CN103170910A

CN103170910A - 一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置与方法

Info

Publication number: CN103170910A
Application number: CN2013100072895A
Authority: CN
Inventors: 范晋伟; 刘勇军; 王波; 穆东辉; 李伟华; 梁晓霞; 郑德荣
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Neijiang Jinhong Crankshaft Co ltd
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: CN103170910B

Abstract

本发明针对建立数控磨床载荷谱的需要，提出了一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置与方法。四个非接触式转速传感器分别安装在主轴、砂轮轴、X轴丝杠和Z轴丝杠端部，四个电流变送器分别穿过主轴伺服驱动器、砂轮轴变频器、X轴伺服驱动器和Z轴伺服驱动器的电源线。转速传感器和电流变送器将信号送给信号采集处理板，信号采集处理板首先将各路信号进行分时采样，然后将采样的模拟信号转为数字信号送给CPU处理，处理后的数据通过RS232串口传送给上位计算机。计算机存储载荷谱数据并进行后处理。本发明具有以下优点：在不影响数控磨床正常工作的前提下，可以方便、快捷地采集、记录数控磨床载荷谱数据，为数控磨床的可靠性设计提供依据。

Description

一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置与方法

技术领域

本发明涉及一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置与方法，本发明属于先进制造技术及自动化领域。

背景技术

数控磨床在机械制造企业使用非常广泛，数控磨床的可靠性对企业正常生产十分重要。为了提高数控磨床的可靠性，必须对数控磨床进行可靠性设计，数控磨床的载荷谱是可靠性设计的基础数据。数控磨床的载荷谱主要包括数控磨床各个转动轴的转速和转矩值。

目前国内数控磨床与国外先进数控磨床相比可靠性普遍偏低，存在故障率高、加工精度难以长久维持，其根本原因是在产品设计时未进行可靠性设计。为了提升国产数控磨床的可靠性，必须进行可靠性设计。可靠性设计的前提是获取载荷谱数据，要想获取数控磨床的载荷谱数据，需要对相关数据进行采集，而本发明正是基于以上背景而设计的。

传统的数据采集系统是将传感器装在被测机体上，影响被测机器的正常工作，且通常传统数据采集装置采样频率是固定不变的。由于数控机床载荷谱数据的采集不能影响数控磨床的正常工作，而且是连续采集，CPU需要处理的数据量非常大，给存储带来了困难。为此需要一种简便、实用的数据采集与处理方法，在数据变化较小时降低采样频率，从而降低数据存储量，减轻CPU负担，减小存储空间。

发明内容

本发明针对数控磨床载荷谱，提出了一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置与方法。四个非接触式转速传感器（1）（2）（3）（4）分别安装在主轴（16）、砂轮轴（17）、X轴丝杠（18）和Z轴丝杠（19）端部，四个电流变送器（5）（6）（7）（8）分别穿过主轴伺服驱动器（20）、砂轮轴变频器（21）、X轴伺服驱动器（22）和Z轴伺服驱动器（23）的电源线。转速传感器和电流变送器将信号送给信号采集处理板（13），信号采集处理板（13）首先以计算出的采样频率对各路信号进行分时采样，然后将采样的模拟信号转为数字信号送给CPU（12）处理，处理后的数据通过RS232串口（14）传送给上位计算机（15），计算机存储载荷谱数据并进行后处理。

为了不改变数控磨床的机械结构，本发明使用的四个转速传感器均为非接触式转速传感器，将传感器安装在转轴和丝杠端部，不影响数控磨床的操作和正常工作。四个转速传感器和四个电流变送器的安装均不影响数控磨床正常的工作。四个转速传感器的数值可以直接反映主轴、砂轮轴、X轴丝杠和Z轴丝杠的转速。

对于扭矩的测量本发明采用的是间接测量法，转轴的扭矩和电机的功率是成正比的，故测量电机的功率即可以计算出轴的扭矩，对于数控磨床使用的电机而言，其输入电压通常是固定不变的，而电流随着扭矩的变化而变化，为此，本发明通过测量电机的电流来间接计算转轴的扭矩，为了不改变数控磨床的现有接线方式和电气元件布局，本发明使用电流变送器来检测电机的电流，电流变送器套在电动机的输入电源线上即可检测出输入电流值。

