CN103019155A - 一种用于数控系统可靠性测试的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于数控系统可靠性测试的试验装置，该装置包括数据采集系统、数据存贮系统、数据访问与展示系统，开展对有限样本的数控系统（包括主轴电机和进给电机）无替换模式的定时截尾试验，进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等。对于获取在同等运行环境条件下准确、可比的数控系统现场运行数据，本发明可达到超过2万小时及以上连续工作运行时间的要求，并将现场运行数据存储在数控系统可靠性管理数据库中用以对数控系统可靠性和性能进行分析。

Description

一种用于数控系统可靠性测试的试验装置

技术领域

本发明涉及一种用于数控系统可靠性测试的试验装置，该装置由数据采集系统、数据存贮系统和数据访问与展示系统组成，对有限样本的受试数控系统开展无替换模式的定时截尾无间断连续运行试验，进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等，根据所获得数据进行故障模式、影响及危害度分析（FMECA）、计算平均故障间隔时间（MTBF）、平均修复时间（MTTR）等数据。

背景技术

数控系统和数控机床的可靠性水平，对于数控装备正常运行和数控生产厂商提高产品竞争力有着至关重要的作用。数控系统可靠性试验测试是在可靠性工程理论指导下，按国家相关标准和规范，结合数控机床应用特点，通过实际试验测试获取反映数控系统可靠性水平的平均故障间隔时间MTBF、故障信息以及运行状态等数据。为了充分测试和试验对比，除正常空载条件下的运行外，在实验室模拟实际工作环境，对数控系统进行加载条件下的测试。

数控系统质量及可靠性是一个综合性的技术和学科，涉及的技术领域相当广泛，数控系统技术涉及机械、电气、光学、气动、液动等多学科技术及多种元器件、配套件及材料，同时受设计、制作、配套、管理、贮运及使用诸多条件等因素影响，其失效模式、机理及分布特性、指标确定等方面，即不同于纯电子产品，又有别于机械产品。对于大多数的测试平台都是按照各公司或厂家自身的特点而设计，具有很强的专用性，没有共通的测试平台。同时测试设备大多只能单独对数控系统的硬件功能或单独对数控系统的软硬件集成后的综合功能进行测试。

针对数十台不同厂家、不同型号的数控系统性能测试，考虑到数控系统高可靠、小样本、运行时间长等特点，为这些受试数控系统所开展的无替换模式的定时截尾试验搭建实验室测试平台，进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等，保证该系统冗余性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于建立一种用于数控系统可靠性测试的试验装置，针对数控系统高可靠、小样本、运行时间长等特点，保证对不同的数控系统建立统一的实验环境进行无替换模式的定时截尾无间断连续运行试验，用以对比和评价各数控系统性能。

本发明为搭建一个测试平台，该平台可对有限样本的数控系统进行无替换模式的定时截尾无间断连续运行试验，满足长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维护数据等要求，获取2万小时及以上同等运行环境条件下准确、可比的数控系统现场运行数据，并建立典型数控系统实测数据库。

本发明采用的技术方案为：一种用于数控系统可靠性测试的试验装置，该装置包括数据采集系统、数据存贮系统和数据访问与展示系统，其中：

所述的数据采集系统，针对被测的数控系统，对不同系列的数控系统都配有相应的摄像头用以监控其运行状态；同时针对每台被测系统配有数据采集装置，采集数据包括总电源、NC电源、系统PLC控制开关、电压测量和温湿度测量值；

所述的数据存贮系统，满足可存储2万小时及以上的监控数据和采集数据的要求，并有冗余功能以保证采集数据不间断、可靠；

所述的数据访问与展示系统，建立网络服务器，用户通过网络可采访系统，查询数控系统工作状态；包括监控状态和数据。

进一步的，该装置能够进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维修数据要求，可连续无间断对数控系统进行试验过程的监控；可连续无间断采集数控系统运行状态数据、故障数据和维修数据。

