CN203894596U - 数控机床加工状态多参数在线主动监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，主要解决了现有数控机床的状态检测、性能指标不全面、不能实现加工过程闭环控制等问题。该数控机床加工状态多参数在线主动监控系统包括安装在数控机床伺服进给单元上的第一传感器组件，安装在主轴单元上的第二传感器组件，安装在冷却液循环单元上的第三传感器组件，接收所采集数据信息的多通道同步数据采集PXI箱，多通道同步数据采集PXI箱实时发送相关采集状态信号至监控计算机进行分析计算、显示及存储处理，监控计算机对异常或者优化的加工状态参数生成相关控制指令通过工业以太网总线传输至数控机床的数控系统并执行相关主动控制指令，完成对数控加工过程状态的实时调整与控制。

Description

数控机床加工状态多参数在线主动监控系统

技术领域

本实用新型属于数控机床技术领域，涉及的是一种机床工作状态检测与控制，具体的说，是涉及一种数控机床加工状态多参数在线主动监控系统。

背景技术

数控机床技术正朝着高自动化、高集成化、高柔性化及高智能化的方向发展，为保障数控加工机床安全，改进和提高产品加工质量，避免加工过程中异常工况导致的各类事故，如：刀具或磨具破损与磨损、主轴转动异常、丝杆和轴承温升等情况会影响加工精度，机床振动会影响工件表面质量甚至损坏机床，机床进给速度与主轴转速设置不合理影响加工效率等等。为提高生产率和机床利用率，必须采用有效方式对数控加工过程中各类强实时性状态进行在线监测与控制，才能实现数控机床装备的优化运行及管理。

数控加工技术在复杂零件产品的加工过程中，存在着技术难题及风险，其主要包括以下几方面：设备因素、人为因素、工件因素以及刀磨具因素等。在实际的生产过程中，数控加工过程并非一直处于理想状态，如：切削力会导致切磨工具的弹性形变而让刀变形，残余应力会引起工件的扭曲变形，机床振动、工具磨损、切削热等多种因素也会导致不同程度的加工变形；因上述因素而导致加工出来的零件和理论模型之间存在一定的偏差。在加工过程中一旦工艺参数选择不合理，就会导致工件加工表面质量差、设备加工能力得不到充分发挥，同时机床组件及刀磨具的使用寿命也会受到严重影响。

数控加工的过程中，主轴功率、切磨削力、工具让刀变形及磨损、机床组件的运动发热温升、进给系统加减速及振动等复杂的物理因素影响加工质量、效率和安全，而现在一般的普通数控技术还只限于几何运动控制，对这些复杂的物理因素则还未涉及控制，更无法完成加工状态中力、热、磨损多物理场耦合效应的机床过程状态的主动自适应控制。主动控制技术是研究对这些过程特性进行控制的技术，目前存在一些还未解决的难题，主要有主轴功率负荷在线测量、切磨削力的直接测量、工具磨损在线测量、机床组件温升与丝杆热伸长在线检测、各进给轴振动状态检测以及主动适应加工过程的控制策略及其相关技术实现方法及综合集成等。

多年来，国内外研究人员在刀具或磨具磨损、主轴功率监控、机床振动、机床热变形分析等方面做了大量工作，并在检测方法、监控参数选择及信号处理识别领域取得了诸多成果，有些方法已经应用在实际生产中，例如：

（1）中国专利：CN201210142987.1，实用新型名称：基于条件随机场模型的刀具磨损状态检测方法，提出了通过采集切削过程中的声发射信号，并对其进行预处理和相关的特征提取，将提取的特征向量作为条件随机场模型的训练样本和测试样本最后得到刀具磨损状态检测方法；

（2）中国专利：CN 200910025001.0，实用新型名称：一种数控铣齿机床切削主轴实时监控系统；

（3）刘春时等人在2009年第3期《中国工程机械学报》发表了关于《数控机床整机振动测试方法研究》，提出了一种通过搭建实验台进行测试评价机床的抗振性能以及检验振动分析的正确性；

（4）中国专利：CN200610095102.1，实用新型名称：机床热变形远程诊断控制装置，提出了通过控制机床上两重要部位的温差，使机床的热变形始终控制在不致于影响加工精度的许可范围内的控制装置；

（5）中国专利：CN201010595650.7，实用新型名称：一种用于数控机床滑枕热变形补偿的控制方法以及实施此方法的装置，提出了采用一种固定在滑枕上具有低热膨胀系数的微位移检测装置，主要解决数控机床的滑枕随温度变化产生伸缩变形所导致的加工误差问题。

（6）中国专利：CN200910263457.0，实用新型名称：砂轮磨损自动检测及补偿方法，提出了一种采用光学方式进行砂轮直径检测器对加工中的砂轮直径进行非接触式在线检测方法；

（7）中国专利：CN201110294068.1，实用新型名称：利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损的方法和装置，提出用压力传感器实时在线检测砂轮表面气流场的动压力；通过气流场动压力的变化分析计算得到磨削过程中砂轮的磨损量。

（8）中国专利：CN 101140461 A，实用新型名称：多物理状态检测优化与远程综合诊断智能数控系统，提出了一种基于现场多物理状态检测与加工运行优化并具备远程综合诊断功能的智能化数控系统。该系统运动控制模块及采集与分析单元分别采用高速DSP为独立核心处理器外，其余部分与主控模块共享高性能微处理器，各模块间经系统内部总线链接，实现功能调用以及数据传输。

（9）中国专利CN200510050791.X，实用新型名称：机床监控系统，提出了包含上位机监控电脑、多个信号采集仪及多条网络连接电缆，能够连续监控机床的运行作业信息和用于企业对机床的生产效率及机床操作人员进行管理的监控系统；

（10）中国专利CN200810041426.6, 实用新型名称：机床数字集中智能监控系统，提出了通过以太网络与多台机床设备连接并用于采集从所述机床设备输出信号的集中监控方法。

上述检测方法主要是以单项或者组合其中一些检测参数进行检测，不能完整地实现数控加工过程状态的全面性指标检测。其中，采用光学和气流场检测砂轮磨损的方法在精度和稳定性方面尚难满足加工现场恶劣工况应用要求；多物理状态检测优化与远程综合诊断智能数控系统的技术缺陷在于需要拚弃目前配置原数控机床上的各类数控系统，换上价格不菲新开发的智能数控系统，这对现有各数控机床用户来说是无法承受和不实际的；机床数字集中智能监控系统，虽能通过无线方式或者普通以太网方式采集相关加工现场的作业等管理信息，难以实现对主动控制加工过程的复杂相关控制高速指令编码、解码、执行的毫秒级（ms）强实时性要求，更无法完成数控加工状态中力、热、磨损多物理场耦合效应的加工过程主动自适应控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种设计合理，且可完整地实现数控加工过程状态的全面性指标检测与自适应控制的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统。

现有数控机床的结构基本一致，主要包括伺服进给单元、主轴单元、冷却液循环单元及数控系统四大部分。

为了实现本实用新型的目的，结合现有数控机床的结构，本实用新型采用的技术方案如下：

数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，包括安装在数控机床伺服进给单元上的第一传感器组件，安装在主轴单元上的第二传感器组件，安装在冷却液循环单元上的第三传感器组件，通过传感信号接线端子板接收第一传感器组件和第二传感器组件所采集数据信息、通过多路温度巡检仪接收温度数据信息的多通道同步数据采集PXI箱，与多通道同步数据采集PXI箱通讯并实时发送相关控制指令至数控机床的数控系统的监控计算机，以及嵌入数控系统内的实时PID控制器。

具体的说，所述第一传感器组件包括热电偶、加速度传感器和电涡流传感器。

进一步的，伺服进给单元中进给轴的滚珠丝杆两端轴承座上均安装热电偶和加速度传感器，同时，在其中一端还安装有电涡流传感器；此外，滚珠丝杆螺母上同样安装有热电偶。具体安装的各类传感器个数，可以根据数控机床的具体进给轴数量进行调控，如四轴、五轴、六轴等多轴数控机床。其中，热电偶进行轴承温度的检测，其检测数据通过多路温度巡检仪接收；加速度传感器对丝杆振动状态进行检测；电涡流传感器进行滚珠丝杆转动受热伸长的状态检测；滚珠丝杆螺母上的热电偶进行丝杆温升状态检测，各路检测信号通过放大或者调理后引入多通道同步数据采集PXI箱。

具体的说，所述第二传感器组件包括声发射传感器、功率传感器、加速度传感器及测力传感器。

进一步的，所述声发射传感器安装在主轴单元中主轴靠近加工端的中空部位，功率传感器安装在主轴单元中主轴电机的尾部，加速度传感器安装在主轴前端轴承支撑部位的主轴壳上，测力传感器安装在主轴下端的机床工作台上。其中，声发射传感器进行工具磨损或者破损状态检测，功率传感器进行主轴载荷状态检测，加速度传感器进行主轴振动状态检测，测力传感器上安装有工件，从而实现对加工过程中铣刀铣削力或者磨具的磨削力等切/磨削力的定量状态检测，同样的，各路检测信号通过放大或者调理后引入多通道同步数据采集PXI箱。

