數(shù)控機(jī)床指令域示波器的設(shè)計(jì)方法

王 蕭，何嶺松，高志強(qiáng)，朱俊江

（華中科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，武漢 430074）

數(shù)控機(jī)床指令域示波器的設(shè)計(jì)方法

王 蕭，何嶺松，高志強(qiáng)，朱俊江

（華中科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，武漢 430074）

針對單純的時(shí)域、頻域信號分析所體現(xiàn)的數(shù)控機(jī)床物理信號特征難以與機(jī)床加工實(shí)時(shí)狀態(tài)對應(yīng)起來，造成對數(shù)控機(jī)床信號分析與處理上存在誤判可能的問題，詳細(xì)討論了數(shù)控機(jī)床指令域示波器的原理、特性、及其設(shè)計(jì)方法，并以機(jī)床的振動信號為研究對象，在Android平臺上實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床振動信號的指令域示波器。實(shí)驗(yàn)表明，該指令域示波器能夠很好地將傳感器數(shù)據(jù)與G指令對應(yīng)起來，能對單條G指令所對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)段進(jìn)行單獨(dú)分析和對多條G指令的傳感器數(shù)據(jù)段進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

數(shù)控機(jī)床；信號分析；指令域示波器

0 引言

采集和分析機(jī)床物理信號，是機(jī)床健康保障和故障診斷的主要途徑。目前采集機(jī)床物理信號主要是通過從數(shù)控系統(tǒng)讀取數(shù)控機(jī)床內(nèi)部傳感器的數(shù)據(jù)，或者在機(jī)床上安裝傳感器并通過外部設(shè)備采集傳感器的數(shù)據(jù)[1,2]。處理采集到的物理信號的傳統(tǒng)傳統(tǒng)方式是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析[3,4]，用得到的信號特征對機(jī)床的健康狀況或者故障原因進(jìn)行分析與診斷。但是由于這種方式缺少機(jī)床狀態(tài)如進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)床正在執(zhí)行的動作等機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的支撐，而這些機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的變化對機(jī)床物理信號的影響往往非常大，導(dǎo)致其分析所依賴的傳感器信號的特征變化可能是由機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化所導(dǎo)致的，從而可能對最終機(jī)床健康狀況或故障原因的分析存在差錯(cuò)。

時(shí)域是以時(shí)間為自變量來描述信號的特征，頻域是以頻率為自變量來描述信號的特征，指令域是以指令為自變量來描述信號的特征[5]。在數(shù)控機(jī)床的信號處理上，指令域分析能夠更好的體現(xiàn)機(jī)床不同狀態(tài)（執(zhí)行不同G指令）下的信號特征，彌補(bǔ)在時(shí)域和頻域分析數(shù)控機(jī)床物理信號存在的問題和不足。本文詳細(xì)討論了數(shù)控機(jī)床指令域示波器的原理、特性、及其設(shè)計(jì)方法，并以機(jī)床振動信號為研究對象，設(shè)計(jì)了一種基于Android的數(shù)控指令域示波器。該數(shù)控指令域示波器能同時(shí)采集安裝在機(jī)床上的振動傳感器的數(shù)據(jù)和數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)（主要是G指令），并將采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合回放示波?；胤攀静ò磳?shí)際采集過程，以G指令為單位，根據(jù)G指令執(zhí)行時(shí)間，分割采集到的傳感器數(shù)據(jù)，并將分割的各段數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析作為對應(yīng)G指令的信號特征顯示出來。

圖1 數(shù)控機(jī)床指令域示波器工作過程

1 數(shù)控機(jī)床指令域示波器的原理

數(shù)控機(jī)床指令域示波器的目的是以G指令為單位，描述機(jī)床物理信號隨G指令的不同而發(fā)生的變化。數(shù)控機(jī)床指令域示波器的工作過程如圖1所示。