本发明测试平台有以下优点：

1、该测试平台为冗余的测试平台，当平台中某一装置出现故障时，备用装置立即启动，转换时间<=0.1秒；

2、该测试平台可以通过网络进行远程控制和监控，减少由于集中的批量的运行数控系统而造成的噪声对人的损害；

3、被测数控系统出现故障以及环境参数超限等情况下，能够提供声光报警，并具有声光报警自动取消和人工取消两种功能，存储报警、报警取消记录。

附图说明

图1测试系统拓扑图；

图2视频采集系统示意图；

图3系统拓扑结构图；

图4网络传输系统结构图；

图5信号采集系统原理图；

图6测试箱设备示意图；

图7数据存储系统初步方案设计图；

图8为运行测试循环流程。

具体实施方式

本发明包括数据采集系统、数据访问与展示系统、数据存贮系统三个模块如附图1所示。

1、数据采集系统

数据采集系统包括视频采集模块和状态数据采集模块。

1）视频采集模块

视频采集模块主要由三部分组成，分别是：前端网络摄像机(IPC）、网络传输系统、视频管理控制系统。系统结构示意图和系统拓扑结构图分别如附图2、附图3所示；

针对不同厂家每个系列的数控系统，都配有前段网络摄像机，另配有多个全景监控摄像机，选用支持红外摄像的半球机，以保证24小时不间断监控。网络传输系统结构图如附图4所示，采用双核心交换机（支持POE功能）来接入所有的IPC和服务器以及存储系统，确保了视频传输的安全可靠性。视频管理控制系统采用Linux操作系统，具有抵抗病毒与非法入侵的能力，支持7*24小时连续工作，具备双机热备功能，具备离线配置，快速备份配置文件和系统配置快速恢复机制；支持大容量视频转发、大容量视频存储点播、帧标记以及业务支撑信息管理功能；具有完善的权限管理能力，多级权限分配机制；存储支持按照时间分级，支持流存储和通用文件存储；内建Web Server，可以支持CLIENT和WEB两种访问方式；具备高稳定性，支持防错冗余配置。

2）状态数据采集模块

状态数据采集模块主要包括数控系统运行状态信号采集和环境信号采集两个方面。选用EtherCAT工业以太网具有高达100Mb/s的带宽，数据通信采用标准以太网数据帧，能够方便地实现与以太网的互联，具有很好的兼容性，尤其适用于高速的分布式数据采集。基本的原理图如附图5所示，将需要采集的信号直接从数控系统的PLC引至EtherCAT模块。但是在实际的数控系统中，对数控系统进行了处理，将需要采集的数控系统信号通过外加继电器变成与数控系统信号一一对应的无源触点，这样便可以很方便的将信号引至EtherCAT模块。

为了了解数控系统从开始运行到运行结束整个过程的运行情况，因此就需要对能够代表数控系统运行状况的信号进行数据采集。需要采集的数控系统的信号主要包括：NC电源、NC准备、24V接通、系统运行脉冲输出、主轴准备/旋转、伺服轴（XYZ）准备/旋转；对于每个厂家不同系列的数控系统都单独设计、制造了一套测试箱，如附图6所示。

在对数控系统可靠性试验测试数据采集的过程中，主要用到3类EtherCAT模块，分别为EL1008、EL2004、EL3064，各模块的具体工作原理如下：

EL1008：8通道数字量输入端子24V DC，3ms；它的数字量输入端子从现场级获得二进制控制信号，并把数据以电隔离的信号形式传输到更高层的自动化单元。EL100x系列数字量输入端子有一个3ms输入滤波；每个端子可通过一个LED来显示其状态。

EL2004：4通道数字量输出端子24V DC，0.5A；它的数字量输出端子以电隔离的信号形式将自动化控制层传输过来的二进制控制信号传到设备层的执行机构。

EL3064：4通道模拟量输入端子模块0…10V单端，12位模拟量；它的输入端子模块用于处理0-10V范围内的信号。电流被数字化后的分辨率为12位，并在电隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。在端子模块EL3064中，4个单端输入为2线制，并有一个公共的内部接地电位。端子模块的各个电源触点互相连接；所有输入端的基准接地点为0V电源触点。

被测数控系统的信号与并联冗余的2个“信号集成模块”相连，通过双绞线以EtherCAT协议将两个信号集成模块串连，并且分别与PLC1-TWINCAT和PLC2-TWINCAT数据采集机相连，形成冗余的两路信号采集系统。PLC1-TWINCAT和PLC2-TWINCAT以1分钟的采集周期实现数据信号的采集，采集得到的数据通过计算机网络存贮于数据存储系统中。

对于环境信号的采集，需要另外增加一个温湿度变送器，当变送器周围的温度、湿度发生变化时，采集模块会将采集到的温度、湿度的变化情况实时的显示出来。

2、数据存储系统（IPSAN）

数据存储系统设计，系统设计采用IPSAN进行集中存储，并采用通用文件系统存储，支持归档管理。考虑到冗余安全因素，选用经计算容量的1.2倍的总容量来支持视频采集模块和状态采集模块的数据存储。IPSAN存储系统运用了RAID5+热备、磁盘容量强制匹配、分布式元数据存储等技术，使得存储系统具有节能、数据存储安全性高等优点。如附图7所示，包含3个模块：数据存储模块、数据备份模块及数据管理模块，各模块的基本原理分别如下：

1）数据存储模块：

该模块包含2台数据库服务器，2台存储交换机以及6套磁盘阵列。数据库服务器从数据采集处取得数据，通过双机热备份的方式与双存储交换机交叉连接，将数据存入磁盘阵列，以保证数据存储的安全可靠性；

2）数据备份模块：

该模块包含外部存储介质和1台PC机。PC机通过网络交换机连接到数据库服务器，然后再通过数据库服务器将磁盘阵列中的数据导入外部存储介质，导入完成后，可将外部存储介质与数据库服务器断开，单独存储，以防磁盘阵列出现故障后数据丢失；

