LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)波形的采集分析*

□ 郝越邦 □ 鄔 鐸 □ 任啟迪 □ 趙 鑫 □ 孫名佳

沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 沈陽(yáng) 110142

數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行中出現(xiàn)不平衡是一種典型故障，數(shù)控機(jī)床一旦發(fā)生不平衡故障，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，輕者造成軸承損壞，嚴(yán)重時(shí)還能造成重大質(zhì)量及安全事故。為此，開(kāi)發(fā)了數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)控機(jī)床運(yùn)行情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并保存數(shù)據(jù)、離線分析，達(dá)到對(duì)設(shè)備故障監(jiān)控診斷的功能，用戶可用該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床動(dòng)特性、動(dòng)響應(yīng)、動(dòng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的分析以及動(dòng)平衡試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究及理論計(jì)算，得出數(shù)控機(jī)床不平衡機(jī)理，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，尋找不平衡判別的特征量，為在線診斷及離線精密診斷數(shù)控機(jī)床故障提供有效的技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)，由對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集到工控機(jī)中，選取需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析，然后保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集之后，還可以進(jìn)行一系列離線時(shí)、頻域數(shù)據(jù)的分析，并打印出相關(guān)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件概述

（1）主體設(shè)備：數(shù)控機(jī)床和西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D。

（2）信號(hào)檢測(cè)設(shè)備：振動(dòng)加速度傳感器，振動(dòng)位移傳感器，主軸轉(zhuǎn)速傳感器，電渦流傳感器，聲音傳感器，信號(hào)調(diào)理器，其它相關(guān)附件。

（3）數(shù)據(jù)采集單元：美國(guó)NI公司的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡NI PCI 4472和E系列多功能數(shù)據(jù)采集卡NI PCI 6071E及其相關(guān)附件，聲發(fā)射傳感器，AE前置放大器，2通道PCI-2聲發(fā)射采集卡。

（4） 工控機(jī)一臺(tái)：CPU PIV-2.4 G/內(nèi)存 1G/硬盤(pán)120 G/4×PCI/IPC-610。

1.1.1 信號(hào)采集源

本試驗(yàn)系統(tǒng)由常規(guī)物理量監(jiān)測(cè)診斷和聲發(fā)射信號(hào)處理兩個(gè)子系統(tǒng)組成，它們各自獨(dú)立，自成體系。前者需要采集的信號(hào)分別為：振動(dòng)加速度信號(hào)，振動(dòng)位移信號(hào)，數(shù)控信號(hào)，主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，聲音信號(hào)，轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，聲發(fā)射信號(hào)。后者由于是單獨(dú)的一套，它的硬件和應(yīng)用軟件已成商品化，通過(guò)集成、安裝調(diào)試后即可投入使用，不需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)。因此試驗(yàn)系統(tǒng)的余下部分不涉及后者的子系統(tǒng)，而僅需研究前者的子系統(tǒng)。

1.1.2 信號(hào)預(yù)處理和信號(hào)傳輸

（1）振動(dòng)加速度信號(hào)：振動(dòng)加速度傳感器檢測(cè)機(jī)床產(chǎn)生的信號(hào)，并通過(guò)NI公司的SMB100傳送到動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡NI PCI 4472上。

（2）振動(dòng)位移信號(hào)：振動(dòng)位移傳感器檢測(cè)機(jī)床產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理器預(yù)處理后，采用差分方式通過(guò)NI公司的SMB100傳送到E系列多功能數(shù)據(jù)采集卡NI PCI 6071E上。

（3）數(shù)控信號(hào)：采用“一線總線”的方式，不需要信號(hào)調(diào)理，通過(guò)PROFIBUS直接連到工控機(jī)上。

（4）主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)：主軸轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)機(jī)床產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理器預(yù)處理后，采用差分方式通過(guò)NI公司的SMB100傳送到E系列多功能數(shù)據(jù)采集卡NI PCI 6071E上。

（5）聲音信號(hào)：聲音傳感器檢測(cè)機(jī)床產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大器預(yù)處理后，采用差分方式通過(guò)NI公司的SMB100傳送到E系列多功能數(shù)據(jù)采集卡NI PCI 6071E上。

1.1.3 信號(hào)采集和參數(shù)設(shè)置

振動(dòng)加速度信號(hào)：采樣頻率為10 kHz，間隔時(shí)間設(shè)定為0.1 s，同步、連續(xù)采集。振動(dòng)位移信號(hào)：采樣頻率為10 kHz，間隔時(shí)間設(shè)定為0.1 s，同步、連續(xù)采集。主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)：采樣頻率為10 kHz，間隔時(shí)間設(shè)定為0.1 s，同步、連續(xù)采樣。聲音信號(hào)：采樣頻率為10 kHz，間隔時(shí)間設(shè)定為0.1 s，同步、連續(xù)采樣。