數(shù)控機(jī)床指令域示波器首先將G代碼執(zhí)行的實(shí)時(shí)行號數(shù)據(jù)作為一路傳感器數(shù)據(jù)（圖1所示G代碼傳感器）與振動傳感器、溫度傳感器等其他傳感器數(shù)據(jù)同步采集。然后根據(jù)G代碼行號數(shù)據(jù)將其他傳感器數(shù)據(jù)以G指令為單位進(jìn)行分割。再對每段分割完成的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析與計(jì)算，將分析與計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行指令域的顯示。按照功能，數(shù)控機(jī)床指令域示波器可以分為兩大系統(tǒng)：時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和指令域示波模系統(tǒng)。

1.1 時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)同步地采集數(shù)控機(jī)床的G指令行號數(shù)據(jù)和安裝在機(jī)床上的傳感器的數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

溫度、聲音、振動等傳感器數(shù)據(jù)通過采集卡采集，采集卡將采集到的傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過USB、Wi-Fi或網(wǎng)線等方式將數(shù)據(jù)傳送給終端設(shè)備。終端設(shè)備通過USB、藍(lán)牙或Wi-Fi等方式與數(shù)控系統(tǒng)間建立通信，獲取數(shù)控系統(tǒng)的G指令采樣數(shù)據(jù)。目前，西門子、FANUC等眾多數(shù)控系統(tǒng)公司都推出了支持?jǐn)?shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)控系統(tǒng)，提供了豐富的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集接口，如西門子的SINUMERIK 840D/810D系列數(shù)控系統(tǒng)、FANUC 0i-D數(shù)控系統(tǒng)等。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)G指令行號數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的同步采集，終端設(shè)備需要對G指令行號數(shù)據(jù)采集和傳感器數(shù)據(jù)采集的過程進(jìn)行同時(shí)控制。終端設(shè)備采集G指令行號數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的基本流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

終端設(shè)備上運(yùn)行采集程序。采集程序初始化完成后，與數(shù)控系統(tǒng)和采集卡間建立數(shù)據(jù)連接。開始采集時(shí)，采集程序建立兩個(gè)子線程，分別用于獲取數(shù)控系統(tǒng)采集的G指令行號數(shù)據(jù)和采集卡采集的傳感器數(shù)據(jù)。兩個(gè)子線程開始獲取數(shù)據(jù)前需要先向數(shù)控系統(tǒng)和采集卡發(fā)送相應(yīng)的采集開始命令，以開始數(shù)據(jù)數(shù)控系統(tǒng)和采集卡的數(shù)據(jù)采集工作。采集完成并停止時(shí)，子線程兩個(gè)子線程需要分別向數(shù)控系統(tǒng)和采集卡發(fā)送停止采集命令，以停止數(shù)控系統(tǒng)和采集卡的數(shù)據(jù)采集工作，之后子線程退出。采集完成后，程序斷開與數(shù)控系統(tǒng)和采集卡的連接，程序退出。

1.2 指令域示波系統(tǒng)原理

指令域示波系統(tǒng)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分割、數(shù)據(jù)段特征分析與計(jì)算及指令域數(shù)據(jù)特征顯示，其原理如圖4所示，其中(a)為數(shù)據(jù)分割、數(shù)據(jù)段特征分析與計(jì)算的示意圖，(b)為以振動信號為例的指令域示波示意圖。