3）数据管理模块：

该模块包含2台PC机。PC机可通过网络交换机连接到数据库服务器，并通过数据库服务器调用存储在磁盘阵列中的数据，以完成故障数据的查看、分析等操作；

3、数据访问与展示系统：

该系统包括网络展示模块和视频显示模块。

1）网络展示模块

网络展示模块包含1台Web服务器，1台应用服务器，1台认证服务器以及一个带VPN的防火墙。外部用户通过Internet申请访问数据时，首先通过带VPN的防火墙，之后经认证服务器认证后，最后由应用服务器处理访问申请。Web服务器提供网络连接支持。

2）视频显示模块

视频显示模块采用液晶屏拼接显示方案，通过VMX专业图像拼接控制器进行视频显示的控制。VMX专业图像拼接控制器具有数据运算能力强大、边缘屏蔽技术、RGB和Video窗口可任意漫游、叠加、缩放并支持单屏分割及多屏拼接等功能，可保证显示系统清晰、流畅的完成视频展示功能。

本发明采用测试方法对受试系统进行综合应力实验，综合应力包括：温度、湿度、电应力和工作应力等。温度和湿度应力采用试验现场的自然环境条件，试验过程中做实时监测和记录。试验剖面见附图8，试验过程如下：

试验开始，对数控系统施加电应力，整个循环内保持通电。

通电后对数控系统进行按键测试。在0~360s内，完成按键测试。

360s后对数控系统进行空载测试。不加任何负载，从360s到365s，5s内主轴转速由零加速到正转的额定转速，在额定转速下运行300s，从665s到675s，10s内主轴转速由额定转速减速到零，再由零加速到反转的额定转速，在额定转速下运行300s，从975s到980s，5s内主轴转速由额定转速减速到零。

980s后对数控系统进行主轴加速测试。从980s到990s，10s内主轴转速由零加速到正转极速的90%，在该速度下运行5s。

995s后对数控系统进行主轴极速测试。从995s到1000s，5s内主轴转速由正转极速的90%加速到正转极速，在极速下运行5s，从1005s到1010s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。

1010s后对数控系统进行主轴减速测试。在90%极速下运行5s，从1015s到1025s，10s内主轴转速由极速的90%减速到零。

1025s后对数控系统进行主轴加速测试。从1025s到1035s，10s内主轴转速由零加速到反转极速的90%，在该速度下运行5s。

1040s后对数控系统进行主轴极速测试。从1040s到1045s，5s内主轴转速由反转极速的90%加速到反转极速，在极速下运行5s，从1050s到1055s，5s内主轴转速由极速减速到极速的90%。

1055s后对数控系统进行主轴减速测试。在反转90%极速下运行5s，从1060s到1070s，10s内主轴转速由反转极速的90%减速到零。

1070s后对数控系统进行XY面内的直线插补运动测试。从1070s到1670s，600s内X、Y两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。

1670s后对数控系统进行XZ面内的直线插补运动测试。从1670s到2270s，600s内X、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。

2270s后对数控系统进行YZ面内的直线插补运动测试。从2270s到2870s，600s内Y、Z两轴，同时从原点开始，在额定转速下分别同时运动至各自行程的90%处，然后再原路返回。

2870s后对数控系统进行XY面内的圆弧插补运动测试。从2870s到3470s，600s内X、Y两轴在额定转速下，在XY平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。

3470s后对数控系统进行ZX面内的圆弧插补运动测试。从3470s到4070s，600s内Z、X两轴在额定转速下，在ZX平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。

4070s后对数控系统进行YZ面内的圆弧插补运动测试。从4070s到4670s，600s内Y、Z两轴在额定转速下，在YZ平面内做顺时针及逆时针圆弧插补运动各一周。

4670s后对数控系统进行负载测试。在额定负载情况下，从4670s到5270s，600s内X、Y两轴做直线插补运动；从5270s到5870s，600s内X、Z两轴做直线插补运动；从5870s到6470s，600s内Y、Z两轴做直线插补运动；从6470s到7070s，600s内X、Y两轴做圆弧插补运动；从7070s到7670s，600s内Z、X两轴做圆弧插补运动；从7670s到8270s，600s内Y、Z两轴做圆弧插补运动。

试验不断循环直至30000台时测试结束。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种用于数控系统可靠性测试的试验装置，其特征在于：该装置包括数据采集系统、数据访问与展示系统和数据存贮系统，其中：

所述的数据采集系统，针对被测的数控系统，对不同系列的数控系统都配有相应的摄像头用以监控其运行状态；同时针对每台被测系统配有数据采集装置，采集数据包括总电源、NC电源、系统PLC控制开关、电压测量和温湿度测量值；

所述的数据存贮系统，满足可存储2万小时及以上的监控数据和采集数据的要求，并有冗余功能以保证采集数据不间断、可靠；

所述的数据访问与展示系统，建立网络服务器，用户通过网络可采访系统，查询数控系统工作状态；包括监控状态和数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于数控系统可靠性测试的试验装置，其特征在于：该装置能够进行长时间批量化运行试验过程监控，采集运行数据、故障数据和维修数据要求，可连续无间断对数控系统进行试验过程的监控；可连续无间断采集数控系统运行状态数据、故障数据和维修数据。

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