具体的说，所述第三传感器组件包括热电偶。

进一步的，所述热电偶安装在冷却液循环箱的冷却循环水入口处，同时，在冷却循环水箱上安装有通过变频器与数控系统连接的循环泵电机，在冷却循环水箱出水管路上安装有与数控系统连接的电动比例调压阀。热电偶采集的温度信号引入多路温度巡检仪，多路温度巡检仪采集后，通过上面自带的通讯接口将各路缓变的温度信号引入多通道同步数据采集PXI箱完成温度数据传输。

最后由多通道同步数据采集PXI箱将上述各通道采集的数据传输至监控计算机中。

再进一步的，监控计算机包括用于分析磨削力、加速度及功率的时域分析模块，用于振动信号分析的频域分析模块，用于主轴热变形分析和刀尖点热偏移分析的热变形分析模块，由磨损分析模块和补偿修正模块组成的切磨削工具磨损分析模块，以及由预警模块、主动控制指令生成模块和异常推理模块组成的数据库模块。上述模块均为现有技术中的成熟模块，监控技术机将其组合在一起，以完成多种状态的数据分析。

本实用新型设计原理：在数控机床（包括各类数控车、铣、磨床）的各伺服进给轴和主轴等相关部位安装完整检测加工状态的各类传感器，并通过传感信号接线端子板及多路温度巡检仪将通过调理的各路信号引入到多通道同步数据采集PXI机箱的相关数据采集卡模块进行同步控制采样处理，采样信号再通过高速以太网接口上传至监控计算机内，通过监控计算机进行数控机床状态数据的显示，并存储相关加工过程状态数据在机床状态历史数据库里面；与此同时，在检测机床加工过程状态同时，监控计算机将设定值与测量值进行对比，判断数控机床是否异常，将实时发送相关控制指令至数控系统，最后由数控系统进行相关指令执行并完成各类状态的主动控制。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

（1）本实用新型对数控加工各类状态检测参数齐全，功能实用，性价比高，另外其具有扩展接口能根据各种机床性能进一步扩展丰富完善其它参数监控功能等特点而具有在机械加工领域广泛的应用前景；使用本实用新型对数控机床加工状态进行检测，能很好地提高车间数控机床加工质量和效率，还有助于保护车间数控机床设备，并为数控车间高效的生产管理与智能控制提供实施基础。

（2）本实用新型中对数控机床的主动控制包括对刀具磨损补偿、加工振动抑制、加工进给速度与主轴转速优化、机床热变形刀尖点修正、冷却液流量及压力增减等过程状态的实时调控，不仅加工过程状态控制功能齐全，总线式的指令发送控制及时，对加工精度和加工效率提升效果明显，且成本低廉，还可完整地实现数控加工过程状态的全面性指标检测及维修性预警，极大地方便了数控车间的运行管理并提升了数控装备的保障能力。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型应用在伺服进给单元上的结构示意图。

图3为本实用新型应用在主轴单元上的结构示意图。

图4为本实用新型应用在冷却液循环单元上的结构示意图。

图5为本实用新型中多通道同步数据采集PXI箱的原理框图。

图6为本实用新型的工作流程图。

图7为本实用新型中监控计算机的系统框图。

图8为数控系统的工作原理图。

其中，附图标记所对应的名称：1-冷却液循环箱，2-机床立柱，3-传感信号接线端子板，4-床身底座，5-工作台，6-工件，7-主轴箱，8-多通道同步数据采集PXI箱，9-数控系统，10-监控计算机，11-加速度传感器，12-X轴伺服电机，13-Y轴伺服电机，14-Z轴伺服电机，15-联轴器，16-热电偶，17-滚珠丝杆轴承座，18-滚珠丝杆，19-滚珠丝杆螺母，20-电涡流传感器，21-电荷放大器，22-前置放大器，23-多路温度巡检仪，24-主轴电机，25-冷却套入水口，26-主轴壳，27-声发射传感器，28-工具头，29-测力传感器，30-功率传感器,31-循环泵电机，32-冷却循环水入口，33-冷却循环水出口，34-电动比例调压阀，35-变频器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种可完整地实现数控加工过程状态的全面性指标检测的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，该多状态监控系统可对数控机床工作状态下的多种参数进行检测和控制，其主要包括安装在数控机床（包括各类数控车、铣、磨床）的各伺服进给轴和主轴等相关部位安装完整检测加工状态的各类传感器，用于接收传感器信号的多通道同步数据采集PXI箱8和用于分析采集的数据，并通过采集数据值与设定的值进行对比，判断综合判断数控机床是否处于异常状态的监控计算机10，该监控计算机若判断出数控机床处于异常的工作状态时，即生成相应的主动控制指令传输至数控机床的数控系统9，由数控机床的数控系统对机床工作实施加工过程的主动控制，其可在现有数控机床的基础上进行改进，无需开发新的智能控制系统，实现方便，成本低廉。

