CN104111627A - 一种数控机床动态特性测试分析系统 - Google Patents
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Abstract
一种数控机床动态特性测试分析系统，由硬件和软件两部分组成，分为四层体系结构，四层体系为：硬件层、硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)，硬件层和硬件管理层(PC)输入连接，硬件管理层(PC)的输出和机床测试分析层(PC)输入连接，机床测试分析层(PC)输出和数据库层(工作站)输入连接，硬件层属于硬件部分，硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)属于软件部分，提供了多种测试方法，便于搭建测试平台，减小了测试误差，提高了测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床性能评估技术领域，特别涉及一种数控机床动态特性测试分析系统
背景技术
数控机床由于其自动化程度高、技术先进，已成为生产中的关键设备，尤其是对于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求高的零件，数控机床承担着无可替代的作用。作为工业设备的母机，数控机床的动态特性将直接影响被加工工件的质量以及工业产品的性能。因此对数控机床的动态特性的评估一直机床厂商所关注的焦点。
目前为止，机床厂商和用户对于机床动态特性的评估，很多工作还是采用圆运动如球杆仪或者直线运动如激光干涉仪的方法实现机床动态特性的检测与诊断。这些方法固然可以评估机床的运动特性，但存在以下问题：一、测试方法单一，由于机床动态特性问题往往是由多种因素耦合而成，单一的检测方式很难进行误差分离；二、无法在加工过程中测试机床动态特性。这些问题都给机床动态特性的测试分析带来了困难。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种数控机床动态特性测试分析系统，便于搭建测试平台，减小了测试误差，提高了测试精度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种数控机床动态特性测试分析系统，由硬件和软件两部分组成，分为四层体系结构，四层体系为：硬件层、硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)，硬件层和硬件管理层(PC)输入连接，硬件管理层(PC)的输出和机床测试分析层(PC)输入连接，机床测试分析层(PC)输出和数据库层(工作站)输入连接，硬件层属于硬件部分，硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)属于软件部分。
硬件层负责采集机床信号，由1VPP采集模块，TTL采集模块，模拟量采集模块，Endat采集模块分别与控制模块、发送模块连接而成，控制模块、发送模块同步采集或异步采集1VPP、TTL、Endat和模拟量类型的机床内置传感器信号和外置传感器信号，各采集模块具有主控方式和从动方式两种工作方式。
所述1VPP采集模块是指测试仪中用于采集1VPP信号的功能模块，同时采集1-8通道1VPP信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为300Hz，具有48位浮点技数精度，其中整数36位，小数12位，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述TTL采集模块是指测试仪中用于采集TTL信号的功能模块，同时采集1-8通道TTL信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为500Hz，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述Endat采集模块是指测试仪中用于采集Endat信号的功能模块，同时采集1-8通道Endat信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为500Hz，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述模拟量采集模块是指测试仪中用于采集模拟量信号的功能模块，同时采集1-8通道模拟量信号，最高采样频率为1MHz，最低采样频率为500Hz，具有16位AD转换精度，具有硬件抗混叠滤波与软件中值滤波功能，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述发送模块是指测试仪中将各采集模块采集数据发送至计算机中的模块，发送模块提供了以太网线、USB线、无线装置和ExpressCard连接方式实现测试仪与计算机之间的通信，发送模块提供了DMA方式与软件方式两种发送方式；
