基于focas的數控機床數據采集和管理系統及其方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于數控機床數據采集技術領域，具體涉及基于F0CAS的數控機床數據采 集和管理系統及其方法。
【背景技術】
[0002] 經過多年的努力，我國數控機床制造業通過與國外合作、技術引進以及自主攻關 等方式，解決了大部分設計手段與制造關鍵技術，使得數控機床整體制造水平得到了很大 提高，與國外先進制造水平的差距正在縮小。但我國數控機床制造業與國外先進企業相比， 在可靠性、高速度、高精度等方面還有一定差距。
[0003] 我國數控機床的可靠性研究始于20世紀80年代末，而20世紀90年代以后，國家在 重點科技攻關項目中加入了數控機床可靠性研究。目前對于數控機床可靠性研究主要集中 于可靠性試驗方法，如定時截尾試驗、定數截尾試驗、序貫試驗。實施可靠性試驗得到數據 以后，去除疑似異常的數據，進行數據處理及可靠性建模分析，因此，建模方法也是數控機 床可靠性研究的一個內容。常用的主要有:兩參數威布爾分布模型、三參數威布爾分布模 型、威布爾混合分布模型和競爭威布爾分布模型等，參數求解方法有極大似然估計、矩法估 計、相關系數優化法、雙線性回歸法、概率權重法、灰色估計法和Bayes估計。通過可靠性試 驗與分析，可以實現快速、準確評定當前數控機床可靠性水平，是獲取數控機床故障信息、 進行可靠性分析、評價、實施可靠性增長等可靠性研究的重要基礎。
[0004] 但上述試驗方法很難確定數控機床工作過程中各關鍵零部件的載荷工況，對各類 故障的溯源分析帶來困難。因此，獲取數控機床工作過程中實時數據確定關鍵零部件載荷 譜則成為工程屆關注的焦點問題。在數控機床工作過程中，計算機數控系統利用數字信號 對執行機構的位移、速度、加速度和動作順序實現自動控制的一種控制系統。在現代制造系 統中，利用現有的網絡技術實現對作為制造系統自動化裝備的數控機床進行遠程監控、遠 程故障診斷等。而國際生產廠商生產的數控系統也正在由專用型封閉式開環控制模式向通 用型開放式實時動態全閉環控制模式發展，使得用戶通過二次開發或系統提供相應的函數 獲取系統加工過程中信息，如西門子840D和0PC數據庫、FANUC的F0CAS等。而利用現有系統 功能開發數據實時監測系統成為國內外學者研究主題之一。如:重慶大學利用DNC建立了數 控機床狀態監控系統及數控群系統狀態監測與集成，北京航空航天大學建立的數控機床負 載網絡監測系統，南京理工大學建立了基于Web的開放式數控系統遠程監測與診斷系統，廣 州數控提出了數控系統遠程診斷系統等等。
[0005] 數控系統工作過程實時性比較高，控制實施周期已達到2ms。而上述系統最快也得 達到ls，而且很難確定數據時間定標，很難滿足數控系統負載數據獲取的實時性要求。雖然 有些數控系統提供了時間戳，如西門子數控系統0PC提供的變量結構，但時間戳更新頻率很 低，不可能記錄數控數據時間點。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術的不足，本發明提出基于F0CAS的數控機床數據采集和管理系統及 其方法。
[0007] 基于F0CAS的數控機床數據采集和管理系統，包括數據采集與管理單元、數據分類 單元和進給系統摩擦力提取單元；
[0008] 所述數據采集與管理單元，用于通過網絡與數控系統進行通信，采集數控機床主 軸轉速、主軸負載、進給軸速度、進給軸位置和伺服電機力矩電流，并將其各數據進行時間 定標，獲取數控機床報警時間和報警內容，并對數據進行存儲；顯示與數控機床的連接狀 態、數控機床運行狀態和加工程序運行狀態;設定用戶權限，將用戶添加和修改的數控機床 故障時間和故障內容、數控機床加工工件信息、數控機床維護和保養記錄、以及數控加工程 序進彳丁存儲；
[0009] 所述數據分類單元，用于讀取采集的數控機床主軸轉速、主軸負載、進給軸速度、 進給軸位置和伺服電機力矩電流數據，將主軸數據和進給軸數據進行分類存儲，并將進給 軸位置和伺服電機力矩電流依據其時間定標值進行匹配，將數控機床加工工件信息和數控 加工程序與對應的主軸轉速或進給軸位置數據進行匹配并存儲；
[0010] 所述進給系統摩擦力提取單元，用于讀取數控機床進給軸位置與時間匹配數據和 伺服電機力矩電流與時間匹配數據，采用三次樣條函數插值法得到進給軸位置的密化采樣 點值和伺服電機力矩電流的密化采樣點值，根據工作臺運動方程得到數據機床進給系統的 摩擦力。
[0011] 所述數據采集與管理單元，包括主界面管理模塊、用戶管理模塊、報警管理模塊、 故障采集管理模塊、加工工件信息管理模塊、實時數據管理模塊、數控程序管理模塊、數控 機床維護和保養管理模塊和數據庫；
