CN102455684A

CN102455684A - 一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪

Info

Publication number: CN102455684A
Application number: CN2011103212427A
Authority: CN
Inventors: 梅雪松; 赵飞; 陶涛; 姜歌东
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Wuxi Chaotong Intelligent Manufacturing Technology Research Institute Co.,Ltd.
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102455684B

Abstract

一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，由硬件和软件两部分组成，硬件的1Vpp信号采集卡、TTL信号采集卡、Endat信号采集卡、定时卡安装在PCI卡槽扩展邬中，并和定时卡相连，PCI卡槽扩展邬接入便携计算机的接口；软件的系统管理模块分别和人机交互模块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、数据存储模块、实时显示模块和硬件驱动连接，测试仪的软件运行于便携计算机中，指令及数据通过扩展坞计算机通信线传输到PCI扩展邬中的各采集板卡中，控制采集卡进行相应的操作，实现用户所需的采集过程，本发明能够实现进给系统动态特性在线测试，具有测试路径多，能进行误差分离的优点。

Description

一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪

技术领域

本发明涉及数控机床进给系统动力学特性分析技术领域，具体涉及一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪。

背景技术

对于数控机床伺服进给系统性能测试评估方面的研究，很多工作还是采用圆运动方法实现机床运动精度的检测与诊断。现有方法固然可获取机床进给轴的状态信息，实现机床静态性能的评估，但存在如下问题：一、不能对机床的运动进行在线测量和连续监测，难以在线获得数控机床伺服进给系统的动态信息；二、大多数精度评估装置测试路径单一，基本采用圆周测试方法，由于圆周测试结果是多轴数据耦合，因此很难进行误差分离，上述问题为数控机床进给系统动态特性的评估带来了困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，能够实现进给系统动态特性在线测试，具有测试路径多，能进行误差分离的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，由硬件和软件两部分组成。

硬件由1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、Endat信号采集卡3、模拟量信号采集卡4、定时卡5、信号输入端子6、定时同步线7、PCI卡槽扩展邬8、扩展坞计算机通信线9和便携计算机10组成，1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、Endat信号采集卡3、定时卡5依次安装在PCI卡槽扩展邬8的PCI卡槽中，定时卡5通过定时同步线7分别与1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、Endat信号采集卡3及模拟量信号采集卡4相连，信号输入端子6是外部信号输入本测试仪的接口，PCI卡槽扩展邬8是指测试仪的硬件工作平台，PCI卡槽扩展邬8通过扩展坞计算机通信线9接入便携计算机10的USB或者Express 54/32接口。

所述的1Vpp信号采集卡1是指测试仪中实现1VPP格式信号采集的模块，其最高采样频率10KHz，最低采样频率312.5Hz；具有浮点数48位计数精度，其中整数36位小数12位；最少具有2个信号输入通道，且具有多通道扩展功能，最多能够扩展至16通道，能够进行多通道同步采样；具有外部时钟触发功能，能够与TTL信号采集卡2、Endat信号采集卡3、模拟量信号采集卡4同步工作。

所述的TTL信号采集卡2是指测试仪中实现TTL格式信号采集的模块，其最高采样频率10KHz，最低采样频率1KHz；具有4个信号输入通道；能够进行多通道同步采样；具有外部时钟触发功能，能够与1Vpp信号采集卡1、Endat信号采集卡3、模拟量信号采集卡4同步工作。

所述的Endat信号采集卡3是指测试仪中实现Endat格式信号采集的模块，其最高采样频率10KHz，最低采样频率1KHz，具有2个信号输入通道，能够进行2-10通道同步采样；具有外部时钟触发功能，能够与1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、模拟量信号采集卡4同步工作。

所述的模拟量信号采集卡4是指测试仪中实现模拟量信号电涡流传感器、加速度传感器、霍尔电流传感器的信号采集的模块，其最高采样频率1MHz，最低采样频率250Hz；AD转换精度16位；具有外部时钟触发功能；能够与1Vpp信号采集卡1、Endat信号采集卡3、TTL信号采集卡2同步工作，信号输入范围±10V。

