CN106647624A - 基于LabView与单片机的机床振动监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于LabView与单片机的机床振动监测系统及方法，具有数据采集单元、PC上位机程序单元以及单片机逻辑控制单元，其中：数据采集单元采集机床振动数据传入PC上位机程序单元；PC上位机程序单元对机床振动数据进行分析计算，输出控制指令至单片机逻辑控制单元；单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理后向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号。本发明可以方便的进行机床切削振动数据采集、分析以及报告生成，可以替代价格昂贵的振动分析仪，可以根据公司需求进行程序调整，高效与CNAS检测标准衔接，仅需要进行简单连线，并修改极小部分PLC程序，即可实现对机床主轴及进给的动态控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种机床振动监测技术，具体地说是一种基于LabView与单片机的机床振动监测系统及方法。
背景技术
机床加工振动是影响工件表面质量的一个重要因素，数控机床在加工过程中，刀具与工件接触面随主轴转动对机床产生振动激励，又由于机床装配、工件装卡以及加工工艺等因素使得振动预测难以实现，当加工程序编制完成并运行之后，加工过程中加工参数便已固定，因此机床对加工过程中的突发情况，如撞刀、振动加剧等情况无法做出应对。
专利号为CN201420471749.X的一种机床振动在线监控系统是通过机床数控系统对主轴进行监测控制，需要数控系统对其开放相应权限，且功能单一，仅能实现报警功能。
专利号为CN201320505108.7的一种机床的振动传感监测装置以及专利号为CN201120096755.8的一种机床运行监测系统仅能采集振动信号，不能使机床自动做出反应。
发明内容
针对现有技术中机床对加工过程中因振动产生的突发情况无法做出应对等不足，本发明要解决的问题是提供一种具有振动抑制功能、实现回路控制的LabView与单片机的机床振动监测系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种基于LabView与单片机的机床振动监测系统，具有数据采集单元、PC上位机程序单元以及单片机逻辑控制单元，其中：数据采集单元采集机床振动数据传入PC上位机程序单元；PC上位机程序单元对机床振动数据进行分析计算，输出控制指令至单片机逻辑控制单元；单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理后向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号。
所述数据采集单元包含TEDS加速度传感器以及数据采集卡，其中TEDS传感器置于机床主轴振动数据采集点，通过信号线与数据采集卡相连，数据采集卡通过USB连接线与PC上位机程序单元相连。
所述单片机逻辑控制单元包含单片机以及继电器模组，其中单片机通过信号线与PC上位机程序单元相连，继电器模组输入端通过信号线与单片机相连，输出端通过信号线与机床PLC相连。
本发明基于LabView与单片机的机床振动监测系统的控制方法包括以下步骤：
由数据采集单元采集机床振动数据传入PC上位机程序单元；
PC上位机程序单元接收数据采集单元采集的机床振动数据，对机床振动数据进行计算、分析，输出控制指令至单片机逻辑控制单元；
单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理后向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号，机床PLC程序将该信号写入机床系统运行指定内存；
机床系统在加工过程中实时调整主轴转速、进给速度变化或者使机床进行急停动作。
PC上位机程序单元接收数据采集单元采集的机床振动数据，对机床振动数据进行计算、分析包括：
建立检测通道，PC上位机程序单元通过其内部TEDS传感器自动检测模块检测数据采集单元中TEDS加速度传感器，读取TEDS加速度传感器参数；
由数据库模块进行数据记录，通过信号阈值比较模块进行阈值比较、信号规律分析模块进行分析，所得结果经由串口通信模块传送至单片机逻辑控制单元。
信号规律分析模块进行分析的步骤为：
基于一线加工数据进行整合，将加工过程的振动特征数据录入数据库，将振动特征量与加工表面质量进行模糊逻辑控制，按不同机床类型与工艺，形成模糊控制标准，并设定各环节的阈值；
根据机床类型和加工工序特征对加工零件的材质设定对应的准则，控制准则依从迭代更新的原则，确保控制准则的准确性；
信号规律分析模块检测TEDS加速度传感器采集到的数据，当信号规律发生变动后，信号规律分析模块根据上述控制准则确定机床的控制方法，并根据预设规则生成控制指令发送给单片机。
控制指令包含起始标识、命令字、数据值和结束标识四部分，其中起始标识表示一个新控制指令的开始；命令字说明控制指令的用途，包括调整主轴转速、调整进给轴转速和控制急停三种命令；数据值为设置主轴转速或进给轴转速的百分比，对应加工程序设定转速的0％到120％；结束标志表示控制指令结束。
单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理为：
信号规律分析模块将输出控制指令通过串口通信发送至单片机逻辑控制单元；单片机逻辑控制单元完整的接收数据并根据预设规则对控制指令进行解析，分析出命令字和数据值。如果命令字为控制急停命令，则单片机立即通过继电器模块向数控系统PLC发出急停控制信号，PLC接收到急停信号后立即执行机床急停命令；如果命令字为调整主轴转速或调整进给轴转速命令，则首先将数据值转换成数控系统中转速倍率对应的格雷码，然后将格雷码的每一位的值输出到一个继电器模块；当命令字为调整主轴转速时，转速倍率格雷码通过一个继电器模组发送到机床PLC中；当命令字为调整进给轴转速时，转速倍率格雷码通过另一个继电器模组发送到机床PLC中；机床PLC再将相应的倍率格雷码发送给数控系统中的指定内存，数控系统执行相应的修改倍率指令。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明机床振动监测系统采用NI-USB4431数据采集卡及智能TEDS加速度传感器，可以方便的进行机床切削振动数据采集、分析以及报告生成，可以替代价格昂贵的振动分析仪，并且具备体积小、携带方便等优点，并且可以根据公司需求进行程序调整，高效与CNAS检测标准衔接。
2.本发明采用的PC与机床通信使用单片机最小系统以及继电器模组，仅需要进行简单连线，并修改极小部分PLC程序，即可实现对机床主轴及进给的动态控制，不需要机床数控系统的额外授权，甚至可以在各种低端数控机床上实现，具有操作简单明了、通用性强以及价格低廉等优点，解决了长久以来机床性能研究仅能测试不能动态操控的短板，可以提高研究成果向生产的转化速度。
3.本发明基于模糊数学模型，可以实时监测机床加工振动数据，根据自定义模糊规则在一定范围内动态调整机床加工参数，优化加工参数，减小机床加工振动，借以达到提高加工表面质量的目的，同时该系统实现方式为自定义模糊规则，因此天然提供了自学习功能扩展，为后续的智能加工研究提供了接口。
4.本发明采用单片机技术，可以很方便的扩展为芯片级集成，使监测系统脱离计算机的限制，方便的集成到机床数控系统中，使得系统提供的撞刀保护功能能够以较低的价格在几乎所有的高端到低端数控机床上实现，提升机床的技术含量，而振动抑制功能则可以采用中高端芯片，在更新为集成芯片程序后，扩展到中高端机床上。
附图说明
图1为本发明组成及数据流动方向示意图；
图2为本发明中PC上位机程序单元组成框图；
图3为本发明中数据采集单元组成框图；
图4为本发明中单片机逻辑控制单元组成框图；
图5为本发明中机床加工振动信号采集过程及数据流向示意图；
图6为本发明中机床加工撞刀保护过程及数据流向示意图；
图7为本发明中机床动态智能加工过程及数据流向示意。
其中，1为机床，2为TEDS加速度传感器，3为数据采集卡，4为单片机，5为继电器模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种基于LabView与单片机的机床振动监测系统，具有数据采集单元、PC上位机程序单元以及单片机逻辑控制单元，其中：数据采集单元采集机床1的振动数据传入PC上位机程序单元；PC上位机程序单元对机床振动数据进行分析计算，输出控制指令至单片机逻辑控制单元；单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理后向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号，机床PLC程序将该信号写入机床系统运行指定内存。
