基于多种传感器信息融合的数控机床设备状态实时监测.pdf

天信息通信基于多种传感器信息融合的数控机床设备状态实时监测（沧州幼儿师范高等专科学校科研处，河北泊头0 6 2 150）摘要：为提高设备状态监测结果的精度，引进多种传感器信息融合技术，设计一种新的数控机床设备状态实时监测方法。采用多个传感器采集数控机床设备的状态信息，通过CAN总线技术将采集的状态信息传输至计算机终端。以采集的状态信息为基础，采用小波变换提取设备状态信息的频率特征，简化传动机构采集参数，构建转矩方程并计算振动偏差，设定偏差阈值实现对机床设备状态的实时监控。实验结果证明：设计的实时监测方法，可以有效提高设备状态监测结果精度。关键词：多种传感器；实时监测；数控机床设备；特征提取中图分类号：TP2122023年第0 5期(总第 2 45期)董志玮文献标识码：A文章编号：2 0 9 6-9 7 59(2 0 2 3)0 5-0 118-0 30引言在深入此方面工作的研究中发现，数控机床设备在运行环境具有复杂性与不稳定性，仅通过传统的技术手段或人工采集设备作业信息，难以实现对设备作业工况的实时感知与精准表述-2 。因此，在开展了阶段性工作后，科研单位提出了将多种传感器信息融合技术应用到此项工作中，结合先进的计算技术对传感器反馈信息进行深度分析，将传感器反馈的单维度信息进行融合，获得用于描述数控机床设备工况的多维度信息，解决传统技术在感知数控机床设备状态中存在的不确定问题。截至目前，相关此项技术的研究在工程领域仍收稿日期：2 0 2 3-0 1-13基金项目：河北省科技特派员企业服务成果，被服务单位：泊头市隆科机械有限公司，编号：2 0 0 7。作者简介：董志玮（19 8 5-），女，河北泊头人，电子与通信工程硕士，讲师，研究方向：传感器技术、人工智能。ii+ii+*+ii.ii+差来验证柔性机械臂末端的运动精度是否满足设计指标要求。研究中，将不断完善设计方法,实现非线性耦合中的跟踪与控实验设置五个小组，运用本文方法的小组为实验组，运用传统制调节，提升轨迹跟踪控制的准确性。方法的小组为对照1-4组。采用API激光跟踪仪对机械臂运参考文献：动精度进行测试，得到的实验结果如下表所示：表1运动精度测试结果小组末端实际位姿/车轨迹跟踪位姿/位姿精度偏差/实验组0.3对照1组0.3对照2 组0.3对照3组0.3对照4组0.3由实验结果可知，对照组的位姿精度存在较大误差，误差值在0.2 以上，而实验组得到的测试位姿精度误差值为0，说明在经过模拟空间在轨状态后，测试得到的位姿参数精准，没有误差，满足设计指标，达到实际运动位置与测量位置相重合。说明设计方法能够完成对于机械臂运动学参数的标定与修正，提升了轨迹跟踪的有效性，实现了对于柔性机械臂轨迹的高效跟踪控制。3结语本文从柔性机械臂轨迹入手，运用机器学习算法，实现了对于柔性机械臂轨迹的高效跟踪控制。并通过实验验证设计方法具有一定的实用性能。但是设计方法还需要解决控制闭环中关于动态平衡和正向极限稳定性的问题。因此在后续的处于理论阶段，为实现对此项工作的全面深化，本文将在此次研究中，引进多种传感器信息融合技术，设计一种针对数控机床设备状态的实时监测方法，旨在通过此次设计，实现对设备运行工况的及时感知。1基于多种传感器信息融合的设备作业状态信息采集本次设计采用CAN总线技术进行数据传输，对数控机床设备上的各种传感器进行定时采集，并将其反馈给计算机控制终端3。为实现对数控机床设备运行状态的实时监控，在设计方法前，引进多种传感器信息融合技术，设计数控机床设备作业信息的采集4。具体流程如下图1所示。1周军小.指数趋近律在治金机器人机械臂轨迹跟踪中的应用研究J.世界有色金属,2 0 19,52 3(0 7):2 7 5-2 7 6.2潘昌忠,费湘尹,周兰,等柔性关节机械臂的自适应命令滤0.300.80.50.60.30.70.40.50.2波输出反馈控制J.