图 7-10 840D系统OPC服务器数据采集流程
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数控机床健康保障系统
• 健康保障系统构成
数控机床的健康保障系统能预测性诊断机床部件或系统的 功能状态，包括对部件的性能评估和剩余使用寿命预测， 为机床的维护策略的实施提供决策意见。机床维护人员根 据健康保障系统诊断的结果，在机床处于亚健康状态时便 提前调度相关资源，当机床真正出现问题时就能立即维护、 维修，做到最大化减少故障停机时间并延长机床的工作寿 命，提高工厂的生产效率。
管理服务器
对单个或多个车间的 机床进行统一监督、 管理，并将智能健康 评估模型诊断的结果 发送到对应的机床上， 在有机床健康报警时 自动启动维护策略
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数控机床健康保障系统
• 健康保障系统功能概述
✓ 智能振动抑制 ✓ “铁人三项” ✓ 二维码故障诊断与云管理 ✓ 加工质量监测与保障
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数控机床健康保障系统 ✓ 智能振动抑制
• 在制造业数字化趋势和“大数据”时代，生产过程数据的利用有极大发展空 间。本章要解决的一个主要问题是，如何利用机床自身的数据和可能外加的 传感数据建立有效的加工过程健康保障系统和智能运维机制。
PART 02
加工过程智能运维系统架构
加工过程床控制模型 2. 传感器测量系统 3. 数控系统 4. 数控机床健康保障系统
构简单，调试方便，成本较低，但精 度速度都难以保障
半 闭 环 数 控 系 统 （ Semi-closed Loop Numerical Control System）带有检测反
数控 装置
+
馈（通常是电机编码器），但无法检测
机械传动过程中产生的误差，该数控系
统精度较高，稳定性高，调试简单。
数控 装置
位置 控制单 元
机床的各坐标轴加减速时产生的振动，直接影响加工精度、表面粗糙度、刀 尖磨损和加工时间，主动振动控制模块可使机床振动减至最小。例如，日本 MAZAK公司智能机床的AVC（Active Vibration Control，主动振动控制）模块， 通过系统内置的传感器和运算器计算和反馈的振动信息，然后调整指令从加 减速指令去除机械振动成分，从而实现对机床超出范围的振动进行抑制。
+ 位置控制
-
速度 控制单 元
+ 速度控制
-
实际 位置 反馈
实际速度 反馈
检测与反 馈单元
伺服 电机
位置 控制单 元
位置控制 -
速度 控制单 元
+ 速度控制
-
实际 位置 反馈
实际 速度 反馈
工作台
检测与反 馈单元
伺服 电机
机械 执行部 件
工作台
机械 执行部 件
闭 环 数 控 系 统 （ Closed Loop Numerical Control System）带有 包含检测位置误差（常用光栅尺）
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数控机床健康保障系统 ✓ “铁人三项”
铁人三项按照如下图所示的运行内容及机床本身的结构特点设定自检G指令， 数控机床运行设定好的自检G指令，同时通过无传感器的方式采集G指令运行 过程中的数控系统内部大数据，包括指令行行号数据及其它运行状态数据 （如负载电流、跟随误差、实际位置等），将数控机床（MR）、G指令信息 （WT）和运行状态数据（Y）进行映射，建立数控机床的CPS模型Y=f(WT, MR)， 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。
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2.4 数控机床健康保障系统
数控机床健康保障系统
• 健康保障系统总体功能
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数控机床健康保障系统
• 健康保障系统功能模块
信号采集模块 信号处理模块
由分布在数控机床 各处的电流、振动、 温度等众多传感器 组成，利用多传感 器融合技术获取数 控机床的工作状态 信息并传输至信号 处理模块中
工业现场获得的各 种信号往往包含大 量噪声，为了增强 采集信号的信噪比， 需要对采集到的信 号采取滤波等信号 处理技术来获得质 量更高的信号
➢ 振动传感器
• 智能运维中，振动加速度信号对机床的故障诊断和 工况监视具有重要的测量效果，加工过程中，电机 转动，伺服控制都会产生振动信号，获取振动信号， 并经特征提取，是实现状态感知的重要途径;
2.3 数控系统
数控系统
• 数控系统简介
数控系统(Numerical Control System)是数字控制系统的简称， 其内部一般由I/O设备、计算机数字控制(CNC)装置、可编 程控制器(PLC)、伺服系统、驱动装置以及检测装置等部件 组成。 G代码
随着数控技术的发展，在人和机床之间 增加了数控系统。加工工艺知识通过G 代码，输入到数控系统，数控系统替代 了人操作控制机床。此时，数控机床就 变成了HCPS。即在H和P之间增加了一个 信息系统Cyber System，这是与传统制造 系统最为本质的变化。