如图2所示，所述PC上位机程序单元包括TEDS传感器自动检测模块、信号显示模块、数据库模块、信号阈值比较模块、信号规律分析模块、串口通信模块、系统设置模块以及模拟测试模块；其中，系统设置模块提供PC机上位程序单元阈值设置、串口参数设置、传感器参数设置以及数据库管理设置功能；模拟测试模块提供手动调试PC上位机程序单元控制机床启停功能、主轴转速倍率控制、进给倍率控制功能。
如图3所示，所述数据采集单元包含TEDS加速度传感器以及数据采集卡，其中TEDS传感器置于机床主轴振动数据采集点，通过信号线与数据采集卡相连，数据采集卡通过USB连接线与PC上位机程序单元相连。
如图4所示，所述单片机逻辑控制单元包含单片机以及继电器模组，其中单片机通过信号线与PC上位机程序单元相连，继电器模组输入端通过信号线与单片机相连，输出端通过信号线与机床PLC相连；单片机中运行单片机逻辑控制程序。
本发明一种基于LabView与单片机的机床振动监测系统的控制方法，包括以下步骤：
由数据采集单元采集机床振动数据传入PC上位机程序单元；
PC上位机程序单元接收数据采集单元采集的机床振动数据，对机床振动数据进行分析计算，输出控制指令至单片机逻辑控制单元；
单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理后向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号，机床PLC程序将该信号写入机床系统运行指定内存；
机床系统在加工过程中实时调整主轴转速、进给速度变化或者使机床进行急停动作(与撞刀保护相关)。
如图5所示，本发明方法通过TEDS加速度传感器采集机床振动数据传入数据采集卡，数据采集卡转换为PC机可识别信号，通过基于LabView编制的上位机程序系统分析计算，使用串口发出控制指令，由单片机对控制指令进行逻辑处理并经由继电器模组向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号，机床PLC程序将该信号写入机床系统运行指定内存，从而在加工过程中实时调整主轴转速、进给速度变化或者使机床进行急停动作。
PC上位机程序单元接收数据采集单元采集的机床振动数据，对机床振动数据进行计算、分析包括：
建立检测通道，PC上位机程序单元通过其内部TEDS传感器自动检测模块检测数据采集单元中TEDS加速度传感器，读取TEDS加速度传感器参数，并由信号显示模块进行显示。
由数据库模块进行数据记录，通过信号阈值比较模块进行阈值比较、信号规律分析模块进行分析，所得结果经由串口通信模块传送至单片机逻辑控制单元。
本实施例中，信号规律分析模块进行分析的步骤为：
基于一线加工数据进行整合，将加工过程的振动特征数据录入数据库，将振动特征量与加工表面质量进行对应关系分析，形成模糊控制逻辑，按不同机床类型与工艺，形成模糊控制标准，并设定各环节的阈值；
依托实际加工测试与现场操作人员的经验，根据机床类型和加工工序特征对加工零件的材质设定对应的准则，控制准则依从迭代更新的原则，确保控制准则的准确性；
信号规律分析模块检测TEDS加速度传感器采集到的数据，当信号规律发生变动后，信号规律分析模块根据上述控制准则确定机床的控制方法，并根据预设规则生成控制指令发送给单片机。
本实施采用的控制指令格式为：
| 0 | 1 | 2 | 3 |
| 0x7E | 命令字 | 数据值 | 0x7F |
控制指令包含起始标识、命令字、数据值和结束标识四部分，其中起始标识表示一个新控制指令的开始，规定固定值为0x7E；命令字说明控制指令的用途，包括调整主轴转速、调整进给轴转速和控制急停三种命令，分别对应0x01，0x02和0x03；数据值为设置主轴转速或进给轴转速的百分比，范围为0x00～0x78，对应加工程序设定转速的0％到120％；结束标志表示控制指令结束，规定固定值为0x7F。例如调整主轴转速到最大转速的80％，则发送控制指令为0x7E 01 50 7F。
信号规律分析模块检测TEDS加速度传感器采集到的数据，当信号规律发生变动后，信号规律分析模块根据预设规则向单片机发送指令。
单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理为：