西安交通大学学报,2 0 2 2,56(0 5):19 9-2 0 8.3韩键美.柔性机械臂最优抑振轨迹规划与跟踪控制研究.机械设计与制造,2 0 2 1(0 8):2 5-30.4沙毅刚,王强,何晓晖,等.基于模糊补偿的液压机械臂轨迹跟踪控制J.信息与控制,2 0 2 1,50(0 2):18 4-19 4.5 孟琪迪,南新元,张永兴.基于PD型迭代学习的机械臂轨迹跟踪控制J.组合机床与自动化加工技术,2 0 2 2(11):6 2-65+69.6张瑞民,陈巧玉.基于光滑二阶滑模的机械臂轨迹跟踪控制J.系统仿真学报,2 0 2 1,33(0 6):1315-132 2.7 下陈丽秋，曾喆昭.基于自耦PID的三连杆机械臂轨迹跟踪控制J.空间控制技术与应用,2 0 2 2,48(0 4):7 0-7 7.8季晓明,文怀海.基于非线性终端滑模的码垛机械臂轨迹跟踪控制J.电子测量与仪器学报,2 0 2 1,35(0 9):10 5-111.9席宝成,郭宇飞,王志刚,等.基于分段 PD 控制的振动基弹药传输机械臂轨迹跟踪控制J.振动与冲击,2 0 2 1,40(0 4):283-292.10罗小青,胡荣.基于改进RRT算法的柔性机械臂路径规划技术研究J.长江信息通信,2 0 2 2,35(11):6 6-6 8.118Changjiang Information&Communications终端设备数据传输接口电源数据传输设备传感器1传感器2传感器3图1基于多种传感器信息融合的设备作业信息采集在此过程中，将多种传感器按照规范部署在数控机床设备运行终端，将设备与终端的中央处理器、外设接口、电源、异步传输接口等进行连接5。利用中央处理模块对采集到的数据进行处理，将数控机床设备在运行中反馈的主要参数转化成监测数据。电源模块接口的功能是对输入电压进行变换，以保证监测终端的正常工作；其他预留接口用于保证与外部通信、协调和存储数据。完成对数控机床设备作业信息的采集后，由传感器传输所获取的数据，通过对数控机床作业参数的实时监控，将其作为信息融合的原始资料进行分析和判定。将采集的数据录入计算机终端，终端数据层主要负责将收集的数据和数据库中的支撑数据进行比较，通过此种方式，识别其中的异常数据，将此部分数据作为后续处理的基础。2设备状态信息的频率特征提取根据上述采集数据，PLC控制器采用CAN总线形式将数据实时显示在数控机床设备状态监测中。利用CAN总线通信协议，采用CAN2.0B扩展顿，进行数据传输，传输中设计通信信道的波特率为2 50 kbps，在终端整体采用大容量存储模式。确保数据达到终端后，根据数控机床设备的额定运行状态，设定设备作业参数的有效取值范围，如果数据未在有效阈值范围内，丢弃此部分数据，如果数据在有效阈值范围内，保留此部分数据，对其进行处理。将采集的信号进行离散处理，将信号中的小波基作为原始信号基函数，对信号进行连续小波转换。此过程如下计算公式所示。W=Va公公式（1)中：W表示数控机床设备传感信号连续小波转换处理；表示尺度因子;f(t)表示t时刻下的信号分解函数；表示基函数；表示平移因子。在此过程中，考虑到传感器所获取的信号大多为不稳定信号，因此，在进行信息特征提取时，应落实对其中非平稳信号的集中处理，为确保处理工作达到预期效果，通常会使用小波分解与小波包分解相结合的方法，识别出信号的频率特性7 。频率特征提取公式如下：(2)公式(2)中：E,表示高低通滤波器对信号的分离处理；S（）表示频率特征提取函数；i表示高频信号；i表示低频信号。提取信号中的低频信息，将其作为频率特征信息，通过此种方式，完成对数控机床设备频率的特征提取。3数控机床设备状态实时监测在上述设计内容的基础上，通过对数控机床设备转矩的119董志玮：基于多种传感器信息融合的数控机床设备状态实时监测计算，设计数控机床设备在运行过程中传动部件状态的实时主机监控设备监控。为实现对数控机床设备状态的精准描述，简化传动机构采集参数，构建如下计算公式所示的转矩方程8。方程表达数据采集设备式如下。传感器4公式（3）中：M表示数控机床设备转矩方程；w表示数控传感器5机床设备瞬时角速度；M4表示数控机床设备电动机在作业过传感器程中的输出矩阵9。上述计算公式中，M4可通过下述公式计算得到。M4=M,+M,+M,公式（4)中：M，表示数控机床设备电动机在作业过程中的摩擦转矩；M2表示数控机床设备电动机在作业过程中的切削力转矩；M表示设备运行中由于故障现象引进的传动机构转矩。无论设备处理任何运行状态，其摩擦转矩基本处于恒定数值，与此同时，设备的传动结构存在突发性故障。通过上述对设备转矩的计算，可以初步掌握设备的作业情况。在上述研究内容的基础上，利用此部分信息，监测数控机床设备中机械传动元件的状态10 。其中光栅尺和编码器的感知偏差可通过下述公式计算得到：(5)公式（5）中：X表示光栅尺和编码器的感知偏差；x表示光栅尺感知偏差；xi表示编码器感知偏差。在此基础上，计算数控机床设备在传动过程中，由于摩擦行为引起的振动偏差。计算公式如下。K=,+,+,+4公式(6)中：K表示数控机床设备在传动过程中，由于摩擦行为引起的振动偏差；表示补偿间隙；,表示传动部件变形间隙；A；表示扭振误差；4表示自身运行过程中产生的误差。根据作业过程中的实际情况，将计算的偏差值与传感器反馈的实际数据进行匹配，设临界偏差值范围为0，1,偏差值超过此范围则数控机床设备为故障状态。通过此种方式，实现对数控机床设备转矩计算与传动部件状态监测，完成基于多种传感器信息融合的数控机床设备状态实时监测方法设计。4对比实验dt(1)E,=W.S(i,j)2dwM=E+M4dtX=X2-Xi为测试设计方法的监测效果，以某地区大型工业生产单位为例，在此单位中开展数控机床设备状态实时监测测试。实验前，根据此单位数控机床设备的作业方式，绘制数控机床设备给进作业简图。如下图2 所示。主轴箱操作台机床机身滚动轴承滚珠丝杠副图2 数控机床设备给进作业简图(3)(4)(6)导轨联轴器驱动电机Changjiang Information&Communications在此基础上，选择CK6163型号的数控机床设备作为实验对象。搭建设备状态实时监控实验平台。实验平台参数如下表1所示。表1CK6163型号数控机床设备状态监测实验平台参数序号项目(1)监测软件(2)接口函数(3)总线通信协议(4)数控系统(5)测试平台网络按照上述表1所示的内容，完成对比实验技术参数的设计完成上述设计后，使用本文设计的监测方法，对数控机床设备进行监测，监测过程中，根据监测指标的具体需求，在设备的不同位置上部署传感器。多种传感器布局设计方案如下表2所示。表2 CK6163数控机床设备多种传感器布局设计方案传感器类型部件数量振动传感器1温度传感器机械主轴4声发射传感器1振动传感器1温度传感器滚珠丝杠1声发射传感器1振动传感器1温度传感器滑动导轨1声发射传感器1按照上述方式，完成多种传感器布局方案的设计后，引进多种传感器信息融合技术，采集CK6163数控机床设备作业信息。为满足实验结果的对比需求，引进基于logistic回归模型的状态实时监测方法、基于数据挖掘技术的状态实时监测方法，将提出的两种方法作为传统方法1与传统方法2，使用本文方法与传统方法，对CK6163数控机床设备进行状态实时监测。将数控机床设备的作业效率作为监测指标，对比三种方法对设备作业效率的监测结果。实验结果，如下图3所示。9080285040302010图3三种方法监测结果与人工监测结果的偏差董志玮：基于多种传感器信息融合的数控机床设备状态实时监测从上述图3所示的实验结果可以看出，本文方法监测的CK6163数控机床设备作业效率与人工监测结果基本一致，且监测反馈结果无延时。而传统方法1与传统方法2 监测的CK6163数控机床设备作业效率与人工监测结果偏差较大。因此，在完成上述实验后，初步证明了本文方法可以实现对数控参数机床设备状态的实时、精准监测。King-SCADA完成上述实验后，对比三种方法的监测结果与人工监测Receive Data()结果，将其作为评价本文设计方法可行性的关键指标。其结CAN果如下表3所示。表3三种方法对数控机床设备状态的监测结果Siemens 840D监测指标时刻点（s)人工监测本文方法传统方法1传统方法2ePS远程网络5瞬时加速度10(rad.s2)205设备电机输出10转矩(N.m)20布局位置5设备主轴箱体前端传动轴转频设备主轴箱体圆柱表面(Hz)位置均匀分布尽量靠近主轴前端或靠近前端盖四缸螺母座丝杠轴承座一侧丝杠轴承座另一侧导轨滑块安装座导轨导向槽端面导轨滑块安装座八人工监测结果本文方法112345678910监测时间/min6.66.06.50.4-0.30.42.3102.2202.5从上述表3所示的实验结果可以看出，本次实验选择了瞬时加速度、设备电机输出矩阵、传动轴转频三个指标，并在对应的5s、10 s、15s 进行了数控机床设备状态的监测与采样。综合上述三种方法对数控机床设备状态的实时监控统计结果可以看出，使用本文方法进行数控机床设备状态监测，所有监测结果中，只有第5s，设计方法的监测结果存在偏差，其他时刻点的监测结果无偏差。相比传统监测方法，本文设计的基于多种传感器信息融合的数控机床设备状态实时监测方法，可以有效提高设备状态监测结果精度，以此种方式，实现对设备在运行过程中故障的及时排查，进一步提高对设备连续、稳定、安全运行的监控与管理。5结语本文通过基于多种传感器信息融合的设备作业信息采集、数控机床设备传感信息处理与特征提取、数控机床设备转矩计算与传动部件状态监测，设计一种针对数控机床设备状态的实时监测方法。设计的方法通过实践检验证明可以有效提高设备状态监测结果精度。旨在通过此次研究，为数控机床设备的运行提供全面的技术保障，降低由于故障导致的机械设备运行不连续等方面的问题。参考文献：1王利欣,李波,胡成军,等.基于物联网远程集中监控系统的煤矿掘进设备运行状态研究J.能源与环保,2 0 2 2,44(11):187-192.传统方法12 谢庆,张煊宇,王春鑫,等.新一代人工智能技术在输变电设传统方法2备状态评估中的应用现状及展望J.高压电器,2 0 2 2,58(11)11-16.3廖伟光,周凌宏,陈宏文.基于实时状态电流的数字诊疗设备运行状况监测系统及其应用研究J.中国医疗设备,2 0 2 2,37(02):19-23+28.1206.66.06.50.4-0.30.42.22.22.56.45.86.21.3-0.20.42.12.12.85.86.96.90.90.70.53.41.83.2信息通信基于云计算的医疗数据共享平台构建刘楚菲,刘宇辰*（长春中医药大学医药信息学院，吉林长春130 117）摘要：为降低医疗数据在共享中的丢失量，引进云计算技术，对医疗数据共享平台的构建展开了研究。参照基于中央索引的分布式区域划分方式，设计数据共享平台架构；选用Web应用服务器、TL-NR810-8C-S型号的安全网关作为共享平台主要硬件设备；引进云计算技术，驱动平台云端数据存储模块中的智能清洁程序，将采集的原始医疗数据输入到预处理模块中，设计医疗数据清洗与属性约简处理；使用MySQL，构建医疗数据资源库；初始化处理医疗数据集合，生成传输过程中的区块链共识模块，设计医疗数据安全传输与共享。试验结果证明：开发的基于云计算技术的共享平台，可以在提高医疗数据交互共享效率的同时，降低共享过程中数据的丢失量，有效提高了医疗信息化建设水平。