数控机床运行状态辨识系统及辨识方法与流程

本公开涉及数控机床技术领域，特别涉及一种数控机床运行状态辨识系统及辨识方法。

背景技术：

在制造企业中，设备利用率和安全性是评价生产效率的关键指标，设备利用率低，机床加工效率肯定低，同样的设备加工出现安全事故对生产效率的影响更大，并会加大生产成本。

现有的机床状态分析系统通过直接采集机床数控系统的数据(例如主轴转速、进给速度和数控程序等)，得出机床的运行状态从而统计机床效率。但是该方式无法准确辨识机床运行过程中的切削、空运行、异常状态，也就无法真实准确反映设备的有效切削时间、利用率，导致机床效率统计数据失真，无法为生产决策提供数据支撑。

技术实现要素：

本公开实施例提供了一种数控机床运行状态辨识系统及辨识方法，可以准确辨识机床的运行状态。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种数控机床运行状态辨识系统，所述数控机床运行状态辨识系统包括数据采集模块和数据分析模块，所述数据采集模块包括三向振动传感器和下端控制器，所述数据分析模块包括上端控制器；

所述三向振动传感器，用于检测所述数控机床的主轴的振动信号，并将检测到的所述振动信号发送给所述下端控制器；

所述下端控制器，用于获取所述三向振动传感器检测到的所述振动信号，并将获取到的所述振动信号转换成数字信号发送给所述上端控制器；

所述上端控制器，用于获取所述下端控制器发送的所述数字信号，并建立机床运行状态辨识模型；采集所述数控机床当前运行的数控程序信息；根据所述机床运行状态辨识模型、所述数控机床当前运行的数控程序信息以及获取到的所述数字信号确定所述数控机床的当前运行状态；根据所述数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对所述数控机床的运行状态进行修正或停止所述数控机床；

其中，所述数控机床的当前运行状态包括空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态和关机状态。

可选地，所述上端控制器还用于：

获取所述数控机床在进行切削试验时，所述数控机床在不同运行状态下的振动信号的特征值以及所述主轴的转速、进给速度和进退刀状态；

确定所述数控机床的运行状态与所述振动信号的特征值以及所述主轴的转速、进给速度和进退刀状态的对应关系；

根据所述对应关系建立所述机床运行状态辨识模型。

可选地，所述上端控制器还用于：

从所述下端控制器发送的所述数字信号中提取特征值；

根据采集到的所述数控机床当前运行的数控程序信息，确定所述主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态；

将所述特征值、所述主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态输入至所述机床运行状态辨识模型，判断所述数控机床的当前运行状态。

可选地，所述上端控制器还用于：

当所述主轴转速或进给速度为0，所述数控机床不处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的空运行状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为空运行状态；

当所述主轴转速与进给速度均为0，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的待机状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为待机状态；

当所述主轴转速或进给速度不为0，所述数控机床处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的空行程状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为空行程状态；

当所述主轴转速或进给速度不为0，所述数控机床处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的异常状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为异常状态；

当所述主轴转速不为0且进给速度不为0，所述数控机床不处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的切削状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为切削状态；

当所述数控机床的当前运行状态不为所述空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态时，则判断所述数控机床处于关机状态。

可选地，所述上端控制器还用于：

当所述数控机床的当前运行状态为所述空运行状态时，输出空运行控制指令，控制所述主轴的转速和进给速度为0；

当所述数控机床的当前运行状态为所述待机状态时，不输出控制指令；

当所述数控机床的当前运行状态为所述空行程状态时，输出空行程控制指令，提高所述数控机床中各运动轴的进给速度；

当所述数控机床的当前运行状态为所述异常状态时，输出紧急停止控制指令，控制所述数控机床的各运动轴停止移动；

当所述数控机床的当前运行状态为所述切削状态时，不输出控制指令；

当所述数控机床的当前运行状态为所述待机状态时，不输出控制指令。

第二方面，提供了一种数控机床运行状态辨识方法，采用如第一方面所述的数控机床状态辨识系统，所述数控机床运行状态辨识方法包括：

检测所述数控机床的主轴的振动信号；

将所述振动信号转换成数字信号；

建立机床运行状态辨识模型；

采集所述数控机床当前运行的数控程序信息；

根据所述机床运行状态辨识模型、所述数控机床当前运行的数控程序信息以及所述数字信号确定所述数控机床的当前运行状态；

根据所述数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对所述数控机床的运行状态进行修正或停止所述数控机床；