信号规律分析模块将输出控制指令通过串口通信发送至单片机逻辑控制单元；单片机逻辑控制单元完整的接收数据并根据预设规则对控制指令进行解析，分析出命令字和数据值。如果命令字为0x03，即控制急停命令，则单片机立即通过一个继电器模块向数控系统PLC发出急停控制信号，PLC接收到急停信号后立即执行机床急停命令；如果命令字为0x01或0x02，即调整主轴转速或调整进给轴转速命令，则首先将数据值转换成数控系统中转速倍率对应的8位的格雷码，然后将格雷码的每一位的值输出到一个继电器模块；当命令字为0x01，即调整主轴转速时，转速倍率格雷码通过一个8位的继电器模组发送到机床PLC中；当命令字为0x02，即调整进给轴转速时，转速倍率格雷码通过另一个8位的继电器模组发送到机床PLC中；机床PLC再将相应的倍率格雷码发送给数控系统中的指定内存，数控系统执行相应的修改倍率指令，从而达到控制主轴或进给轴转速的目的。
本发明可实现机床加工振动信号的采集、机床加工撞刀保护以及机床动态智能加工，其中数据采集单元的数据采集过程如图5所示，使用到的单元包括数据采集单元、PC上位机程序单元中的TEDS传感器自动检测模块、信号显示模块和数据库模块，TEDS加速度传感器2置于机床主轴振动数据采集点，使用数据线连接于数据采集卡3，数据采集卡3通过USB数据线连接PC上位机程序系统模块。
PC上位机程序单元自动检测TEDS加速度传感器2的参数，并将TEDS加速度传感器2采集到的机床振动加速度数据写入数据库模块中。
机床加工撞刀保护如图6所示，使用到的模块包括数据采集单元、单片机逻辑控制单元以及PC上位机程序系统模块中的TEDS传感器自动检测模块、信号显示模块和信号阈值比较模块，TEDS加速度传感器2置于机床主轴振动数据采集点，使用数据线连接于数据采集单元中数据采集卡3，数据采集卡3通过USB数据线连接PC上位机程序单元，PC上位机程序单元经由RS232串口数据线连接到单片机逻辑控制单元中的单片机4，单片机4与继电器模组连接，继电器模组与机床PLC输入点连接。
在PC上位机程序单元中，通过系统设置模块设置加速度阈值，TEDS加速度传感器采集到的数据通过处理后传入信号阈值比较模块，当超过设定阈值后，PC上位机程序模块向单片机发送指令，单片机逻辑控制单元分析指令后通过继电器模组向机床PLC发送停机指令。
机床动态智能加工如图7所示，使用到的模块包括：数据采集单元、单片机逻辑控制单元以及PC上位机程序单元中的TEDS传感器自动检测模块、信号显示模块、信号规律分析模块3，TEDS加速度传感器2置于机床主轴振动数据采集点，使用数据线连接于数据采集卡3，数据采集卡通过USB数据线连接PC上位机程序单元，PC上位机程序单元经由RS232串口数据线连接到单片机4中，单片机4与继电器模组连接，继电器模组与机床PLC输入点连接。
TEDS加速度传感器2采集到的数据通过处理后传入信号规律分析模块，当信号规律发生变动后，信号规律分析模块根据预设规则向单片机4发送指令，单片机逻辑控制单元分析指令后通过继电器模组向机床PLC发送主轴转速倍率编码与进给倍率编码，机床PLC程序将收到的编码信号写入内存指定地址，改变机床主轴转速或进给速度。
本发明采用NI-USB4431数据采集卡及智能的TEDS加速度传感器，可以方便的进行机床切削振动数据采集、分析以及报告生成，可以替代价格昂贵的振动分析仪，并且具备体积小、携带方便等优点，并且可以根据现场需求进行程序调整，高效地与CNAS检测标准衔接。
本发明基于模糊数学模型，可以实时监测机床加工振动数据，根据自定义模糊规则在一定范围内动态调整机床加工参数，优化加工参数，减小机床加工振动，借以达到提高加工表面质量的目的，同时该系统实现方式为自定义模糊规则，因此天然提供了自学习功能扩展，为后续的智能加工研究提供了接口。
本发明采用了单片机技术，可以很方便的扩展为芯片级集成，使监测系统脱离计算机的限制，方便的集成到机床数控系统中，因此使得系统提供的撞刀保护功能能够以较低的价格在几乎所有的高端到低端数控机床上实现，提升机床的技术含量，而振动抑制功能则可以采用中高端芯片，在更新为集成芯片程序后，扩展到中高端机床上。
Claims (8)