由于数控磨床的转速和转矩值的变化是随机的，为了真实反映机床任意时刻的转速和转矩值，就必须以较大的采样频率进行采样，计采样的数据量和采样频率成正比。如果一直以较高的采样频率采样，将需要大量的存储空间，且CPU一直处于高速运转状态。为了解决这一问题，本发明采取变采样频率采样，即根据每个信号的前后两次采样值的差值来确定采样频率，采样频率与前后两次采样值的差值成正比。如果前后采样值的差值很小，说明该信号变化很小，则降低采样频率，减小存储量；如果前后采样值的差值很大，说明该信号变化很大，为了不失真，则加大采样频率。为了防止前后两次采样值的插着很小导致采样频率很小或采样停止，设置一个最低采样频率，当计算出的采样频率低于最低采样频率时，以最低采样频率进行采样。同样为了防止计算出的采样频率超过采样器件的处理能力，设置一个最高采样频率，当计算出的采样频率超过最高采样频率时，以最高采样频率采样。

由于在任意时刻只能有一路信号进行采样，本发明中有八路信号需要采集，故有可能出现在某一时刻有两个或两个以上的信号同时需要采样，即出现信号竞争情形。为此，在测量时将八路信号进行编号，当出现竞争情况时，将参与竞争的信号按编号的大小进行排队，编号小的信号先采样，采样完毕后再返回继续采样。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明所述的数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置与方法可以在不改变数据磨床结构和电气元件的情况下采集载荷谱数据，不破坏数控磨床的完整性，提高机床的可靠性，同时不会影响数据磨床的正常工作。

2、本发明所述的数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置与方法采取变采样频率的方法来采集数据，根据数据变化的大小来确定采样频率，从而可以大幅度节约存储空间，也可以减轻CPU的负担。

本发明适合于各种型号的数控磨床载荷谱数据的自动采集，为数控磨床可靠性设计提供基础数据，在高端数控磨床的设计中具有较好的应用前景。

附图说明

图1是数控磨床坐标轴方向示意图；

图2是数控磨床载荷谱数据采集方法与装置原理图；

图3是非接触式转速传感器安装示意图；

图4是电流变送器安装示意图；

图5是采集数据处理方法流程图；

图6是上位机数据处理方法示意图；

图中：1、主轴转速传感器，2、砂轮转速传感器，3、X轴丝杠转速传感器，4、Z轴丝杠转速传感器，5、主轴电机电流变送器，6、砂轮电机电流变送器，7、X轴伺服电机电流变送器，8、Z轴伺服电机电流变送器，9、接线端子排，10、分时采样开关，11、A/D转换器，12、CPU，13、信号采集处理板，14、RS232串口，15、上位计算机，16、主轴，17、砂轮轴，18、X向丝杠转轴，19、Z轴丝杠转轴，20、主轴伺服驱动器，21、砂轮轴变频器，22、X轴伺服驱动器，23、Z轴伺服驱动器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

建立数控磨床的载荷谱通常需要数控磨床在任意时刻的转速、轴的扭矩、电机的功率等数据，其中转速和扭矩是必须的数据。转速的测量有多种方法，为了不改变数控磨床的机械结构，本发明使用非接触式转速传感器，将传感器安装在转轴和丝杠端部，不影响数控磨床的操作和正常工作。非接触式转速传感器输出的标准模拟量信号送给信号采集处理板进行处理。如图2和图3所示，将主轴转速传感器（1）安装在数控磨床主轴（16）轴端附近，主轴转速传感器（1）根据主轴转速的大小将转速信号转换为与之成正比的标准模拟电信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上。同理，将砂轮转速传感器（2）安装在数控磨床砂轮轴（17）轴端附近，砂轮转速传感器（2）根据砂轮转速的大小将转速信号转换为与之成正比的标准模拟电信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上。X轴丝杠转速传感器（3）安装在数控磨床X进给丝杠转轴（18）轴端附近，X轴丝杠转速传感器（3）根据X轴丝杠转速的大小将转速信号转换为与之成正比的标准模拟电信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上。Z轴丝杠转速传感器（4）安装在数控磨床Z轴进给丝杠转轴（19）轴端附近，Z轴丝杠转速传感器（4）根据Z轴丝杠转速的大小将转速信号转为与之成正比的标准模拟电信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上，数控磨床坐标轴X、Y和Z轴的方向如图1所示，砂轮轴17 及下面的座由X轴丝杠18驱动，可以沿X轴方向运动，主轴16及下面的底座由Z轴丝杠19驱动，可以沿Z轴方向运动。

