数控机床数据管理系统及方法

技术领域

本发明主要涉及数控机床制造领域，尤其涉及一种数控机床数据管理系统及方法。

背景技术

大涵道比涡扇航空发动机是民航科技的主要动力，其在产品设计、试验、生产各个环节都必须及其严格地遵守民航适航要求，其主要关键部件如风扇叶片、涡轮盘、整体叶盘、机匣等的加工质量要求及其严格。因此，其零部件的数控加工机床也必须满足高精度、高性能、高稳定性的要求。目前国产高档数控机床在自身几何精度、位置精度、热稳定性、加工精度等方面，与欧美国家的数控加工装备仍有很大差距，尚不能满足民用航空发动机适航要求的数控加工零件精度和零件表面质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种数控机床数据管理系统及方法，其能够克服国产数控机床精度与稳定性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数控机床数据管理方法，包括：采集数控机床加工工件过程的实时检测结果；对加工完成后的所述工件进行质量评估以得到所述工件的质量评估信息；将所述实时检测结果和质量评估信息输入数控机床模型，分析所述工件的形位公差和表面粗糙度以获得工件误差；根据所述工件误差调整所述数控机床的数字控制程序中的运行参数、动态精度以及刀具参数；以及控制所述数控机床对具有工件误差的表面进行二次加工以补偿所述工件误差。

在本发明一实施例中，所述实时检测结果包括：所述数控机床的机床主轴扭矩、导轨振动信息、丝母振动信息、丝杠振动信息、丝母及轴承温度信息和主轴温度信息以及所述工件的实时加工精度。

在本发明一实施例中，所述质量评估信息包括：所述工件的加工精度和粗糙度。

在本发明一实施例中，所述数控机床数据管理方法还包括：采集所述数控机床的主轴声信息、运动部件的温度参数及振动敏感位置的振动信息以及将所述主轴声信息、温度参数和振动信息与健康数据库中的对应信息比较，以判断所述数控机床是否异常。

在本发明一实施例中，所述运动部件包括所述数控机床的主轴、导轨以及丝杠。

在本发明一实施例中，所述振动敏感位置包括导轨、丝杠。

在本发明一实施例中，所述数控机床数据管理方法还包括：采集所述数控机床的运动部件的温度参数，以及：根据所述温度参数与经过标定的温度-误差表，计算所述数控机床的热变形误差，根据所述热变形误差补偿所述运动部件的热变形。

本发明还提供了一种数控机床数据管理系统，包括多个传感器、数据采集卡和服务器。多个传感器，用于采集数控机床加工工件过程的实时检测结果、所述数控机床的主轴声信息、运动部件的温度参数及振动敏感位置的振动信息。数据采集卡，连接所述多个传感器，用于接收所述实时检测结果、所述数控机床的主轴声信息、运动部件的温度参数及振动敏感位置的振动信息并传输给服务器。服务器，配置为：对加工完成后的所述工件进行质量评估以得到所述工件的质量评估信息；将所述实时检测结果和质量评估信息输入数控机床模型，分析所述工件的形位公差和表面粗糙度以获得工件误差；根据所述工件误差调整所述数控机床的数字控制程序中的运行参数、动态精度以及刀具参数；以及控制所述数控机床对具有工件误差的表面进行二次加工以补偿所述工件误差。

在本发明一实施例中，所述实时检测结果包括：所述数控机床的机床主轴扭矩、导轨振动信息、丝母振动信息、丝杠振动信息、丝母及轴承温度信息和主轴温度信息以及所述工件的实时加工精度。

在本发明一实施例中，所述质量评估信息包括：所述工件的加工精度和粗糙度。

在本发明一实施例中，所述数控机床数据管理系统还包括由所述数控机床之外的电源供电的开关电源，连接所述数据采集卡以为所述数据采集卡供电。

在本发明一实施例中，所述的传感器包括：安装在所述数控机床主轴后端的主轴扭矩传感器，用于检测所述数控机床的机床主轴扭矩；导轨单向振动传感器，用于检测所述数控机床的导轨振动信息；安装在所述数控机床的丝杠的丝母上的三向振动传感器，用于检测所述丝母的振动信息；丝杠单向振动传感器，用于检测所述丝杠的振动信息；安装在所述数控机床的丝母及轴承上的丝母及轴承温度传感器，用于检测所述丝母和轴承的温度参数；光学传感器，用于检测所述工件的实时加工精度；主轴声发射传感器，用于检测所述主轴的主轴声信息；以及安装在所述数控机床的运动部件上的运动部件温度传感器，用于检测所述运动部件的温度参数。

