CN102073304A - 一种机床功能部件可重构监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床功能部件可重构监测系统及其方法。该系统基于“嵌入式监测单元+传感器信号调理模块”硬件架构的机床功能部件可重构监测硬件装置和基于“系统引擎+功能组件”软件架构的可重构监测软件平台。根据机床不同功能部件的监测要求，选择传感器并更换相应的信号调理模块重构监测硬件装置，可重构监测软件平台上通过动态加载功能组件，并将相应的功能部件监测子程序在线下载到模块化嵌入式监测装置，以实现对机床不同功能部件的监测。本发明不仅有利于快速构建面向机床不同功能部件的监测诊断系统，提高机床加工的可靠性、安全性和加工效率，同时也推动了监测诊断技术在国产机床行业中的应用和发展。

Description

一种机床功能部件可重构监测系统及其方法

技术领域

本发明属于机械设备状态监测系统应用领域，涉及一种机床功能部件监测系统，尤其是一种基于“嵌入式信号采集监测单元+传感器信号调理模块”硬件架构的机床功能部件可重构监测系统和及其方法。

背景技术

机床是整个制造业的基础，机床的加工水平直接影响到其他装备的平质和性能，同时也体现了一个国家工业的整体水平。我国是一个制造业大国，但却不是一个制造业强国，其主要原因在于我国的机床整体水平偏低，加工质量跟不上，因此提高机床的加工精度和水平成为振兴我国工业的关键。体现机床水平的一个重要方面是机床加工性能的状态监测，获取机床的实时状态数据，并进行相应的分析处理，提取相应的特征信息，供加工者参考，并采取相应的措施，以保证机床的加工效率、可靠性和安全性。

目前对机床状态监测的已开展了广泛的研究，产生了一些技术。如中国专利申请文件“一种新型的数控机床远程状态监测与故障诊断系统实现方法”(专利号：CN200710018570.3，申请日：2007.9.3)其利用现代远程测控技术和故障诊断分析技术，结合数控机床状态监测和故障诊断的特点，建立了一个新型的基于有线和无线互联网络的数控机床远程状态监测和故障诊断系统实现方法。还有“机床监控系统”(专利号：CN200510050791.X，申请日：2005.7.15)其方案是通过监控机床的运行作业信息，对机床的生产状况进行管理，分析机床的生产效率，间接了解操作者的工作状况，有效的对机床和操作人员进行管理。另外还有“车间局域网内分布式数控机床的实时监控系统”(专利号：CN200310108724.3)、“基于制造现场的智能化远程网络监控系统”(专利号：03113556.0)等相关技术。这些技术有个共同的缺点是：侧重机床的某一方面或是电气故障监测，缺乏灵活性和多样性，不能满足数控机床不同功能部件的监测要求，也很难真实反映机床当前的各部分的运行状态和满足机床复杂多样化的应用需求。

机床由主轴系统、刀具系统、进给系统和传动系统四大功能部件组成，为更好地监测机床的运行状态，掌握机床的实时信息，有必要开发面向机床不同功能部件的监测系统，以满足机床复杂多样化的应用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种机床功能部件可重构监测系统及其方法，该监测系统是基于“嵌入式监测单元+传感器信号调理模块”的硬件架构和“系统引擎+功能组件”软件架构实现一种能够快速构建面向机床不同功能部件的监测诊断系统，其可以通过软硬件模块化的灵活配置，实现对机床不同功能部件的监测和预警。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

该种机床功能部件可重构监测系统，包括上位机以及通过网络连接的多个嵌入式监测装置；所述嵌入式监测装置包括背板总线以及与背板总线连接的嵌入式信号采集监测模块、信号调理模块和电源模块，所述信号调理模块的信号输入端连接有多个安装在机床上的传感器；所述嵌入式信号采集监测模块包括相互连接的FPGA处理器和DSP处理器，所述FPGA处理器连接有AD模数转换模块、IO接口和计数器，所述DSP处理器通过网络硬件协议栈芯片连接有网络物理层芯片，所述网络物理层芯片连接有RJ45网口，所述RJ45网口通过网线与上位机连接，所述DSP处理器还连接有SDRAM和FLASH；DSP处理器与背板总线连接；所述信号调理模块包括信号调理电路以及与其连接的多个传感器适配模块；所述多个传感器适配模块分别连接传感器。