软件包括系统管理模块A，系统管理模块A的输出分别和人机交互模块B的第一输入、数据采集模块C的第一输入、数据处理模块D的第一输入、数据分析模块E的第一输入、数据存储模块F的第一输入、实时显示模块G的第一输入和硬件驱动H的第一输入连接；人机交互模块B的输出和数据采集模块C的第二输入连接；数据采集模块C的输出和硬件驱动H的第二输入连接，硬件驱动H的第一输出和数据存储模块F的第二输入连接，数据处理模块D、数据分析模块E和数据存储模块F的输出和实时显示模块G的第二输入连接，测试仪的软件运行于便携计算机10中，指令及数据通过扩展坞计算机通信线9传输到PCI扩展邬8中的各采集板卡中，控制采集卡进行相应的操作，实现用户所需的采集分析过程。

通过以上技术方案的实施，本发明可以对数控机床进给系统位置反馈、速度反馈、振动信号、控制电路信号等特征信号进行在线同步采集。通过利用数控机床自身反馈信号，不仅减少了传感器安装时间，提高了测试效率，而且扩展了数控机床进给系统动态特性的测试半径，使测试半径覆盖进给系统全部行程。利用本软件所专有的分析功能对数控机床动态特性进行监测，实现了数控机床在线服役特性监测功能，以及误差分离功能。

由于本发明可在数控机床加工过程中进行数据采集分析，实现了加工过程进给系统动态特性测试分析，同时该测试方法具有使用方便，不受仪器自身限制，实现进给系统全行程测试，应用效果好。

附图说明

图1为本发明的硬件结构图。

图2为本发明的软硬件关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，由硬件和软件两部分组成。

硬件由1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、Endat信号采集卡3、模拟量信号采集卡4、定时卡5、信号输入端子6、定时同步线7、PCI卡槽扩展邬8、扩展坞计算机通信线9和便携计算机10组成，1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、Endat信号采集卡3、定时卡5依次安装在PCI卡槽扩展邬8的PCI卡槽中，定时卡5通过定时同步线7分别与1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、Endat信号采集卡3及模拟量信号采集卡4相连，信号输入端子6是外部信号输入本测试仪的接口，PCI卡槽扩展邬8是指测试仪的硬件工作平台，PCI卡槽扩展邬8通过扩展坞计算机通信线9接入便携计算机10的USB或者Express 54/32接口，实现PCI卡槽扩展邬8与便携计算机10的通信。

所述的模拟量信号采集卡4是指测试仪中实现模拟量信号电涡流传感器、加速度传感器、霍尔电流传感器的信号采集的模块，其最高采样频率1MHz，最低采样频率250Hz；AD转换精度16位；具有外部时钟触发功能；信号输入范围±10V。

所述的定时卡5是指测试仪中实现1Vpp信号采集卡1、TTL信号采集卡2、模拟量信号同步信号采集的时钟同步模块，其同步时钟通过定时同步线7将同步信号传输给其它采集卡。

参照图2，软件包括以系统管理模块A，系统管理模块A的输出分别和人机交互模块B的第一输入、数据采集模块C的第一输入、数据处理模块D的第一输入、数据分析模块E的第一输入、数据存储模块F的第一输入、实时显示模块G的第一输入和硬件驱动H的第一输入连接，人机交互模块B的输出和数据采集模块C的第二输入连接，数据采集模块C的输出和硬件驱动H的第二输入连接，硬件驱动H的第一输出和数据存储模块F的第二输入连接，数据处理模块D、数据分析模块E和数据存储模块F的输出和实时显示模块G的第二输入连接，测试仪的软件运行于便携计算机10中，指令及数据通过扩展坞计算机通信线9传输到PCI扩展邬8中的各采集板卡中，控制采集卡进行相应的操作，实现用户所需的采集分析过程。

系统管理模块A进行软件各功能的调度及运行管理，是实现其它功能的基本条件；人机交互模块B是实现操作者与系统间信息传递的入口；数据采集模块C在系统管理模块A和人机交互模块B的指令驱动下，调用硬件驱动H的相应功能，进行操作者所需要的信号采集过程；数据存储模块F在采集过程中将采集卡采集到的数据存储到便携计算机10的硬盘中；数据处理模块D在人机交互模块B及系统管理模块A的协调调度下对数据存储模块F存储的采集数据进行处理得到被测对象的特性，实现被测对象的特性测试分析；数据分析模块E对数据存储模块F存储的数据进行信号分析处理，为数据处理模块F进行数据处理前处理方法提供选择依据；实时显示模块G对采集过程中数据存储模块F从硬件板卡中读到的数据进行实时显示，另外，实时显示模块G负责将数据处理模块D、数据分析模块E的分析处理结果以图形的形式显示到操作者面前。硬件驱动负责将人机交互模块B及系统管模块A的指令翻译成硬件可执行指令，实现数据采集。

该软件部分模块具体功能描述如下：

人机交互模块B：有菜单栏、工具栏、实验管理、工程管理、显示区构成。工具栏上各按钮为菜单栏的快捷方式，用户可以通过工具栏或菜单栏完成操作。用户通过菜单栏管理菜单进行管理数控机床型号，建立被测数控机床信息，用户管理操作，用户输入的信息将保存到软件数据库中；通过设置菜单进行显示设置，工作目录设置等设置工作；通过文件菜单进行文件新建，打开，退出等操作，对本软件所建立的.mts格式文件进行操作。用户通过工程管理区对当前工作目录下的被测机床进行管理，通过实验管理区对某一机床的实验结果进行管理，用户通过选择某一机床双击鼠标左键进入数据采集模块。该模块是用户进行采集控制，驱动系统管理模块进行系统管理的主要模块。

数据采集模块C：在数据采集模块，用户可以通过参数设置功能对采样类型，采样通道数、采样频率，采样长度，同步采样等属性进行配置，选择所需要的功能，完成配置后软件界面显示。当需要修改配置时，用户通过工具栏采集设置按钮进行重新设置。用户点击开始采集按钮后，采集过程开始，数据被实时显示在图形显示框中，用户可以通过数据列表，选择需显示的数据图形。在任意时刻用户可以点击停止按钮，停止当前采集过程。采集过程停止后，数据自动保存。

数据处理模块D：用户通过实验管理区分析属性页进入数据处理模块。在数据处理模块，用户可以对采集到的数据进行回放，时域频域处理，从而提取数据特征。本软件具有数据截断、数据滤波、数据重采样，快速傅里叶变换(FFT)，相关分析，功率谱分析、倒谱分析，循环谱分析。通过上述分析功能，用户提取数据时域、频域特征为进给系统特性评估提供依据。

数据分析模块E：用户通过实验管理区处理属性页进入进给特性分析模块。在该模块用户可以进行单轴特性分析，提取信号的速度、加速度、加加速度及偏差信息，对运行平稳性进行分析；进行标准圆特性分析，可以实现两轴联动圆测试轨迹联动特性分析；振动特性分析，可以实现进给系统基于响应信号的实验模态分析。

本发明的工作原理为：

当进行振动特性测试时，用户根据测试需要，选择合适的传感器接入模拟量信号采集卡4通道，操作软件进行相应的测试，用户选择的传感器需满足输出信号为电压信号，信号输出范围±10V的要求。

当进行多传感器同步测试时，用户需按照运动特性测试，振动特性测试硬件配置方法，将被测信号接入本测试仪中。同时根据同步测试要求，配置本发明中的软件程序。

软件具体操作方法为：

采样设置：

1)、通过管理菜单内的数控机床型号管理，建立机床型号数据库；

2)、通过管理菜单内的机床管理建立数控机床，此时新建的数控机床将被自动添加到工程管理区。双击数控机床，在弹出对话框中输入实验名称，点击确认按钮，然后在实验设置对话框中选择用户所需的通道及数控机床轴号，点击确认。此时软件将自动切换到数据采集界面，等待用户进行下一步操作。

数据采样：在数控机床进行运动之前，点击数据采集模块开始采集按钮，开始采集。数据开始采集，同时机床开始运行，在数控机床运动结束后，点击停止采集按钮，数据采集过程结束，同时数据保存到数据文件中。

数据处理：当用户已进行过数据采样，可以在分析页面进行数据分析与回放。

用户通过实验管理区的分析属性页进入数据处理页面。进入数据处理页面后，用户通过选择数据列表中的数据，进行数据回放。用户根据所需的分析功能，点击工具条中相应的按钮，进行相应的分析功能。

动态特性分析：当用户已进行过数据采样，可以在处理页面进行进给系统动态特性分析与回放。用户通过实验管理区的处理属性页进入动态特性分析页面。用户根据所需的分析功能，点击工具条中相应的按钮，进行相应的分析功能。当机床进行单轴运动时，可以进行单轴特性分析；当机床进行圆插补联动时，可以进行标准圆分析。

Claims

1.一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，其特征在于：由硬件和软件两部分组成，硬件由1Vpp信号采集卡(1)、TTL信号采集卡(2)、Endat信号采集卡(3)、模拟量信号采集卡(4)、定时卡(5)、信号输入端子(6)、定时同步线(7)、PCI卡槽扩展邬(8)、扩展坞计算机通信线(9)和便携计算机(10)组成，1Vpp信号采集卡(1)、TTL信号采集卡(2)、Endat信号采集卡(3)、定时卡(5)依次安装在PCI卡槽扩展邬(8)的PCI卡槽中，定时卡(5)通过定时同步线(7)分别与1Vpp信号采集卡(1)、TTL信号采集卡(2)、Endat信号采集卡(3)及模拟量信号采集卡(4)相连，信号输入端子(6)是外部信号输入本测试仪的接口，PCI卡槽扩展邬(8)是指测试仪的硬件工作平台，PCI卡槽扩展邬(8)通过扩展坞计算机通信线(9)接入便携计算机(10)的USB或者Express 54/32接口。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，其特征在于：所述的1Vpp信号采集卡(1)是指测试仪中实现1VPP格式信号采集的模块，其最高采样频率10KHz，最低采样频率312.5Hz；具有浮点数48位计数精度，其中整数36位小数12位；最少具有2个信号输入通道，且具有多通道扩展功能，最多能够扩展至16通道，能够进行多通道同步采样；具有外部时钟触发功能，能够与TTL信号采集卡(2)、Endat信号采集卡(3)、模拟量信号采集卡(4)同步工作。

3.根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，其特征在于：所述的TTL信号采集卡(2)是指测试仪中实现TTL格式信号采集的模块，其最高采样频率10KHz，最低采样频率1KHz；具有4个信号输入通道；能够进行多通道同步采样；具有外部时钟触发功能，能够与1Vpp信号采集卡(1)、Endat信号采集卡(3)、模拟量信号采集卡(4)同步工作。

4.根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，其特征在于：所述的Endat信号采集卡(3)是指测试仪中实现Endat格式信号采集的模块，其最高采样频率10KHz，最低采样频率1KHz，具有2个信号输入通道，能够进行2-10通道同步采样；具有外部时钟触发功能，能够与1Vpp信号采集卡(1)、TTL信号采集卡(2)、模拟量信号采集卡(4)同步工作。

5.根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，其特征在于：所述的模拟量信号采集卡(4)是指测试仪中实现模拟量信号电涡流传感器、加速度传感器、霍尔电流传感器的信号采集的模块，其最高采样频率1MHz，最低采样频率250Hz；AD转换精度16位；具有外部时钟触发功能；能够与1Vpp信号采集卡(1)、Endat信号采集卡(3)、TTL信号采集卡(2)同步工作，信号输入范围±10V。

6.根据权利要求1所述的一种数控机床进给系统动态特性在线测试仪，其特征在于：软件包括以系统管理模块(A)，系统管理模块(A)的输出分别和人机交互模块(B)的第一输入、数据采集模块(C)的第一输入、数据处理模块(D)的第一输入、数据分析模块(E)的第一输入、数据存储模块(F)的第一输入、实时显示模块(G)的第一输入和硬件驱动(H)的第一输入连接；人机交互模块(B)的输出和数据采集模块(C)的第二输入连接；数据采集模块(C)的输出和硬件驱动(H)的第二输入连接，硬件驱动(H)的第一输出和数据存储模块(F)的第二输入连接，数据处理模块(D)、数据分析模块(E)和数据存储模块(F)的输出和实时显示模块(G)的第二输入连接，测试仪的软件运行于便携计算机(10)中，指令及数据通过扩展坞计算机通信线(9)传输到PCI扩展邬(8)中的各采集板卡中，控制采集卡进行相应的操作，实现用户所需的采集分析过程。