專利名稱：：數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床性能測試領(lǐng)域，特別是一種數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：由于影響機(jī)床機(jī)械性能的因素較多且機(jī)床加工過程的復(fù)雜性，從而導(dǎo)致所監(jiān)測的信號多而復(fù)雜，但因機(jī)床動(dòng)態(tài)性能及機(jī)床各個(gè)零部件的狀態(tài)是一個(gè)緩變過程，采用一個(gè)簡便的測試系統(tǒng)對機(jī)床動(dòng)態(tài)性能及狀態(tài)進(jìn)行不定期的檢測，并對所測信號進(jìn)行分析，從而對機(jī)床性能及狀態(tài)做出評估和識別及預(yù)測，以便及時(shí)地對機(jī)床做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以提高機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)在現(xiàn)代工廠中應(yīng)用具有重大意義，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在近二十年年來得到日益廣泛的開發(fā)和應(yīng)用，世界各國競相開展研究工作，不斷推出新產(chǎn)品。近二十年來，東南大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和鄭州大學(xué)等高校和科研院所先后推出了設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、便攜式監(jiān)測分析系統(tǒng)等應(yīng)用于鋼鐵、冶金等大型企業(yè)工業(yè)現(xiàn)場當(dāng)中。高速高精機(jī)床在長時(shí)間運(yùn)行以后，產(chǎn)生的力學(xué)特性的退化，使其機(jī)械性能發(fā)生變化，從而對機(jī)床的加工質(zhì)量和效率產(chǎn)生影響。本發(fā)明可以對高速高精機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性及機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測診斷及預(yù)測，可以確保零件的加工精度及效率，防止機(jī)械性能的劣化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于開發(fā)一套以采集裝置和工業(yè)計(jì)算機(jī)為載體的便攜式數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)?！N數(shù)控裝備動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，包括傳感器子系統(tǒng)、二次儀表子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)；其中，所述傳感器子系統(tǒng)用于獲取準(zhǔn)待測數(shù)控裝備的振動(dòng)信號與溫度信號；所述二次儀表子系統(tǒng)對采集到的信號進(jìn)行調(diào)理，包括對信號進(jìn)行濾波和放大；所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集上述經(jīng)調(diào)理后的模擬信號，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后輸出給數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)用于對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行存儲及分析，完成狀態(tài)識別并進(jìn)行相應(yīng)的診斷。所述的數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)包括信號采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信號分析模塊和圖形顯示模塊，其中，所述信號采集模塊接收上述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號，并通過設(shè)置采樣通道、采樣率、增益、觸發(fā)方式、采樣點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)采集模式實(shí)施采集；所述數(shù)據(jù)管理模塊采用數(shù)據(jù)庫的方式存儲數(shù)據(jù)，生成所需的文件，并根據(jù)檢測點(diǎn)選擇相應(yīng)采集通道采集的數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)讀取操作；所述信號分析模塊包括信號預(yù)處理，時(shí)域分析，幅值譜分析，頻域分析，時(shí)頻分析和模態(tài)分析，通過對數(shù)控裝備采集到的信號進(jìn)行上述處理，即可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)識別并進(jìn)行相應(yīng)的診斷；所述圖形顯示模塊以圖形化的方式顯示上述信號采集、數(shù)據(jù)管理和信號分析得到的狀態(tài)識別和診斷結(jié)果。所述的傳感器子系統(tǒng)包括測量支撐絲杠的軸承及工作臺振動(dòng)的加速度傳感器和測量進(jìn)給系統(tǒng)在不同工況下的溫度的溫度傳感器。所述數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)運(yùn)行于上位機(jī)中。本數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)能完成對多種類型的信號的測試，包括緩變信號和快變信號。通過數(shù)據(jù)采集裝置完成數(shù)據(jù)采集，由USB通信傳輸數(shù)據(jù)至上位機(jī)，完成采集數(shù)據(jù)存儲，通過運(yùn)行于上位機(jī)中的測試分析軟件系統(tǒng)進(jìn)行信號分析處理。它系統(tǒng)集成了測試信號采集、圖形顯示、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)識別、性能預(yù)測等功能，可以測試信號內(nèi)容包括振動(dòng)、熱變化特性等，分析方法包括常用的時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析，以及熱動(dòng)態(tài)特性分析，同時(shí)融合ART-CPN雙重方法進(jìn)行預(yù)測分析等?？捎糜趯?shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性測試分析。圖1為本測試分析系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；圖2為數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)圖；圖3為數(shù)據(jù)采集流程圖；圖4為信號時(shí)域分析流程圖；圖5是信號頻域分析流程圖；圖6是信號時(shí)頻分析流程圖；圖7是本測試分析系統(tǒng)的實(shí)物示意圖。