1.2 軟件概述

操作系統(tǒng)選用Windows 2000 Server，數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQL Server 2000軟件，界面開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇支持32位操作系統(tǒng)的LabVIEW專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)版及其Sound and Vibration Toolkit和SQL Toolkit附加工具軟件包。

本系統(tǒng)在與數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接時(shí)，利用附加工具軟件包SQL Toolkit，通過(guò)SQL Toolkit可以訪問(wèn)現(xiàn)有大多數(shù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，用標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢、修改、增刪等操作。

2 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)主要流程：系統(tǒng)初始參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)自檢，數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)分析，將結(jié)果數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)及進(jìn)行離線分析，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 系統(tǒng)流程示意

3 系統(tǒng)功能模塊說(shuō)明

試驗(yàn)系統(tǒng)總體功能模塊主要由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和離線分析兩個(gè)功能模塊組成。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

該功能模塊是在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢后監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵模塊，它可細(xì)分為總貌圖、多值棒圖、時(shí)域圖、趨勢(shì)圖、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理子模塊。

（1）總貌圖：對(duì)由每個(gè)采樣通道采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，在界面上顯示各采樣通道一個(gè)時(shí)間段的有效值（數(shù)值顯示各測(cè)點(diǎn)有效值，每1 s變化1次）。設(shè)置采樣方式：手動(dòng)或自動(dòng)，其中以手動(dòng)優(yōu)先。

（2）多值棒圖：以柱狀圖形式顯示采集到的數(shù)據(jù)（在1 s內(nèi)約定0.1 s的間隔數(shù)據(jù)），經(jīng)過(guò)分析處理后，顯示在不同主頻率下的有效值。在圖形界面顯示每個(gè)通道的有效值，顯示刷新時(shí)間為1 s。多值棒圖僅分析振動(dòng)信號(hào)和聲音信號(hào)。

（3）時(shí)域圖和趨勢(shì)圖：在各個(gè)通道采集到的數(shù)據(jù)（在1 s內(nèi)約定0.1 s的間隔數(shù)據(jù)）經(jīng)過(guò)分析處理后，通過(guò)時(shí)域圖顯示出各通道采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形，并實(shí)時(shí)顯示各通道的特征值（最大值、最小值、峰峰值、有效值等）。

（4）趨勢(shì)圖：主要是實(shí)時(shí)顯示每個(gè)采集時(shí)段各通道數(shù)據(jù)的波形趨勢(shì)，即實(shí)時(shí)顯示各通道每組數(shù)據(jù)的有效值，其刷新頻率定為1 Hz。

（5）數(shù)據(jù)采集：在系統(tǒng)設(shè)置完成之后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的系統(tǒng)設(shè)置信息，對(duì)所選擇通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采樣時(shí)每個(gè)通道每秒鐘采集一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)1 024個(gè)點(diǎn)，采樣頻率為10 000 Hz，采樣時(shí)間大致為0.1 s。

（6）數(shù)據(jù)處理：利用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，在TCG16數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)采集各個(gè)通道的原始數(shù)據(jù)并經(jīng)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，在采樣監(jiān)測(cè)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，將其得到的特征數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 離線分析模塊

（1）時(shí)域分析。模塊分為波形分析和相關(guān)分析兩部分，波形分析顯示所要查詢采樣通道在各時(shí)段的采樣數(shù)據(jù)波形，相關(guān)分析用以分析不同通道之間的相互作用及影響。

（2）頻域分析。模塊分為頻譜、功率譜、細(xì)化譜、對(duì)數(shù)譜和倒數(shù)譜5個(gè)部分，頻域分析可通過(guò)對(duì)各個(gè)通道的原始數(shù)據(jù)（按時(shí)間段0.1s）進(jìn)行計(jì)算與處理，顯示其對(duì)應(yīng)的幅值圖。

（3）小波分析。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換后的分析。（4）報(bào)表打印。選擇相關(guān)內(nèi)容，打印離線分析后的數(shù)據(jù)及各種圖表。

（5）瀑布圖及趨勢(shì)分析。是指以采樣組號(hào)為X軸、頻率為Y軸、幅值為Z軸把一段時(shí)間內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，利用SQL語(yǔ)句查詢所需的數(shù)據(jù)，顯示出波形的變化曲線，分析得出其中各個(gè)通道的信號(hào)變化規(guī)律，從而可以找出其物理上的原因，分析出對(duì)于數(shù)控機(jī)床平衡運(yùn)行有用的數(shù)據(jù)規(guī)律。

4 結(jié)束語(yǔ)

該數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)波形采集分析系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，由各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期效果，可實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）建立了運(yùn)行穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

（2）通過(guò)完善的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，提供了理論分析所需的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

（3）利用界面友好、運(yùn)行穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)分析方法，增強(qiáng)了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)的平衡性。

［1］ 石博強(qiáng)，趙德永，李暢，等.LabVIEW6.i編程技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

［2］ 劉君華，賈惠芹，丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.