上述传感器适配模块选用涡流传感器激励IC模块；所述信号调理电路包括多路并行连接在调理电路总线接口上的信号隔离放大滤波电路，所述信号隔离放大滤波电路由信号隔离放大器、可编程增益放大器以及可编程截止频率滤波器依次连接构成，所述信号隔离放大器的信号输入端连接涡流传感器激励IC模块的信号输出端；所述调理电路总线接口连接到背板总线上。

上述上位机上安装有可重构监测平台，所述可重构监测平台包括系统引擎以及与系统引擎连接的功能组件和配置文件；所述系统引擎负责组件的管理与数据流的管理工作，其根据配置文件动态加载功能组件重构上层监测软件平台，并将相应的功能部件监测子程序在线下载到嵌入式监测装置中；所述功能组件包括监测模块管理组件、数据库管理组件、数据分析及故障诊断组件和实时信息显示组件；所述功能部件监测子程序是保存在上位机中的对应机床各功能部件的对应监测程序。

上述嵌入式监测装置的传感器包括有电流传感器、振动位移传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、声发射传感器、光电传感器或温度传感器。

本发明还提出一种基于上述系统的机床功能部件可重构监测方法，具体包括以下步骤：

1)将多个嵌入式监测装置的各传感器安装在待监测机床相应的各个功能部件上；

2)初始化系统，在上位机上的可重构监测平台上动态加载各个功能组件，形成监测系统；并且下载上位机中的功能部件监测子程序至嵌入式监测装置中；其中动态加载各个功能组件为：采用读取现有配置文件加载方式或者直接选取功能组件进行加载。

3)启动机床，使各传感器的输出信号通过信号调理模块的调理后传送给嵌入式信号采集监测模块进行信号处理；

4)嵌入式信号采集监测模块将信号处理结果通过网络传送给上位机中的可重构监测平台，可重构监测平台中的功能组件对信号进行分析处理，并将结果进行存储和显示。

本发明的有益效果在于：

本发明设计了传感器信号调理模块可更换的模块化、嵌入式信号采集监测装置。该系统主要应用于国产高档数控机床状态监测，通过软硬件模块化的灵活配置，实现对机床不同功能部件的监测和预警，因而它不仅可以为机床操作者及企业管理者提供机床运行的真实信息，方便操作者了解机床当前的加工状态，并针对相应的情况做及时有效的处理，以保证加工过程安全稳定的进行，而且在机床发生故障时，能够及时的锁定故障出现位置及原因，以利于机床操作者及时对故障进行处理，把故障对生产加工的影响降到最小。

附图说明

图1是本发明一种机床功能部件可重构监测方法及装置技术方案图；

图2是本发明模块化的可重构监测装置总体方案图；

图3是本发明网络化的嵌入式信号监测模块总体架构图；

图4是本发明可重构监测平台软件总体方案图；

图5是本发明信号调理模块的原理图；

图6是本发明电源模块的原理图；

图7是本发明背板总线结构图；

图8是本发明功能部件监测子程序流程图；

图9是本发明可重构平台软件架构和虚拟总线结构；

图10是本发明可重构平台软件的工作流程图。

具体实施方式

本发明的机床功能部件可重构监测系统包括上位机以及通过网络连接的多个嵌入式监测装置。其中嵌入式监测装置包括背板总线以及与背板总线连接的嵌入式信号采集监测模块、信号调理模块和电源模块。信号调理模块的信号输入端连接有多个安装在机床上的传感器，包括有电流传感器、振动位移传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、声发射传感器、光电传感器和温度传感器，这些传感器分别安装于机床的主轴、刀具、进给等系统中。嵌入式信号采集监测模块包括相互连接的FPGA处理器和DSP处理器，FPGA处理器连接有AD模数转换模块、IO接口和计数器，所述DSP处理器通过网络硬件协议栈芯片连接有网络物理层芯片，网络物理层芯片连接有RJ45网口，RJ45网口通过网线与上位机连接，DSP处理器还连接有SDRAM和FLASH；DSP处理器与背板总线连接。信号调理模块包括信号调理电路以及与其连接的多个传感器适配模块。多个传感器适配模块分别连接传感器。信号调理电路包括多路并行连接在调理电路总线接口上的信号隔离放大滤波电路，信号隔离放大滤波电路由信号隔离放大器、可编程增益放大器以及可编程截止频率滤波器依次连接构成，信号隔离放大器的信号输入端连接传感器适配模块的信号输出端。调理电路总线接口连接到背板总线上。在本发明的较佳实施例中，传感器适配模块选用涡流传感器激励IC模块和ICP加速度传感器适配模块。

