CN103235555B - 基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法，仅需在机床总电源处安装一个功率传感器，实时采集机床总电源输入功率，经过信号滤波处理后，就可实现对机床开机状态、主轴电机运行状态等机床运行状态的在线自动识别，统计机床处于不同状态的运行时间，进而实时获取机床的设备开机率、设备运行率、设备利用率等机床设备利用状态信息。基于上述方法开发出了一套软硬件一体化的机床运行过程设备利用状态在线监测装置；该装置由功率传感器、信息终端、支架组成，实现对机床设备开机率、设备运行率和设备利用率的统计分析等功能。该装置将为企业提高设备利用率、优化生产流程提供实时设备现场信息支持。

Description

基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法及装置

技术领域

本发明涉及到机械制造业、通讯技术领域，尤其涉及一种基于功率信息的机床设备利用状态监测方法及装置。

背景技术

提高机床设备的加工效率和设备利用率一直是关乎企业制造资源充分利用的重要问题，但由于生产现场环境复杂，设备的数控化程度参差不齐等原因，一直难以获取准确的设备实时运行状态及利用率信息。机床的设备利用率信息直接反映制造资源的使用效率和加工能力，对于生产管理人员规划加工任务和进度有重要意义。传统人工统计的方法，对于机床加工时间参数尤其是有效加工时间等的统计很难实现，因此难免造成大量的企业制造资源的浪费。在机床设备节能降耗的大环境下，提高企业制造资源的利用率，减少资源浪费，成为目前研究的一个热点。随着制造业对于节能降耗以及提高设备总体利用效率的需要越来越高，实时有效简便的获取机床运行状态信息对于动态、准确地制定生产计划的重要作用越来越凸显。

随着数控机床技术、网络通讯技术、数据采集技术的发展，数控机床可以通过在加工代码中***宏指令获取加工过程信息，获取设备运行信息相对容易，例如：公开号为CN101059696A，发明名称为“基于机床功率信息自动采集机械加工任务进度状态的方法”的专利提出了一种采集企业机械加工任务进度的方法，但是，普通机由于缺乏控制器和现场总线，目前实时获取加工状态与生产信息获取的方法十分有限。然而普通机床在我国的制造业中占有很大的比重，2010年4月的统计数据表明，我国机床行业数控化率仅为27.5％，发达国家为70％左右，虽然目前普通机床的比重呈下降趋势，但在我国普通机床仍然占有主导地位，而且从长远来看也不可能完全被数控机床所替代。

研究发现，对于普通机床，目前企业中由于缺乏一种简单有效的方法获取生产中设备、产品的信息，导致了加工信息统计时间滞后、精确度低，缺乏实时的生产加工信息和上下层反馈调控办法，整体设备利用率低下等严重问题。在设备实际使用时间内，还存在大量的加工等待时间及因工人操作水平的差异而导致的个别工序耗时过多的现象。目前对于以上重要信息的获取多采用秒表计时，生产报表等人工统计的方法，这样不仅准确性、实时性得不到保证，且实施成本高，不利于在实际生产中进行推广。随着生产管理对设备及人员的利用率要求越来越高，传统以设备维护、故障诊断为主的状态监测已经不满足要求。因此强化设备加工信息的获取方法，扩展加工信息的广度和深度，开发信息获取的新技术，改善非数控设备的设备利用率评估体系是改变普通机床信息化孤岛现状的根本方法。

发明内容

针对目前缺少机床设备利用状态在线监测方法和装置，本发明公布了一种基于功率信息在线监测机床设备利用状态的方法。

为实现以上目的，本发明提了一种基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法，将机床设备利用率指标定义为设备开机率、设备运行率、设备利用率，基于机床输入功率信息在线识别机床运行状态，统计各状态时间，从而实时获取机床的设备利用状态信息，实现对机床利用状态的实时在线监测，其特征在于：设备开机率Eff_work、设备运行率Eff_run，设备利用率Eff_equipment分别定义如下：

