CN116967844A - 一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统及其使用方法，其技术方案要点是：包括数据采集模块、云端服务器、第一刀具监测模块、第二刀具监测模块、位置调整模块、数据分析模块和刀具寿命评估预测模块，所述云端服务器通过安装的通讯模块与所述数据采集模块无线传输连接，所述数据分析模块和所述刀具寿命评估预测模块均与所述云端服务器网络连接，通过温度、噪声、振动频率以及实际使用画面，将该类多源数据融合对其工作状态进行分析，对照所积累的工艺知识库，判断异常情况，能够根据监测分析的实时结果，评估预测刀具寿命，方便刀具的更换，进行健康在线检测和维护，提高控机床刀具状态监测的精度。

Description

一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统及其使用 方法

技术领域

本发明涉及数控机床刀具状态监测技术领域，具体涉及一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统及其使用方法。

背景技术

随着现代工业信息化、智能化的不断推进，数控机床在工业生产中的应用越来越广泛，而其中刀具的精度对数控机床的综合性能与被加工件的质量起着决定性的作用。数控机床刀具的磨损会导致被加工表面尺寸精度下降、粗糙度增加，降低被加工件质量，还可能导致被加工件报废，增加生产成本。而如果能够对数控机床刀具的性能进行监控或预测就可以及时对刀具进行更换或维护，保证被加工件的质量，因此，对数控机床刀具性能监测的研究是很有意义的。

如授权公告号为CN113894617A的中国专利，其公开了一种基于机床振动信号的刀具状态监测系统及方法，上位机控制模块和数据采集模块；所述数据采集模块用于采集数控机床主轴的振动信号并发送给上位机控制模块；上位机控制模块根据振动信号判断刀具磨损情况和使用寿命并优化切削加工参数；所述上位机控制模块通过网线和数控机床控制系统相连，数控机床控制系统根据优化的切削加工参数进行机加工。

上述的这种基于机床振动信号的刀具状态监测系统具有振动曲线与标准特征值曲线进行对比，判断是否需要更换刀具、刀具磨损情况的优点；但是上述的这种机床振动信号的刀具状态监测系统旧存在着一些缺点，如：第一，刀具状态监测精度差，刀具使用过程中出现磨损，存在较多因素的影响，包括自身的结构强度以及加工工件的材料均能影响，仅仅通过机床振动信号监测刀具状态不精准，而且机床运行时，电机转动也会产生振动，会干扰判断，第二，不具备寿命预测功能，无法判断出刀具的剩余使用寿命，影响刀具的更换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，包括数据采集模块、云端服务器、第一刀具监测模块、第二刀具监测模块、位置调整模块、数据分析模块和刀具寿命评估预测模块，所述云端服务器通过设有的通讯模块与所述数据采集模块无线传输连接，所述数据分析模块和所述刀具寿命评估预测模块均与所述云端服务器网络连接，所述第一刀具监测模块、所述第二刀具监测模块和所述位置调整模块均通过导线与所述数据采集模块电性连接；

所述云端服务器用于远程接收和整理所述数据采集模块采集的刀具状态参数；

所述第一刀具监测模块用于对数控机床上的刀座上安装的刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态；

所述第二刀具监测模块用于对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测；

所述位置调整模块用于调节所述第二刀具监测模块的工作位置，根据所述刀具移动的位置调整所述第二刀具监测模块的监测位置；

所述数据分析模块用于根据所述云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析；

所述刀具寿命评估预测模块用于对所述数据分析模块分析的结果评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命。

优选的，所述第一刀具监测模块包括温度监测单元和振动监测单元，所述温度监测单元安装在所述刀座上，且用于实时监测所述刀具的工作温度，所述振动监测单元安装在所述刀具上，且用于监测所述刀具工作时产生的振动频率。

优选的，所述第二刀具监测模块包括图像监测单元和声音采集单元，所述图像监测单元用于实时采集所述刀具工作图像数据，观察所述刀具刀口以及刀身的完整程度，所述声音采集单元用于采集所述刀具工作时发出的声音，辅助判断所述刀具的工作状态，所述图像监测单元和所述声音采集单元均安装在所述位置调整模块上。