以上是本发明的硬件部分，本发明在上位机上还需要设置软件部分：在上位机上安装有可重构监测平台，该可重构监测平台包括系统引擎以及与系统引擎连接的功能组件和配置文件。其中系统引擎负责组件的管理与数据流的管理工作，其根据配置文件动态加载功能组件重构上层监测软件平台，并将相应的功能部件监测子程序在线下载到嵌入式监测装置中。功能组件包括监测模块管理组件、数据库管理组件、数据分析及故障诊断组件和实时信息显示组件。功能部件监测子程序是保存在上位机中的对应机床各功能部件的对应监测程序。

基于上述系统结构，本发明提出的机床功能部件可重构监测方法，具体包括以下步骤：

1)将多个嵌入式监测装置的各传感器安装在待监测机床相应的各个功能部件上；

2)初始化系统，在上位机上的可重构监测平台上动态加载各个功能组件，形成监测系统；并且下载上位机中的功能部件监测子程序至嵌入式监测装置中；其中动态加载各个功能组件为：采用读取现有配置文件加载方式或者直接选取功能组件进行加载。

3)启动机床，使各传感器的输出信号通过信号调理模块的调理后传送给嵌入式信号采集监测模块进行信号处理；

4)嵌入式信号采集监测模块将信号处理结果通过网络传送给上位机中的可重构监测平台，可重构监测平台中的功能组件对信号进行分析处理，并将结果进行存储和显示。

综上所述，本发明的机床功能部件可重构监测系统以及可重构监测方法，第一层是传感器层，针对数控机床不同的功能部件的监测要求选择相应的传感器，譬如：监测主轴振动要选择电涡流位移传感器，监测刀具振动选择加速度传感器；第二层是嵌入式数据监测装置层，主要负责传感器信号的获取，数据处理，故障预警和数据上传等；第三层是上位机可重构监测软件层，这一层主要负责监测程序下载，实时数据上传，数据分析处理、显示和存储、特定功能监测(颤振，动平衡等)等功能。各层之间的连接是这样实现的：第一层和第二层，即传感器层和嵌入式数据监测装置层是通过传感器信号调理模块联系起来，传感器接信号调理模块(6路)，信号调理模块通过背板总线和嵌入式信号采集监测装置集成；第二层和第三层，即嵌入式监测装置层和上位机可重构软件平台层，是通过标准以太网连接，可以实现网上组态，数据上传和下载等功能。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

根据图1，需要设计和实现嵌入式监测装置和可重构的监测软件两部分。如图2所示，该图描述了嵌入式监测装置总体架构。嵌入监测装置由三个部分组成，即信号采集监测板，信号调理板，电源板，三个部分通过背板自定义总线相互通信。如图4所示，该图描述了可重构监测软件总体架构。可重构监测软件主要有以下功能，网络组态，特征监测子程序在线下载，实时数据获取，数据分析，状态显示，故障识别及数据存储等功能，各部分功能均是以组件形式实现，因而本监测软件包括以下功能组件，嵌入式监测模块管理组件、数据显示组件、数据分析组件，特征故障识别组件及数据存储查询组件等。各个组件通过系统引擎动态管理，实现不同的功能需求。