对于扭矩的测量通常比较复杂，本发明采取的间接测量法。因为转轴的扭矩和电机的功率是成正比的，故测量电机的功率即可以计算出轴的扭矩。数控磨床中，直接采集功率数据也比较复杂，需要更换原数控磨床的电器元件，会破坏数控磨床的完整性，降低其可靠性。对于数控磨床使用的电机而言，其输入电压通常是固定不变的，而电流随着扭矩的变化而变化，为此，本发明采用的是测量电机的电流来间接计算转轴的扭矩。为了不改变数控磨床的现有接线方式和电气元件布局，本发明使用的电流变送器来检测电机的电流。电流变送器包括空心电流互感器和变送单元，将其套在电动机的输入电源线上即可检测出输入电流值，电流变送器将电流值变换为标准的模拟信号送给信号采集处理板进行处理。如图2和图4所示，将主轴电机电流变送器（5）套在主轴伺服驱动器（20）的电源进线上，主轴电机电流变送器（5）将主轴伺服驱动器（20）消耗的电流转换为与之成正比的标准模拟信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上。同理，将砂轮电机电流变送器（6）套在砂轮变频器（21）的电源进线上，砂轮电机电流变送器（6）将砂轮变频器（21）消耗的电流转换为与之成正比的标准模拟信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上。X轴伺服电机电流变送器（7）套在X轴伺服驱动器（22）的电源进线上，X轴伺服电机电流变送器（7）将X轴伺服驱动器（22）消耗的电流转换为与之成正比的标准模拟信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上。Z轴伺服电机电流变送器（8）套在Z轴伺服驱动器（23）的电源进线上，Z轴伺服电机电流变送器（8）将Z轴伺服驱动器（23）消耗的电流转换为与之成正比的标准模拟信号，这个信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上。

数控磨床在工作时其转速和扭矩是变化的，而且在某些时刻变化很快，为了真实反映数控磨床的载荷情况，必须加大采样频率，但加大采样频率会增加CPU工作负担和需要海量存储空间。同时，数控磨床在正常磨削中其转速和扭矩通常变化不大，或者在空转时，其载荷谱数据几乎不变，如果此时仍以较高的采样频率采集数据并存储，因采集到的数据前后没有变化，其实这些数据是无用的，完全可以用前次采集到的数据来代替，从而节约存储空间。为此，本发明采取变采样频率的方法进行数据采样，采样频率与数据前后的变化率成正比。当采集到的数据前后变化较小时，降低数据的采样频率，当采集到数据前后变化较大时，增加数据的采样频率。这样可以大大节约存储空间，又保证了采集信号的真实性。采样频率的确定是这样的：初始时是以一个固定的采样频率进行数据采样的，一段时间后开始将每次采样的值与前一次采样的值相减得到一个差值，将该差值乘以一个常数作为该信号数据采集的采样频率，差值越大则采样频率越大，差值越小则表明数据变化很小，采样频率则减小。为了防止采样频率最大值超过CPU的最大极限能力或最小值为零而无法启动下一次采样，在采样时设置最大和最小采样频率，如果采样频率计算值超过最大值则以最大值进行采样，如果采样频率计算值小于最小值则以最小值进行采样。因为本发明所述的数据采集装置共有8路信号，考虑到在采样时，因8路信号的采样频率都在变化，根据计算有可能在某个时间点有几个信号同时需要采样，但每个时间点只能采集一个信号，即信号冲突解决机制。本装置采取的是当信号冲突时，各信号由小到大排队采样的方法，即将8路信号进行编号，如果有冲突，则冲突的信号进行排队，编号小的先采集，编号大的后采集。

如图2和图5所示，转速传感器（1）（2）（3）（4）和电流变送器（5）（6）（7）（8）的信号送给信号采集处理板（13）上的接线端子排（9）上，CPU（12）根据初值和计算的信号变化率来确定分时采样开关（10）的状态，决定哪一路信号送给A/D转换器（11）中，A/D转换器（11）将采样的模拟信号转换为数字信号，数字信号送入CPU（12）中，CPU（12）将数字信号处理后，将数据通过RS232串口（14）送给上位计算机（15）中存储，然后CPU计算前后采样值的差值并乘以系数后作为下次采样的频率，之后根据各路信号的频率值计算下一次采样的时间，如果有两路或两路信号同时在某个时刻采样，则将信号进行排队，编号小的数据先采集，进入下一个采集循环。

