CN113714933A - 一种磨床专用的gis振动信号连续采集系统及方法 - Google Patents

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刘铄
张家兴
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Abstract

本发明公开了一种磨床专用的GIS振动信号连续采集系统及方法，涉及数控机床(磨床)动态特性检测领域，该系统包括加速度传感器等，所述加速度传感器安装在磨床砂轮主轴上，用于检测磨床砂轮主轴的加速度信号，加速度传感器通过BNC接头将采集到的信号传输至数据采集卡，数据采集卡将信号放大、调制后通过RS‑485接口传输给机箱控制器进行信号处理、分析，机箱控制器将信号分析结果输出至显示器进行显示。该方法包括设定实验组、设定实验组、采集信号、重复实验、频谱分析和得出砂轮主轴转速。本发明可同时对多组信号进行瀑布图分析，从而更明显的看出设备振动状态的变化趋势，分析结果更加准确客观；用机箱控制器代替传统计算机，可扩展性和稳定性更好。

Description

一种磨床专用的GIS振动信号连续采集系统及方法
技术领域
本发明涉及数控机床(磨床)动态特性检测的领域，具体涉及一种磨床专用的GIS振动信号连续采集系统及方法。
背景技术
磨床(grinder,grinding machine)是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。现有技术中，对于数控机床(磨床)动态特性分析方法较少，没有瀑布图分析，无法对多组实验数据整体进行分析，不易观察信号的变化趋势。此外，振动信号采集系统的可用通道较少，可扩展性较小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种磨床专用的GIS振动信号连续采集系统及方法，对磨床砂轮主轴进行阶次分析，做出多转速下振动信号组成的瀑布图，观察得出磨床砂轮主轴系统的旋转阶次与固有频率，并做出对应的阶次切片图，找到较优的转速优化磨削工艺；在车间较恶劣的工作环境中有较好的稳定性并有一定的可扩展性。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种磨床专用的GIS振动信号连续采集系统，包括加速度传感器、BNC接头、数据采集卡、RS-485接口、机箱控制器和显示器，所述加速度传感器安装在磨床砂轮主轴上，用于检测磨床砂轮主轴的加速度信号，加速度传感器通过BNC接头将采集到的信号传输至数据采集卡，数据采集卡将信号放大、调制后通过RS-485接口传输给机箱控制器进行信号处理、分析，机箱控制器将信号分析结果输出至显示器进行显示。
作为优选的技术方案，所述加速度传感器的型号为PCB 356A14。
作为优选的技术方案，所述数据采集卡的型号为NI9234。
作为优选的技术方案，所述机箱控制器的型号为NI cRIO-9035。
作为优选的技术方案，所述机箱控制器与显示器之间通过Mini Display Port接口电连接。
一种磨床专用的GIS振动信号连续采集方法，包括以下步骤：
1)设定实验组：以磨床砂轮主轴的工作转速为中间基准，设定实验转速范围，在设定的转速范围内，按照等转速间隔进行分组，得到若干实验组；
2)安装传感器：将加速度传感器布置在磨床砂轮主轴上，用于检测加速度信号；
3)开始采集信号：开启磨床，从最小转速的实验组开始，将磨床砂轮主轴按照步骤1)中设定的实验组所对应的转速进行空转，等磨床砂轮主轴旋转稳定后，开启振动采集系统，采集加速度信号；
4)重复实验：对于每个实验组对应的转速重复测量三次，保存检测数据，按照转速、次数标记，直到所有实验组对应的转速都采集完成；
5)频谱分析：将每个实验组对应转速下的加速度信号，通过傅里叶变换进行振动信号频谱分析，并将各个独立的频域信号按照转速从小到大进行排列，形成瀑布图；
6)得出砂轮主轴转速：从步骤5)中得到的瀑布图中提取出阶次切片图，观察该阶次切片图得出加速度振幅低谷值，并得到该加速度振幅低谷值对应的磨床砂轮主轴转速。
作为优选的技术方案，步骤1)中设定的实验转速范围以磨床砂轮主轴最高转速的90％为上限，所述转速间隔为50Hz或100Hz。
作为优选的技术方案，步骤2)中所述加速度传感器布置在磨床砂轮主轴的主轴轴承处。
作为优选的技术方案，步骤3)中等磨床砂轮主轴旋转稳定的时间大于等于20s，每次采集加速度信号的时长为1～2min，且该时长在每次采集中保持一致。
作为优选的技术方案，步骤6)中所述阶次切片图为第一阶次和/或第三阶次切片图。
本发明的有益效果为：
1、可以同时对多组信号进行瀑布图分析，从而更明显的看出设备振动状态的变化趋势，得出的分析结果能够更加准确客观；
2、上位机用机箱控制器代替了传统计算机，采用的NI9035控制器最多能够插8个采集卡，相比于计算机有更高的可扩展性；控制器的体积重量都小于计算机，有更高的便携性，系统的稳定性也更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明步骤5)中得到的瀑布图。
图3为本发明步骤6)中得到的阶次切片图。
附图标记说明：加速度传感器1、BNC接头2、数据采集卡3、RS-485接口4、机箱控制器5、Mini Display Port接口6、显示器7。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图1所示，这种磨床专用的GIS振动信号连续采集系统，包括加速度传感器1、BNC接头2、数据采集卡3、RS-485接口4、机箱控制器5和显示器7，所述加速度传感器1(型号优选为PCB 356A14)安装在磨床砂轮主轴上，用于检测磨床砂轮主轴的加速度信号，加速度传感器1通过BNC接头2将采集到的信号传输至数据采集卡3(型号优选为NI9234)，数据采集卡3将信号放大、调制后通过RS-485接口4传输给机箱控制器5(型号为优选NI cRIO-9035，最多能够插8张数据采集卡3)进行信号处理、分析，机箱控制器5将信号分析结果输出至显示器7进行显示。优选的，机箱控制器5与显示器7之间通过Mini Display Port接口6电连接。