根据图2提出的嵌入式监测装置设计方案，需要完成嵌入式信号采集监测板，信号调理板和电源板的设计。信号采集监测板是嵌入式监测装置的核心，主要实现6通道并行采集，数据分析处理及网络通信等功能，信号调理板主要负责对传感器信号进行隔离、滤波放大等调理功能，电源模块主要负责对嵌入式监测装置整个系统供电。如图3所示，该图描述了嵌入式数据采集模块的实现方案。具体如下，主控芯片DSP和FPGA分别采用TI的DSP6713和Altera的CycloneII EP2C8Q208，DSP作为主处理器，FPGA作为从处理器，二者之间通过HPI接口相连。DSP负责完成数据处理同时管理网络通信，因此DSP通过EMIF总线外扩了2MB FLASH用于存储程序代码，64MB SDRAM用于存储实时数据，以及外扩了W3100A硬件协议栈芯片用于实现网络通信。FPGA主要负责控制AD，包括AD动作时序，综合FIFO，以实现6通道的并行采集，这里AD采用16bit，最高采样率50KHz高速高精度AD，以满足系统对采样频率和精度的要求。嵌入式信号采集板较为核心的是网络通信部分，W3100A硬件协议栈封装了标准TCP/IP协议，它和物理层芯片RTL8021BL之间通过标准的MAC接口相连，并通过一级网络滤波器PE68515连接到网口RJ45上，从而形成标准以太网通信功能。如图5所示，该图描述了传感器信号调理模块基本原理，本发明信号调理模块主要分为三类：电涡流信号调理模块，ICP加速度信号调理模块及通用信号调理模块。三类主要区别在于传感器适配模块不同，三类传感器调理模块具体实施如下，第一级传感器适配模块，它需要供给+/-15V电压，传感器信号经前置器后变换成标准电压信号，该电压信号经过第二级信号隔离AD202JY，经过第三级信号可编程放大器PGA204，经过第四级低通滤波TLC14，最后经过第五级阻抗匹配电路OPA134之后，转换成比较干净和易于识别的电压信号，然后通过背板总线传送到信号采集板，进而完成传感器信号在采集之前的前置调理过程。如图6所示，该图描述了嵌入式监测装置电源模块的原理图，具体实施方法如下，通过AC-DC电源将220V市电转换成系统需要的直流电源，并且通过三路独立电源分别为隔离前电路，电涡流位移传感器调理电路，ICP加速度信号调理电路供电，实现电源隔离，防止信号间耦合干扰。

背板总线包括电源总线，调理板总线和采集监测板总线三部分，图7描述了背板总线各部分的关系图。电源板通过电源总线为调理板和采集监测板提供所需的工作电压，以供调理板和采集监测板正常工作。调理板通过调理背板总线将传感器的模拟信号供给采集监测板的AD，以供采集监测板进行信号采集和后续处理。采集监测板通过采集监测背板总线提供给调理板工作所需的低通滤波截止频率。总之，背板总线是嵌入式监测装置各板卡相互通信的枢纽，也是实现嵌入式监测装置可重构的关键，所以背板总线在嵌入式监测装置中起着至关重要的作用。

根据图4提出的可重构监测软件设计方案，可重构监测装置上需要运行监测程序。如图8所示，该图描述了监测程序的基本流程，具体实施方法如下，监测装置在启动后首先初始化系统包括DSP、SDRAM及网络，初始化完成后，DSP通过自举从FLASH中加载功能监测程序，监测程序采用多线程技术，主要有监测线程和通信线程两个线程，监测线程主要完成组态数据获取，传感器信号采集、处理等功能，通信线程主要负责数据包组织及和上位机间的通信，两个线程间通过信号量实现同步和通信。

如图9所示，为可重构监测平台的整体构架和它的数据流虚拟总线，以及组件要实现的接口。每个组件拥有两个接口(DataSender和DataReader接口)，其中DataSender接口负责把数据送入虚拟总线，DataReader负责读取虚拟总线中的数据。系统引擎访问这两个接口把组件连接到虚拟总线上实现数据交互。数据间的交互使用了虚拟总线技术，实现了多组件的连接与数据共享。虚拟总线是可重构监测平台各个功能组件的装配总线，它是连接各个功能组件，传递数据和消息的公共通路。虚拟总线在物理层并不存在，在形式上，它实际上是一个具有数据传递和消息传递的应用程序。通过系统引擎和虚拟总线技术，各组件构成一个功能完备的具有特定功能的监测诊断系统。如图10所示，该图描述了整个监测诊断平台软件运行的基本流程，具体实施方法如下，系统首先启动系统引擎线程，显示系统引擎配置界面，然后根据监测任务的需要，选择需要的组件从而形成具有特定功能的监测平台。系统采用多线程机制，每个组件都在自己独立的线程下工作，某个组件终止运行不会影响到系统的正常运行。系统引擎主要负责组件的管理与数据流的管理工作。系统中的组件可以在运行中动态的加载和卸载，具有很好的柔性。

以下给出本发明的一种具体实施例：

本实施例以车床车削，刀具颤振的监测为例，利用本发明的方法重构监测系统包括以下步骤：

1)安装2个加速度传感器在车刀的切削刃附件相互垂直的面上，然后把传感器接入到可重构监测装置的ICP加速度传感器通道上。

2)启动上位机可重构监测平台，选择组件管理功能，然后初始化功能组件库(可重构平台识别可用的功能组件，然后把各功能组件和它的功能说明信息显示在组件管理界面上)。

3)在组件管理界面上选择振动监测组件、颤振分析组件、数据存储组件，然后再把这几个模块加入到可重构监测平台，进而重构出所需要的车床颤振监测系统。

4)启动组件，运行振动监测组件，颤振分析组件和数据存储组件，并且显示出他们的运行界面。

5)配置各个组件，下载上位机中的刀具颤振监测子程序至嵌入式监测装置中，并设置振动监测组件的采集参数、滤波器截止频率、各通道的通道名称、工程变换参数等；颤振分析组件的数据通道、灵敏度等；数据存储组件的存储间隔等信息。