所述主动工作方式是指采集模块不收外部控制，独立完成采集工作的工作方式；从动工作方式是指采集模块统一接受控制模块的控制，同时完成采集工作的工作方式；同步采集方式是指1VPP采集模块，TTL采集模块，模拟量采集模块，Endat采集模块全部工作在从动模式下，由控制模块统一控制进行采集，以达到对机床各种信号同步采集的工作方式。
硬件管理层(PC)运行于测试现场的计算机中，用于统一管理下层硬件，调用下层硬件功能，获取下层采样数据并提供给机床测试分析层，硬件管理层是指计算机软件中用于统一管理测试仪硬件，调用测试系驱动功能，实现测试仪硬件驱动的加载与释放、各功能模块的开启、检测、采集、关闭的部分。
机床测试分析层(PC)以双缓存多线程工作方式运行，获取硬件管理层(PC)中暂存数据进一步加工处理,为用户提供了UI界面以及轴心轨迹测试、多信息融合测试、虚拟传动链测试、标准轨迹测试、监测分析、传动间隙测试的多种测试分析方法，综合评估机床动态性能，同时提供了远程协助功能；
所述双缓存多线程工作方式是指机床测试分析模块中使用双缓存模式组织数据，利用多线程机制来处理采集，显示，存储三个过程，采集线程、显示线程和存储线程同步进行，实现了对机床信息的实时采集，实时显示与实时存储，最高运行时间可达48小时；
所述轴心轨迹测试是指软件中测试机床主轴轴心轨迹的测试方法，该模块提供了两点法和三点法两种测试方法，其中三点法通过分离轴心轨迹信号中的圆度误差和主轴偏心来获取精度更高的轴心轨迹曲线；
所述标准轨迹测试是指软件中同过圆运动，菱形运动，往复直线运动等轨迹测试机床进给系统动态性能的测试方法，显示轨迹曲线的同时提供机床反向间隙，伺服不匹配，比例不匹配，圆度误差等参数以指导调整机床参数；
所述虚拟传动链分析是指软件中测试机床电子齿轮传动系统的测试方法，通过机床各轴位置信息计算传动系数来评估机床电子齿轮传动特性；
所述加工状态监测是指软件中长时间监测测试机床各轴位置，速度，加速度，电流，位置差，速度差等参数的测试方法，并在测试值超出上限阀值时进行故障预警；
所述传动间隙测试是指软件中分析机床丝杠间隙的测试方法，可以在时间域和位置域两种尺度上分析机床直线进给轴的传动间隙；
所述远程协助是指软件中用于提供专家支持的模块，由远程传输模块，远程控制模块和远程诊断模块组成，远程传输模块允许使用者通过Internet远程传输实验数据，图片，视频，音频以共享检测结果并通过Internet寻求技术支持，远程控制模块允许用户通过远程控制手段进行远程实验，远程诊断模块允许使用者将测试结果寻求专家系统帮助。
数据库层(工作站)用于存储和提供所有软件使用者历次采样数据与分析结果。
本发明提供了多种测试方法，使用者可以对机床主轴进行轴心轨迹，对机床进给系统进行标准轨迹测试，对机床传动系统进行虚拟传动链测试，对机床加工过程进行检测，分析机床模态参数，利用多种手段综合评估机床动态特性。
本发明不仅可以使用外置传感器获取机床运动信息，还可以利用内置传感器获取机床运动信息，获取方法多样化，便于搭建测试平台，多种传感器联合测试，减小了测试误差，提高了测试精度。
本发明可以在机床加工工程中测试机床动态特性，测试结果更加精确可靠。
本发明提供了用于远程协助的模块，使用者即使没用深厚的专业知识也可以对机床动态特性进行分析测试。
附图说明
图1为本发明系统结构图。
图2为硬件结构图。
图3为内置传感器连接图。
图4为机床测试分析模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
参照图1，一种数控机床动态特性测试分析系统，由硬件和软件两部分组成，分为四层体系结构，四层体系为：硬件层、硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)，硬件层和硬件管理层(PC)输入连接，硬件管理层(PC)的输出和机床测试分析层(PC)输入连接，机床测试分析层(PC)输出和数据库层(工作站)输入连接，硬件层属于硬件部分，硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)属于软件部分。
参照图2，硬件层负责采集机床信号，硬件层由1VPP采集模块，TTL采集模块，模拟量采集模块，Endat采集模块分别与控制模块、发送模块连接而成，控制模块、发送模块和计算机连接，同步采集或异步采集1VPP、TTL、Endat和模拟量类型的机床内置传感器信号和外置传感器信号，各采集模块具有主控方式和从动方式两种工作方式，1VPP采集模块是指测试仪中用于采集1VPP信号的功能模块，同时采集1-8通道1VPP信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为300Hz，具有48位浮点技数精度，其中整数36位，小数12位，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；TTL采集模块是指测试仪中用于采集TTL信号的功能模块，同时采集1-8通道TTL信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为500Hz，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；Endat采集模块是指测试仪中