CN116939047A - 一种用于数控机床系统的数据智能通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据通信技术领域，提出了一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，包括：获取转速序列；对转速序列进行分解获取若干数据段，获取每个数据段的信号频率；根据数据段的信号频率获取初始压缩窗口，利用初始压缩窗口将每个数据段进行划分；根据每个数据段的划分窗口获取差异系数；根据差异系数获取最佳压缩窗口；根据最佳压缩窗口在数据段上的位置获取不同位置上的分离系数，根据分离系数获取最佳压缩窗口的最佳位置；根据最佳压缩窗口的最佳位置获取转速序列的压缩结果；根据压缩结果完成数据通信。本发明增强了LZ77算法的压缩效果，提高了压缩率。

Description

一种用于数控机床系统的数据智能通信方法

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，具体涉及一种用于数控机床系统的数据智能通信方法。

背景技术

数控机床在现代机械制造业中是一种重要设备，得到广泛的应用。由于机床在处理同一零件时，零件不规则形状会导致机床的转速发生改变，这是因为零件不同部位的切削深度，铣削宽度不同。但加工同一零件时，机床转速会呈现周期性的变化。针对数据周期性分布的特性，并且为了解决机床存储的较多数据导致进行数据分析和数据查找效率低下的问题，对机床的参数数据进行压缩。

一般针对周期性分布的数据可采用LZ77算法进行压缩。该算法预先设定一字典窗口和数据缓冲区，长度人为给定。将该窗口和缓冲区在源数据中进行滑动，将缓冲区中的数据与字典窗口的数据进行匹配，若匹配成功，采用一三元组进行编码输出该数据段，以此完成压缩。由于字典窗口的尺度很难确定，并且机床转速数据包含不同零件的数据导致存储的数据会有不同周期的变化，导致LZ77压缩效果很差。

发明内容

本发明提供一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，以解决压缩效果差的问题，所采用的技术方案具体如下：

本发明一个实施例提供了一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，该方法包括以下步骤：

根据采集的转速数据获取转速序列；

对转速序列进行分解获取若干数据段，获取每个数据段的信号频率；根据数据段的信号频率获取初始压缩窗口，利用初始压缩窗口将每个数据段进行划分；根据每个数据段的划分结果获取初始压缩窗口之间的差异系数；根据初始压缩窗口之间的差异系数获取最佳压缩窗口；

根据最佳压缩窗口在数据段上的位置获取不同位置上的分离系数，根据分离系数获取最佳压缩窗口的最佳位置；根据最佳压缩窗口的最佳位置使用LZ77压缩算法获取转速序列的压缩结果；

根据压缩结果进行通信。

优选的，所述根据采集的转速数据获取转速序列的方法为：

使用传感器每隔预设时间采集一个转速数据，将已经采集的转速数据构成一个时间序列，使用卡尔曼滤波对所述时间序列去噪获取转速序列。

优选的，所述对转速序列进行分解获取若干数据段，获取每个数据段的信号频率的方法为：

对转速序列使用连续小波变换获取转速序列多个信号频率，其中每个信号频率对应转速序列中的一个时间段，将所述每个时间段记为一个数据段。

优选的，所述根据数据段的信号频率获取初始压缩窗口，利用初始压缩窗口将每个数据段进行划分的方法为：

将所有数据段的信号频率中最小的信号频率大小作为初始压缩窗口的大小，将数据段使用初始压缩窗口的大小划分，第一个初始压缩窗口和数据段第一个转速数据对应，第二个初始压缩窗口和第一个初始压缩窗口末位相邻且不重叠，第三个初始压缩窗口和第二个初始压缩窗口末位相邻且不重叠，依此类推，将数据段中的所有转速数据放在初始压缩窗口中。

优选的，所述根据每个数据段的划分结果获取初始压缩窗口之间的差异系数的方法为：

将所有的初始压缩窗口从前向后排序进行标记，获取每个初始压缩窗口的序号，将第一个初始压缩窗口和最后一个初始压缩窗口的序号的均值向上取整得到标准序号，将标准序号对应的初始压缩窗口记为标准窗口；

令标准窗口和每个初始压缩窗口相同位置的转速数据作差，若差值不为0，则将所述相同位置标记，将标记的位置记为差异位置，将标准窗口与初始压缩窗口中差异位置的数量记为总差异数量，将总差异数量与转速数据的数量的比值记为标准窗口与初始压缩窗口之间的差异比，计算标准窗口和所有初始压缩窗口之间的差异比的均值记为差异系数。

优选的，所述根据初始压缩窗口之间的差异系数获取最佳压缩窗口的方法为：

差异系数大于预设差异阈值时，令初始压缩窗口的大小加一，之后使用新的压缩窗口将数据段划分获取差异系数，直到差异系数第一次小于预设差异阈值位置，此时的压缩窗口为最佳压缩窗口。

优选的，所述根据最佳压缩窗口在数据段上的位置获取不同位置上的分离系数的方法为：

利用最佳压缩窗口将数据段划分，将第一个最佳压缩窗口记为移动窗口，移动窗口在不同位置时，其余的最佳压缩窗口也跟着移动，第二个最佳压缩窗口与移动窗口的右侧相邻且不重叠，获取移动窗口与其余最佳压缩窗口的差异位置，将差异位置的数量与移动窗口内转速数据的数量的比值的均值记为移动窗口的分离系数。

优选的，所述根据分离系数获取最佳压缩窗口的最佳位置的方法为：

移动窗口从左向右移动每个位置获取一个分离系数，根据分离系数的获取顺序构建一个序列，将所述序列中相邻两个分离系数作差得到分离差值，将所有分离差值构成差值序列，将差值序列中分离差值的最大值对应的两个分离系数记为标准分离系数，将所述两个标准分离系数中最小的分离系数对应的位置记为移动窗口的最佳位置。

优选的，所述根据最佳压缩窗口的最佳位置使用LZ77压缩算法获取转速序列的压缩结果的方法为：

利用最佳压缩窗口以及其最佳位置使用LZ77算法对每个数据段进行压缩，不同的数据段对应不同的最佳压缩窗口，将转速序列压缩得到若干四元组，四元组包括偏移距离、匹配长度、下一个字符以及最佳压缩窗口的大小。

优选的，所述根据压缩结果进行通信的方法为：

将已经压缩后的数据通过ATM技术从输出端传输到输入端，在输入端将压缩数据解压完成数据通信。

本发明的有益效果是：本发明对机床转速源数据进行压缩时，机床在切割不同规则零件时转速表现出周期分布。对于此类周期性数据，通过对原始数据进行连续小波变换计算，得到局部周期分布数据对应的频率。据此将数据段划分，针对每个数据段划分的不同长度获取最佳压缩窗口，增大压缩概率；除此之外由于数据中存在噪声，因此获取最佳压缩窗口的最佳位置，实现是适应构建压缩窗口，并基于自适应压缩创库重新构建四元组对原始数据编码压缩，使LZ77压缩效果达到最大，提高了传统LZ77算法的压缩率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例所提供的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做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。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S001，根据采集的转速数据获取转速序列。

通过数控系统内部的传感器实时监测数控机床的工作状态，采集数控机床的转速，其中每1s采集一个转速数据，获取一个时间序列。

由于机床本身的震动、磨损会导致传感器中采集的所有转速数据中存在噪声，使用卡尔曼滤波对所有转速数据进行去噪，消除噪声和误差。

将去噪后的所有转速数据构成的时间序列记为转速序列。

至此，获取了转速序列。

步骤S002，对转速序列进行分解获取若干数据段，获取每个数据段的信号频率；根据数据段的信号频率获取初始压缩窗口，利用初始压缩窗口将每个数据段进行划分；根据每个数据段的划分窗口获取初始压缩窗口之间的差异系数；根据初始压缩窗口之间的差异系数获取最佳压缩窗口。

一般数控机床在切割零件时，是利用激光技术切割工作台上金属板，得到所需规格的零件。在切割一个零件时，在平滑部分机床转速基本不变，在凸、凹点转速出现变化。相同规格零件的转速变化趋势基本一致，并且机床在切割零件时是同规格全部切割完毕，再进行下一个规格的切割。导致转速数据在机床切割同规格数据时周期分布，切割下一个不同规格零件时，转速数据也是周期分布。

由于所获取的转速序列是由不同的规格零件的转速数据组成，对转速序列使用连续小波变换，获取其不同的信号频率和不同信号频率对应的时间段，将转速序列中每个时间段对应一个数据段，由于数据段每有相同的信号频率，因此数据段内对应一个周期，并获取每个数据段的信号频率。

在转速序列中获取最小信号频率，将该频率大小作为初始压缩窗口，将利用初始压缩窗口将转速序列的每个数据段进行划分，将第一个初始压缩窗口的第一位与数据段的第一位对应，之后令第二个初始压缩窗口首位与第一个初始压缩窗口末位相邻，将第三个初始压缩窗口首位与第二个初始压缩窗口末位相邻，依此类推，将每个数据段的数据都分在不同的初始压缩窗口内。

由于在机床启动时会具有缓冲速度，此时采集的数据不属于机床切割零件时的数据，因此转速序列的开始和结束部分都可能会具有噪声数据，将划分转速序列的所有初始压缩窗口进行标记，第一个初始压缩窗口标记为1，第二个初始压缩窗口标记为2，依此类推，将第一个初始压缩窗口和最后一个初始压缩窗口的标记的均值作为标准窗口，根据标准窗口来确定最佳窗口大小，若均值不为整数，则向上取整。

令标准窗口和其余每个初始压缩窗口进行对比，令标准窗口内每个转速数据与其余初始压缩窗口内对应的转速数据作差，若差值不为0，则说明标准窗口内的转速数据与其余初始压缩窗口内对应的转速数据具有差异，获取所有存在差异的转速数据，令有差异的转速数据的数量与初始压缩窗口内的转速数据的数量的比值记为差异比，将标准窗口与所有初始压缩窗口的差异比求均值获取差异系数。

在此设定差异阈值，若差异系数大于差异阈值，则认为初始压缩窗口并非最佳窗口，因此令初始压缩窗口大小加1，获取新的压缩窗口，令新的压缩窗口再次将数据段划分后获取差异系数，将差异系数与差异阈值比较，直到差异系数小于差异阈值时停止改变压缩窗口，此时得到的压缩窗口就是最佳压缩窗口，在本实施例中令差异阈值为0.2。值得说明的是，为了放置噪声的干扰，数据段内的第一个压缩窗口和最后一个压缩窗口不进行计算。

至此，获取了每个数据段的最佳压缩窗口。

步骤S003，根据最佳压缩窗口在数据段上的位置获取不同位置上的分离系数，根据分离系数获取最佳压缩窗口的最佳位置；根据最佳压缩窗口的最佳位置获取转速序列的压缩结果。

获取每个数据段的最佳压缩窗口后，利用最佳压缩窗口将每个数据段进行划分，数据段的开始存在噪声数据，因此获取的第一个最佳压缩窗口内包含了噪声数据，并非起始点，因此将数据段的第一个最佳压缩窗口给定一个移动范围找出起始点，将第一个最佳压缩窗口记为移动窗口。

在移动窗口的移动范围最大为最佳压缩窗口的长度，在移动窗口向后移动的过程中，其余的最佳压缩窗口也同时向后移动，移动窗口在不同位置时与其余最佳压缩窗口的转速数据进行标记，获取移动窗口与每个最佳压缩窗口具有差异的数据点，将具有差异的数据点与移动窗口内所有数据点的比值获取分离系数，公式如下：

式中，表示移动窗口与第a个最佳压缩窗口内具有差异的数据点，/>表示移动窗口内数据点的数量，/>表示数据段内最佳压缩窗口的数量，/>表示移动窗口的分离系数。

F越小时，此时移动窗口所在位置与其余窗口的相似度就越大，由于在经过噪声部分后，分离系数一直保持一个较低的值，将所有分离系数按照计算顺序获取一个序列，将序列中相邻两个分离系数作差得到差值序列，将差值序列中最大值对应的两个数据点位置提取出来，将两个位置中分离系数小的位置作为起始点位置。获取最佳压缩窗口以及起始点后也可以得到结束点的位置。

对于每个数据段都获取最佳压缩窗口的起始点和结束点的位置，将最佳压缩窗口放置在数据段上起始点和结束点的中间，将此时的最佳压缩窗口记为数据段的第一压缩窗口，从第一压缩窗口的位置开始使用LZ77编码对数据段进行压缩；使用传统LZ77算法进行压缩时会得到一个三元组。所述三元组为偏移距离set、匹配长度len、下一个字符。所述三个指标为LZ77算法中的公知指标，而在本实施例中，不同的数据段有不同的最佳压缩窗口和不同的位置，因此在传统算法中的三元组中加上字典的尺度构成四元组，即对一个数据段压缩时使用一个字典窗口，对另一个数据段压缩时使用另一个字典窗口。

由此获取了原始数据的压缩结果，由多个四元组构成的数据。

至此，获取了原始数据的压缩结果。

步骤S004，根据压缩结果完成数据通信。

根据对字典窗口的尺度自适应，对机床转速数据进行LZ77算法压缩后，对获取的压缩数据进行存储；将已经压缩后的数据通过ATM技术从输出端传输到输入端，在输入端将压缩数据解压完成数据通信。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

根据采集的转速数据获取转速序列；

对转速序列进行分解获取若干数据段，获取每个数据段的信号频率；根据数据段的信号频率获取初始压缩窗口，利用初始压缩窗口将每个数据段进行划分；根据每个数据段的划分结果获取初始压缩窗口之间的差异系数；根据初始压缩窗口之间的差异系数获取最佳压缩窗口；

根据最佳压缩窗口在数据段上的位置获取不同位置上的分离系数，根据分离系数获取最佳压缩窗口的最佳位置；根据最佳压缩窗口的最佳位置使用LZ77压缩算法获取转速序列的压缩结果；

根据压缩结果进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据采集的转速数据获取转速序列的方法为：

使用传感器每隔预设时间采集一个转速数据，将已经采集的转速数据构成一个时间序列，使用卡尔曼滤波对所述时间序列去噪获取转速序列。

3.根据权利要求1所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述对转速序列进行分解获取若干数据段，获取每个数据段的信号频率的方法为：

对转速序列使用连续小波变换获取转速序列多个信号频率，其中每个信号频率对应转速序列中的一个时间段，将所述每个时间段记为一个数据段。

4.根据权利要求1所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据数据段的信号频率获取初始压缩窗口，利用初始压缩窗口将每个数据段进行划分的方法为：

将所有数据段的信号频率中最小的信号频率大小作为初始压缩窗口的大小，将数据段使用初始压缩窗口的大小划分，第一个初始压缩窗口和数据段第一个转速数据对应，第二个初始压缩窗口和第一个初始压缩窗口末位相邻且不重叠，第三个初始压缩窗口和第二个初始压缩窗口末位相邻且不重叠，依此类推，将数据段中的所有转速数据放在初始压缩窗口中。

5.根据权利要求4所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据每个数据段的划分结果获取初始压缩窗口之间的差异系数的方法为：

将所有的初始压缩窗口从前向后排序进行标记，获取每个初始压缩窗口的序号，将第一个初始压缩窗口和最后一个初始压缩窗口的序号的均值向上取整得到标准序号，将标准序号对应的初始压缩窗口记为标准窗口；

令标准窗口和每个初始压缩窗口相同位置的转速数据作差，若差值不为0，则将所述相同位置标记，将标记的位置记为差异位置，将标准窗口与初始压缩窗口中差异位置的数量记为总差异数量，将总差异数量与转速数据的数量的比值记为标准窗口与初始压缩窗口之间的差异比，计算标准窗口和所有初始压缩窗口之间的差异比的均值记为差异系数。

6.根据权利要求1所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据初始压缩窗口之间的差异系数获取最佳压缩窗口的方法为：

差异系数大于预设差异阈值时，令初始压缩窗口的大小加一，之后使用新的压缩窗口将数据段划分获取差异系数，直到差异系数第一次小于预设差异阈值位置，此时的压缩窗口为最佳压缩窗口。

7.根据权利要求5所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据最佳压缩窗口在数据段上的位置获取不同位置上的分离系数的方法为：

利用最佳压缩窗口将数据段划分，将第一个最佳压缩窗口记为移动窗口，移动窗口在不同位置时，其余的最佳压缩窗口也跟着移动，第二个最佳压缩窗口与移动窗口的右侧相邻且不重叠，获取移动窗口与其余最佳压缩窗口的差异位置，将差异位置的数量与移动窗口内转速数据的数量的比值的均值记为移动窗口的分离系数。

8.根据权利要求7所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据分离系数获取最佳压缩窗口的最佳位置的方法为：

移动窗口从左向右移动每个位置获取一个分离系数，根据分离系数的获取顺序构建一个序列，将所述序列中相邻两个分离系数作差得到分离差值，将所有分离差值构成差值序列，将差值序列中分离差值的最大值对应的两个分离系数记为标准分离系数，将所述两个标准分离系数中最小的分离系数对应的位置记为移动窗口的最佳位置。

9.根据权利要求1所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据最佳压缩窗口的最佳位置使用LZ77压缩算法获取转速序列的压缩结果的方法为：

利用最佳压缩窗口以及其最佳位置使用LZ77算法对每个数据段进行压缩，不同的数据段对应不同的最佳压缩窗口，将转速序列压缩得到若干四元组，四元组包括偏移距离、匹配长度、下一个字符以及最佳压缩窗口的大小。

10.根据权利要求1所述的一种用于数控机床系统的数据智能通信方法，其特征在于，所述根据压缩结果进行通信的方法为：

将已经压缩后的数据通过ATM技术从输出端传输到输入端，在输入端将压缩数据解压完成数据通信。