[0012] 所述主界面管理模塊，用于顯示各功能模塊，并提供給用戶，顯示與數控機床的連 接狀態、數控機床運行狀態和加工程序運行狀態；
[0013] 所述用戶管理模塊，用于根據用戶性質設定權限，設定其對各功能模塊的操作權 限；
[0014] 所述報警管理模塊，用于通過網絡與數控系統進行通信，獲取數控機床報警時間 和報警內容，存儲于數據庫中；
[0015] 所述故障采集管理模塊，用于通過與數據庫連接，顯示數控機床故障時間和故障 內容，并為具有該模塊操作權限的用戶提供記錄的添加和修改，并將添加和修改后的故障 時間和故障內容存儲于數據庫中；
[0016] 所述加工工件信息管理模塊，用于通過與數據庫連接，顯示數控機床加工工件信 息，并為具有該模塊操作權限的用戶提供記錄的添加和修改，并將添加和修改后的加工工 件信息存儲于數據庫中；
[0017] 所述實時數據管理模塊，用于通過網絡與數控系統進行通信，采集數控機床主軸 轉速、主軸負載、進給軸速度、進給軸位置和伺服電機力矩電流，并將其各數據進行時間定 標，以二進制形式存儲于數據庫中；
[0018] 所述數控程序管理模塊，用于通過與數據庫連接，顯示數控加工程序，并為具有該 模塊操作權限的用戶提供記錄的添加和修改，并將添加和修改后的數控加工程序存儲于數 據庫中；
[0019] 所述數控機床維護和保養管理模塊，用于通過與數據庫連接，顯示數控機床維護 和保養記錄，并為具有該模塊操作權限的用戶提供記錄的添加和修改，并將添加和修改后 的數控機床維護和保養記錄存儲于數據庫中；
[0020] 所述數據庫，用于存儲采集的數控機床主軸轉速、主軸負載、進給軸速度、進給軸 位置和伺服電機力矩電流，存儲獲取的數控機床報警時間和報警內容，存儲添加及修改的 數控機床故障時間和故障內容、數控機床加工工件信息、數控加工程序、數控機床維護和保 養記錄。
[0021] 采用基于F0CAS的數控機床數據采集和管理系統進行數據采集和管理的方法，包 括：
[0022] 通過網絡與數控系統進行通信，采集數控機床主軸轉速、主軸負載、進給軸速度、 進給軸位置和伺服電機力矩電流，并將其各數據進行時間定標，獲取數控機床報警時間和 報警內容，并對數據進行存儲；
[0023] 通過用戶的添加和修改，存儲數控機床故障時間和故障內容、數控機床加工工件 信息、數控機床維護和保養記錄、以及數控加工程序；
[0024] 將主軸數據和進給軸數據進行分類存儲，并將進給軸位置和伺服電機力矩電流依 據其時間定標值進行匹配，將數控機床加工工件信息和數控加工程序與對應的主軸轉速或 進給軸位置數據進行匹配并存儲；
[0025] 讀取數控機床進給軸位置與時間匹配數據和伺服電機力矩電流與時間匹配數據， 采用三次樣條函數插值法得到進給軸位置的密化采樣點值和伺服電機力矩電流的密化采 樣點值，根據工作臺運動方程得到數據機床進給系統的摩擦力。
[0026] 所述將主軸數據和進給軸數據進行分類存儲，并將進給軸位置和伺服電機力矩電 流依據其時間定標值進行匹配，將數控機床加工工件信息和數控加工程序與對應的主軸轉 速或進給軸位置數據進行匹配并存儲，包括：
[0027] 讀取采集的數控機床主軸轉速、主軸負載、進給軸速度、進給軸位置和伺服電機力 矩電流數據，將主軸數據和進給軸數據進行分類存儲；
[0028] 根據進給軸位置發生變化時的記錄時間確定時間基準，將進給軸位置和伺服電機 力矩電流依據其時間定標值進行匹配；
[0029] 將數控機床加工工件信息和數控加工程序與對應的主軸轉速或進給軸位置數據 進行匹配并存儲。
[0030] 所述讀取數控機床進給軸位置與時間匹配數據和伺服電機力矩電流與時間匹配 數據，采用三次樣條函數插值法得到進給軸位置的密化采樣點值和伺服電機力矩電流的密 化采樣點值，根據工作臺運動方程得到數據機床進給系統的摩擦力，包括：
[0031] 讀取數控機床進給軸位置與時間匹配數據對和伺服電機力矩電流與時間匹配數 據對；
[0032]建立進給軸位置數據的三次樣條函數和伺服電機力矩電流數據的三次樣條函數；
[0033] 利用高斯消去法解進給軸位置數據的三次樣條函數和伺服電機力矩電流數據的 三次樣條函數，得到進給軸位置數據的三次樣條函數系數和伺服電機力矩電流數據的三次 樣條函數系數；
[0034] 選取密化采樣數據周期，根據進給軸總采集時間確定采樣數據個數；
[0035]利用進給軸位置數據的三次樣條函數系數和采樣數據個數得到進給軸位置的密 化采樣點值，利用伺服電機力矩電流數據的三次樣條函數系數和采樣數據個數得到伺服電 機力矩電流的密化采樣點值；
[0036]對進給軸位置的密化采樣點值進行兩次微分計算，得到采樣點工作臺速度值和采 樣點工作臺加速度值；
[0037]根據絲杠導程、伺服電機力矩系數和伺服電機力矩電流的密化采樣點值，得到工 作臺采樣點絲杠驅動力，根據工作臺運動方程計算數控機床進給系統摩擦力。
[0038]本發明的有益效