用于采集Endat信号的功能模块，同时采集1-8通道Endat信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为500Hz，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；模拟量采集模块是指测试仪中用于采集模拟量信号的功能模块，同时采集1-8通道模拟量信号，最高采样频率为1MHz，最低采样频率为500Hz，具有16位AD转换精度，具有硬件抗混叠滤波与软件中值滤波功能，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；发送模块是指测试仪中将各采集模块采集数据发送至计算机中的模块，发送模块提供了以太网线、USB线、无线装置和ExpressCard连接方式实现测试仪与计算机之间的通信，发送模块提供了DMA方式与软件方式两种发送方式；主动工作方式是指采集模块不收外部控制，独立完成采集工作的工作方式；从动工作方式是指采集模块统一接受控制模块的控制，同时完成采集工作的工作方式；同步采集方式是指1VPP采集模块，TTL采集模块，模拟量采集模块，Endat采集模块全部工作在从动模式下，由控制模块统一控制进行采集，以达到对机床各种信号同步采集的工作方式。
本发明不仅可以使用外置传感器获取机床运动信息，还可以利用内置传感器获取机床运动信息，获取方法多样化，便于搭建测试平台，多种传感器联合测试，减小了测试误差，提高了测试精度。
硬件管理层(PC)运行于测试现场的计算机中，用于统一管理下层硬件，调用下层硬件功能，获取下层采样数据并提供给机床测试分析层，硬件管理层是指计算机软件中用于统一管理测试仪硬件，调用测试系驱动功能，实现测试仪硬件驱动的加载与释放、各功能模块的开启、检测、采集、关闭的部分。
如图3所示，机床测试分析层采集连接内置传感器时的接线示意图，机床内置信号通过使用三通接口的方式引出两路信号，一路返回驱动器，另一路采集入测试仪中。
机床测试分析层(PC)以双缓存多线程工作方式运行，获取硬件管理层(PC)中暂存数据进一步加工处理,为用户提供了UI界面以及轴心轨迹测试、多信息融合测试、虚拟传动链测试、标准轨迹测试、监测分析、传动间隙测试的多种测试分析方法，综合评估机床动态性能，同时提供了远程协助功能。
所述双缓存多线程工作方式是指机床测试分析模块中使用双缓存模式组织数据，利用多线程机制来处理采集，显示，存储三个过程，采集线程、显示线程和存储线程同步进行，实现了对机床信息的实时采集，实时显示与实时存储，最高运行时间可达48小时。
所述轴心轨迹测试是指软件中测试机床主轴轴心轨迹的测试方法，该模块提供了两点法和三点法两种测试方法，其中三点法通过分离轴心轨迹信号中的圆度误差和主轴偏心来获取精度更高的轴心轨迹曲线。
所述标准轨迹测试是指软件中同过圆运动，菱形运动，往复直线运动等轨迹测试机床进给系统动态性能的测试方法，显示轨迹曲线的同时提供机床反向间隙，伺服不匹配，比例不匹配，圆度误差等参数以指导调整机床参数。
所述虚拟传动链分析是指软件中测试机床电子齿轮传动系统的测试方法，通过机床各轴位置信息计算传动系数来评估机床电子齿轮传动特性。
所述加工状态监测是指软件中长时间监测测试机床各轴位置，速度，加速度，电流，位置差，速度差等参数的测试方法，并在测试值超出上限阀值时进行故障预警。
所述传动间隙测试是指软件中分析机床丝杠间隙的测试方法，可以在时间域和位置域两种尺度上分析机床直线进给轴的传动间隙。
所述远程协助是指软件中用于提供专家支持的模块，由远程传输模块，远程控制模块和远程诊断模块组成，远程传输模块允许使用者通过Internet远程传输实验数据，图片，视频，音频以共享检测结果并通过Internet寻求技术支持，远程控制模块允许用户通过远程控制手段进行远程实验，远程诊断模块允许使用者将测试结果寻求专家系统帮助。
如图4所示，机床测试分析分下包含轴心轨迹测试，多信息融合测试，虚拟传动链测试，标准轨迹测试，监测分析，传动间隙测试等多种测试分析方法。每种此时方法下面都有独立的试验方式，所有的实验都分为实验设置，数据采集，数据分析，生成报表4步进行，数据分析步骤中还可以使用远程诊断模块寻求专家帮助。实验设置是指实验模块中用于设置采样时间，采样频率等采集参数以及设置测试仪物理通道与传感器的对应关系的模块，主要完成机床测试的准备工作，是启动测试仪采集的前置条件。
数据库层(工作站)用于存储和提供所有软件使用者历次采样数据与分析结果。
Claims (5)
1.一种数控机床动态特性测试分析系统，由硬件和软件两部分组成，分为四层体系结构，其特征在于，四层体系为：硬件层、硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)，硬件层和硬件管理层(PC)输入连接，硬件管理层(PC)的输出和机床测试分析层(PC)输入连接，机床测试分析层(PC)输出和数据库层(工作站)输入连接，硬件层属于硬件部分，硬件管理层(PC)、机床测试分析层(PC)、数据库层(工作站)属于软件部分。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床动态特性测试分析系统，其特征在于：所述硬件层负责采集机床信号，由1VPP采集模块，TTL采集模块，模拟量采集模块，Endat采集模块分别与控制模块、发送模块连接而成，控制模块、发送模块同步采集或异步采集1VPP、TTL、Endat和模拟量类型的机床内置传感器信号和外置传感器信号，各采集模块具有主控方式和从动方式两种工作方式。