公知的，现有数控机床主要由以下四部分组成：伺服进给单元、主轴单元、冷却液循环单元及数控系统。机床的机械部分还有机床立柱2、工作台5、床身底座4等，其为现有结构，故不作详述。下面即对于每个单元，详细的描述本实用新型的具体设计：

如图2所示，伺服进给单元上安装第一传感器组件，该第一传感器组件主要包括热电偶16、加速度传感器11和电涡流传感器20三者传感器。其中，热电偶对伺服进给轴的轴承温度的检测，其检测数据通过多路温度巡检仪23接收；加速度传感器对滚珠丝杆18的振动状态进行检测；电涡流传感器进行滚珠丝杆转动受热伸长的状态检测；滚珠丝杆螺母19上的热电偶进行丝杆温升状态检测，本实施例以X、Y、Z三轴基础为例，其中数控基础的机械结构为现有，具体如下：三轴的最左端分别对应设有X轴伺服电机12、Y轴伺服电机13、Z轴伺服电机14，伺服电机通过联轴器15连接滚珠丝杆，在滚珠丝杆的两端分别设有滚珠丝杆轴承座17，在滚珠丝杆上套接有滚珠丝杆螺母。在两个滚珠丝杆轴承座上均设有热电偶和加速度传感器，同时在滚珠丝杆螺母上还设有热电偶，其中，加速度传感器通过电荷放大器21与传感信号接线端子板3连接，热电偶直接与多路温度巡检仪连接，电涡流传感器通过前置放大电路22与传感信号接线端子板连接，而后传感信号接线端子板和多路温度巡检仪连接再与多通道同步数据采集PXI箱连接。各路检测信号通过放大或者调理后及温度信号，通过传感信号接线端子板和多路温度巡检仪引入多通道同步数据采集PXI箱，多通道同步数据采集PXI箱再通过高速以太网接口将动态的采样信号上传至监控计算机内。

如图3所示，主轴单元上安装有第二传感器组件，该第二传感器组件主要包括声发射传感器27、功率传感器30、加速度传感器11及测力传感器29四种传感器，其具体安装方式如下：主轴箱7通过多级传动将运动传递至主轴，在主轴靠近加工端的中空部位安装声发射传感器进行工具磨损或者破损状态检测；在主轴前端轴承支撑部位的主轴壳26上安装有加速度传感器进行主轴振动状态检测，主轴壳一侧设有冷却套入水口25；在主轴电机24尾部安装有功率传感器进行主轴载荷状态检测，在主轴下端的机床工作台5上安装有测力传感器，在测力传感器上安装有工件6，主轴上安装与工件对应的工具头28，从而实现对加工过程中铣刀铣削力或者砂轮的磨削力的定量状态检测。各路检测信号通过放大或者调理后（电荷放大器、前置放大器），通过传感信号接线端子板引入多通道同步数据采集PXI箱，多通道同步数据采集PXI箱再通过高速以太网接口将动态的采样信号上传至监控计算机内。

如图4所示，冷却液循环单元上安装有第三传感器组件，其主要包括热电偶，该热电偶设置在冷却液循环箱的冷却循环水入口32处，并通过多路温度巡检仪与多通道同步数据采集PXI箱连接。同时，为了便于后期的调控，在冷却循环水箱上安装有通过变频器35与数控机床的数控系统连接的循环泵电机31，在连接冷却循环水箱出水口33的冷却循环水箱出水管路上安装有与数控系统连接的电动比例调压阀34。多路温度巡检仪采集后，通过上面自带的通讯接口将各路缓变的温度信号引入多通道同步数据采集PXI箱，多通道同步数据采集PXI箱再通过高速以太网接口将动态的采样信号上传至监控计算机内。

多通道同步数据采集PXI箱为现有技术，其主要由标准I／O模块驱动，采用队列同步控制和数据显示，如图5所示，具体如下：首先通过驱动设置完成各采集控制模块的配置和初始化，将此部分代码放置到由单循环控制的独立线程中便可以实现机床连续动态过程数据采集；然后将被采集的状态数据放人队列中，队列允许多个任务同时访问，其他独立线程的模块可同时并行地从中读取数据，实时完成各自的操作功能，如数据存储、数据显示等。