分割傳感器數(shù)據(jù)時(shí)首先將G指令行號數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)根據(jù)采樣率關(guān)系按時(shí)間進(jìn)行對齊。以10ms采樣間隙（100Hz）采集數(shù)控系統(tǒng)G代碼行號，10kHz采樣率采集傳感器數(shù)據(jù)為例。每一個(gè)行號采樣點(diǎn)對應(yīng)10ms時(shí)長，每一個(gè)傳感器采樣點(diǎn)對應(yīng)0.1ms時(shí)長，多種采樣率采集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算方法類似。以此為依據(jù)，G代碼行號采樣值中每段連續(xù)相同的行號都對應(yīng)著一個(gè)時(shí)間片段，將這個(gè)時(shí)間片段內(nèi)的振動傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)段分割出來，就得到了該行號對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)段。對該數(shù)據(jù)段進(jìn)行單獨(dú)的時(shí)域和頻域分析和計(jì)算，得到的就是該行G代碼的傳感器信號特征（如圖4(a)所示）。將各條G代碼對應(yīng)的傳感器信號特征進(jìn)行指令域的顯示（如圖4(b)所示）就實(shí)現(xiàn)了指令域示波。對G指令對應(yīng)數(shù)據(jù)段的特征分析方式因信號類型而異，常用的有頻率分布、瞬時(shí)能量均值、幅值均值、波動幅度和極值等。

圖4 指令域示波器數(shù)據(jù)處理示意圖

2 指令域示波器在華中8型數(shù)控系統(tǒng)上的一種實(shí)現(xiàn)

振動信號分析是機(jī)床診斷中最基礎(chǔ)，使用最多的方式，機(jī)床的許多機(jī)械故障都能反映到其振動信號上來[6]。信息、制造等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得移動智能終端在人們的日常生活中越來越普及，特別是基于Android操作系統(tǒng)的手機(jī)、平板等設(shè)備由于廉價(jià)、高性能和開放等特點(diǎn)被越來越多的用于監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)等方面，基于Android的傳感器信號采集技術(shù)也慢慢成熟[7～9]。本文以機(jī)床振動信號為研究對象，以Android作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一種基于Android的振動信號指令域示波器。本文的實(shí)現(xiàn)中，數(shù)控系統(tǒng)與Android設(shè)備間使用藍(lán)牙設(shè)備建立連接，采集卡與Android設(shè)備之間使用USB-OTG建立連接，Android設(shè)備上運(yùn)行的APP負(fù)責(zé)采集控制、數(shù)據(jù)存儲及指令域示波。

2.1 硬件系統(tǒng)簡介

Android設(shè)備通過OTG接口與采集卡進(jìn)行連接，采集卡再接振動傳感器。采集卡通過USB接口接收來自Android設(shè)備的控制命令（如采樣開始、采樣停止等命令），并將從振動傳感器獲取的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過USB傳輸?shù)紸ndroid設(shè)備。本文所使用的采集卡為自制3通道16位采集卡，采樣率為10kHz/通道，能通過USB接收來自上位機(jī)的命令，并通過USB向上位機(jī)發(fā)送采集到的傳感器數(shù)據(jù)。

Android設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)間依靠藍(lán)牙進(jìn)行通信。數(shù)控系統(tǒng)一般沒有提供藍(lán)牙硬件支持，本文的實(shí)現(xiàn)中藍(lán)牙硬件通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的USB接口接入到數(shù)控系統(tǒng)。

2.2 軟件系統(tǒng)簡介

軟件系統(tǒng)包含三部分：數(shù)控系統(tǒng)藍(lán)牙服務(wù)模塊軟件、采集卡程序、Android端軟件。在此僅介紹數(shù)控系統(tǒng)藍(lán)牙服務(wù)模塊軟件和Android端軟件。

2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)藍(lán)牙服務(wù)模塊

數(shù)控系統(tǒng)藍(lán)牙服務(wù)模塊為數(shù)控系統(tǒng)與Android設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換提供支持。一方面接收來自Android端發(fā)來的請求，另一方面向Android端發(fā)送采集到的數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

本文的實(shí)現(xiàn)采用華中8型數(shù)控系統(tǒng)。華中8型數(shù)控系統(tǒng)是華中數(shù)控公司研發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了模塊化、層次化體系結(jié)構(gòu)，對外提供了豐富的二次開發(fā)API接口，用戶能夠通過這些API接口對系統(tǒng)進(jìn)行深度的定制和功能擴(kuò)展。華中8型二次開發(fā)接口支持非常豐富的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣，如X、Y、Z軸的位置、電流、速度等，能夠方便的在程序中獲取這些采樣數(shù)據(jù)。數(shù)控系統(tǒng)藍(lán)牙服務(wù)模塊基于華中8型二次開發(fā)接口開發(fā)，能獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣，并通過藍(lán)牙發(fā)送至Android端。