优选的，所述通讯模块采用WiFi模块、4G通信模组和5G通信模组中的一种。

优选的，所述位置调整模块包括水平调整单元、高度调整单元和角度调整单元，所述水平调整单元安装在所述数控机床上，所述高度调整单元安装在所述水平调整单元的移动端上，所述角度调整单元安装在所述高度调整单元的上方，所述图像监测单元和所述声音采集单元均安装在所述角度调整单元的转动端上。

优选的，所述云端服务器上设置有报警单元，所述报警单元用于发出报警信息，根据所述刀具寿命评估预测模块的预测结果发出报警信息。

优选的，所述数据分析模块中采用刀具性能状况函数来初步确定刀具的性能状况，所述刀具性能状况函数公式如下：

p(T,L,S)＝δ·log_αT+β·L+γ·S²

其中，P(T，L，S)表示刀具性能状况函数，T表示获取刀具使用时长、L表示机床主轴工作负荷、S表示刀具温度信号，δ，β，γ分别表示刀具使用时长、机床主轴工作负荷、刀具温度信号的权重系数，α为调节系数。

优选的，所述图像监测单元中设置有图像画质处理子单元，所述图像画质处理子单元用于优化模糊画面的画质。

优选的，所述图像画质处理子单元中采用采用中值滤波算法公式，由于优化画质，所述中值滤波的公式为：

G＝median[f(x-1，y-1)+f(x，y-1)+f(x+1，y+1)+f(x-1，y)+f(x，y)+f(x+1，y)+f(x-1，y+1)+f(x，y+1)+f(x+1，y+1)

其中：f(x，y)为模糊区域的影像像素点的灰度值，模糊区域的影像像素点周围九宫格内像素点灰度值，排列后将灰度值的中值作为有效值替换模糊区域的影像像素点；G为滤波后的像素点的灰度值，x，y为图像任一像素点的坐标。

一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统的使用方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将刀具安装在数控机床的刀座上，把第一刀具监测模块安装在刀座以及刀具上，对刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态；

步骤二、将位置调整模块安装在数控机床的侧表面上，根据刀具移动的位置调整第二刀具监测模块的监测位置，第二刀具监测模块对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测；

步骤三、数据采集模块采集第一刀具监测模块与第二刀具监测模块的监测数据，上传到云端服务器中，云端服务器对监测数据进行接收和整理，在发送到数据分析模块中；

步骤四、数据分析模块根据云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析，刀具寿命评估预测模块根据分析的结果，评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过第一刀具监测模块方便对数控机床上的刀座上安装的刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态，通过第二刀具监测模块方便对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测，通过位置调整模块能够调节第二刀具监测模块的工作位置，根据刀具移动的位置调整第二刀具监测模块的监测位置，通过数据分析模块对云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析，通过刀具寿命评估预测模块用于对数据分析模块分析的结果评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命，提高控机床刀具状态监测的精度，能够根据监测分析的结果，评估预测刀具寿命，方便刀具的更换。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的第一刀具监测模块流程框图；

图3为本发明的第二刀具监测模块流程框图。

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-图3，本发明提供一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统及其使用方法，其中技术方案如下：

包括数据采集模块、云端服务器、第一刀具监测模块、第二刀具监测模块、位置调整模块、数据分析模块和刀具寿命评估预测模块，云端服务器通过设有的通讯模块与数据采集模块无线传输连接，数据分析模块和刀具寿命评估预测模块均与云端服务器网络连接，第一刀具监测模块、第二刀具监测模块和位置调整模块均通过导线与数据采集模块电性连接；

云端服务器用于远程接收和整理数据采集模块采集的刀具状态参数；

第一刀具监测模块用于对数控机床上的刀座上安装的刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态；

第二刀具监测模块用于对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测；

位置调整模块用于调节第二刀具监测模块的工作位置，根据刀具移动的位置调整第二刀具监测模块的监测位置；

数据分析模块用于根据云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析；

刀具寿命评估预测模块用于对数据分析模块分析的结果评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命。

本实施例中，优选的，第一刀具监测模块包括温度监测单元和振动监测单元，温度监测单元安装在刀座上，且用于实时监测刀具的工作温度，振动监测单元安装在刀具上，且用于监测刀具工作时产生的振动频率。

本实施例中，优选的，第二刀具监测模块包括图像监测单元和声音采集单元，图像监测单元用于实时采集刀具工作图像数据，观察刀具刀口以及刀身的完整程度，声音采集单元用于采集刀具工作时发出的声音，辅助判断刀具的工作状态，图像监测单元和声音采集单元均安装在位置调整模块上。

本实施例中，优选的，通讯模块采用WiFi模块、4G通信模组和5G通信模组中的一种。

本实施例中，优选的，位置调整模块包括水平调整单元、高度调整单元和角度调整单元，水平调整单元安装在数控机床上，高度调整单元安装在水平调整单元的移动端上，角度调整单元安装在高度调整单元的上方，图像监测单元和声音采集单元均安装在角度调整单元的转动端上。

本实施例中，优选的，云端服务器上设置有报警单元，报警单元用于发出报警信息，根据刀具寿命评估预测模块的预测结果发出报警信息。

本实施例中，优选的，数据分析模块中采用刀具性能状况函数来初步确定刀具的性能状况，刀具性能状况函数公式如下：

p(T,L,S)＝δ·log_αT+β·L+γ·S²

其中，P(T，L，S)表示刀具性能状况函数，T表示获取刀具使用时长、L表示机床主轴工作负荷、S表示刀具温度信号，δ，β，γ分别表示刀具使用时长、机床主轴工作负荷、刀具温度信号的权重系数，α为调节系数。

本实施例中，优选的，图像监测单元中设置有图像画质处理子单元，图像画质处理子单元用于优化模糊画面的画质。

本实施例中，优选的，图像画质处理子单元中采用采用中值滤波算法公式，由于优化画质，中值滤波的公式为：

G＝median[f(x-1，y-1)+f(x，y-1)+f(x+1，y+1)+f(x-1，y)+f(x，y)+f(x+1，y)+f(x-1，y+1)+f(x，y+1)+f(x+1，y+1)

其中：f(x，y)为模糊区域的影像像素点的灰度值，模糊区域的影像像素点周围九宫格内像素点灰度值，排列后将灰度值的中值作为有效值替换模糊区域的影像像素点；G为滤波后的像素点的灰度值，x，y为图像任一像素点的坐标。

一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统的使用方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将刀具安装在数控机床的刀座上，把第一刀具监测模块安装在刀座以及刀具上，对刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态；

步骤二、将位置调整模块安装在数控机床的侧表面上，根据刀具移动的位置调整第二刀具监测模块的监测位置，第二刀具监测模块对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测；

步骤三、数据采集模块采集第一刀具监测模块与第二刀具监测模块的监测数据，上传到云端服务器中，云端服务器对监测数据进行接收和整理，在发送到数据分析模块中；

步骤四、数据分析模块根据云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析，刀具寿命评估预测模块根据分析的结果，评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命。

本发明的工作原理及使用流程：

本用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统使用时，将刀具安装在数控机床的刀座上，把第一刀具监测模块安装在刀座以及刀具上，对刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态，将位置调整模块安装在数控机床的侧表面上，根据刀具移动的位置调整第二刀具监测模块的监测位置，第二刀具监测模块对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测，数据采集模块采集第一刀具监测模块与第二刀具监测模块的监测数据，上传到云端服务器中，云端服务器对监测数据进行接收和整理，在发送到数据分析模块中，数据分析模块根据云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析，刀具寿命评估预测模块根据分析的结果，评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于，包括数据采集模块、云端服务器、第一刀具监测模块、第二刀具监测模块、位置调整模块、数据分析模块和刀具寿命评估预测模块，所述云端服务器通过设有的通讯模块与所述数据采集模块无线传输连接，所述数据分析模块和所述刀具寿命评估预测模块均与所述云端服务器网络连接，所述第一刀具监测模块、所述第二刀具监测模块和所述位置调整模块均通过导线与所述数据采集模块电性连接；

所述云端服务器用于远程接收和整理所述数据采集模块采集的刀具状态参数；

所述第一刀具监测模块用于对数控机床上的刀座上安装的刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态；

所述第二刀具监测模块用于对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测；

所述位置调整模块用于调节所述第二刀具监测模块的工作位置，根据所述刀具移动的位置调整所述第二刀具监测模块的监测位置；

所述数据分析模块用于根据所述云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析；

所述刀具寿命评估预测模块用于对所述数据分析模块分析的结果评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命。

2.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述第一刀具监测模块包括温度监测单元和振动监测单元，所述温度监测单元安装在所述刀座上，且用于实时监测所述刀具的工作温度，所述振动监测单元安装在所述刀具上，且用于监测所述刀具工作时产生的振动频率。

3.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述第二刀具监测模块包括图像监测单元和声音采集单元，所述图像监测单元用于实时采集所述刀具工作图像数据，观察所述刀具刀口以及刀身的完整程度，所述声音采集单元用于采集所述刀具工作时发出的声音，辅助判断所述刀具的工作状态，所述图像监测单元和所述声音采集单元均安装在所述位置调整模块上。

4.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述通讯模块采用WiFi模块、4G通信模组和5G通信模组中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述位置调整模块包括水平调整单元、高度调整单元和角度调整单元，所述水平调整单元安装在所述数控机床上，所述高度调整单元安装在所述水平调整单元的移动端上，所述角度调整单元安装在所述高度调整单元的上方，所述图像监测单元和所述声音采集单元均安装在所述角度调整单元的转动端上。

6.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述云端服务器上设置有报警单元，所述报警单元用于发出报警信息，根据所述刀具寿命评估预测模块的预测结果发出报警信息。

7.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述数据分析模块中采用刀具性能状况函数来初步确定刀具的性能状况，所述刀具性能状况函数公式如下：

p(T,L,S)＝δ·1og_αT+β·L+γ·S²

其中，P(T，L，S)表示刀具性能状况函数，T表示获取刀具使用时长、L表示机床主轴工作负荷、S表示刀具温度信号，δ，β，γ分别表示刀具使用时长、机床主轴工作负荷、刀具温度信号的权重系数，α为调节系数。

8.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述图像监测单元中设置有图像画质处理子单元，所述图像画质处理子单元用于优化模糊画面的画质。

9.根据权利要求1所述的一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统，其特征在于：所述图像画质处理子单元中采用采用中值滤波算法公式，由于优化画质，所述中值滤波的公式为：

G＝median[f(x-1，y-1)+f(x，y-1)+f(x+1，y+1)+f(x-1，y)+f(x，y)+f(x+1，y)+f(x-1，y+1)+f(x，y+1)+f(x+1，y+1)

其中：f(x，y)为模糊区域的影像像素点的灰度值，模糊区域的影像像素点周围九宫格内像素点灰度值，排列后将灰度值的中值作为有效值替换模糊区域的影像像素点；G为滤波后的像素点的灰度值，x，y为图像任一像素点的坐标。

10.一种用于数控机床的刀具状态监测和寿命预测系统的使用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、将刀具安装在数控机床的刀座上，把第一刀具监测模块安装在刀座以及刀具上，对刀具进行振动监测以及温度监测，实时了解刀具的运行状态；

步骤二、将位置调整模块安装在数控机床的侧表面上，根据刀具移动的位置调整第二刀具监测模块的监测位置，第二刀具监测模块对刀具的工作状态进行实时图像数据采集，了解刀具以及运行切割工件产生的声音进行监测；

步骤三、数据采集模块采集第一刀具监测模块与第二刀具监测模块的监测数据，上传到云端服务器中，云端服务器对监测数据进行接收和整理，在发送到数据分析模块中；

步骤四、数据分析模块根据云端服务器整理的数据资料，通过温度、振动频率、实际使用画面以及工作的声音对其工作状态进行分析，刀具寿命评估预测模块根据分析的结果，评估刀具的磨损状态以及剩余使用寿命。