块给出优化措施：

当数控系统在健康状态下，数控系统可以满负荷运行，无需维护维修；

当数控系统在亚健康状态下，数控系统运行受限，需定期维修维护，通过查询状态数据库，预测出现概率大的故障，给出维修维护措施及维修维护频率；

当数控系统在异常状态下，数控系统需立即停止运行，进行维修维护，通过查询状态数据库，给出维修维护措施。

将第二数据分析模块的分析结果及优化措施在可视化界面上显示，供生产管理和维修维护人员决策用。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (11)

1.一种健康度监控方法，应用于数控系统的健康度监控系统，所述健康度监控系统包括上位机和多个下位机，其特征在于，所述方法包括：

所述下位机采集动作设备的实施运行参数；

所述下位机对所述实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据，所述实时运行参数和所述时域分析数据共同表征所述数控系统的实时状态信息；

所述上位机接收所述下位机上传的所述实时状态信息；

所述上位机基于预置的系统仿真模型对所述实时状态信息进行仿真，确定健康度基准；

所述上位机对所述实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，并根据所述频域分析数据和所述健康度基准确定所述数控系统的健康度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时运行参数包括所述动作设备的实时位移、实时速度和实时加速度，所述时域分析数据包括位移误差、速度误差和加速度误差；所述时域分析数据通过以下步骤得到：

所述下位机获取轨迹规划中的目标位移、目标速度和目标加速度；

所述下位机根据所述目标位移和所述实时位移确定所述位移误差，根据所述目标速度和所述实时速度确定所述速度误差，根据所述目标加速度和所述实时加速度确定所述加速度误差。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述健康度基准通过以下步骤得到：

所述上位机将所述实时状态信息输入到所述系统仿真模型，得到所述实时状态信息对应的测量项的中心值及预设阈值；

所述上位机根据各个测量项构建状态空间，并根据各个测量项的中心值及预设阈值在所述状态空间划定用于表征不同健康度基准的状态区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述上位机根据所述频域分析数据和所述健康度基准确定所述数控系统的健康度，包括：

所述上位机根据频域分析数据和所述实时状态信息构建系统状态向量；

所述上位机对所述系统状态向量进行归一化处理，得到归一化系统状态向量，对各个测量项的中心值进行归一化处理，得到归一化中心值；

所述上位机计算所述归一化中心值和所述归一化系统状态向量之间的马氏距离；

所述上位机根据所述马氏距离和所述状态区域确定所述数控系统的健康度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述状态区域包括健康区域、亚健康区域和异常区域，所述上位机还包括状态数据库，所述状态数据库用于存储对应不同所述实时状态信息的维护维修策略；所述方法还包括：

当确定所述数控系统处于所述健康区域，所述上位机维持所述数控系统当前的工作状态；

当确定所述数控系统处于所述亚健康区域，所述上位机查询所述状态数据库以确定维护维修策略；

当确定所述数控系统处于所述异常区域，所述上位机停止所述数控系统的运行，并查询所述状态数据库以确定维护维修策略。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上位机还包括状态数据库和可视化界面，所述状态数据库用于存储对应不同所述实时状态信息的维护维修策略，所述可视化界面用于在同一页面上显示所述时域分析数据、所述频域分析数据、所述数控系统的健康度和所述维护维修策略中的至少一个。

7.一种数控系统的健康度监控系统，其特征在于，包括：

多个下位机，所述下位机包括第一数据采集模块和第一数据分析模块，所述第一数据采集模块用于获取动作设备的实时运行参数，所述第一数据分析模块用于对所述实时运行参数进行时域分析，得到时域分析数据；所述实时运行参数和所述时域分析数据共同表征所述数控系统的实时状态信息；

上位机，包括第二数据采集模块、仿真模块和第二数据分析模块，所述第二数据采集模块用于接收所述实时状态信息，所述仿真模块用于基于预置的系统仿真模型对所述实时状态信息进行仿真，确定健康度基准，所述第二数据分析模块用于对所述实时状态信息进行频域分析，得到频域分析数据，并根据所述频域分析数据和所述健康度基准确定所述数控系统的健康度。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括驱动电机、驱动器和驱动器采集模块，所述动作设备与所述驱动电机机械连接，所述驱动器与所述驱动电机电连接并用于获取所述驱动电机的运动信息，所述驱动器采集模块用于采集所述驱动电机的电气信息和温度信息；还包括设备传感器，所述设备传感器用于采集所述动作设备的振动信息。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括输入输出模块，所述输入输出模块连接所述设备传感器、所述驱动器和所述驱动器采集模块，以接收并上传所述电气信息、所述温度信息、所述运动信息和所述振动信息，所述第一数据采集模块用于根据所述电气信息、所述温度信息、所述运动信息和所述振动信息生成所述实时运行参数。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述上位机还包括状态数据库，所述状态数据库与所述第二数据分析模块连接，用于存储所述实时状态信息和对应不同所述实时状态信息的维护维修策略。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数控系统的内部总线为EtherCAT或者CANopen总线，所述下位机与所述上位机之间通过有线以太网连接或者无线网络连接。

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