基于focas的数控机床数据采集和管理系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数控机床数据采集技术领域，具体涉及基于F0CAS的数控机床数据采 集和管理系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 经过多年的努力，我国数控机床制造业通过与国外合作、技术引进以及自主攻关 等方式，解决了大部分设计手段与制造关键技术，使得数控机床整体制造水平得到了很大 提高，与国外先进制造水平的差距正在缩小。但我国数控机床制造业与国外先进企业相比， 在可靠性、高速度、高精度等方面还有一定差距。
[0003] 我国数控机床的可靠性研究始于20世纪80年代末，而20世纪90年代以后，国家在 重点科技攻关项目中加入了数控机床可靠性研究。目前对于数控机床可靠性研究主要集中 于可靠性试验方法，如定时截尾试验、定数截尾试验、序贯试验。实施可靠性试验得到数据 以后，去除疑似异常的数据，进行数据处理及可靠性建模分析，因此，建模方法也是数控机 床可靠性研究的一个内容。常用的主要有:两参数威布尔分布模型、三参数威布尔分布模 型、威布尔混合分布模型和竞争威布尔分布模型等，参数求解方法有极大似然估计、矩法估 计、相关系数优化法、双线性回归法、概率权重法、灰色估计法和Bayes估计。通过可靠性试 验与分析，可以实现快速、准确评定当前数控机床可靠性水平，是获取数控机床故障信息、 进行可靠性分析、评价、实施可靠性增长等可靠性研究的重要基础。
[0004] 但上述试验方法很难确定数控机床工作过程中各关键零部件的载荷工况，对各类 故障的溯源分析带来困难。因此，获取数控机床工作过程中实时数据确定关键零部件载荷 谱则成为工程届关注的焦点问题。在数控机床工作过程中，计算机数控系统利用数字信号 对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序实现自动控制的一种控制系统。在现代制造系 统中，利用现有的网络技术实现对作为制造系统自动化装备的数控机床进行远程监控、远 程故障诊断等。而国际生产厂商生产的数控系统也正在由专用型封闭式开环控制模式向通 用型开放式实时动态全闭环控制模式发展，使得用户通过二次开发或系统提供相应的函数 获取系统加工过程中信息，如西门子840D和0PC数据库、FANUC的F0CAS等。而利用现有系统 功能开发数据实时监测系统成为国内外学者研究主题之一。如:重庆大学利用DNC建立了数 控机床状态监控系统及数控群系统状态监测与集成，北京航空航天大学建立的数控机床负 载网络监测系统，南京理工大学建立了基于Web的开放式数控系统远程监测与诊断系统，广 州数控提出了数控系统远程诊断系统等等。
[0005] 数控系统工作过程实时性比较高，控制实施周期已达到2ms。而上述系统最快也得 达到ls，而且很难确定数据时间定标，很难满足数控系统负载数据获取的实时性要求。虽然 有些数控系统提供了时间戳，如西门子数控系统0PC提供的变量结构，但时间戳更新频率很 低，不可能记录数控数据时间点。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提出基于F0CAS的数控机床数据采集和管理系统及 其方法。
[0007] 基于F0CAS的数控机床数据采集和管理系统，包括数据采集与管理单元、数据分类 单元和进给系统摩擦力提取单元；
[0008] 所述数据采集与管理单元，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主 轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间 定标，获取数控机床报警时间和报警内容，并对数据进行存储；显示与数控机床的连接状 态、数控机床运行状态和加工程序运行状态;设定用户权限，将用户添加和修改的数控机床 故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程 序进彳丁存储；
[0009] 所述数据分类单元，用于读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、 进给轴位置和伺服电机力矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给 轴位置和伺服电机力矩电流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控 加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据进行匹配并存储；
[0010] 所述进给系统摩擦力提取单元，用于读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和 伺服电机力矩电流与时间匹配数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样 点值和伺服电机力矩电流的密化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的 摩擦力。
[0011] 所述数据采集与管理单元，包括主界面管理模块、用户管理模块、报警管理模块、 故障采集管理模块、加工工件信息管理模块、实时数据管理模块、数控程序管理模块、数控 机床维护和保养管理模块和数据库；
[0012] 所述主界面管理模块，用于显示各功能模块，并提供给用户，显示与数控机床的连 接状态、数控机床运行状态和加工程序运行状态；
[0013] 所述用户管理模块，用于根据用户性质设定权限，设定其对各功能模块的操作权 限；