所述1VPP采集模块是指测试仪中用于采集1VPP信号的功能模块，同时采集1-8通道1VPP信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为300Hz，具有48位浮点技数精度，其中整数36位，小数12位，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述TTL采集模块是指测试仪中用于采集TTL信号的功能模块，同时采集1-8通道TTL信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为500Hz，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述Endat采集模块是指测试仪中用于采集Endat信号的功能模块，同时采集1-8通道Endat信号，最高采样频率为10kHz，最低采样频率为500Hz，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述模拟量采集模块是指测试仪中用于采集模拟量信号的功能模块，同时采集1-8通道模拟量信号，最高采样频率为1MHz，最低采样频率为500Hz，具有16位AD转换精度，具有硬件抗混叠滤波与软件中值滤波功能，具有两种工作方式，主控工作方式与从动工作方式；
所述发送模块是指测试仪中将各采集模块采集数据发送至计算机中的模块，发送模块提供了以太网线、USB线、无线装置和ExpressCard连接方式实现测试仪与计算机之间的通信，发送模块提供了DMA方式与软件方式两种发送方式；
所述主动工作方式是指采集模块不收外部控制，独立完成采集工作的工作方式；从动工作方式是指采集模块统一接受控制模块的控制，同时完成采集工作的工作方式；同步采集方式是指1VPP采集模块，TTL采集模块，模拟量采集模块，Endat采集模块全部工作在从动模式下，由控制模块统一控制进行采集，以达到对机床各种信号同步采集的工作方式。
3.根据权利要求1所述的一种数控机床动态特性测试分析系统，其特征在于：硬件管理层(PC)运行于测试现场的计算机中，用于统一管理下层硬件，调用下层硬件功能，获取下层采样数据并提供给机床测试分析层，硬件管理层是指计算机软件中用于统一管理测试仪硬件，调用测试系驱动功能，实现测试仪硬件驱动的加载与释放、各功能模块的开启、检测、采集、关闭的部分。
4.根据权利要求1所述的一种数控机床动态特性测试分析系统，其特征在于：机床测试分析层(PC)以双缓存多线程工作方式运行，获取硬件管理层(PC)中暂存数据进一步加工处理,为用户提供了UI界面以及轴心轨迹测试、多信息融合测试、虚拟传动链测试、标准轨迹测试、监测分析、传动间隙测试的多种测试分析方法，综合评估机床动态性能，同时提供了远程协助功能；
所述双缓存多线程工作方式是指机床测试分析模块中使用双缓存模式组织数据，利用多线程机制来处理采集，显示，存储三个过程，采集线程、显示线程和存储线程同步进行，实现了对机床信息的实时采集，实时显示与实时存储，最高运行时间可达48小时；
所述轴心轨迹测试是指软件中测试机床主轴轴心轨迹的测试方法，该模块提供了两点法和三点法两种测试方法，其中三点法通过分离轴心轨迹信号中的圆度误差和主轴偏心来获取精度更高的轴心轨迹曲线；
所述标准轨迹测试是指软件中同过圆运动，菱形运动，往复直线运动等轨迹测试机床进给系统动态性能的测试方法，显示轨迹曲线的同时提供机床反向间隙，伺服不匹配，比例不匹配，圆度误差等参数以指导调整机床参数；
所述虚拟传动链分析是指软件中测试机床电子齿轮传动系统的测试方法，通过机床各轴位置信息计算传动系数来评估机床电子齿轮传动特性；
所述加工状态监测是指软件中长时间监测测试机床各轴位置，速度，加速度，电流，位置差，速度差等参数的测试方法，并在测试值超出上限阀值时进行故障预警；
所述传动间隙测试是指软件中分析机床丝杠间隙的测试方法，可以在时间域和位置域两种尺度上分析机床直线进给轴的传动间隙；
所述远程协助是指软件中用于提供专家支持的模块，由远程传输模块，远程控制模块和远程诊断模块组成，远程传输模块允许使用者通过Internet远程传输实验数据，图片，视频，音频以共享检测结果并通过Internet寻求技术支持，远程控制模块允许用户通过远程控制手段进行远程实验，远程诊断模块允许使用者将测试结果寻求专家系统帮助。
5.根据权利要求1所述的一种数控机床动态特性测试分析系统，其特征在于：数据库层(工作站)用于存储和提供所有软件使用者历次采样数据与分析结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141022 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |