CN101794138A - 数控机床动态特性测试分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床动态特性测试分析系统，该系统针对高速数控进给系统，开发了数控机床动态特性测试分析系统，通过数据采集装置，获取机床运行中的动态信号，再进行分析，从而识别机床当前运行的状况，预测其性能发展趋势。本系统可以对机床动态性能进行不定期检测，能够对机床性能及状态做出评估和预测，以便及时地对机床做出适当的调整，以达到提高加工质量和效率的目的。

Description

数控机床动态特性测试分析系统

技术领域

本发明涉及数控机床性能测试领域，特别是一种数控机床的动态特性测试分析系统。

背景技术

由于影响机床机械性能的因素较多且机床加工过程的复杂性，从而导致所监测的信号多而复杂，但因机床动态性能及机床各个零部件的状态是一个缓变过程，采用一个简便的测试系统对机床动态性能及状态进行不定期的检测，并对所测信号进行分析，从而对机床性能及状态做出评估和识别及预测，以便及时地对机床做出适当的调整，以提高机床的加工质量和生产效率。

设备状态监测及故障诊断系统在现代工厂中应用具有重大意义，随着计算机技术的发展，设备状态监测系统在近二十年年来得到日益广泛的开发和应用，世界各国竞相开展研究工作，不断推出新产品。近二十年来，东南大学、西安交通大学、华中科技大学、西北工业大学和郑州大学等高校和科研院所先后推出了设备在线状态监测系统、便携式监测分析系统等应用于钢铁、冶金等大型企业工业现场当中。

高速高精机床在长时间运行以后，产生的力学特性的退化，使其机械性能发生变化，从而对机床的加工质量和效率产生影响。本发明可以对高速高精机床的动态特性及机械状态进行监测诊断及预测，可以确保零件的加工精度及效率，防止机械性能的劣化。

发明内容

本发明的目的在于开发一套以采集装置和工业计算机为载体的便携式数控机床动态特性测试分析系统。

一种数控装备动态特性测试分析系统，包括传感器子系统、二次仪表子系统、数据采集子系统和数据存储分析系统；

其中，所述传感器子系统用于获取准待测数控装备的振动信号与温度信号；

所述二次仪表子系统对采集到的信号进行调理，包括对信号进行滤波和放大；

所述数据采集子系统采集上述经调理后的模拟信号，并将其转化为数字信号后输出给数据存储分析系统；

所述数据存储分析系统用于对输入的数字信号进行存储及分析，完成状态识别并进行相应的诊断。

所述的数据存储分析系统包括信号采集模块、数据管理模块、信号分析模块和图形显示模块，

其中，所述信号采集模块接收上述数据采集子系统输出的数字信号，并通过设置采样通道、采样率、增益、触发方式、采样点数和数据采集模式实施采集；

所述数据管理模块采用数据库的方式存储数据，生成所需的文件，并根据检测点选择相应采集通道采集的数据文件实现读取操作；

所述信号分析模块包括信号预处理，时域分析，幅值谱分析，频域分析，时频分析和模态分析，通过对数控装备采集到的信号进行上述处理，即可实现状态识别并进行相应的诊断；

所述图形显示模块以图形化的方式显示上述信号采集、数据管理和信号分析得到的状态识别和诊断结果。

所述的传感器子系统包括：测量支撑丝杠的轴承及工作台振动的加速度传感器和测量进给系统在不同工况下的温度的温度传感器。

所述数据存储分析系统运行于上位机中。

本数控机床动态测试系统能完成对多种类型的信号的测试，包括缓变信号和快变信号。通过数据采集装置完成数据采集，由USB通信传输数据至上位机，完成采集数据存储，通过运行于上位机中的测试分析软件系统进行信号分析处理。它系统集成了测试信号采集、图形显示、数据储存、数据分析、状态识别、性能预测等功能，可以测试信号内容包括振动、热变化特性等，分析方法包括常用的时域分析、频域分析、时频分析，以及热动态特性分析，同时融合ART-CPN双重方法进行预测分析等。可用于对数控机床动态特性测试分析。