[0014] 所述报警管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，获取数控机床报警时间 和报警内容，存储于数据库中；
[0015] 所述故障采集管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床故障时间和故障 内容，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的故障 时间和故障内容存储于数据库中；
[0016] 所述加工工件信息管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床加工工件信 息，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的加工工 件信息存储于数据库中；
[0017] 所述实时数据管理模块，用于通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴 转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定 标，以二进制形式存储于数据库中；
[0018] 所述数控程序管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控加工程序，并为具有该 模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后的数控加工程序存储于数 据库中；
[0019] 所述数控机床维护和保养管理模块，用于通过与数据库连接，显示数控机床维护 和保养记录，并为具有该模块操作权限的用户提供记录的添加和修改，并将添加和修改后 的数控机床维护和保养记录存储于数据库中；
[0020] 所述数据库，用于存储采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴 位置和伺服电机力矩电流，存储获取的数控机床报警时间和报警内容，存储添加及修改的 数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件信息、数控加工程序、数控机床维护和保 养记录。
[0021] 采用基于F0CAS的数控机床数据采集和管理系统进行数据采集和管理的方法，包 括：
[0022] 通过网络与数控系统进行通信，采集数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、 进给轴位置和伺服电机力矩电流，并将其各数据进行时间定标，获取数控机床报警时间和 报警内容，并对数据进行存储；
[0023] 通过用户的添加和修改，存储数控机床故障时间和故障内容、数控机床加工工件 信息、数控机床维护和保养记录、以及数控加工程序；
[0024] 将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电流依 据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或 进给轴位置数据进行匹配并存储；
[0025] 读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配数据， 采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密化采 样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力。
[0026] 所述将主轴数据和进给轴数据进行分类存储，并将进给轴位置和伺服电机力矩电 流依据其时间定标值进行匹配，将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转 速或进给轴位置数据进行匹配并存储，包括：
[0027] 读取采集的数控机床主轴转速、主轴负载、进给轴速度、进给轴位置和伺服电机力 矩电流数据，将主轴数据和进给轴数据进行分类存储；
[0028] 根据进给轴位置发生变化时的记录时间确定时间基准，将进给轴位置和伺服电机 力矩电流依据其时间定标值进行匹配；
[0029] 将数控机床加工工件信息和数控加工程序与对应的主轴转速或进给轴位置数据 进行匹配并存储。
[0030] 所述读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据和伺服电机力矩电流与时间匹配 数据，采用三次样条函数插值法得到进给轴位置的密化采样点值和伺服电机力矩电流的密 化采样点值，根据工作台运动方程得到数据机床进给系统的摩擦力，包括：
[0031] 读取数控机床进给轴位置与时间匹配数据对和伺服电机力矩电流与时间匹配数 据对；
[0032]建立进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的三次样条函数；
[0033] 利用高斯消去法解进给轴位置数据的三次样条函数和伺服电机力矩电流数据的 三次样条函数，得到进给轴位置数据的三次样条函数系数和伺服电机力矩电流数据的三次 样条函数系数；
[0034] 选取密化采样数据周期，根据进给轴总采集时间确定采样数据个数；
[0035]利用进给轴位置数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到进给轴位置的密 化采样点值，利用伺服电机力矩电流数据的三次样条函数系数和采样数据个数得到伺服电 机力矩电流的密化采样点值；
[0036]对进给轴位置的密化采样点值进行两次微分计算，得到采样点工作台速度值和采 样点工作台加速度值；
[0037]根据丝杠导程、伺服电机力矩系数和伺服电机力矩电流的密化采样点值，得到工 作台采样点丝杠驱动力，根据工作台运动方程计算数控机床进给系统摩擦力。
[0038]本发明的有益效