具體實(shí)施例以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1是本測試分析系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，它采用多級子系統(tǒng)形式的分布式結(jié)構(gòu)，其主要由準(zhǔn)高速進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(即數(shù)控機(jī)床)、傳感器子系統(tǒng)、二次儀表子系統(tǒng)(信號調(diào)理模塊)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)組成。1)傳感器子系統(tǒng)傳感器子系統(tǒng)采集準(zhǔn)高速進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的振動(dòng)信號與溫度信號，是機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主要信息來源，它屬于一次儀表，關(guān)系到整個(gè)監(jiān)測、分析和決策結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。針對數(shù)控裝備運(yùn)行的特點(diǎn)，系統(tǒng)所需的傳感器主要包括測量支撐絲杠的軸承及工作臺振動(dòng)的加速度傳感器、測量進(jìn)給系統(tǒng)在不同工況下的溫度傳感器等。傳感器子系統(tǒng)得到的信號送給二次儀表子系統(tǒng)。2)二次儀表子系統(tǒng)(信號調(diào)理模塊)二次儀表子系統(tǒng)起信號調(diào)理的作用，它對信號進(jìn)行濾波和放大。常用的數(shù)據(jù)采集卡只能對一定幅值范圍內(nèi)的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于各種監(jiān)測信號類型、幅值的大小不一樣，對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前必須進(jìn)行調(diào)理；另外加工過程中環(huán)境噪聲干擾，特別是加工中心高頻電磁場耦合干擾嚴(yán)重，必將影響信號的質(zhì)量，必須對傳感器拾取的原始信號進(jìn)行去噪處理。振動(dòng)加速度傳感器輸出的是電荷量，經(jīng)過二次儀表子系統(tǒng)把輸入電荷量轉(zhuǎn)換成比例的輸出電壓。測量溫度的傳感器為熱電阻，其輸出為電阻，經(jīng)過二次儀表子系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為電流信號。最終，二次儀表子系統(tǒng)的信號輸出給數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。3)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要完成對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作。在機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測中，監(jiān)測信號的組成復(fù)雜，不同的信號有著不同的特征，采樣頻率的選擇、采樣方式的選取以及采樣后數(shù)據(jù)傳輸方式的確定都是必須考慮的重要問題。在多傳感器信息融合技術(shù)的機(jī)床狀態(tài)測試系統(tǒng)中，具有高速、多種采樣觸發(fā)方式、多種數(shù)據(jù)傳輸方式、多功能(輸入電壓范圍大、多路采樣保持、具有緩沖存儲器、具有較寬頻帶的程控濾波和放大以及計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)功能等)和多通道的智能數(shù)據(jù)采集卡才能滿足測試的要求。根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)所監(jiān)測的信號特點(diǎn)，即溫度信號為緩變信號，需用低的采樣率，加速度信號為快變信號需要用高的采樣速率。在保證測試系統(tǒng)性能的要求下，為了測試方便及數(shù)據(jù)存儲的不冗余，選取兩塊攜帶方便且數(shù)據(jù)傳輸快的數(shù)據(jù)采集硬件裝置(USB型的數(shù)據(jù)采集裝置)。其型號見表1所示。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的信號送給數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)。表1USB接口的數(shù)據(jù)采集器<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>4)數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)主要是由上位機(jī)(如筆記本)來完成。該系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，主要作用就是進(jìn)行信號存儲及分析，通過軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由信號采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信號分析模塊、圖形顯示模塊四部分組成。信號采集模塊接收圖1的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的信號，并通過設(shè)置采樣通道、采樣率、增益、觸發(fā)方式、采樣點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)采集模式等操作控制采集。這里采用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集(如圖3)，所得的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)管理模塊采用數(shù)據(jù)庫的存儲方法，根據(jù)系統(tǒng)要求生成所需的文件，并按照檢測點(diǎn)(如圖7中布置的B-G)選擇相應(yīng)采集通道采集的數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)打開，增加，刪除等操作，對采集信號數(shù)據(jù)采取文本存儲方式。數(shù)據(jù)管理模塊可以讀取數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容，將數(shù)據(jù)文件的采集信息和文件路徑存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便用戶根據(jù)采集信息，如采集頻率、采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)文件選擇查詢，進(jìn)行分析，這樣，就為信號分析模塊、圖形顯示模塊提供了所需的數(shù)據(jù)文件。信號分析模塊包括信號預(yù)處理，時(shí)域分析，幅值譜分析，頻域分析，時(shí)頻分析，模態(tài)分析等。通過對數(shù)控裝備采集到的信號進(jìn)行處理，并進(jìn)行各種分析，便于狀態(tài)識別，而后進(jìn)行相應(yīng)的診斷，最后做出技術(shù)調(diào)整等。該模塊采用VisualC++和Matlab混合編程的編程的方法，充分利用Matlab在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢和Visual0++在開發(fā)軟件系統(tǒng)界面的便捷的特點(diǎn)。具體分析流程在圖4、圖5、圖6中說明。圖形顯示模塊采用一種繪圖控件TeeChart與VisualC++結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)如下功能a)可以設(shè)置繪圖區(qū)域背景顏色和曲線顏色；b)數(shù)據(jù)元素的添加；c)圖形顯示區(qū)域的局部縮放，便于局部觀察；d)光標(biāo)的設(shè)計(jì)，幫助閱讀圖形中的參數(shù)，獲取光標(biāo)指定點(diǎn)參數(shù)等。