附图说明

图1为本测试分析系统的系统框图；

图2为数据存储分析系统图；

图3为数据采集流程图；

图4为信号时域分析流程图；

图5是信号频域分析流程图；

图6是信号时频分析流程图；

图7是本测试分析系统的实物示意图。

具体实施例

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1是本测试分析系统的系统框图，它采用多级子系统形式的分布式结构，其主要由准高速进给系统实验台(即数控机床)、传感器子系统、二次仪表子系统(信号调理模块)、数据采集子系统和数据存储分析系统组成。

1)传感器子系统

传感器子系统采集准高速进给系统实验台的振动信号与温度信号，是机床状态监测系统的主要信息来源，它属于一次仪表，关系到整个监测、分析和决策结果的可靠性和准确性。针对数控装备运行的特点，系统所需的传感器主要包括：测量支撑丝杠的轴承及工作台振动的加速度传感器、测量进给系统在不同工况下的温度传感器等。传感器子系统得到的信号送给二次仪表子系统。

2)二次仪表子系统(信号调理模块)

二次仪表子系统起信号调理的作用，它对信号进行滤波和放大。常用的数据采集卡只能对一定幅值范围内的电压信号进行A/D转换。由于各种监测信号类型、幅值的大小不一样，对信号进行A/D转换前必须进行调理；另外加工过程中环境噪声干扰，特别是加工中心高频电磁场耦合干扰严重，必将影响信号的质量，必须对传感器拾取的原始信号进行去噪处理。

振动加速度传感器输出的是电荷量，经过二次仪表子系统把输入电荷量转换成比例的输出电压。测量温度的传感器为热电阻，其输出为电阻，经过二次仪表子系统将其转换为电流信号。

最终，二次仪表子系统的信号输出给数据采集子系统。

3)数据采集子系统

数据采集子系统主要完成对信号进行A/D转换和采样后的数据进行预处理工作。在机床状态监测中，监测信号的组成复杂，不同的信号有着不同的特征，采样频率的选择、采样方式的选取以及采样后数据传输方式的确定都是必须考虑的重要问题。在多传感器信息融合技术的机床状态测试系统中，具有高速、多种采样触发方式、多种数据传输方式、多功能(输入电压范围大、多路采样保持、具有缓冲存储器、具有较宽频带的程控滤波和放大以及计数计时功能等)和多通道的智能数据采集卡才能满足测试的要求。根据进给系统所监测的信号特点，即温度信号为缓变信号，需用低的采样率，加速度信号为快变信号需要用高的采样速率。在保证测试系统性能的要求下，为了测试方便及数据存储的不冗余，选取两块携带方便且数据传输快的数据采集硬件装置(USB型的数据采集装置)。其型号见表1所示。数据采集子系统的信号送给数据存储分析系统。

表1USB接口的数据采集器

型号	内置分辨率	采样率	模拟输入	数字I/O	模拟输出	计数器/定时器
							USB4711	12位	150KHz	8差分/16单端	8	2	1/2

4)数据存储分析系统

数据存储分析系统主要是由上位机(如笔记本)来完成。该系统是整个监测系统的核心部分，主要作用就是进行信号存储及分析，通过软件进行实现。

数据存储分析系统的结构如图2所示。它主要由信号采集模块、数据管理模块、信号分析模块、图形显示模块四部分组成。

信号采集模块接收图1的数据采集子系统的信号，并通过设置采样通道、采样率、增益、触发方式、采样点数、数据采集模式等操作控制采集。这里采用DMA数据传输方式进行数据的采集(如图3)，所得的数据进入数据管理模块。

数据管理模块采用数据库的存储方法，根据系统要求生成所需的文件，并按照检测点(如图7中布置的B-G)选择相应采集通道采集的数据文件实现打开，增加，删除等操作，对采集信号数据采取文本存储方式。数据管理模块可以读取数据文件的内容，将数据文件的采集信息和文件路径存储到数据库中，方便用户根据采集信息，如采集频率、采样点数进行数据文件选择查询，进行分析，这样，就为信号分析模块、图形显示模块提供了所需的数据文件。

