CN102354159A - 一种床身动静态变形的主动检测与监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，数据采集子系统与虚拟床身构造子系统相连；虚拟床身构造系统内的应变、温度信息插值的信息输出端与有限元分析子系统相连；有限元分析子系统与硬件动态监控子系统相连；数据采集子系统内的传感器信息调理传输模块的信息输出端与数据存储分析子系统的传感器信息存储模块相连；虚拟床身构造系统内的数据存储模块及有限元分析子系统内的仿真计算结果保存模块均与数据存储分析子系统中的床身重构结果存储模块连接。本发明解决当前国内无法监控床身变形的现状，有效的提高数控机床精度保持水平，进而提升数控机床智能化水平。

Description

一种床身动静态变形的主动检测与监控系统

技术领域

本发明涉及床身变形检测与监控领域，特别是涉及数控机床床身动静态变形的主动检测与监控系统。

背景技术

数控机床智能化是继高精度、高速度发展之后又一个重要的发展方向，其显著特点是将信息技术和智能技术深度融合与集成在数控装备及其设计、制造过程中。

国内机床企业在床身变形主动检测与监控的技术研发方面基本处于空白状态，尤其是作为箱体类零件的重要加工设备——精密数控坐标镗床，而传统上基于人工经验的设计制造技术已经无法满足大规格坐标镗床对精度、效率和制造成本的需求，因此大规格精密数控坐标镗床关键部件实现智能化对满足现代柔性制造与高效制造系统的需求具有重要意义。

床身是大规格精密数控坐标镗床关键部件的重要组成部分之一，由于工作载荷及加工过程所引起的局部温度场作用，床身会引起动态应变，工作载荷过后的残余应力缓慢释放，会引起静态应变，这些应变会逐渐影响机床精度，如果不对其进行抑制，将带来不可估量的损失。目前国内对此还未见报道，多数企业都是按照经验对其床身精度进行校准，而真正数字化高精度的床身变形监控系统还未出现。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种床身动静态变形的主动检测与监控系统及其应用，对床身动静态变形进行智能监控、分析，以直观的形式体现给机床设计者以及用户，为变形抑制提供可靠的数据基础，从而解决当前国内无法监控床身变形的现状，有效的提高数控机床精度保持水平，进而提升数控机床智能化水平。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，包括数据采集子系统。数据采集子系统内的传感器信息调理传输模块的信息输出端与虚拟床身构造子系统的信息差插值点计算模块的信息输入端相连；虚拟床身构造系统内的应变、温度信息插值的信息输出端与有限元分析子系统内的边界条件施加模块的信息输入端相连；有限元分析子系统内的仿真计算结果保存模块的信息输出端与硬件动态监控子系统的床身变形实时监控模块的信息输入端相连；数据采集子系统内的传感器信息调理传输模块的信息输出端与数据存储分析子系统的传感器信息存储模块相连；虚拟床身构造系统内的数据存储模块及有限元分析子系统内的仿真计算结果保存模块均与数据存储分析子系统中的床身重构结果存储模块连接。

所述的数据采集子系统包括传感器布局优化模块、温度应变信息采集模块和传感器信息调理传输模块。其中，传感器布局优化模块的传感器输出端与温度应变信息采集模块的输入端相连，温度应变信息采集模块的输出端与传感器信息调理传输模块的输入端相连。

所述的虚拟床身构造子系统包括信息差插值点计算模块、应变温度信息插值模块和数据存储模块。其中，信息差插值点计算模块的输出端与应变温度信息插值模块的输入端相连，应变温度信息插值模块的输出端与数据存储模块的输入端相连。

所述的有限元分析子系统包括有限元模型预存模块、边界条件施加模块和仿真计算结果保存模块。其中，有限元模型预存模块的输出端与边界条件施加模块的输入端相连，边界条件施加模块的输出端与仿真计算结果保存模块的输入端相连。

所述的硬件动态监控子系统包括床身变形实时监控模块、硬件状态实时监控模块和系统报警模块。其中，床身变形实时监控模块和硬件状态实时监控模块的输出端都与系统报警模块的输入端相连。

所述的数据存储分析子系统包括传感器信息存储模块、床身重构结果存储模块和信息关联读取模块。

本发明利用传感器技术、信号处理及有限元技术，通过床身动静态变形主动检测与监控系统专用软件，获取和动态存储预埋在床身里的应变、温度传感器信息，并由这些信息插值后作为有限元计算的边界条件，通过虚拟床身复现出物理床身的变形情况并对变形数据做出判断，报警提示超出预设变形的床身位置。与现有的通过大理石直尺、千分表等静态测量床身变形的方法相比，本发明通过传感器预埋、系统专用软件等技术，能够主动检测和实时监控床身变形的情况，自行判断床身变形是否在要求范围内，构建智能数控机床床身，以智能化、动态化的方式，为保证或提高机床的加工精度提供基础数据。

附图说明

图1为本检测与监控系统的系统框图；

图2为载荷路径获取流程图；

图3为虚拟床身构造流程图；

图4为智能床身有限元分析子系统流程图；

图5为硬件监控子系统功能结构图；

图6为数据存储分析子系统结构图。

具体实施方式

图1为本检测与监控系统的系统框图，包括数据采集子系统1、虚拟床身构造子系统2、有限元分析子系统3、硬件动态监控子系统4及数据存储分析子系统5。这五个子系统构成了床身动静态变形的主动检测与监控系统。其中，数据采集子系统1包括三个模块，分别是传感器布局优化模块1-1、温度应变信息采集模块1-2和传感器信息调理传输模块1-3。虚拟床身构造子系统2包括三个模块，分别是信息差插值点计算模块2-1、应变温度信息插值模块2-2和数据存储模块2-3。有限元分析子系统3包括三个模块，分别是有限元模型预存模块3-1、边界条件施加模块3-2和仿真计算结果保存模块3-3。硬件动态监控子系统4包括三个模块，分别是床身变形实时监控模块4-1、硬件状态实时监控模块4-2和系统报警模块4-3。数据存储分析子系统5包括三个模块，分别是传感器信息存储模块5-1、床身重构结果存储模块5-2和信息关联读取模块5-3。

图2为载荷路径获取流程图，描述了在商用有限元软件ANSYS环境中获取床身载荷路径的流程，主要步骤包括以下13步，分别是：在ANSYS环境中建立床身三维模型、设置模型单元类型及材料、施加温度边界、保存温度场物理环境、温度场计算、清除物理环境、转换单元、转换材料属性、转换接触算法、设置参考温度、施加力载荷边界条件、综合载荷下仿真计算、载荷路径结果显示。

图3为虚拟床身构造流程图，描述了利用预埋在床身中的传感器所得信息插值，获取床身多个点的应变温度信息的过程。流程如下：先将床身网格化，获得床身网格模型，在计算出床身网格化后需要插值的数据，接下来，按照坐标位置依次取网格上每一个数据点进行插值，直到插值完成所有网格上的点。

图4为智能床身有限元分析子系统流程图，主要包括预存床身模型、插值后的应变、温度信息及ANSYS二次开发三个部分。智能床身有限元分析子系统运行时，先调用包含网格化信息、材料信息、单元信息的预存床身模型，然后将插值后的应变、温度信息作为模型的边界条件施加在模型上，最后通过有限元求解器进行求解，并能通过求解后处理部分查看求解结果。

图5为硬件监控子系统功能结构图描述了硬件监控子系统的所有功能及各功能包含的具体内容。硬件监控子系统的功能有：床身变形实时显示、床身变形过大报警及传感器状态监控。其中，床身变形实时显示功能通过设定及更新显示周期、未变形床身显示、有限元计算床身变形显示三个子结构实现；床身变形过大报警通过变形阈值设定、变形关键点设定及变形值判断与报警程序调用三个子结构实现；传感器状态监控通过检测周期设定、数据范围设定及数据判断与清零或故障提示三个子结构实现。

图6为数据存储分析子系统结构图描述了数据智能存储及数据智能读取两部分的具体结构及各子结构的联系。数据智能存储中的传感器信息、虚拟床身构造结果、有限元计算结果及变形对照结果通过序号对应，分别存储；数据智能读取中的传感器信息、虚拟床身构造结果、有限元计算结果及变形对照结果则可关联读取，即读取出其中任一个信息时也可读取出另外的三类信息。

一种床身动静态变形的主动检测与监控系统的应用，包括以下步骤：

步骤一、通过所述的模块1-1对床身进行传感器布局，并依次按照所述的模块1-2，1-3进行温度、应变采集及传感器信息调理、传输；

步骤二、通过所述的模块2-1对模块1-3所传输的传感器信息进行插值点计算，得出模块2-2所述的应变、温度信息插值结果，并进一步进行模块2-3所述的数据存储；

步骤三、将所述的模块2-2的应变、温度信息插值结果转化为3-2所述的边界条件，结合3-1所述的有限元模型预存，得出3-3所述的仿真计算结果；

步骤四、结合模块3-3所述的仿真计算结果及床身CAD原始模型，通过模块4-1所述的床身实时监控，对超出设定范围的变形位置进行模块4-3所述的系统报警，通过模块4-2所述的传感器状态实时监控，对发生故障或误差过大的传感器进行模块4-3所述的系统报警；

步骤五、将模块1-3及3-3所述的传感器信息及床身重构结果进行保存，分别对应模块5-1，5-2。模块5-1、5-2存储的传感器信息和床身重构结果信息可以通过模块5-3进行关联读取，即在读取床身重构结果时，可以同时读取对应位置的传感信息，而在读取传感器信息时，也能查看对应位置的床身变形信息。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，以缩比制造后的某机床厂大规格精密坐标镗床床身为例。

图1是本主动检测与监控系统的系统框图，它采用多级子系统形式的分布式结构，其主要由数据采集子系统、虚拟床身构造子系统、硬件动态监控子系统、有限元分析子系统及数据存储分析子系统组成。

1)数据采集子系统

数据采集子系统建立床身模型后，通过传感器布局优化模块得到应变传感器、温度传感器的分布位置及数量，再经数据采集器模块采集出应变、温度信息，并将采集到的数据输入至主系统；

数据采集子系统采集拟合床身变形所需的应变信息和温度信息，是床身变形主动检测和监控系统的主要信息来源，属于一次仪表，关系到整个检测结果、监测效果的可靠性和准确性。针对床身所受载荷的类型及各类载荷对床身变形的影响，系统所需的传感器主要包括：测量床身各处应变量的应变传感器及测量床身温度场及温度梯度的温度传感器。

传感器布局在应变和温度信息变化最大的载荷路径上，可以更好的反映出所检测床身的动静热特性，为检测床身变形提供最有效的信息。载荷路径通过商用有限元软件ANSYS仿真计算得到，主要的步骤包括：建立床身的数字模型、施加热载荷边界条件、温度场计算、设置力边界条件、有限元仿真，具体流程如图2所示。经计算所得应变传感器、温度传感器分布如图7所示，其中应变传感器数量为18个，温度传感器数量为10个。

数据采集器模块对所采集到的应变信号、温度信号进行滤波、放大及去噪处理。在多传感器信息融合技术的床身变形主动检测与监控系统中，具有高速、多种采样触发方式、多种数据传输方式、多功能和多通道的动静态应变仪及温度巡检仪可满足测试要求。采用具有网络接口的HUB将数采所得的信号送给虚拟床身子系统及数据存储系统。

2)虚拟床身构造系统

对于整个床身而言，通过传感器所得的应变、温度信息数量少，不足以完成床身变形的重构及虚拟床身的构造，因此，需要先由虚拟床身构造系统中的数据插值模块依据传感器所测得得应变、温度信息，结合网格化后的床身数字模型，对网格上的数据点进行插值。

虚拟床身构造系统基于移动最小二乘法MLS(moving least square)将插值所获得的有限个离散的应变信息、温度信息通过整个床身重构求解域的分区和不同区域上的加权最小二乘近似法，将全局近似转化为局部近似，使近似结果具有更高的精度，并且具有良好的收敛性。

为确保所有计算点均有合适的数据量，需根据具体传感器非线性情况来确定影响域半径d的取值。一般而言，在稀疏特性区，选取较大的影响域半径；在密集特性区域，选用较小的影响域半径，则能够取得较为理想的效果。

3)有限元分析子系统

有限元分析子系统作为重构床身变形的核心系统，完成将离散的应变信息及温度信息合成为连续的床身变形信息。有限元分析子系统存储有床身的离散模型及预置好的单元及材料信息，获得插值后的应变信息及温度信息后，结合位置信息，找出所得的离散应变信息及温度信息的对应节点，将其作为预存床身离散模型的边界条件，进行床身有限元仿真计算，获得床身变形结果；

有限元分析子系统中的有限元算法通过对广泛使用的商用有限元软件ANSYS的二次开发来实现，完成对床身变形的有限元计算及计算结果的图像显示，且显示出为变形床身作为参照。ANSYS的二次开发部分采用Visual C++编程实现，充分利用Visual C++在开发软件系统界面的便捷的特点，将ANSYS的求解器调用及模型后处理、结果显示等操作映射为系统专用软件界面中的按钮，易于操作使用。

4)硬件动态监控子系统

硬件动态监控子系统依据设定的周期，通过床身变形主动检测与监控专用软件系统实时更新直接获取的传感器信息数据及重构出的床身整体变形数据。依据不同类型机床的特点，设置床身影响精度部位不同位置的最大变形量，当重构出的床身变形量值在这些点超过阈值时，硬件动态监控子系统则通过调用系统内部声音，进行报警，并在相应点位置做出标记。

硬件动态监控子系统在系统每次运行前，对传感器进行清零，并做好数据补偿，保证传感器所测数据在精度要求范围内。系统运行过程中，硬件动态监控子系统针对不同的工况，定期检测传感器所得的数据，判断是否需要进行传感器的再次清零、是否有传感器发生故障、数采系统的数据是否依然真实可靠。

5)数据存储分析子系统

数据存储分析子系统由上位机来完成，用来进行各时刻应变信号、温度信号、虚拟床身信息、有限元床身信息的智能存储、分析与读取，通过系统专用软件进行实现。

数据存储分析子系统采用数据库的存储方法，一方面根据系统要求生成保存有不同时刻应变信息、温度信息的所需文件，并按照测试点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；另一方面，将虚拟床身构造系统和有限元分析系统输出的结果保存为原本的数据文件。数据存储分析子系统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，不仅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，还可让用户根据时间信息进行床身变形重构结果及床身有限元分析结果进行查询。

Claims (6)

1.一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，包括数据采集子系统(1)，其特征在于，数据采集子系统(1)内的传感器信息调理传输模块(1-3)的信息输出端与虚拟床身构造子系统(2)的信息差插值点计算模块(2-1)的信息输入端相连；虚拟床身构造系统(2)内的应变、温度信息插值(2-2)的信息输出端与有限元分析子系统(3)内的边界条件施加模块(3-2)的信息输入端相连；有限元分析子系统(3)内的仿真计算结果保存模块(3-3)的信息输出端与硬件动态监控子系统(4)的床身变形实时监控模块(4-1)的信息输入端相连；数据采集子系统(1)内的传感器信息调理传输模块(1-3)的信息输出端与数据存储分析子系统(5)的传感器信息存储模块(5-1)相连；虚拟床身构造系统(2)内的数据存储模块(2-3)及有限元分析子系统(3)内的仿真计算结果保存模块(3-3)均与数据存储分析子系统中的床身重构结果存储模块(5-2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，其特征在于，所述的数据采集子系统(1)包括传感器布局优化模块(1-1)、温度应变信息采集模块(1-2)和传感器信息调理传输模块(1-3)，其中，传感器布局优化模块(1-1)的传感器输出端与温度应变信息采集模块(1-2)的输入端相连，温度应变信息采集模块(1-2)的输出端与传感器信息调理传输模块(1-3)的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，其特征在于，所述虚拟床身构造子系统(2)包括信息差插值点计算模块(2-1)、应变温度信息插值模块(2-2)和数据存储模块(2-3)，其中，信息差插值点计算模块(2-1)的输出端与应变温度信息插值模块(2-2)的输入端相连，应变温度信息插值模块(2-2)的输出端与数据存储模块(2-3)的输入端相连。

4.根据权利要求1所述的一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，其特征在于，有限元分析子系统(3)包括有限元模型预存模块(3-1)、边界条件施加模块(3-2)和仿真计算结果保存模块(3-3)，其中，有限元模型预存模块(3-1)的输出端与边界条件施加模块(3-2)的输入端相连，边界条件施加模块(3-2)的输出端与仿真计算结果保存模块(3-3)的输入端相连。

5.根据权利要求1所述的一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，其特征在于，所述硬件动态监控子系统(4)包括床身变形实时监控模块(4-1)、硬件状态实时监控模块(4-2)和系统报警模块(4-3)，其中，床身变形实时监控模块(4-1)和硬件状态实时监控模块(4-2)的输出端都与系统报警模块(4-3)的输入端相连。

6.根据权利要求1所述的一种床身动静态变形的主动检测与监控系统，其特征在于，所述数据存储分析子系统(5)包括传感器信息存储模块(5-1)、床身重构结果存储模块(5-2)和信息关联读取模块(5-3)。

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