專利名稱：基于網(wǎng)絡(luò)的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機械與儀表領(lǐng)域，具體涉及一種磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置。
背景技術(shù)：
磨床特別是數(shù)控磨床是集機械、電子、液壓于一體的現(xiàn)代精密機電設(shè)備，具有技術(shù)密集和知識密集的特點。在結(jié)構(gòu)上，數(shù)控磨床一般由數(shù)控系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、車頭、砂輪架、床身、工作臺、尾架和其它輔助部件組成。在性能上，具有自動磨削循環(huán)、砂輪自動修正、工藝參數(shù)在線修改和內(nèi)部故障診斷、報警等功能。數(shù)控系統(tǒng)以及PLC控制器能對由于控制器和部分電氣系統(tǒng)的引起的故障進行報警，但對于機械、電氣等許多故障不能進行自動判斷，需要人工進行診斷和維護。
磨床作為一種精密加工設(shè)備，其自動化程度日益提高，往往都是企業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備。在實際生產(chǎn)中，磨床的工作環(huán)境復(fù)雜多變，使用情況各不相同，對于機床的維護和砂輪的修整，一般是根據(jù)經(jīng)驗在規(guī)定的時間節(jié)點到來時，進行機床的維護或砂輪的修整，這個時間節(jié)點一般采用保守的算法，這對于工況良好的機床造成停機維修的損失，對于發(fā)生故障的機床也只能在到事后維修。隨著高速磨削的發(fā)展和控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度的增加，數(shù)控磨床故障原因的不確定性明顯增加。而該類設(shè)備的維護需要專業(yè)技術(shù)服務(wù)人員才能進行。如今，大多數(shù)廠家都是采用派出專業(yè)工程師到現(xiàn)場診斷和修復(fù)的措施來解決現(xiàn)場發(fā)生的問題。這對于機床生產(chǎn)商和機床使用單位而言，一方面，這影響了雙方正常的生產(chǎn)進度，另一方面，又增加了設(shè)備的維護成本。特別對于某些簡單的故障處理，這種處理方式的成本很高。
與其他機床相比，磨床故障診斷的特點如下1、原因復(fù)雜性。磨床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既包括復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)，又包括機構(gòu)精巧的各種配合機構(gòu)。因此，同一故障征兆可能涉及到不同的系統(tǒng)或機構(gòu)，同時，同一系統(tǒng)或機構(gòu)受損時，由可能產(chǎn)生不同的故障征兆。這就增加了故障診斷推理的復(fù)雜性。
2、檢測全面性。在數(shù)控磨床中，目前采用的主控系統(tǒng)一般都含有基本的故障診斷功能。但是，該功能主要是用于與控制系統(tǒng)直接相連、具有測量反饋的元件故障的簡單診斷，即該功能適應(yīng)范圍是有限的。在數(shù)控磨床這種復(fù)雜設(shè)備中，存在著大量內(nèi)部控制系統(tǒng)無法診斷的故障。例如主軸軸承磨損、磨頭過磨損、磨頭不平衡、主軸軸承與軸頸偏心、油膜振蕩等原因引起的不同頻譜的振動現(xiàn)象就要借助于機床外圍的傳感器測量技術(shù)加以分析和診斷。
3、知識廣泛性。數(shù)控磨床是先進的機電一體化精密加工設(shè)備。涉及計算機控制技術(shù)、通訊技術(shù)、液壓技術(shù)、機械傳動技術(shù)等多方面應(yīng)用技術(shù)。這就要求在故障診斷者(或系統(tǒng))具有多領(lǐng)域的綜合知識和經(jīng)驗，以對故障現(xiàn)象進行深入的剖析，從而確保診斷結(jié)果的準確性。
4、損失嚴重性。一般而言，數(shù)控磨床安排在零件成品前的精加工工序使用，而且由于價格昂貴等原因，多數(shù)使用廠家沒有備用磨削設(shè)備。另外，零件表面磨削量較小、加工速度快、批量大。這就要求磨床以較高的加工效率工作。一旦磨床發(fā)生故障，就會造成廢品率升高、經(jīng)濟損失增加。而且，情況嚴重時，還會造成停產(chǎn)維修。給設(shè)備的使用者帶來嚴重的經(jīng)濟損失。這就迫切需要專業(yè)的故障診斷和處理服務(wù)。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，遠程診斷和服務(wù)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展起來，遠程故障診斷技術(shù)也在設(shè)備的故障診斷中得到應(yīng)用，取得良好的效果。雖然許多數(shù)控系統(tǒng)帶有故障診斷模塊，但它只能檢測和診斷控制系統(tǒng)存在的問題，而不能對整個機床設(shè)備進行檢測和診斷?