信号分析模块包括信号预处理，时域分析，幅值谱分析，频域分析，时频分析，模态分析等。通过对数控装备采集到的信号进行处理，并进行各种分析，便于状态识别，而后进行相应的诊断，最后做出技术调整等。

该模块采用Visual C++和Matlab混合编程的编程的方法，充分利用Matlab在数据处理方面的优势和Visual C++在开发软件系统界面的便捷的特点。具体分析流程在图4、图5、图6中说明。

图形显示模块采用一种绘图控件TeeChart与Visual C++结合使用，实现如下功能：a)可以设置绘图区域背景颜色和曲线颜色；b)数据元素的添加；c)图形显示区域的局部缩放，便于局部观察；d)光标的设计，帮助阅读图形中的参数，获取光标指定点参数等。

图4是信号时域分析流程，在Visual C++中调用Matcom C++函数，首先定义Mm类对象，在Matcom C++中，矩阵数据和操作都被封装在类Mm中。

对信号进行时域分析，应用Matcom C++处理函数的工作流程为：

在Matcom C++中提供了关于时域分析，类matlabfunciton中封装函数，其中成员函数mean()，max()，min()，std()，kurtosis()，skewness()等分别求解平均值、最大值、最小值、标准偏差、峭度和倾斜度。

图5是信号频域分析流程，在频域分析中，首先根据选择的机床类型、测点和采集时间等确定数据文件，读取数据文件中数据至数组中。MatcomC++中，数据传递参数类型为Mm，这时需要将数组中数据传递到定义的数据类Mm对象中去。

在对数据进行时域到频域的变换前，需要对数据进行滤波处理，添加的窗函数包括矩形窗、三角窗、海明窗、汉宁窗和凯撒窗等，相应的类matlabfunction中提供滤波成员函数有，boxcar()、triang()、hamming()、hanning()和kaiser()。滤波后的信号进行频域分析，包括FFT变换频率谱和相位谱，基于FFT变换的功率谱，实倒谱和复倒谱分析。

图6是信号时频分析流程，同前两个分析流程类似，首先选择测点，读取数据，进行滤波处理后，然后进行时频域分析，包括短时谱分析、Wigner谱分析、连续小波分析和离散小波分析等。流程中，DisplayResult()即结果显示中，通过在VC中调用Matcom C++图形函数实现数据的二维显示。

Claims (4)

1.一种数控装备动态特性测试分析系统，包括传感器子系统、二次仪表子系统、数据采集子系统和数据存储分析系统；

其中，所述传感器子系统用于获取准待测数控装备的振动信号与温度信号；

所述二次仪表子系统对采集到的信号进行调理，包括对信号进行滤波和放大；

所述数据采集子系统采集上述经调理后的模拟信号，并将其转化为数字信号后输出给数据存储分析系统；

所述数据存储分析系统用于对输入的数字信号进行存储及分析，完成状态识别并进行相应的诊断。

2.根据权利要求1所述的数控装备动态特性测试分析系统，其特征在于，所述的数据存储分析系统包括信号采集模块、数据管理模块、信号分析模块和图形显示模块，

其中，所述信号采集模块接收上述数据采集子系统输出的数字信号，并通过设置采样通道、采样率、增益、触发方式、采样点数和数据采集模式实施采集；

所述数据管理模块采用数据库的方式存储数据，生成所需的文件，并根据检测点选择相应采集通道采集的数据文件实现读取操作；

所述信号分析模块包括信号预处理，时域分析，幅值谱分析，频域分析，时频分析和模态分析，通过对数控装备采集到的信号进行上述处理，即可实现状态识别并进行相应的诊断；

所述图形显示模块以图形化的方式显示上述信号采集、数据管理和信号分析得到的状态识别和诊断结果。

3.根据权利要求1或2所述的数控装备动态特性测试分析系统，其特征在于，所述的传感器子系统包括：测量支撑丝杠的轴承及工作台振动的加速度传感器和测量进给系统在不同工况下的温度的温度传感器。

4.根据权利要求1-3之一所述的数控装备动态特性测试分析系统，其特征在于，所述数据存储分析系统运行于上位机中。

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