一种磨床专用的GIS振动信号连续采集方法，包括以下步骤：
1)设定实验组：以磨床砂轮主轴的工作转速为中间基准，设定实验转速范围，在设定的转速范围内，按照等转速间隔进行分组，设定的实验转速范围以磨床砂轮主轴最高转速的90％为上限，所述转速间隔为50Hz或100Hz，得到若干实验组；
2)安装传感器：将加速度传感器1布置在磨床砂轮主轴上(安装位置优选为磨床砂轮主轴的主轴轴承处)，用于检测加速度信号；
3)开始采集信号：开启磨床，从最小转速的实验组开始，将磨床砂轮主轴按照步骤1)中设定的实验组所对应的转速进行空转，等磨床砂轮主轴旋转稳定后(一般为20s)，开启振动采集系统，采集加速度信号，每次采集加速度信号的时长为1～2min，且该时长在每次采集中保持一致；
4)重复实验：对于每个实验组对应的转速重复测量三次，保存检测数据，按照转速、次数标记，直到所有实验组对应的转速都采集完成；
5)频谱分析：将每个实验组对应转速下的加速度信号，通过傅里叶变换进行振动信号频谱分析，并将各个独立的频域信号按照转速从小到大进行排列，形成瀑布图(如图2所示)；
6)得出砂轮主轴转速：从步骤5)中得到的瀑布图中提取出阶次切片图(如图3所示)，所述阶次切片图为第一阶次和/或第三阶次切片图，观察随着转速的升高，磨床砂轮主轴在这些阶次下振幅的变化情况，找到转速较高且振幅较小的位置(即加速度振幅低谷值)，并得到该加速度振幅低谷值对应的磨床砂轮主轴转速，作为优化后的工艺参数指导生产。如图3所示，得出的磨床砂轮主轴最优转速为1800r/min。
本发明通过对磨床砂轮主轴进行阶次分析，做出多转速下振动信号组成的瀑布图，观察得出磨床砂轮主轴系统的旋转阶次与固有频率，并做出对应的阶次切片图，找到较优的转速优化磨削工艺；在车间较恶劣的工作环境中有较好的稳定性并有一定的可扩展性。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种磨床专用的GIS振动信号连续采集系统，其特征在于：包括加速度传感器(1)、BNC接头(2)、数据采集卡(3)、RS-485接口(4)、机箱控制器(5)和显示器(7)，所述加速度传感器(1)安装在磨床砂轮主轴上，用于检测磨床砂轮主轴的加速度信号，加速度传感器(1)通过BNC接头(2)将采集到的信号传输至数据采集卡(3)，数据采集卡(3)将信号放大、调制后通过RS-485接口(4)传输给机箱控制器(5)进行信号处理、分析，机箱控制器(5)将信号分析结果输出至显示器(7)进行显示。
2.根据权利要求1所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集系统，其特征在于：所述加速度传感器(1)的型号为PCB 356A14。
3.根据权利要求1所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集系统，其特征在于：所述数据采集卡(3)的型号为NI9234。
4.根据权利要求1所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集系统，其特征在于：所述机箱控制器(5)的型号为NI cRIO-9035。
5.根据权利要求1所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集系统，其特征在于：所述机箱控制器(5)与显示器(7)之间通过Mini Display Port接口(6)电连接。
6.一种磨床专用的GIS振动信号连续采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)设定实验组：以磨床砂轮主轴的工作转速为中间基准，设定实验转速范围，在设定的转速范围内，按照等转速间隔进行分组，得到若干实验组；
2)安装传感器：将加速度传感器(1)布置在磨床砂轮主轴上，用于检测加速度信号；
3)开始采集信号：开启磨床，从最小转速的实验组开始，将磨床砂轮主轴按照步骤1)中设定的实验组所对应的转速进行空转，等磨床砂轮主轴旋转稳定后，开启振动采集系统，采集加速度信号；
4)重复实验：对于每个实验组对应的转速重复测量三次，保存检测数据，按照转速、次数标记，直到所有实验组对应的转速都采集完成；
5)频谱分析：将每个实验组对应转速下的加速度信号，通过傅里叶变换进行振动信号频谱分析，并将各个独立的频域信号按照转速从小到大进行排列，形成瀑布图；
6)得出砂轮主轴转速：从步骤5)中得到的瀑布图中提取出阶次切片图，观察该阶次切片图得出加速度振幅低谷值，并得到该加速度振幅低谷值对应的磨床砂轮主轴转速。
7.根据权利要求6所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集方法，其特征在于：步骤1)中设定的实验转速范围以磨床砂轮主轴最高转速的90％为上限，所述转速间隔为50Hz或100Hz。
8.根据权利要求6所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集方法，其特征在于：步骤2)中所述加速度传感器(1)布置在磨床砂轮主轴的主轴轴承处。
9.根据权利要求6所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集方法，其特征在于：步骤3)中等磨床砂轮主轴旋转稳定的时间大于等于20s，每次采集加速度信号的时长为1～2min，且该时长在每次采集中保持一致。
10.根据权利要求6所述的磨床专用的GIS振动信号连续采集方法，其特征在于：步骤6)中所述阶次切片图为第一阶次和/或第三阶次切片图。
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