2.2.2 Android端軟件

Android端軟件的主要功能包括與數(shù)控系統(tǒng)建立通訊，采集數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；與采集卡通訊，采集傳感器的數(shù)據(jù)；將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行指令域的分析與顯示。Android端軟件按功能分為兩大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和指令域示波模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能包括采集和存儲數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、采集和存儲采集卡的數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。該模塊軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊軟件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊包含采集卡數(shù)據(jù)獲取、數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲幾個(gè)子模塊。各個(gè)子模塊功能如下：

1）采集卡數(shù)據(jù)獲取。該模塊負(fù)責(zé)通過Android設(shè)備的OTG接口向采集卡發(fā)送命令以對采集卡的采集狀態(tài)進(jìn)行控制，并從采集卡讀取采集卡采集的傳感器數(shù)據(jù)。

2）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取。該模塊負(fù)責(zé)通過藍(lán)牙與數(shù)控系統(tǒng)間進(jìn)行通信，對數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行配置，控制數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，獲取數(shù)控系統(tǒng)采集的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)等。

3）數(shù)據(jù)計(jì)算。該模塊負(fù)責(zé)對1）模塊獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析計(jì)算，主要用于獲取傳感器信號的實(shí)時(shí)特征。

4）實(shí)時(shí)顯示。該模塊負(fù)責(zé)在采集過程中對1）、2）、3）模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總實(shí)時(shí)顯示。

5）數(shù)據(jù)存儲模塊。該模塊負(fù)責(zé)對1）、2）模塊的數(shù)據(jù)以一定格式進(jìn)行存儲，以便指令域示波時(shí)使用。

指令域示波模塊的主要功能包括：讀取和解析數(shù)據(jù)采集模塊存儲的數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行指領(lǐng)域分析、顯示數(shù)據(jù)的指令域特征。該模塊軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 指令域示波模塊軟件結(jié)構(gòu)

指令域示波模塊主要包含數(shù)據(jù)讀取與解析、數(shù)據(jù)分析和特征顯示三個(gè)子模塊。各個(gè)子模塊的功能如下：

1）數(shù)據(jù)讀取與解析。數(shù)據(jù)采集模塊存儲的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和采集卡數(shù)據(jù)按一定格式存儲在文件中，這些文件除了包含采樣數(shù)據(jù)還包含一些參數(shù)，如數(shù)控系統(tǒng)采樣的采樣間隙、數(shù)據(jù)的采樣類型、轉(zhuǎn)換系數(shù)、傳感器標(biāo)定值等等。該子模塊負(fù)責(zé)讀取采樣數(shù)據(jù)、和根據(jù)參數(shù)對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2）指令域分析。該子模塊負(fù)責(zé)對1）中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是對數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和采集卡數(shù)據(jù)按G代碼行對應(yīng)，并對每條G代碼所對應(yīng)的采集卡數(shù)據(jù)進(jìn)行特征計(jì)算與分析。

3）指令域特征顯示。該子模塊負(fù)責(zé)對2）中計(jì)算的各G代碼所對應(yīng)的特征以指令域形式進(jìn)行圖形化顯示。

3 銑削加工的指令域示波與分析

為了驗(yàn)證本文所實(shí)現(xiàn)的指令域示波器的可用性，本文專門設(shè)計(jì)了特殊的G代碼進(jìn)行針對性的實(shí)驗(yàn)。具體G代碼內(nèi)容如下所示：