圖4是信號時(shí)域分析流程，在VisualC++中調(diào)用Matcom0++函數(shù)，首先定義1111類對象，在MatcomC++中，矩陣數(shù)據(jù)和操作都被封裝在類Mm中。對信號進(jìn)行時(shí)域分析，應(yīng)用MatcomC++處理函數(shù)的工作流程為在MatcomC++中提供了關(guān)于時(shí)域分析，類matlabfunciton中封裝函數(shù)，其中成員函數(shù)mean()，max()，min()，std()，kurtosis()，skewness()等分別求解平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、峭度和傾斜度。圖5是信號頻域分析流程，在頻域分析中，首先根據(jù)選擇的機(jī)床類型、測點(diǎn)和采集時(shí)間等確定數(shù)據(jù)文件，讀取數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)至數(shù)組中。MatComC++中，數(shù)據(jù)傳遞參數(shù)類型為Mm，這時(shí)需要將數(shù)組中數(shù)據(jù)傳遞到定義的數(shù)據(jù)類Mm對象中去。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域到頻域的變換前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，添加的窗函數(shù)包括矩形窗、三角窗、海明窗、漢寧窗和凱撒窗等，相應(yīng)的類matlabf皿ction中提供濾波成員函數(shù)有，boxcar()、triang()、hamming()、h靈ing()禾口kaiser()。濾波后的信號進(jìn)行頻域分析，包括FFT變換頻率譜和相位譜，基于FFT變換的功率譜，實(shí)倒譜和復(fù)倒譜分析。圖6是信號時(shí)頻分析流程，同前兩個(gè)分析流程類似，首先選擇測點(diǎn)，讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波處理后，然后進(jìn)行時(shí)頻域分析，包括短時(shí)譜分析、Wigner譜分析、連續(xù)小波分析和離散小波分析等。流程中，DisplayResult()即結(jié)果顯示中，通過在VC中調(diào)用MatcomC++圖形函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的二維顯示。權(quán)利要求一種數(shù)控裝備動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，包括傳感器子系統(tǒng)、二次儀表子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)；其中，所述傳感器子系統(tǒng)用于獲取準(zhǔn)待測數(shù)控裝備的振動(dòng)信號與溫度信號；所述二次儀表子系統(tǒng)對采集到的信號進(jìn)行調(diào)理，包括對信號進(jìn)行濾波和放大；所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集上述經(jīng)調(diào)理后的模擬信號，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后輸出給數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)用于對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行存儲及分析，完成狀態(tài)識別并進(jìn)行相應(yīng)的診斷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控裝備動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)包括信號采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信號分析模塊和圖形顯示模塊，其中，所述信號采集模塊接收上述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號，并通過設(shè)置采樣通道、采樣率、增益、觸發(fā)方式、采樣點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)采集模式實(shí)施采集；所述數(shù)據(jù)管理模塊采用數(shù)據(jù)庫的方式存儲數(shù)據(jù)，生成所需的文件，并根據(jù)檢測點(diǎn)選擇相應(yīng)采集通道采集的數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)讀取操作；所述信號分析模塊包括信號預(yù)處理，時(shí)域分析，幅值譜分析，頻域分析，時(shí)頻分析和模態(tài)分析，通過對數(shù)控裝備采集到的信號進(jìn)行上述處理，即可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)識別并進(jìn)行相應(yīng)的診斷；所述圖形顯示模塊以圖形化的方式顯示上述信號采集、數(shù)據(jù)管理和信號分析得到的狀態(tài)識別和診斷結(jié)果。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控裝備動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感器子系統(tǒng)包括測量支撐絲杠的軸承及工作臺振動(dòng)的加速度傳感器和測量進(jìn)給系統(tǒng)在不同工況下的溫度的溫度傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求l-3之一所述的數(shù)控裝備動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)運(yùn)行于上位機(jī)中。全文摘要本發(fā)明公開了一種數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對高速數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)，開發(fā)了數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集裝置，獲取機(jī)床運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)信號，再進(jìn)行分析，從而識別機(jī)床當(dāng)前運(yùn)行的狀況，預(yù)測其性能發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)可以對機(jī)床動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行不定期檢測，能夠?qū)C(jī)床性能及狀態(tài)做出評估和預(yù)測，以便及時(shí)地對機(jī)床做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到提高加工質(zhì)量和效率的目的。文檔編號G05B19/4065GK101794138SQ20101014576公開日2010年8月4日申請日期2010年4月14日優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日發(fā)明者何俊杰,吳傳海,吳波,夏軍勇,徐增柄,胡友民,胡峰,邢遲,金超申請人:華中科技大學(xué)