在本发明一实施例中，所述服务器还包括健康数据库，且所述服务器还配置为将所述主轴声信息、运动部件的温度参数和振动敏感位置的振动信息与所述健康数据库中的对应信息比较，以判断所述数控机床是否异常。

在本发明一实施例中，所述运动部件包括所述数控机床的主轴、导轨以及丝杠。

在本发明一实施例中，所述振动敏感位置包括所述数控机床的导轨、丝杠。

在本发明一实施例中，所述服务器配置为：根据所述运动部件的温度参数与经过标定的温度-误差表，计算所述数控机床的热变形误差；以及根据所述热变形误差补偿所述运动部件的热变形。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过在数控机床外布传感器，对机床的运动部件和影响机床加工质量的主要功能部件进行相关数据的检测和采集，该些数据可以为大涵道比航空发动机机械加工产业链围绕国产高档数控机床的工艺探索提供数据支持；

(2)通过设置一套数据管理系统，实现了对国产数控机床加工工件过程的实时检测，能够对数控机床的实时状态和工件的实时加工精度进行监控，并将数控机床的实施情况与数据管理系统中的健康数据库中的对应信息进行比较，及时发现数控机床的异常情况，保证其安全正常的工作；

(3)通过将工件加工过程中的实时检测结果和加工完成后的质量评估信息通过建模分析软件进行比对分析后，能够对数控机床实施自动校正，提高了生产效率和工件加工质量，避免了工件检验出超差后进行返修时的二次装夹而带来误差叠加；

(4)通过采集数控机床的运动部件的实时温度，监控运动部件的热变形情况，能够对数控机床的运动部件的热变形进行实时的自动补偿，避免该热变形影响工件的加工精度和机床的正常工作。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1为本发明一实施例中的数控机床数据管理系统。

图2为本发明一实施例中的数据采集系统的结构示意图。

图3为本发明一实施例中的数控机床数据管理方法的流程图。

图4为数控机床在温度T下的热变形示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

图1为本发明一实施例中的数控机床数据管理系统，数控机床数据管理系统可以对多个数控机床进行管理。如图1所示，数控机床数据管理系统1包括：多个传感器11、数据采集卡21、开关电源22和服务器12。在本实施例中，数控机床数据管理系统1还包括一视觉展示系统13，能够对数控机床10的相关信息进行可视化存储。在本实施例中，数控机床数据管理系统1的具体组网方式可以是：外布的多个传感器11预先布置在数控机床10的各个部件上并与数据采集卡21相连，并接入数控机床数据管理系统1；安装在CentOS操作系统的工业网服务器12上的数据采集分析软件将从数控机床数据管理系统1采集的传感器11的数据以及数控机床数据管理系统1中的数控机床运行信息一并呈现在视觉展示系统13中；同时工件的实时加工检测结果接入服务器12，实现工件实时监测与服务器12的双向数据互换。

传感器11用于采集数控机床10的各项参数。在本实施例中，如图1 所示，多个传感器11用于采集数控机床10加工工件过程的实时检测结果、数控机床10的主轴声信息、运动部件的温度参数及振动敏感位置的振动信息。其中，运动部件可以包括数控机床10的主轴、导轨以及丝杠，振动敏感位置可以包括数控机床10的导轨、丝杠。多个传感器11包括主轴扭矩传感器111、导轨单向振动传感器112、三向振动传感器113、丝杠单向振动传感器 114、丝母及轴承温度传感器115、光学传感器116、主轴声发射传感器117和运动部件温度传感器118。

主轴扭矩传感器111安装在数控机床10的主轴后端，用于检测数控机床 10的机床主轴扭矩。主轴扭矩传感器111能够实时检测数控机床10在对工件加工的过程中机床主轴扭矩的变化，该变化可以客观反应刀具的损耗、切削量和进给量大小，该些信息与工件加工质量息息相关。

导轨单向振动传感器112用于检测数控机床10的导轨振动信息，该振动信息可以用于监控导轨的变形和磨损，导轨的变形和磨损可作为工件加工超差、机床设备精度降低等相关问题的判断依据。

三向振动传感器113安装在数控机床10的丝杠的丝母上，用于检测丝母的振动信息。该丝杠为滚柱丝杠，该振动信息可以用于检测丝杠的磨损、偏心、表面缺陷以及滚柱缺陷的振动脉冲，该些检测信息可作为工件加工超差、机床设备精度降低等相关问题的判断依据。

丝杠单向振动传感器114用于检测丝杠的振动信息。较佳的，丝杠单向振动传感器114安装在丝杠两侧的支撑端。数控机床10的丝杠的弯曲、前后支架不同心、轴承故障等都会时丝杠振动而导致丝杠变形，丝杠的振动信息可作为数控机床故障以及机床设备精度变化的判断依据。

丝母及轴承温度传感器115安装在丝母及轴承安装座上，较佳的，丝母及轴承温度传感器115为贴片式温度传感器。丝母及轴承的温度参数可以作为数控机床故障以及机床设备精度变化的判断依据。

光学传感器116用于检测所述工件的实时加工精度，较佳的，光学传感器 116为红外线传感器，其能够检测出工件的实时加工尺寸、表面粗糙度，从而得出工件的实时加工精度。

主轴声发射传感器117用于检测数控机床10的主轴声信息，较佳的，主轴声发射传感器117安装在主轴前端。主轴故障会引起噪声，当主轴声发射传感器117检测到噪声超标，数控机床数据管理系统1将立即采取关联操作报警停机，防止机床的进一步损伤。

运动部件温度传感器118用于检测数控机床的10运动部件的温度参数，数控机床的运动部件可以包括数控机床10的主轴、导轨以及丝杠。数控机床 10的主轴、导轨以及丝杠容易因为数控机床的工作而产生温度变化，从而导致其发生热变形，对运动部件的温度参数进行检测可以给后续数控机床数据管理系统1的热变形补偿提供依据。

图2为本发明一实施例中的数据采集系统的结构示意图。数据采集系统2可以包括数据采集卡21和开关电源22。数据采集卡21连接多个传感器11，用于接收实时检测结果、所述数控机床10的主轴声信息、运动部件的温度参数及振动敏感位置的振动信息并传输给服务器12。为了防止数控机床数据管理系统1的对数据采集卡21的电磁干扰，开关电源22连接数据采集卡21以为数据采集卡21单独供电。

如图1所示，服务器12用于接收数据采集卡21发送的数控机床10加工工件过程中的各类数据，服务器12还可以包括数据采集分析软件、数控机床模型、补偿校正软件和各类对比数据库(如健康数据库)等。

如图1所示，数控机床数据管理系统1还包括一视觉展示系统13，能够对数控机床10的相关信息进行可视化存储。视觉展示系统13可以包括机床状态显示模块、机床生产管理模块、机床运行统计模块、机床健康管理模块、机床故障管理模块和刀具管理模块。在一些其它实施例中，视觉展示系统13还包括其它与数控机床10相关信息关联的模块，在此不一一举例。

机床状态显示模块可以显示的内容包括：机床实时状态，如编辑状态、自动运行状态、MDI状态、试运行状态、在线加工状态等；转速进给值，可以实时显示机床的当前转速值和进给速度值；坐标信息，可以实时显示数控机床10当前的坐标情况。

机床生产管理模块可以显示的内容包括：当前加工零件程序名称、已加工零件数量、未来机床加工计划、生产准备情况、工件加工时间、工件加工结束时间等。

机床运行统计模块可以显示的内容包括：机床开机时间、关机时间、运行时间、空闲时间、有效工作时间、设备利用率等。

机床健康管理模块可以显示的内容包括：主轴扭矩传感器111、导轨单向振动传感器112、三向振动传感器113、丝杠单向振动传感器114、丝母及轴承温度传感器115、光学传感器116、主轴声发射传感器117和运动部件温度传感器118所采集到的实时数据；健康数据库中的比对值；以及主轴负载、冷却液温度流量、压缩空气压力流量等数据。

机床故障管理模块135可以显示的内容包括：机床当前故障报警信息、历次报警信息及解决方式、故障报警帮助、备件更换情况、故障停机时间、故障维修时间等。

刀具管理模块136可以显示的内容包括：刀具尺寸、刀具号、刀具所在刀库位置、刀具磨损情况、刀具使用时间、刀具剩余寿命、刀具准备情况等。

图3为本发明一实施例中的数控机床数据管理方法的流程图，该数控机床数据管理方法可以应用于数控机床数据管理系统1。

如图3所示，数控机床数据管理方法包括步骤101-105，在本实施例中，图1中的服务器12可以被配置为执行步骤102-105：

步骤101：采集数控机床加工工件过程的实时检测结果；

在步骤101中，该实时检测结果包括：数控机床的机床主轴扭矩、导轨振动信息、丝母振动信息、丝杠振动信息、丝母及轴承温度信息和主轴温度信息以及工件的实时加工精度。实时监测结果通过外布在数控机床上的传感器进行采集。

步骤102：对加工完成后的工件进行质量评估以得到工件的质量评估信息；

在步骤102中，工件的质量评估信息包括：工件的加工精度和粗糙度。工件的加工精度和粗糙度可以通过安装在数控机床上的红外线传感器来进行检测。

步骤103：将实时检测结果和质量评估信息输入数控机床模型，分析工件的形位公差和表面粗糙度以获得工件误差；

步骤104：根据工件误差调整数控机床的数字控制程序中的运行参数、动态精度以及刀具参数；

步骤105：控制数控机床对具有工件误差的表面进行二次加工以补偿所述工件误差。

在步骤102-105，服务器12对具有加工误差的数控机床进行实时校正，同时也可以对具有工件误差的表面进行二次加工，防止工件完成加工后检验出超差返修的二次装夹而带来的误差叠加，保证了工件的加工精度。

如图3所示，数控机床数据管理方法还包括步骤201-202，服务器12 可以被配置为执行步骤202：

步骤201：采集数控机床的主轴声信息、运动部件的温度参数及振动敏感位置的振动信息；

在步骤201中，运动部件包括数控机床的主轴、导轨以及丝杠，振动敏感位置包括导轨、丝杠。数控机床的主轴声信息、运动部件的温度参数及振动敏感位置的振动信息通过外布在数控机床上的传感器进行采集。

步骤202：将主轴声信息、温度参数和振动信息与健康数据库中的对应信息比较，以判断所述数控机床是否异常。

在步骤202中，服务器还包括健康数据库。在本实施例中，该健康数据库可以是机床MTBF(Mean Time Between Failures)数据库。在将实时采集到的数控机床的信息和健康数据库中的对应进行比较的同时，还可以通过该些实时数据建立数控机床CPS(CreativeProblem Sloving)进行数据管理功能的研究。具体来说，数控机床的CPS模型是指在特定的制造资源(数控机床，记为MR) 上运行指定的G指令，并获取G指令运行过程中的数控机床数据管理系统1 的内部数据，该内部数据包括与G指令相关的工作任务数据(如指令行号等，记为WT)和数控机床加工工件过程的实时检测结果(记为Y)。形成指令域上映射关系Y＝f(WT,MR)，此映射关系即为数控机床的CPS模型，并通过对不同阶段CPS模型中的指令域波形图进行对比、分析，提取出指令域波形显著的特征信息，进而利用指令域的特征信息进行数控机床健康状态的检测与评估。

如图3所示，数控机床数据管理方法还包括步骤301-303，服务器12 可以被配置为执行步骤302-303：

步骤301：采集数控机床的运动部件的温度参数；

在步骤301中，运动部件包括数控机床的主轴、导轨以及丝杠，运动部件的温度参数通过安装在主轴、导轨、丝杠上的温度传感器进行采集。

步骤302：根据温度参数与经过标定的温度-误差表，计算数控机床的热变形误差；

在步骤302，数控机床对工件进行加工的过程中，数控机床的运动部件如丝杆和主轴会在一定温度下产生热变形。图4为数控机床在温度T下的热变形示意图，如图4所示，数控机床400的主轴410和丝杆420分别在温度为T的情况下，主轴410在X方向上产生了热变形ΔX

步骤303：根据热变形误差补偿所述运动部件的热变形。

在步骤303，服务器可以通过安装在服务器上的补偿校正软件对数控机床的主轴、导轨以及丝杠的热变形进行自动补偿。

本发明通过上述实施例，提出了一种数控机床数据管理系统及方法，其能够实现国产数控机床整个生命周期的相关数据监控和管理，进而对国产数控机床在大涵道比涡扇航空发动机制造领域的加工质量、加工精度和整体稳定性等方面进行监控，并且能在国产数控机床的使用过程中对机床的健康状态进行监控、对机床故障进行预警、对机床刀具和运行参数进行管理，同时也能对数控机床的热变形误差、加工误差进行实时的自动补偿。本发明提出的数控机床数据管理系统及方法相对于现有技术，为国产数控机床在航空发动机零件加工过程提供了更好的质量和更高的效率的保障。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘CD、数字多功能盘DVD……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。

计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。