${\mathrm{Eff}}_{\mathrm{work}}=\frac{T_{\mathrm{work}}}{T_{\mathrm{shift}}};{\mathrm{Eff}}_{\mathrm{run}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{work}}};{\mathrm{Eff}}_{\mathrm{equipment}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{shift}}};$

其中，T_shift——额定班次时间；

T_work——班次内机床开机时间；

——班次内机床主轴电机运行总时间；

具体步骤如下：

步骤一，机床总电源实时功率采集。即在机床总电源处安装一个功率传感器，实时采集机床总电源输入功率并进行A/D转换；

步骤二，信号滤波预处理，即将功率传感器采集的机床总电源输入功率数字信号传送至信息终端后进行滤波处理；

步骤三，机床状态在线识别，即基于实时功率信息在线识别出机床运行状态，统计出机床开机时间和机床的有效加工时间；

步骤四：机床设备利用状态统计并显示，即基于步骤三统计的机床各状态运行时间起止时刻，统计机床开机时间T_work，机床主轴电机运行时间T_{run_i}，其中，机床加工时间的统计是一个累加的数值，即，班次内机床主轴电机运行总时间为将以上统计数据代入设备开机率、设备运行率、设备利用率模型中，实时获取机床设备利用状态信息，并通过信息终端实时显示出来。

进一步地，步骤三通过以下方式实现：

第一、机床总电源开启识别：将滤波处理后的实时功率值存入一个缓存数组BUFF[N]，如果数组中出现两个以上大于预设阀值时，将机床状态判断为电源开启，机床状态标志MT_STATUS置为01，记录当前时刻为机床开机时刻t_{mt_start}；机床启动后，处于待机状态，此时，将缓存数组BUFF[N]的稳定功率值记录为机床待机功率P_ready(t)；

第二、主轴电机启动状态识别：当实时采集的机床总电源输入功率P_in(t)发生突变，即实时功率值P_in(t)与P_ready(t)之差大于某一范围，即时，其中C＝P_ready(t)×5％，将机床状态判断为主电机启动，机床状态标志MT_STATUS置为11，记录当前时刻为机床主轴电机开启时刻t_{sp_start}，此时，机床进入加工状态；

第三、主轴电机停机状态识别：当出现实时采集的机床总电源输入功率P_in(t)等于或小于机床待机功率P_ready(t)且缓存数组BUFF[N]中的数值平稳时，将机床状态判断为主电机停机，机床状态标志MT_STATUS置为10，记录当前时刻为机床主轴电机停机时刻t_{sp_stop}，此后，机床进入待机状态；

第四、机床停机状态识别：当数组BUFF[N]中数据为零或小于功率传感器的零飘值时，将机床状态判断为停机状态，将机床状态标志MT_STATUS置为00，将当前时刻记录为机床关机时刻t_{mt_stop}。

进一步地，本发明还提供了一种基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法的在线监测装置，包括功率传感器、信息终端、支架，在机床电气柜总电源处安装功率传感器，功率传感器与信息终端通过串口线相连接，将功率传感器采集的功率信息实时传送至信息终端，其特征在于：

该信息终端用支架挂靠安装在机床床身处；

功率传感器电源与信息终端电源分别与机床总电源相连接，当机床开启时，功率传感器与信息终端同时开始工作；

信息终端将功率传感器采集的功率数据进行数字滤波处理后，在线识别机床状态，统计各状态运行时间，实时累积，代入计算机床设备利用率指标模型，从而获取机床的设备开机率，设备运行率，设备利用率，并将实时功率曲线及相关设备利用状态信息实时显示在屏幕上。

进一步地，功率传感器集成了低通滤波和A/D转换模块，并提供RS232串行接口，实时采集机床输入功率信号，并将模拟信号转换为数字信号。

进一步地，信息终端外壳为铁质密封材料，屏幕采用电阻型LCD触摸屏。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明将机床的设备利用率指标细化，重新对其定义，能更加如实反映出机床在使用过程中的实际有效利用状况，通过设备开机率的统计可以看出在工人在上班时间内，机床是否被充分利用，通过设备运行率和设备利用率的统计可以看出机床运行过程中处于工作状态而非电源开启闲置的时间比。这对于机床优化调度，加工参数优化，提高机床利用率机床均具有重要的数据支持作用。便于管理人员更好的管理设备和对工人进行考核，提高工人的工作积极性，有效避免了机床的停机或空载时间浪费。

2、只需采集机床总电源输入功率信息，就可以获取包括机床设备开机率、设备运行率、设备利用率等表征机床利用状态的关键指标。该方法仅需安装低成本的功率传感器，方便实用，具有较高的可推广性。

3、本发明装置可通过企业内部局域网络连接，将数据上传至服务器，实现整个车间设备的设备利用状态监控。有利于企业管理人员对整个车间的设备利用状况的查看，有利于车间的远程监控和管理。

4、本发明开发的装置易安装、易操作，具有低成本、高性能、方便实用、对机床正常使用无影响等特点，在量大面广的机床行业具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明装置示意图；

图3为信号滤波算法流程图；

图4为机床运行状态识别算法流程图；

图5为该装置记录的某班次内CA620车床输入功率曲线；

其中：

1、功率传感器；2、信息终端；3、支架；4、服务器；5、RS232串口；6、USB2.0控制器；7、RS232串口；8、以太网口；9、VGA接口；10、信息终端外壳；11、LCD显示屏幕。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

该方法的主要原理是将机床设备利用率指标定义为设备开机率、设备运行率、设备利用率，基于机床输入功率在线识别机床运行状态，统计各状态时间，从而实时获取机床的设备利用状态信息，实现对机床利用状态的实时在线监测。其中，设备开机率Eff_work、设备运行率Eff_run，设备利用率Eff_equipment，分别定义如下：

${\mathrm{Eff}}_{\mathrm{work}}=\frac{T_{\mathrm{work}}}{T_{\mathrm{shift}}};{\mathrm{Eff}}_{\mathrm{run}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{work}}};{\mathrm{Eff}}_{\mathrm{equipment}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{shift}}};$

其中，T_shift——额定班次时间；

T_work——班次内机床开机时间；

——班次内机床主轴电机运行总时间；

具体方法和步骤如下：

步骤一，机床总电源实时功率采集。即在机床总电源处安装一个功率传感器，实时采集机床总电源输入功率。

功率传感器模块集成了低通滤波模块和A/D转换模块，并有一个RS232串行接口，可以将采集的功率数据转换为数字信号实时传送至信息终端。

步骤二，信号滤波预处理。在实际加工环境采集的功率信号往往存在大量的干扰，不除去这些干扰，将会对机床状态在线识别造成误判，造成对机床设备利用状态监测的不准确。因此，需要将功率传感器采集的机床总电源输入功率数字信号传送至信息终端后进行滤波处理。本发明使用限幅防脉冲干扰滑动平均算法来进行信号滤波处理，利用该方法对功率信号数据处理既能有效地滤除脉冲干扰，又能避免其它信号处理方法造成的信号失真。

防脉冲干扰滑动平均算法的流程图如附图3所示。首先，读取两个数据进行比较，如果差值大于设定的阀值，则丢弃这两个数据，重新读取，直到满足阀值要求，然后采用队列作为测量数据的存储器，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而丢弃原来队首的一个数据，这样队列中始终有N个“最新”的数据。然后对这N个“最新”数据进行比较，求其最大值和最小值。最后求这N个“最新”数据之和并从中减去最大和最小值。将余下的N-2个数据的算术平均值作为信号有效值输出。

步骤三，机床状态在线识别。即基于实时功率信息在线识别出机床运行状态，统计出机床开机时间和机床的有效加工(主轴电机运行)时间。一个完整的加工过程包括机床总电源开启、主轴电机开启、主轴电机停机、机床停机等几个状态。机床输入功率变化实质上是机床不同运行状态的功率特性的反映。本发明提出的基于实时功率值判别机床状态算法流程如附图4所示，下面做详细介绍：

①机床总电源开启识别：将滤波处理后的实时功率值存入一个缓存数组BUFF[N]，如果数组中出现两个以上大于预设阀值(该阀值为功率传感器的零飘值)时，将机床状态判断为电源开启，机床状态标志MT_STATUS置为01，记录当前时刻为机床开机时刻t_{mt_start}。机床启动后，处于待机状态，此时，将缓存数组BUFF[N]的稳定功率值记录为机床待机功率P_ready(t)。(00：机床停机；01：机床总电源开启；11：主轴电机启动；10：主轴电机停机)。

②主轴电机启动状态识别：当实时采集的机床总电源输入功率P_in(t)发生突变，即实时功率值P_in(t)与P_ready(t)之差大于某一范围(P_in(t)-P_ready(t)/P_ready(t)＞C)时，其中C＝P_ready(t)×5％，将机床状态判断为主电机启动，机床状态标志MT_STATUS置为11，记录当前时刻为机床主轴电机开启时刻t_{sp_start}。此时，机床进入加工状态。

③主轴电机停机状态识别：当出现实时采集的机床总电源输入功率P_in(t)等于或小于机床待机功率P_ready(t)且缓存数组BUFF[N]中的数值平稳时，将机床状态判断为主电机停机，机床状态标志MT_STATUS置为10，记录当前时刻为机床主轴电机停机时刻t_{sp_stop}。此后，机床进入待机状态。

④机床停机状态识别：当数组BUFF[N]中数据为零或小于功率传感器的零飘值时，将机床状态判断为停机状态，将机床状态标志MT_STATUS置为00，将当前时刻记录为机床关机时刻t_{mt_stop}。

步骤四：机床设备利用状态统计并显示。基于步骤三统计的机床各状态运行时间起止时刻，统计机床开机时间T_work(T_work＝t_{mt_stop}-t_{mt_start})，机床主轴电机运行时间T_{run_i}(T_{run_i}＝t_{sp_stop}-t_{sp_start})。由于在每一班次内，机床主轴电机会处于多次开停状态，因此，机床加工时间的统计是一个累加的数值，即，班次内机床主轴电机运行总时间为将以上统计数据代入设备开机率、设备运行率、设备利用率模型中，即可实时获取机床设备利用状态信息，并通过信息终端实时显示出来。

如附图2所示，为本发明基于前述方法开发的一套基于功率信息的机床设备利用状态在线监测装置，包括功率传感器1、信息终端2、支架3。在机床电气柜总电源处安装功率传感器1，该功率传感器集成了低通滤波和A/D转换模块，并提供RS232串行接口5，实时采集机床输入功率信号，并将模拟信号转换为数字信号；功率传感器与信息终端通过串口线相连接，将功率传感器采集的功率信息实时传送至信息终端。该信息终端用支架挂靠安装在机床床身处，其内部集成了USB2.0控制器6、RS232串口7、以太网口8、VGA接口9等多种通讯接口，具有完整的CPU处理器，磁盘存储装置、散热器和嵌入式操作***，可以满足不同通讯方式需求及功能扩展需求。该信息终端外壳10为铁质密封材料，屏幕11采用电阻型LCD触摸屏，能直接点击屏幕进行操作，方便使用者进行人机交互。为避免车间粉尘、油污和硬物对显示屏的损坏，在屏幕上贴有一层保护膜，以适应车间复杂工况环境下的工作。

功率传感器1电源与信息终端2电源分别与机床总电源相连接，当机床开启时，功率传感器1与信息终端2同时开始工作。信息终端2将功率传感器1采集的功率数据进行数字滤波处理后，在线识别机床状态(机床总电源开启、主轴电机开启、主轴电机停机、机床停机)，统计各状态运行时间，实时累积，代入计算机床设备利用率指标模型，从而获取机床的设备开机率，设备运行率，设备利用率。并将实时功率曲线及相关设备利用状态信息实时显示在屏幕10上。信息终端通过以太网接口7与车间服务器4连接，并向服务器传送数据备份保存，供车间管理人员查询。

实施例

利用本发明装置在某车间一台CA620普通车床上进行了相关应用实验，对整个班次时间内(注：该车间额定班次时间为8小时)的机床运行过程设备利用状态进行了在线监测。在机床总电源处安装功率传感器，数据采样周期设置为20ms，实时采集机床输入功率，并进行低通滤波处理，将模拟信号转换为数字信号；在机床床身处固定安装信息终端，通过串口线与功率传感器连接，实时接收功率传感器传送的功率信号，进行功率信号的数字滤波，在线识别机床运行状态，计算统计机床设备开机率、设备运行率、设备利用率等信息，并将实时将功率曲线和设备利用状态显示出来。信息终端通过网线与服务器连接，将数据分析和处理结果发送至服务器进行保存和备份，供车间管理者查看。表1为该班次内机床加工过程数据记录结果，图5为机床总电源输入功率曲线图。

表1 CA620普通车床总电源输入功率记录结果

由表1数据可以统计出，该班次内机床开机时间T_work为7小时55分，机床主轴电机运行总时间为3小时28分。根据机床设备开机率、设备运行率、设备利用率模型，可得到该班次内机床的设备利用状态指标为：

设备开机率： ${\mathrm{Eff}}_{\mathrm{work}}=\frac{T_{\mathrm{work}}}{T_{\mathrm{shift}}}=\frac{7h55}{8h}=98.9\%;$

设备运行率： ${\mathrm{Eff}}_{\mathrm{run}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{work}}}=\frac{3h28}{7h55}=43.7\%;$

设备利用率： ${\mathrm{Eff}}_{\mathrm{equipment}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{shift}}}=\frac{3h28}{8h}=43.3\%;$

由以上计算结果可知，本发明方法及装置能较好的实现对机床运行设备利用状态进行在线监测。在一个班次时间内，设备开机率虽然很高，达到98.9％，但是实际用于加工的时间所占比例却很少，设备运行率和设备利用率分别只有43.7％和43.3％。表明机床开机以后，大部分时间是处于闲置状态或非加工状态，而真正用于加工的时间很少，因此造成了大量资源和能源的浪费。根据现场调研，提高机床设备利用率可以通过提高工人的业务熟悉程度、缩短布置工地时间、缩短辅助时间来改善。本发明装置将为车间管理者优化生产调度，优化加工工艺，提高工人工作积极性，提高设备利用率、降低能量消耗提供现场数据支持。

通过以上实施方式介绍，可以看出本发明方法及装置简单有效，容易实施。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法，将机床设备利用状态指标定义为设备开机率、设备运行率、设备利用率，基于机床输入功率信息在线识别机床运行状态，统计班次内机床开机时间和有效加工时间，从而实时获取机床的设备利用状态信息，实现对机床利用状态的实时在线监测，其特征在于：设备开机率Eff_work、设备运行率Eff_run，设备利用率Eff_equipment分别定义如下：

${\mathrm{Eff}}_{\mathrm{work}}=\frac{T_{\mathrm{work}}}{T_{\mathrm{shift}}};{\mathrm{Eff}}_{\mathrm{run}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{work}}};{\mathrm{Eff}}_{\mathrm{equipment}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{run}\_i}}{T_{\mathrm{shift}}};$

其中，T_shift——额定班次时间；

T_work——班次内机床开机时间；

——班次内机床主轴电机运行总时间；

具体步骤如下：

步骤一，机床总电源实时功率采集，即在机床总电源处安装一个功率传感器，实时采集机床总电源输入功率并进行A/D转换；

步骤二，信号滤波预处理，即将功率传感器采集的机床总电源输入功率数字信号传送至信息终端后进行数字滤波处理；

步骤三，机床状态在线识别，即基于实时功率信息在线识别出机床运行状态，标识机床运行状态，统计机床各状态运行起止时刻；

步骤四：机床设备利用状态统计并显示，即基于步骤三统计的机床各状态运行时间起止时刻，统计机床开机时间T_work，机床加工时间，即主轴电机运行时间T_{run_i}，其中，机床加工时间的统计是一个累加的数值，即，班次内机床主轴电机运行总时间为将以上统计数据代入设备开机率、设备运行率、设备利用率模型中，实时获取机床设备利用状态信息，并通过信息终端实时显示出来。

2.根据权利要求1所述的基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法，其特征在于：步骤三通过以下方式实现：

第一、机床总电源开启状态识别：将滤波处理后的实时功率值存入一个缓存数组BUFF[N]，如果数组中出现两个以上大于预设阀值时，将机床状态判断为总电源开启，机床状态标志MT_STATUS置为01，记录当前时刻为机床开机时刻t_{mt_start}；机床启动后，处于待机状态，此时，将缓存数组BUFF[N]的稳定功率值记录为机床待机功率P_ready(t)；

第二、主轴电机启动状态识别：当实时采集的机床总电源输入功率P_in(t)发生突变，即实时功率值P_in(t)与P_ready(t)之差大于某一范围，即时，其中C＝P_ready(t)×5％，将机床状态判断为主电机启动，机床状态标志MT_STATUS置为11，记录当前时刻为机床主轴电机开启时刻t_{sp_start}，此时，机床进入加工状态；

第三、主轴电机停机状态识别：当出现实时采集的机床总电源输入功率P_in(t)等于或小于机床待机功率P_ready(t)且缓存数组BUFF[N]中的数值平稳时，将机床状态判断为主轴电机停机，机床状态标志MT_STATUS置为10，记录当前时刻为机床主轴电机停机时刻t_{sp_stop}，此后，机床进入待机状态；

第四、机床停机状态识别：当数组BUFF[N]中数据为零或小于功率传感器的零飘值时，将机床状态判断为停机状态，将机床状态标志MT_STATUS置为00，将当前时刻记录为机床关机时刻t_{mt_stop}。

3.一种实现权利要求1所述的基于功率信息的机床设备利用状态在线监测方法的在线监测装置，包括功率传感器(1)、信息终端(2)、支架(3)，在机床电气柜总电源处安装功率传感器(1)，功率传感器(1)与信息终端(2)通过串口线相连接，将功率传感器(1)采集的功率信息实时传送至信息终端(2)；其特征在于：

该信息终端(2)用支架(2)挂靠安装在机床床身处；

功率传感器(1)电源与信息终端(2)电源分别与机床总电源相连接，当机床电源开关开启时，功率传感器(1)与信息终端(2)同时开始工作；

信息终端(2)将功率传感器(1)采集的功率数据进行数字滤波处理后，在线识别机床状态，统计机床开机时间和加工时间，实时累积，代入机床设备利用状态指标模型，从而获取机床的设备开机率，设备运行率，设备利用率，并将实时功率曲线及相关设备利用状态信息实时显示在屏幕(11)上。

4.根据权利要求3所述的在线监测装置，其特征在于：功率传感器(1)集成了低通滤波和A/D转换模块，实时采集机床输入功率信号，并将模拟信号转换为数字信号，并提供RS232串行接口(5)，将数据传送至信息终端。

5.根据权利要求3所述的在线监测装置，其特征在于：信息终端外壳(10)为铁质密封材料，屏幕(11)采用电阻型LCD触摸屏。