如图7所示，本实施例中监控计算机主要包括以下部分：用于分析磨削力、加速度及功率的时域分析模块，频域分析模块，用于主轴热变形分析和刀尖点热偏移分析的热变形分析模块，由磨损分析模块和补偿修正模块组成的切磨削工具磨损分析模块，以及由预警模块、主动控制指令生成模块和异常推理模块组成的数据库模块。上述模块均可采用现有技术中的成熟的模块，监控计算机将其组合在一起，以完成多种状态的数据分析。

如图6所示，上述数控机床加工状态多参数在线主动监控系统的实现方法，包括以下步骤：

（1）对多路温度巡检仪、多通道同步数据采集PXI机箱和监控计算机进行初始化，并设定数控机床工作状态下的各工作参数值，得到工作参数的设定值；

（2）通过传感器及多路温度巡检仪采集测量数控机床工作状态下的动态信号，并将测量的动态信号传输至多通道同步数据采集PXI箱，完成动态数据采集；

（3）多通道同步数据采集PXI箱通过高速以太网接口将采集的动态数据上传至监控计算机内，由监控计算机对该数据进行处理，得到工作参数的测量值；

（4）监控计算机将工作参数的测量值与设定值进行对比，以对数控机床进行异常判断，若判断结果为否，则数控机床保持原来状态，若判断结果为是，则执行下一步；

（5）监控计算机作出控制决策生成主动控制参数的指令，并将该指令传输至数控机床的数控系统；

（6）数控机床的数控系统接收到监控计算机发出的指令后，生成并输出相应的主动控制数据信号值。

在数控系统在输出主动控制数据信号值之前，会对主动控制数据是否更新进行判断，若判断结果为否，则不输出，数控机床按原来状态运行，反之，则输出更新的主动控制数据信号值。

机床的运行如果处于明显的异常状态，则工作人员可通过外部操作中断本检测系统的运行，直接关闭数控机床或作其它对应的处理。

需要说明的是，为了完成后续的主动控制，数控系统包含有OPC 服务器，并通过 COM 设置和以太网连接并与监控计算机的客户端通信，同时在数控系统内嵌入实时PID控制器，实现进给速度、主轴转速、机床坐标原点热漂移、铣刀和砂轮等磨具半径磨损补偿值、冷却流量及压力等加工状态参数的主动调整与控制，其工作原理如图8所示。

按照上述实施例，便可很好地实现本实用新型。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本实用新型所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本实用新型一样，故其也应当在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，包括安装在数控机床伺服进给单元上的第一传感器组件，安装在主轴单元上的第二传感器组件，安装在冷却液循环单元上的第三传感器组件，通过传感信号接线端子板接收第一传感器组件和第二传感器组件所采集数据信息、通过多路温度巡检仪接收温度数据信息的多通道同步数据采集PXI箱，与多通道同步数据采集PXI箱通讯并实时发送相关控制指令至数控机床的数控系统的监控计算机，以及嵌入数控系统内的实时PID控制器。

2.根据权利要求1所述的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，所述第一传感器组件包括热电偶、加速度传感器和电涡流传感器。

3.根据权利要求2所述的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，伺服进给单元中进给轴的滚珠丝杆两端轴承座上均安装热电偶和加速度传感器，同时，在其中一端还安装有电涡流传感器；此外，滚珠丝杆螺母上同样安装有热电偶。

4.根据权利要求1所述的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，所述第二传感器组件包括声发射传感器、功率传感器、加速度传感器及测力传感器。

5.根据权利要求4所述的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，所述声发射传感器安装在主轴单元中主轴靠近加工端的中空部位，功率传感器安装在主轴单元中主轴电机的尾部，加速度传感器安装在主轴前端轴承支撑部位的主轴壳上，测力传感器安装在主轴下端的机床工作台上。

6.根据权利要求1所述的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，所述第三传感器组件包括热电偶。

7.根据权利要求6所述的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，所述热电偶安装在冷却液循环箱的冷却循环水入口处，同时，在冷却循环水箱上安装有通过变频器与数控系统连接的循环泵电机，在冷却循环水箱出水管路上安装有与数控系统连接的电动比例调压阀。

8.根据权利要求1至7任一项所述的数控机床加工状态多参数在线主动监控系统，其特征在于，所述监控计算机包括用于分析磨削力、加速度及功率的时域分析模块，用于振动信号分析的频域分析模块，用于主轴热变形分析和刀尖点热偏移分析的热变形分析模块，由磨损分析模块和补偿修正模块组成的切磨削工具磨损分析模块，以及由预警模块、主动控制指令生成模块和异常推理模块组成的数据库模块。