1.一种基于LabView与单片机的机床振动监测系统，其特征在于：具有数据采集单元、PC上位机程序单元以及单片机逻辑控制单元，其中：数据采集单元采集机床振动数据传入PC上位机程序单元；PC上位机程序单元对机床振动数据进行分析计算，输出控制指令至单片机逻辑控制单元；单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理后向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号。
2.按权利要求1所述的基于LabView与单片机的机床振动监测系统，其特征在于：所述数据采集单元包含TEDS加速度传感器以及数据采集卡，其中TEDS传感器置于机床主轴振动数据采集点，通过信号线与数据采集卡相连，数据采集卡通过USB连接线与PC上位机程序单元相连。
3.按权利要求1所述的基于LabView与单片机的机床振动监测系统，其特征在于：所述单片机逻辑控制单元包含单片机以及继电器模组，其中单片机通过信号线与PC上位机程序单元相连，继电器模组输入端通过信号线与单片机相连，输出端通过信号线与机床PLC相连。
4.按权利要求1所述的基于LabView与单片机的机床振动监测系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
由数据采集单元采集机床振动数据传入PC上位机程序单元；
PC上位机程序单元接收数据采集单元采集的机床振动数据，对机床振动数据进行计算、分析，输出控制指令至单片机逻辑控制单元；
单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理后向机床PLC发送主轴转速倍率变动、进给倍率变动以及急停处理信号，机床PLC程序将该信号写入机床系统运行指定内存；
机床系统在加工过程中实时调整主轴转速、进给速度变化或者使机床进行急停动作。
5.按权利要求4所述的基于LabView与单片机的机床振动监测系统的控制方法，其特征在于PC上位机程序单元接收数据采集单元采集的机床振动数据，对机床振动数据进行计算、分析包括：
建立检测通道，PC上位机程序单元通过其内部TEDS传感器自动检测模块检测数据采集单元中TEDS加速度传感器，读取TEDS加速度传感器参数；
由数据库模块进行数据记录，通过信号阈值比较模块进行阈值比较、信号规律分析模块进行分析，所得结果经由串口通信模块传送至单片机逻辑控制单元。
6.按权利要求5所述的基于LabView与单片机的机床振动监测系统的控制方法，其特征在于信号规律分析模块进行分析的步骤为：
基于一线加工数据进行整合，将加工过程的振动特征数据录入数据库，将振动特征量与加工表面质量进行模糊逻辑控制，按不同机床类型与工艺，形成模糊控制标准，并设定各环节的阈值；
根据机床类型和加工工序特征对加工零件的材质设定对应的准则，控制准则依从迭代更新的原则，确保控制准则的准确性；
信号规律分析模块检测TEDS加速度传感器采集到的数据，当信号规律发生变动后，信号规律分析模块根据上述控制准则确定机床的控制方法，并根据预设规则生成控制指令发送给单片机。
7.按权利要求6所述的基于LabView与单片机的机床振动监测系统的控制方法，其特征在于：
控制指令包含起始标识、命令字、数据值和结束标识四部分，其中起始标识表示一个新控制指令的开始；命令字说明控制指令的用途，包括调整主轴转速、调整进给轴转速和控制急停三种命令；数据值为设置主轴转速或进给轴转速的百分比，对应加工程序设定转速的0％到120％；结束标志表示控制指令结束。
8.按权利要求4所述的基于LabView与单片机的机床振动监测系统的控制方法，其特征在于单片机逻辑控制单元对控制指令进行逻辑处理为：
信号规律分析模块将输出控制指令通过串口通信发送至单片机逻辑控制单元；单片机逻辑控制单元完整的接收数据并根据预设规则对控制指令进行解析，分析出命令字和数据值。如果命令字为控制急停命令，则单片机立即通过继电器模块向数控系统PLC发出急停控制信号，PLC接收到急停信号后立即执行机床急停命令；如果命令字为调整主轴转速或调整进给轴转速命令，则首先将数据值转换成数控系统中转速倍率对应的格雷码，然后将格雷码的每一位的值输出到一个继电器模块；当命令字为调整主轴转速时，转速倍率格雷码通过一个继电器模组发送到机床PLC中；当命令字为调整进给轴转速时，转速倍率格雷码通过另一个继电器模组发送到机床PLC中；机床PLC再将相应的倍率格雷码发送给数控系统中的指定内存，数控系统执行相应的修改倍率指令。
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