其中，所述数控机床的当前运行状态包括空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态和关机状态。

可选地，所述建立机床运行状态辨识模型包括：

获取所述数控机床在进行切削试验时，所述数控机床在不同运行状态下的振动信号的特征值以及所述主轴的转速、进给速度和进退刀状态；

确定所述数控机床的运行状态与所述振动信号的特征值以及所述主轴的转速、进给速度和进退刀状态的对应关系；

根据所述对应关系建立所述机床运行状态辨识模型。

可选地，所述根据所述机床运行状态辨识模型、所述数控机床当前运行的数控程序信息以及所述数字信号确定所述数控机床的当前运行状态，包括：

从所述数字信号中提取特征值；

根据采集到的所述数控机床当前运行的数控程序信息，确定所述主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态；

将所述特征值、所述主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态输入至所述机床运行状态辨识模型，判断所述数控机床的当前运行状态。

可选地，所述将所述特征值，所述主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态输入至所述机床运行状态辨识模型，判断所述数控机床的当前运行状态，包括：

当所述主轴转速或进给速度为0，所述数控机床不处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的空运行状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为空运行状态；

当所述主轴转速与进给速度均为0，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的待机状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为待机状态；

当所述主轴转速或进给速度不为0，所述数控机床处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的空行程状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为空行程状态；

当所述主轴转速或进给速度不为0，所述数控机床处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的异常状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为异常状态；

当所述主轴转速不为0且进给速度不为0，所述数控机床不处于进退刀状态，且所述特征值对应所述机床运行状态辨识模型中的切削状态对应的特征值时，判断所述数控机床的当前运行状态为切削状态；

当所述数控机床的当前运行状态不为所述空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态时，则判断所述数控机床处于关机状态。

可选地，所述根据所述数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，包括：

当所述数控机床的当前运行状态为所述空运行状态时，输出空运行控制指令，控制所述主轴的转速和进给速度为0；

当所述数控机床的当前运行状态为所述待机状态时，不输出控制指令；

当所述数控机床的当前运行状态为所述空行程状态时，输出空行程控制指令，提高所述数控机床中各运动轴的进给速度；

当所述数控机床的当前运行状态为所述异常状态时，输出紧急停止控制指令，控制所述数控机床的各运动轴停止移动；

当所述数控机床的当前运行状态为所述切削状态时，不输出控制指令；

当所述数控机床的当前运行状态为所述待机状态时，不输出控制指令。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过设置一种数控机床运行状态辨识系统，该数控机床运行状态辨识系统中的三向振动传感器可以用于检测数控机床的主轴的振动信号，下端控制器可以用于将检测到的振动信号转换成数字信号发送至上端控制器。上端控制器可以建立机床运行状态辨识模型，并采集数控机床当前运行的数控程序信息。根据建立的机床运行状态辨识模型、数控机床当前运行的数控程序信息和获取到的数字信号即可确定数控机床的是否处于空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态或关机状态，以真实准确反映设备的有效切削时间、利用率，为生产决策提供数据支撑。同时，该上端控制器还可以根据数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对数控机床的运行状态进行修正或停止数控机床，以提高设备加工的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种数控机床运行状态辨识系统的结构框图；

图2是本公开实施例提供的一种数控机床运行状态辨识方法的方法流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的一种数控机床运行状态辨识系统的结构框图，如图1所示，该数控机床运行状态辨识系统100包括数据采集模块10和数据分析模块20。数据采集模块10包括三向振动传感器11和下端控制器12。数据分析模块20包括上端控制器21。

三向振动传感器11，用于检测数控机床的主轴的振动信号，并将检测到的振动信号发送给下端控制器12。

下端控制器12，用于获取三向振动传感器11检测到的振动信号，并将获取到的振动信号转换成数字信号发送给上端控制器21。

上端控制器21，用于获取下端控制器12发送的数字信号，并建立机床运行状态辨识模型。采集数控机床当前运行的数控程序信息。根据机床运行状态辨识模型、数控机床当前运行的数控程序信息以及获取到的数字信号确定数控机床的当前运行状态。根据数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对数控机床的运行状态进行修正或停止数控机床。

其中，数控机床的当前运行状态包括空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态和关机状态。

本公开实施例通过设置一种数控机床运行状态辨识系统，该数控机床运行状态辨识系统中的三向振动传感器可以用于检测数控机床的主轴的振动信号，下端控制器可以用于将检测到的振动信号转换成数字信号发送至上端控制器。上端控制器可以建立机床运行状态辨识模型，并采集数控机床当前运行的数控程序信息。根据建立的机床运行状态辨识模型、数控机床当前运行的数控程序信息和获取到的数字信号即可确定数控机床的是否处于空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态或关机状态，以真实准确反映设备的有效切削时间、利用率，为生产决策提供数据支撑。同时，该上端控制器还可以根据数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对数控机床的运行状态进行修正或停止数控机床，以提高设备加工的安全性。

在本实施例中，三向振动传感器11可以安装在数控机床的主轴箱上。

示例性地，可以按照每秒10000次的采样频率对振动信号进行采集，高频采集数据可以大大提高振动信号的敏感性，使得振动特征的提取更为准确。

可选地，下端控制器12还可以用于对振动信号进行放大、调理、滤波等预处理，以提高振动信号的信噪比。

可选地，上端控制器21也可以用于将下端控制器12传递来的振动信号进行放大、滤波处理，以提高信号信噪比，便于获取振动信号的特征值。

在本实施例中，上端控制器21与下端控制器12可以采用无线或有线连接的方式建立通讯。

示例性地，上端控制器21可以为手机、计算机等带处理器和显示屏的设备，下端控制器12可以为plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)、单片机等可读取和处理模拟信号的设备。

当上端控制器21确定数控机床的当前运行状态之后，还可以将数控机床的当前运行状态进行显示。

进一步地，上端控制器21还用于：

获取数控机床在进行切削试验时，数控机床在不同运行状态下的振动信号的特征值以及主轴的转速、进给速度和进退刀状态。

确定数控机床的运行状态与振动信号的特征值以及主轴的转速、进给速度和进退刀状态的对应关系。

根据对应关系建立机床运行状态辨识模型。

通过建立机床运行状态辨识模型，可以使得数控机床运行状态辨识系统具有自学习、自分析的功能。

在本实施例中，振动信号的特征值可以为方差参数。

进一步地，上端控制器21还用于：

从下端控制器发送的数字信号中提取特征值。

根据采集到的数控机床当前运行的数控程序信息，确定主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态。

将特征值、主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态输入至机床运行状态辨识模型，判断数控机床的当前运行状态。

示例性地，上端控制器21还用于：

当主轴转速或进给速度为0，数控机床不处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的空运行状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为空运行状态。

当主轴转速与进给速度均为0，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的待机状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为待机状态。

当主轴转速或进给速度不为0，数控机床处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的空行程状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为空行程状态。

当主轴转速或进给速度不为0，数控机床处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的异常状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为异常状态。

当主轴转速不为0且进给速度不为0，数控机床不处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的切削状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为切削状态。

当数控机床的当前运行状态不为空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态时，则判断数控机床处于关机状态。

其中，在本实施例，特征值为振动信号的方差参数。振动传感器采样频率为10000hz。

其中，机床运行状态辨识模型中的各状态下对应的特征值为数控机床在进行切削试验时，得到的数控机床在不同运行状态下的特征值。

例如，机床运行状态辨识模型中，空运行状态下对应的特征值的取值范围为0.0001～0.0005，待机状态下对应的特征值的取值范围为0～0.0001，空行程状态下对应的特征值的取值范围为0.0001～0.0005，异常状态下对应的特征值的取值范围为大于0.0045、切削状态下对应的特征值的取值范围为0.0005～0.0045。

示例性地，当主轴转速或进给速度为0，数控机床不处于进退刀状态，且特征值在0.0001～0.0005范围内时，判断数控机床的当前运行状态为空运行状态。

当主轴转速与进给速度均为0，且特征值在0～0.0001范围内时，判断数控机床的当前运行状态为待机状态。

当主轴转速或进给速度不为0，数控机床处于进退刀状态，且特征值在0.0001～0.0005范围内时，判断数控机床的当前运行状态为空行程状态。

当主轴转速或进给速度不为0，数控机床处于进退刀状态，且特征值大于0.0045时，判断数控机床的当前运行状态为异常状态。

当主轴转速不为0且进给速度不为0，数控机床不处于进退刀状态，且特征值0.0005～0.0045范围内时，判断数控机床的当前运行状态为切削状态。

当数控机床的当前运行状态不为空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态时，则判断数控机床处于关机状态。