6)启动振动监测组件的数据采集功能，获取传感器信号；上位机可重构监测平台通过网络接收数据，并将数据发送到颤振分析组件和数据存储组件。

7)颤振分析组件获取可重构平台数据，并选择数据源和监测的通道号，并且开始颤振监测。

8)数据存储，打开数据存储组件运行界面，测试数据库连接状态，如果数据库连接成功就可以开始数据存储。可通过数据存储组件控制数据的存储状态。

综上所述，发明不仅有利于快速构建面向机床不同功能部件的监测诊断系统，提高机床加工的可靠性、安全性和加工效率，同时也推动了监测诊断技术在国产机床行业中的应用和发展，为提高国产机床的整体性能，振兴国家装备制造业提供重要的技术支持。

Claims (6)

1.一种机床功能部件可重构监测系统，其特征在于：包括上位机以及通过网络连接的多个嵌入式监测装置；所述嵌入式监测装置包括背板总线以及与背板总线连接的嵌入式信号采集监测模块、信号调理模块和电源模块，所述信号调理模块的信号输入端连接有多个安装在机床上的传感器；所述嵌入式信号采集监测模块包括相互连接的FPGA处理器和DSP处理器，所述FPGA处理器连接有AD模数转换模块、IO接口和计数器，所述DSP处理器通过网络硬件协议栈芯片连接有网络物理层芯片，所述网络物理层芯片连接有RJ45网口，所述RJ45网口通过网线与上位机连接，所述DSP处理器还连接有SDRAM和FLASH；DSP处理器与背板总线连接；所述信号调理模块包括信号调理电路以及与其连接的多个传感器适配模块；所述多个传感器适配模块分别连接传感器。

2.根据权利要求1所述的机床功能部件可重构监测系统，其特征在于：所述传感器适配模块选用涡流传感器激励IC模块；所述信号调理电路包括多路并行连接在调理电路总线接口上的信号隔离放大滤波电路，所述信号隔离放大滤波电路由信号隔离放大器、可编程增益放大器以及可编程截止频率滤波器依次连接构成，所述信号隔离放大器的信号输入端连接涡流传感器激励IC模块的信号输出端；所述调理电路总线接口连接到背板总线上。

3.根据权利要求1所述的机床功能部件可重构监测系统，其特征在于：所述上位机上安装有可重构监测平台，所述可重构监测平台包括系统引擎以及与系统引擎连接的功能组件和配置文件；所述系统引擎负责组件的管理与数据流的管理工作，其根据配置文件动态加载功能组件重构上层监测软件平台，并将相应的功能部件监测子程序在线下载到嵌入式监测装置中；所述功能组件包括监测模块管理组件、数据库管理组件、数据分析及故障诊断组件和实时信息显示组件；所述功能部件监测子程序是保存在上位机中的对应机床各功能部件的对应监测程序。

4.根据权利要求1所述的机床功能部件可重构监测系统，其特征在于：所述嵌入式监测装置的传感器包括有电流传感器、振动位移传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、声发射传感器、光电传感器或温度传感器。

5.一种基于权利要求1所述系统的机床功能部件可重构监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将多个嵌入式监测装置的各传感器安装在待监测机床相应的各个功能部件上；

2)初始化系统，在上位机上的可重构监测平台上动态加载各个功能组件，形成监测系统；并且下载上位机中的功能部件监测子程序至嵌入式监测装置中；

3)启动机床，使各传感器的输出信号通过信号调理模块的调理后传送给嵌入式信号采集监测模块进行信号处理；

4)嵌入式信号采集监测模块将信号处理结果通过网络传送给上位机中的可重构监测平台，可重构监测平台中的功能组件对信号进行分析处理，并将结果进行存储和显示。

6.根据权利要求5所述的机床功能部件可重构监测方法，其特征在于，步骤2)中，动态加载各个功能组件为：采用读取现有配置文件加载方式或者直接选取功能组件进行加载。

Images