数控机床控制模型
• 新一代制造系统与新一代的人-信息-物理系统 (HCPS 2.0)
加工过程智能运维
本章导读
学习要求：
➢ 了解加工过程智能运维的特点与重要性； ➢ 掌握加工过程智能运维的系统框架构成与关键技术。
基本内容及要点：
➢ 加工过程智能运维背景介绍与机床故障特点； ➢ 加工过程智能运维系统架构组成：数控机床控制模型、传感
器测量系统、数控系统、数控机床健康保障系统； ➢ 加工过程智能运维关键技术：数字化技术、网络化技术、智
➢ 通过“人在回路”的混合增强智能，人机深度融合将从本 质上提高制造系统处理复杂性和不确定性问题的能力，极 大提高制造系统的性能。
2.2 传感器测量系统
传感器测量系统
• 传感器简介
在数控机床加工运行过程中，工况状态的检测信号是反映 机床设备运行状态正常或异常的信息载体，智能化数控机 床是通过检测信号感知机床的状态信息，并经信号的分析 和处理，能给出加工过程的控制决策和实时状态显示，适 当的检测方法是数控机床实现自助感知的重要条件，因而 也是数控机床智能化技术中必不可少的环节。
新一代智能制造系统与HCPS的不同 之处，在于其信息系统不再仅仅局 限于感知和控制，而是增加了认知 和学习的能力。在这一阶段，新一 代人工智能技术将使HCPS系统发生 最为本质的变化，形成新一代的 人-信息-物理系统(HCPS 2.0)。
数控机床控制模型
• HCPS 2.0与HCPS
➢ HCPS 2.0与HCPS的主要变化在于人将部分认知与学习型的 脑力劳动转移给了信息系统，这样信息系统在具备“认知” 和“学习”的能力后，人和信息系统关系发生了根本变化， 实现了从“授之以鱼”到“授之以渔”的飞跃。
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传感器测量系统
• 数控机床对传感器的要求
➢ 满足精度要求，灵敏度高和速度响应快; ➢ 高可靠性、稳定性及抗干扰能力; ➢ 在线与实时性要求; ➢ 使用维护方便，适合机床运行环境和实际安装配置; ➢ 价格低廉，成本低
传感器测量系统
• 传感器测量系统
➢ 电流和电压传感器 • 获取数控机床加工过程的电流和电压信号，从而间
➢ 在实际生产过程中， 人们常按照数控系统 的组成特点对其进行 分类。
按控制运动 按组成特点 按功能水平
点位数控系统 直线数控系统 轮廓控制系统 开环数控系统 半闭环数控系统 闭环数控系统 经济型数控系统 普及型数控系统 高端数控系统
数控系统
工作台
指令
数控 脉冲 步进电机
步进
装置
驱动模块
电机
开环数控系统（Open Loop Numerical Control System）不需要检测反馈，结
特征提取与选 择模块
从信号中准确选 择出反应部件性 能退化或故障发 生的敏感特征， 对提高性能评估 和寿命预测模块 的诊断准确率有 重大的帮助
机床健康评估 模块
运用深度人工神经网络、 时间序列分析、隐马尔科 夫模型、模糊神经网络等 众多人工智能技术，在云 端建立反映故障规律和部 件性能退化趋势的智能计 算模型，然后根据上传的 信号数据判断对应机床的 性能状态并预测剩余寿命
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数控机床健康保障系统
• 健康保障系统具体构成
智能化加工 模块
实时监测和优化生 产线上的加工制造 过程，降低机床发 生硬件故障的风险， 改善机床的加工性 能，提高生产效率 和工人的安全保障；
云端数据库
存储从工业现场收 集到的宝贵的工业 数据，为制造业 “人工智能与大数 据”时代的建立提 供必要的数据支撑
CNC数控系统
主轴伺服 主轴驱动
I/O设备
CNC 装置
PLC 装置
单元
电气控制 单元
进给伺服
电机 机床电器
进给驱动
机 床 主 体
通信接口
单元
电机
检测装置
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数控系统
• 数控系统分类
➢ 目前，数控系统种类 繁多，其分类方式也 多种多样，主要分类 方式有：按控制运动 数控系统 分类，按组成特点分 分类方式 类，按功能水平分类。
• 《中国制造“2025”》将数控机床和基础制造装备行业列为中国制造业的战 略必争领域之一，主要原因是其对于一国制造业尤其是装备制造业的国际分 工中的位置具有“锚定”作用。
• 在实际生产加工过程中，由于数控机床的机械结构、数控系统以及控制部分 的复杂性，并且加工环境恶劣，加工强度高，导致机床的可靠性、稳定性面 临巨大挑战，其故障发生率也在增大。机床故障呈现出多样性的特点，可能 是机械故障、电气故障、液压故障、缓变故障等一种或多种情况。对于机床 发生的故障，往往是进行事后维修，不仅效率低而且故障损失大。
的检测反馈，精度最高，但是稳 定性不易保证，调试相对复杂。
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数控系统
从数控系统采集数据的方法主要有三种：基于PLC信号的数据采集，基于RS-232信号的 数据采集，基于OEM（Original Equipment Manufacturer， 原始设备制造商）软件的数据采 集方法。