如图6所示，上位计算机（15）接收到CPU（12）发送来的数据后，通过上位计算机中的控制程序将数据存储在数据库中，以便为数控磨床的可靠性设计使用。同时，为了更加直观地了解数控磨床在某一时刻或某一时间段的载荷情况，计算机中的控制程序将转速和转矩生成载荷谱图形，图形的横坐标是时间，纵坐标是转速值和转矩值。更具用户的选择，在计算机上可以生成每个转速值的图形和每个转矩的图形，也可以将所有的转速和转矩值显示在一个图形中。在计算中可以按条件查询某个时刻某个信号的值，计算机中还具有统计功能，统计每路信号的最大值、最小值和平均值。

以上所述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的设计思想和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何修改或改变，均应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置，该装置包括非接触式转速传感器、非接触式电流变送器、信号采集处理板和上位计算机组成，其特征在于：非接触式转速传感器为四个，分别设于数控磨床主轴、砂轮轴、X轴进给丝杠和Z轴进给丝杠端部，在主轴电机、砂轮轴电机、X轴进给电机和Z轴进给电机电源线上分别装有电流变送器（5、6、7、8）采集各电机的输入电流值，非接触式转速传感器（1、2、3、4）和电流变送器（5、6、7、8）的信号经信号端子排（9）送给信号采集处理板（13），并经分时采样开关（10）采样、A/D转换器（11）转换后送给CPU（12），CPU（12）将数据处理后通过RS232接口（14）送给上位计算机（15），上位机（15）将数据存储在数据库中，CPU（12）根据每个转速传感器或电流变送器采集数据前后数据的差值确定采样频率。

2.根据权利要求1中所述的一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置，其特征在于：CPU确定采样频率时，将每个传感器采集数据前后数据的差值乘以一个固定的系数来计算采样频率。

3.根据权利要求1中所述的一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置，其特征在于：设置一个最高采样频率和一个最低采样频率，当计算的采样频率小于最低采样频率，则以最低采样频率进行采样；如果计算的采样频率大于最高采样频率，则以最高采样频率进行采样。

4.根据权利要求1中所述的一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集装置，其特征在于：该装置对每个转速传感器或电流变送器进行编号，且在任意时刻只能有一路信号进行采样，当某一时刻有两个或两个以上的信号同时需要采样时，按编号的大小进行排队，编号小的信号先采样。

5.一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集方法，其特征在于：分别在数控磨床主轴、砂轮轴、X轴进给丝杠和Z轴进给丝杠端部设置非接触式转速传感器用来测量主轴、砂轮轴、X轴进给丝杠和Z轴进给丝杠的转速，在主轴电机、砂轮轴电机、X轴进给电机和Z轴进给电机电源线上分别装有非接触式电流变送器（5、6、7、8）采集各电机的输入电流值，非接触式转速传感器（1、2、3、4）和电流变送器（5、6、7、8）的信号经信号端子排（9）送给信号采集处理板（13），并经分时采样开关（10）采样、A/D转换器（11）转换后送给CPU（12），CPU（12）根据每个转速传感器或电流变送器采集数据前后数据的差值确定采样频率。

6.根据权利要求5中所述的一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集方法，其特征在于：CPU确定采样频率时，将每个传感器采集数据前后数据的差值乘以一个固定的系数来计算采样频率。

7.根据权利要求5中所述的一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集方法，其特征在于：设置一个最高采样频率和一个最低采样频率，当计算的采样频率小于最低采样频率，则以最低采样频率进行采样；如果计算的采样频率大于最高采样频率，则以最高采样频率进行采样。

8.根据权利要求5中所述的一种数控磨床载荷谱数据变采样率采集方法，其特征在于：对每个转速传感器或电流变送器进行编号，且在任意时刻只能有一路信号进行采样，当某一时刻有两个或两个以上的信号同时需要采样时，按编号的大小进行排队，编号小的信号先采样。