关键词：云计算；安全传输；共享平台；数据库；属性约简；医疗数据中图分类号：TP311.132023年第0 5期(总第 2 45 期)文献标识码：A文章编号：2 0 9 6-9 7 59(2 0 2 3)0 5-0 12 1-0 30引言随着新一轮医改的持续化推进，医疗信息化建设已成为产业发展的一个重要支柱。因此，实现医院信息化平台的建设，是保障社会医疗服务机构创新发展的重要举措。在深入市场的调研中发现，当前医疗机构仍存在看病难、药品价格高等突出问题，此方面问题已经严重制约了医疗服务体系的发展，导致医院的公益性和服务性职能无法得到充分发挥2 。提高地区医疗质量，充分发挥区域医疗服务的作用，必须通过建立区域医疗信息系统，有效地运用高新技术，解决目前行业发展存在的突出问题。近年来，“云计算技术”作为一种新兴、前沿、高端的网络技术，在各个领域内迅速发展，此项技术主要利用网络提供的动态、可扩充、可虚拟资源，实现信息、数据、资源的迅速传递和分享。目前，此项技术已被应用到机械工程、工程生产、数字化教学等多个工作领域3。本文在此次研究中，引进云计算技术，开发可实现医疗数据共享的全新数字化平台，旨在通过此次设计，推进国内医疗服务体系的高质量、高水平建设。1数据共享平台架构本文设计了一个基于中央索引的分布式区域医疗信息共享平台，此平台集成了云计算技术、物联网技术、SOA技术、Web服务技术、虚拟化技术等现代化技术，此种结构的平台由于集中索引方式不需要CPU和内存作为支撑，其运行具有较高的稳定性、可靠性。参照上述提出内容，设计数据共享平台架构，如图1所示。固定工作站与移动终端模块服务模块服务接口服务注册资源查找信息交流专线网络资源模块数据共享安全网关从图1中可以看出，此平台由4个主要模块构成，分别为移动终端模块、服务模块、资源与事务管理模块。其中移动终端模块中集成了医疗机构中多个部门与诊室的移动通信设备，在无线传输网络的支撑下，实现对资源的高效率传输。资源模块中主要包括物理资源与虚拟资源，前者包括计算机资源、设备存储资源、数据库资源等，后者为云计算技术集成的核心模块，包括诊疗数据、患者数据等医疗数据。资源与事务管理模块包括医疗数据的应用监控、就诊用户信息的隐私管理、任务管理、安全管理等，主要作用是通过云技术来实现对资源层事物管理模块资源管理模块数据共享数据共享安全网关安全网关图1数据共享平台架构收稿日期：2 0 2 3-0 1-13作者简介：刘楚菲（2 0 0 2-)，女，广东惠州人，本科在读，研究方向：医学信息工程。通讯作者：刘宇辰（19 9 4-），男，吉林长春人，硕士，助教，研究方向：中医药数据分析与处理。+.+4李梦雪,张子扬,邓君,等.基于logistic回归模型的我国数的设备状态监测与智能诊断平台的应用J.电力大数据，字X射线摄影设备状态检测初检合格率影响因素分析.2022,25(09):61-67.中华放射医学与防护杂志，2 0 2 2,42(10):7 8 7-7 9 2.8岳健国,郭瑞,傅行军,等.改进因果推断方法在发电机组辅5张雷,温建民,王天兵,等.基于多源数据的牵引供电设备故机状态监测中的应用研究J.风机技术,2 0 2 2,6 4(0 4):7 4-8 0.障预测与健康运行维护管理平台.电力信息与通信技术，9齐鹤,祁潇楠,程亮,等.高速铁路ATP车载设备健康状态2022,20(06):104-114.监测及智能诊断系统研究J.铁路计算机应用,2 0 2 2,31(0 8):6 王立峰,马超,牛永光,等.基于大数据背景下电站设备状态监测及故障检修管理系统仿真设计J.粘接,2 0 2 2,49(10)：176-179.7房何,杨强,管玉峰,等.田湾核电站基于边缘计算与大数据12122-26.10朱江丽.机电一体化技术在智能制造中的应用.南方农机,2 0 2 2,53(2 1):148-150.