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是使用上面的G代碼銑80mm×90mm平面，切削材料為6061鋁塊，刀具為SGO S 550 10mm三刃鋁合金立銑刀，切削深度0.5mm。該G代碼執(zhí)行的動作為機(jī)床在X軸方向上來回往復(fù)進(jìn)給銑削，每次往復(fù)銑削，主軸轉(zhuǎn)速增加200。加工過程中，使用本文實(shí)現(xiàn)的指令域示波器采集主軸的振動信號。加工過程走刀路線示意圖如圖7所示。

圖7 走刀路線示意圖

圖中粗實(shí)線方框表示工件，帶箭頭虛線表示走刀路線，右上方圓形表示刀具。

實(shí)驗(yàn)場景如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)場景

其中圖8(a)為Android平板連接上數(shù)控系統(tǒng)和采集卡后的效果；圖8(b)為實(shí)際的傳感器安裝位置，圖中所示為通過傳感器磁座吸附在數(shù)控機(jī)床主軸上。藍(lán)牙模塊插在圖8(a)所示豎孔面板的USB接口上（紅圈所示位置）。

指令域示波效果如圖9所示。

圖9 指令域示波器界面

指令域示波器示波方式類似于播放播放音樂或電影，按照采集時(shí)的時(shí)間進(jìn)度對振動數(shù)據(jù)及其特征進(jìn)行G代碼指令域的滾動“播放”。為了便于操作，本文實(shí)現(xiàn)的Android端指令域示波器程序中還設(shè)計(jì)了快進(jìn)、快退、加速、減速、單步（每次點(diǎn)擊“播放”進(jìn)度僅向前推進(jìn)一行G指令）等功能。限于篇幅，本文僅展示了部分功能的截圖。

圖9中(a)和(b)均為本次加工中主軸振動信號的兩種指令域特征。(a)為以G代碼行號為橫坐標(biāo)，以各條G代碼所對應(yīng)的Z軸振動信號瞬時(shí)能量均值為縱坐標(biāo)繪制的指令域G代碼能量直方圖，可以看出G代碼瞬時(shí)能量均值高低相間，總體呈上升趨勢。高的G代碼在進(jìn)行X方向的切削（圖7中水平方向虛線），低的G代碼在進(jìn)行Y方向的進(jìn)給（圖7中豎直方向虛線）無切削，整體上升趨勢與橫坐標(biāo)行號所對應(yīng)G指令中主軸轉(zhuǎn)速變化直接對應(yīng)；(b)為以G代碼行為單位的譜陣圖，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為G代碼行，圖中每條頻譜是各條G指令對應(yīng)振動信號的平均頻譜，從圖中可以直觀的看出每條G代碼所對應(yīng)的振動信號的頻率分布，以及隨著G指令變化各條G指令所對應(yīng)振動信號頻率分布的變化。

4 結(jié)束語

本文從特點(diǎn)和原理的角度詳細(xì)介紹了數(shù)控機(jī)床指令域示波器及其設(shè)計(jì)方法，并以振動信號為研究對象，在Android平臺上實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)控機(jī)床振動信號的指令域示波器。數(shù)控機(jī)床指令域示波器將采集的機(jī)床物理信號以G指令為單位進(jìn)行特征分析與顯示，相比于傳統(tǒng)的純時(shí)域和頻域分析，能夠更好地將機(jī)床物理信號與機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)關(guān)聯(lián)，便于分析，也能避免傳統(tǒng)的純時(shí)域和頻域分析中分析結(jié)果可能因?yàn)闄C(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的變化而發(fā)生差錯(cuò)的問題，對于數(shù)控機(jī)床的健康保障和故障診斷具有重要意義。

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Design method for instruction-domain oscilloscope of CNC machine tool

WANG Xiao, HE Ling-song, GAO Zhi-qiang, ZHU Jun-jiang

TH165+.3

：A

：1009-0134(2017)05-0124-06

2017-02-24

國家科技重大專項(xiàng)：高檔數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新能力平臺（二期）（2015ZX04005007）

王蕭（1992 -），男，湖北人，碩士研究生，主要從事機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測、移動智能終端的工業(yè)化應(yīng)用等技術(shù)的研究。