进一步地，上端控制器21还用于：

当数控机床的当前运行状态为空运行状态时，输出空运行控制指令，控制主轴的转速和进给速度为0，停止数控机床的空运行。

当数控机床的当前运行状态为待机状态时，不输出控制指令。

当数控机床的当前运行状态为空行程状态时，输出空行程控制指令，提高数控机床中各运动轴的进给速度，使得各运动轴能够快速移动至设定位置，以缩短空行程时间。

当数控机床的当前运行状态为异常状态时，输出紧急停止控制指令，控制数控机床的各运动轴停止移动，以防止异常情况影响数控机床工作。

当数控机床的当前运行状态为切削状态时，不输出控制指令。

当数控机床的当前运行状态为待机状态时，不输出控制指令。

根据数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对数控机床的运行状态进行修正或停止数控机床，可以提高设备加工的安全性。通过控制各运动轴的移动，还可以节省加工时间，提高加工效率。

在本实施例中，数控机床的运动轴可以为数控机床的x、y、z轴中的至少一个。

图2是本公开实施例提供的一种数控机床运行状态辨识方法的方法流程图，如图2所示，该数控机床运行状态辨识方法采用如上述实施例所述的数控机床运行状态辨识系统，该数控机床运行状态辨识方法包括：

步骤201、检测数控机床的主轴的振动信号。

在本实施例中，可以采用上述实施例中的三向振动传感器对主轴的振动信号进行检测。

步骤202、将振动信号转换成数字信号。

在本实施例中，可以通过模数转换模块将振动信号转换成数字信号。

步骤203、建立机床运行状态辨识模型。

示例性地，步骤203可以包括：

获取数控机床在进行切削试验时，数控机床在不同运行状态下的振动信号的特征值以及主轴的转速、进给速度和进退刀状态。

确定数控机床的运行状态与振动信号的特征值以及主轴的转速、进给速度和进退刀状态的对应关系。

根据对应关系建立机床运行状态辨识模型。

在本实施例中，振动信号的特征值可以为方差参数。

步骤204、采集数控机床当前运行的数控程序信息。

步骤205、根据机床运行状态辨识模型、数控机床当前运行的数控程序信息以及数字信号确定数控机床的当前运行状态。

其中，数控机床的当前运行状态包括空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态和关机状态。

示例性地，步骤205可以包括：

从数字信号中提取特征值。

采集数控机床当前运行的数控程序信息，确定主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态。

将特征值、主轴当前的转速、进给速度和进退刀状态输入至机床运行状态辨识模型，判断数控机床的当前运行状态。

示例性地，当主轴转速或进给速度为0，数控机床不处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的空运行状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为空运行状态。

当主轴转速与进给速度均为0，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的待机状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为待机状态。

当主轴转速或进给速度不为0，数控机床处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的空行程状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为空行程状态。

当主轴转速或进给速度不为0，数控机床处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的异常状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为异常状态。

当主轴转速不为0且进给速度不为0，数控机床不处于进退刀状态，且特征值对应机床运行状态辨识模型中的切削状态对应的特征值时，判断数控机床的当前运行状态为切削状态。

当数控机床的当前运行状态不为空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态时，则判断数控机床处于关机状态。

步骤206、根据数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对数控机床的运行状态进行修正或停止数控机床。

示例性地，步骤206可以包括：

当数控机床的当前运行状态为空运行状态时，输出空运行控制指令，控制主轴的转速和进给速度为0，停止数控机床的空运行。

当数控机床的当前运行状态为待机状态时，不输出控制指令。

当数控机床的当前运行状态为空行程状态时，输出空行程控制指令

提高数控机床中各运动轴的进给速度，使得各运动轴能够快速移动至设定位置，以缩短空行程时间。

当数控机床的当前运行状态为异常状态时，输出紧急停止控制指令，控制数控机床的各运动轴停止移动，以防止异常情况影响数控机床工作。

当数控机床的当前运行状态为切削状态时，不输出控制指令。

当数控机床的当前运行状态为待机状态时，不输出控制指令。

在本实施例中，数控机床的运动轴可以为数控机床的x、y、z轴中的至少一个。

本公开实施例通过设置一种数控机床运行状态辨识系统，该数控机床运行状态辨识系统中的三向振动传感器可以用于检测数控机床的主轴的振动信号，下端控制器可以用于将检测到的振动信号转换成数字信号发送至上端控制器。上端控制器可以建立机床运行状态辨识模型，并采集数控机床当前运行的数控程序信息。根据建立的机床运行状态辨识模型、数控机床当前运行的数控程序信息和获取到的数字信号即可确定数控机床的是否处于空运行状态、待机状态、空行程状态、异常状态、切削状态或关机状态，以真实准确反映设备的有效切削时间、利用率，为生产决策提供数据支撑。同时，该上端控制器还可以根据数控机床的当前运行状态输出对应的控制指令，对数控机床的运行状态进行修正或停止数控机床，以提高设备加工的安全性。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。