，F(xiàn)有的故障診斷儀只對通用的信號進行采集和處理，一般沒有遠程數(shù)據(jù)交換和診斷的功能。所以研制基于網(wǎng)絡(luò)的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置有很重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于網(wǎng)絡(luò)的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，可對磨床特別是數(shù)控磨床進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、工況判斷、故障診斷以及遠程服務(wù)。它通過對機床的振動、溫度、噪音、主軸電流、位置精度以及動靜剛度的項目進行檢測，并結(jié)合和機床控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，對機床的工作狀況進行初步的判斷，給出提示報警等信息，并可通過以太網(wǎng)接口，將原始采樣數(shù)據(jù)以及處理分析結(jié)果上傳到工廠的計算機中，進行更為全面和深入地分析，上位機也可將新的診斷方法和診斷指標下傳到本裝置中，從而使本裝置具有不斷提高和適應(yīng)環(huán)境的能力。同時本裝置還可作為數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過對機床控制系統(tǒng)的串行接口(RS232接口)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口，這樣使數(shù)控機床連接到工廠的網(wǎng)絡(luò)中。
按照本發(fā)明所提供的設(shè)計方案，提供了一種基于網(wǎng)絡(luò)的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，包括采集裝置，用于采集關(guān)于磨床的噪音、溫度和電流等原始數(shù)據(jù)；信號處理電路，用于對從傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)進行采樣保持及信號處理后，將初步分析診斷的結(jié)果送到控制裝置；
控制裝置，用于把從信號處理電路獲得的采集數(shù)據(jù)和處理結(jié)果傳送到外部網(wǎng)絡(luò)；顯示裝置，與控制裝置相連，用于顯示信號；按鍵輸入裝置，與控制器相連，可使用戶進行按鍵輸入控制；多路電源板，與控制器相連，用于提供電源；外接計算機，與控制器相連，用戶可通過該計算機進行進一步分析和處理；以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換電路，用于連接控制器和工業(yè)以太網(wǎng)，從而可以進行遠程故障診斷，并可將新的診斷方法和診斷指標下傳到控制裝置。
本發(fā)明利用Samsung公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC CPU-S3C44B0X芯片，構(gòu)建一個針對磨床的嵌入式系統(tǒng)，通過對機床的振動、噪音，溫度等信號的采集，采用硬件信號調(diào)理，軟件抗混濾波、FFT變換、小波變換以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信號進行處理和分析，通過時域、頻域和針對磨床的判斷標準，判斷機床的工作狀態(tài)，指導(dǎo)對機床的維護做到有針對性的機床維護，并結(jié)合專家系統(tǒng)對機床的故障進行診斷。并可通過以太網(wǎng)接口，將原始采樣數(shù)據(jù)以及處理分析結(jié)果上傳到工廠的計算機中，進行更為全面和深入地分析，上位機也可將新的診斷方法和診斷指標下傳到本裝置中，從而使本裝置具有不斷提高和適應(yīng)環(huán)境的能力。同時本裝置還可作為數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過對機床控制系統(tǒng)的串行接口(RS232接口)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口，這樣使數(shù)控機床連接到工廠的網(wǎng)絡(luò)中。
通過ARM芯片構(gòu)建一個磨床的數(shù)據(jù)采集和分析裝置，可同機床的控制系統(tǒng)一起工作，為機床建立歷史工況檔案，對機床進行有針對性地診斷。
通過網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)和分析診斷的結(jié)果傳遞出去，供聯(lián)網(wǎng)的計算機甚至Internet網(wǎng)上的用戶進行查詢和使用，并可通過本裝置進行數(shù)控磨床的聯(lián)網(wǎng)，可進行機床的遠程服務(wù)與診斷。
本發(fā)明針對磨床的數(shù)據(jù)采集和診斷，采用嵌入式系統(tǒng)，32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)芯片——ARM處理器?，F(xiàn)在，ARM處理器以其運算快、存儲量大、功耗少、成本低、功能強等特點，本診斷系統(tǒng)引入以ARM7為內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)專用的磨床的故障診斷設(shè)備。板上CPU為Samsung公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC CPU-S3C44B0X。該型號CPU是在Samsung的ARM系列產(chǎn)品中屬于比較成熟的一個型號，而且應(yīng)用廣泛。


圖1為本發(fā)明裝置的系統(tǒng)的框圖。
圖2為本發(fā)明裝置的CPU部分電路原理圖。
圖3為本發(fā)明裝置的外圍接口電路原理圖。
圖4為本發(fā)明裝置的輸入輸出電路原理圖。
圖5為本發(fā)明裝置的存儲器電路原理圖。
圖6為本發(fā)明裝置的信號處理電路原理圖。
圖7為本發(fā)明裝置的LCD電路。
圖8為本發(fā)明裝置的AD轉(zhuǎn)換電路9信息處理邏輯框圖。
圖10信號處理流程圖。
圖11軟件系統(tǒng)框圖。
圖12故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
1.1 系統(tǒng)的硬件指標系統(tǒng)的框圖如圖1，系統(tǒng)功耗小、成本低，充分體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的特點，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。穩(wěn)定性高，板載所有芯片產(chǎn)熱量小，無需風(fēng)扇降溫。系統(tǒng)在-20～70℃范圍內(nèi)能夠正常運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)具有良好的硬件屏蔽干擾和軟件WATCHDOG定時復(fù)位能力，以保證系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和抗干擾性。適合在現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的控制柜內(nèi)，進行方便地綁定使用。
系統(tǒng)為現(xiàn)代測控系統(tǒng)提供了可重用、高性能、圖形化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件基礎(chǔ)平臺和高效的開發(fā)模式。充分利用高級語言的優(yōu)勢，為平臺添加友好的人機交互方式、圖形化界面、網(wǎng)絡(luò)、各種通信接口驅(qū)動，使其平臺具備現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的特征。板上CPU為Samsung公司的32位RISC CPU-S3C44B0X芯片，它的數(shù)值運算速度快、存儲空間寬裕。系統(tǒng)時鐘頻率可由軟件設(shè)置，最高能到66MHz。硬件系統(tǒng)的指標如下● 32位RISC(Samsung S3C44B0X，ARM7TDMI CORE)；● 4M bit BOOT ROM(FLASH)；● 4M Word SDRAM，支持大容量程序數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線16位/32位可變換；● 2K bit I2C EEPROM；● 一個LCD接口，東芝LM32019T LCD 320*240顯示器；● 一個I2C接口；1通道I2S接口；1通道SIO接口；● 兩通道RS232；● 8通道10位模擬量接口，最高采樣頻率達100K；● 1個以太網(wǎng)接口；● 1個LED指示燈，4個按鍵，4個I/O接口1.2系統(tǒng)詳細說明裝置的系統(tǒng)框圖如圖1，系統(tǒng)的核心采用Samsung公司的32位RISC CPU-S3C44B0X芯片，圖2表示了CPU部分的電路原理圖，圖2～8是各部分的電路原理圖，其中存儲器分為FLASH ROM和SDRAM。FLASH ROM為4Mbit，由一片型號為SST39VF400A的芯片組成，用來放置程序和相關(guān)參數(shù)；SDRAM為4M Word(16M字節(jié))，由兩片型號為K4S641632F的芯片組成，用于存儲采樣數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。通過S3C44B0X芯片本身提供的I/O接口，擴展成4個按鍵和4個I/O接口，按鍵作為用戶的輸入，由軟件定義其功能，在不同的功能模塊中起不同的作用。兩個RS232串口直接擴展得到，以太網(wǎng)接口通過E5123-JHC型以太網(wǎng)/串口轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，可實現(xiàn)最高波特率115.2K的通訊速度，可方便地設(shè)置裝置的IP地址、串口的通訊參數(shù)，實現(xiàn)基于IP、TCP、UDP協(xié)議的通訊。由于傳感器輸出的信號電平范圍與ARM的AD的接口電平不兼容，必須先進行預(yù)處理。圖6表示了信號的調(diào)整電路，可通過跳線實現(xiàn)0～10V、0～5V、±5V轉(zhuǎn)換成ARM的AD的接口電平0～2.5V。信號經(jīng)過兩級反向放大器之后信號由LF398進行采樣保持后供ARM進行AD轉(zhuǎn)換，見圖8。
使用時，如果連接的是普通磨床，則機床和本裝置之間僅僅通過傳感器相連，如果是數(shù)控磨床則可通過數(shù)控系統(tǒng)或PLC控制器的串口和本控制器相連，這樣同時可取得機床的工作狀態(tài)，如轉(zhuǎn)速、進給速度等數(shù)據(jù)。通過對振動、噪音、溫度和主軸電流等的采集和分析，本裝置可對機床的工況進行判斷?，F(xiàn)場計算機也可通過網(wǎng)絡(luò)得到本裝置采集的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，用戶可在現(xiàn)場計算機中進行更加復(fù)雜的分析和處理，得到進一步的分析，并可在數(shù)據(jù)庫中保留信號的時域和頻域變換結(jié)果，經(jīng)過歷史數(shù)據(jù)的積累以及對這些數(shù)據(jù)的處理和分析，得出更加符合實際的評判標準和方法，可通過網(wǎng)絡(luò)將這些修正傳遞到本裝置中，使本裝置的診斷準確性得到不斷的提高。專家計算機可通過Internet到用戶的Web網(wǎng)站中得到和局域網(wǎng)中相同的信息，這樣遠程的專家就可通過Internet對異地的機床進行診斷了。
圖9表示了信息處理邏輯框圖。數(shù)控磨床的聯(lián)網(wǎng)功能的實現(xiàn)是通過RS232串口和本裝置相連，然后通過本裝置的以太網(wǎng)接口和工廠的網(wǎng)絡(luò)相連，這樣數(shù)控加工程序可通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到數(shù)控機床中，數(shù)控機床就可通過網(wǎng)絡(luò)和用戶交換數(shù)據(jù)信息。
圖10表示了信號處理流程，信號在本裝置中進行濾波、FFT或小波變換，得到的不同頻率上的能量(幅值)，將這些數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入(圖12)，采用若干診斷子網(wǎng)并聯(lián)的形式，根據(jù)已有的故障樣本學(xué)習(xí)，每個子網(wǎng)只負責(zé)診斷一種故障原因(Yi)。這樣當出現(xiàn)新的故障類型時，已有的子網(wǎng)結(jié)構(gòu)無需變動和重新學(xué)習(xí)，只要根據(jù)新故障的征兆特征構(gòu)建一個新的子網(wǎng)即可。這樣，增強了原有診斷網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，和網(wǎng)絡(luò)的開放性。這種結(jié)構(gòu)，適合于數(shù)控磨床這種復(fù)雜的數(shù)控設(shè)備。
圖11表示了軟件的系統(tǒng)框圖，將數(shù)據(jù)的采集、I/O接口和通訊處理放置在不同的中斷中，其他任務(wù)放置在背景程序中處理。系統(tǒng)上電后進入初始化程序，然后進入等待任務(wù)的分配，系統(tǒng)設(shè)置了參數(shù)設(shè)置、自檢、現(xiàn)場診斷、聯(lián)機通訊和復(fù)位這五個任務(wù)。參數(shù)設(shè)置任務(wù)主要完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，如磨床的編號、型號、通道和傳感器的對應(yīng)關(guān)系、采樣頻率等信息。自檢任務(wù)完成對按鍵、I/O接口、通訊接口以及A/D轉(zhuǎn)換器的檢測?，F(xiàn)場診斷任務(wù)啟動自動診斷流程，通過對信號的采集、處理和分析，給出判斷結(jié)果，如判斷出現(xiàn)故障或有產(chǎn)生故障的趨勢，給出報警，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報警消息。聯(lián)機通訊任務(wù)可設(shè)置成數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)和遠程故障診斷模式，完成和網(wǎng)絡(luò)上計算機的通訊任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種基于網(wǎng)絡(luò)的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于包括采集裝置，用于采集關(guān)于磨床的噪音、溫度和電流等原始數(shù)據(jù)；信號處理電路，用于對從傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)進行采樣保持及信號處理后，將初步分析診斷的結(jié)果送到控制裝置；控制裝置，用于把從信號處理電路獲得的采集數(shù)據(jù)和處理結(jié)果傳送到外部網(wǎng)絡(luò)；顯示裝置，與控制裝置相連，用于顯示信號；按鍵輸入裝置，與控制器相連，可使用戶進行按鍵輸入控制；多路電源板，與控制器相連，用于提供電源；外接計算機，與控制器相連，用戶可通過該計算機進行進一步分析和處理；以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換電路，用于連接控制器和工業(yè)以太網(wǎng)，從而可以進行遠程故障診斷，并可將新的診斷方法和診斷指標下傳到控制裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，所述控制裝置還包括一存儲器，其中所述控制裝置是一可編程CPU控制器，所述存儲器是FLASH ROM和SDRAM。
3.如權(quán)利要求1所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，在普通磨床的情況下，所述采集裝置是傳感器，在數(shù)控磨床的情況下，所述采集裝置是數(shù)控系統(tǒng)或PLC控制器。
4.如權(quán)利要求1所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，所述外界計算機可以是PC機或便攜式計算機。
5.如權(quán)利要求1所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，所述信號處理包括，采用硬件信號調(diào)理，軟件抗混濾波、FFT變換、小波變換以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對信號進行處理和分析，通過時域、頻域和針對磨床的判斷標準，判斷機床的工作狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求1所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，利用可編程CPU控制器構(gòu)成一個針對磨床的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)置有參數(shù)設(shè)置、自檢、現(xiàn)場診斷、聯(lián)機通訊和復(fù)位這五種工作模式。
7.如權(quán)利要求6所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，在參數(shù)設(shè)置模式下，進行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，如磨床的編號、型號、通道和傳感器的對應(yīng)關(guān)系、采樣頻率等信息。
8.如權(quán)利要求6所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，在自檢模式下完成對按鍵、I/O接口、通訊接口以及A/D轉(zhuǎn)換器的檢測。
9.如權(quán)利要求6所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，在現(xiàn)場診斷模式下，啟動自動診斷流程，通過對信號的采集、處理和分析，給出判斷結(jié)果，如判斷出現(xiàn)故障或有產(chǎn)生故障的趨勢，給出報警，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報警消息。
10.如權(quán)利要求6所述的磨床數(shù)據(jù)采集與故障診斷裝置，其特征在于，在聯(lián)機通訊模式下，可設(shè)置成數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)和遠程故障診斷模式，完成和網(wǎng)絡(luò)上計算機的通訊任務(wù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于機械與儀表領(lǐng)域，通過在機床相應(yīng)位置上安裝振動、噪音和溫度等相應(yīng)的傳感器，并將這些信號連接到本裝置，就可對機床的工況情況進行判斷，并可通過以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)上的計算機進行通訊，實現(xiàn)遠程服務(wù)和診斷。還可實現(xiàn)對只有串口的數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)，并可對診斷算法和相應(yīng)的判斷進行在線的調(diào)整，不斷進行學(xué)習(xí)，提高診斷的水平。本裝置體積小成本低，使用方便，只需外界提供24V直流電源，可作為磨床的選件，長期和磨床一起工作，對提高維修的針對性、準確性、快速性用重要意義。通過遠程服務(wù)和診斷，降低了維護成本，提高了效益。
文檔編號B24B49/00GK1593849SQ20041004141
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者劉建清, 馮一東, 樊留群 申請人:無錫開源機床集團有限公司