LabVIEW實現(xiàn)數(shù)控機床試驗波形的采集分析*

□ 郝越邦 □ 鄔 鐸 □ 任啟迪 □ 趙 鑫 □ 孫名佳

沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

數(shù)控機床在運行中出現(xiàn)不平衡是一種典型故障，數(shù)控機床一旦發(fā)生不平衡故障，就會產(chǎn)生振動，輕者造成軸承損壞，嚴重時還能造成重大質量及安全事故。為此，開發(fā)了數(shù)控機床試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)控機床運行情況，進行數(shù)據(jù)采集并保存數(shù)據(jù)、離線分析，達到對設備故障監(jiān)控診斷的功能，用戶可用該試驗系統(tǒng)進行數(shù)控機床動特性、動響應、動強度和穩(wěn)定性的分析以及動平衡試驗。通過試驗研究及理論計算，得出數(shù)控機床不平衡機理，并在實驗室進行模擬，結合現(xiàn)場測試數(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)控機床故障提供有效的技術支持。

1 系統(tǒng)總體結構

該試驗系統(tǒng)通過傳感器檢測數(shù)控機床運行時產(chǎn)生的狀態(tài)信號，由對應的數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集到工控機中，選取需要的數(shù)據(jù)進行顯示、分析，然后保存到數(shù)據(jù)庫中。完成實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集之后，還可以進行一系列離線時、頻域數(shù)據(jù)的分析，并打印出相關數(shù)據(jù)和分析結果，系統(tǒng)具體結構如圖1所示。

▲圖1 系統(tǒng)總體結構

1.1 硬件概述

（1）主體設備：數(shù)控機床和西門子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D。

（2）信號檢測設備：振動加速度傳感器，振動位移傳感器，主軸轉速傳感器，電渦流傳感器，聲音傳感器，信號調理器，其它相關附件。

（3）數(shù)據(jù)采集單元：美國NI公司的動態(tài)信號采集卡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） 工控機一臺：CPU PIV-2.4 G/內存 1G/硬盤120 G/4×PCI/IPC-610。

1.1.1 信號采集源

本試驗系統(tǒng)由常規(guī)物理量監(jiān)測診斷和聲發(fā)射信號處理兩個子系統(tǒng)組成，它們各自獨立，自成體系。前者需要采集的信號分別為：振動加速度信號，振動位移信號，數(shù)控信號，主軸轉速信號，聲音信號，轉速脈沖信號，聲發(fā)射信號。后者由于是單獨的一套，它的硬件和應用軟件已成商品化，通過集成、安裝調試后即可投入使用，不需要進行開發(fā)。因此試驗系統(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 信號預處理和信號傳輸

（1）振動加速度信號：振動加速度傳感器檢測機床產(chǎn)生的信號，并通過NI公司的SMB100傳送到動態(tài)信號采集卡NI PCI 4472上。

（2）振動位移信號：振動位移傳感器檢測機床產(chǎn)生的信號，經(jīng)過調理器預處理后，采用差分方式通過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：采用“一線總線”的方式，不需要信號調理，通過PROFIBUS直接連到工控機上。

（4）主軸轉速信號：主軸轉速傳感器檢測機床產(chǎn)生的信號，經(jīng)過調理器預處理后，采用差分方式通過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：聲音傳感器檢測機床產(chǎn)生的信號，經(jīng)過前置放大器預處理后，采用差分方式通過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 信號采集和參數(shù)設置

振動加速度信號：采樣頻率為10 kHz，間隔時間設定為0.1 s，同步、連續(xù)采集。振動位移信號：采樣頻率為10 kHz，間隔時間設定為0.1 s，同步、連續(xù)采集。主軸轉速信號：采樣頻率為10 kHz，間隔時間設定為0.1 s，同步、連續(xù)采樣。聲音信號：采樣頻率為10 kHz，間隔時間設定為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)庫選用SQL Server 2000軟件，界面開發(fā)平臺選擇支持32位操作系統(tǒng)的LabVIEW專業(yè)開發(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)庫鏈接時，利用附加工具軟件包SQL Toolkit，通過SQL Toolkit可以訪問現(xiàn)有大多數(shù)關系型數(shù)據(jù)庫，用標準SQL語句實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢、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)設置，系統(tǒng)自檢，數(shù)據(jù)采集和實時分析，將結果數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫及進行離線分析，具體結構如圖2所示。

▲圖2 系統(tǒng)流程示意

3 系統(tǒng)功能模塊說明

試驗系統(tǒng)總體功能模塊主要由實時監(jiān)測和離線分析兩個功能模塊組成。

3.1 實時監(jiān)測模塊

該功能模塊是在實現(xiàn)系統(tǒng)自檢后監(jiān)測數(shù)控機床運行狀態(tài)的關鍵模塊，它可細分為總貌圖、多值棒圖、時域圖、趨勢圖、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理子模塊。

（1）總貌圖：對由每個采樣通道采集來的數(shù)據(jù)進行分析后，在界面上顯示各采樣通道一個時間段的有效值（數(shù)值顯示各測點有效值，每1 s變化1次）。設置采樣方式：手動或自動，其中以手動優(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內約定0.1 s的間隔數(shù)據(jù)），經(jīng)過分析處理后，顯示在不同主頻率下的有效值。在圖形界面顯示每個通道的有效值，顯示刷新時間為1 s。多值棒圖僅分析振動信號和聲音信號。

（3）時域圖和趨勢圖：在各個通道采集到的數(shù)據(jù)（在1 s內約定0.1 s的間隔數(shù)據(jù)）經(jīng)過分析處理后，通過時域圖顯示出各通道采集數(shù)據(jù)的實時波形，并實時顯示各通道的特征值（最大值、最小值、峰峰值、有效值等）。

（4）趨勢圖：主要是實時顯示每個采集時段各通道數(shù)據(jù)的波形趨勢，即實時顯示各通道每組數(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)設置完成之后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)設置信息，對所選擇通道進行數(shù)據(jù)采集。采樣時每個通道每秒鐘采集一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)1 024個點，采樣頻率為10 000 Hz，采樣時間大致為0.1 s。

（6）數(shù)據(jù)處理：利用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫軟件進行相應的數(shù)據(jù)表結構設計后，在TCG16數(shù)控機床運行時實時采集各個通道的原始數(shù)據(jù)并經(jīng)轉換后導入數(shù)據(jù)庫中保存，在采樣監(jiān)測的同時進行實時分析，將其得到的特征數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫。

3.2 離線分析模塊

（1）時域分析。模塊分為波形分析和相關分析兩部分，波形分析顯示所要查詢采樣通道在各時段的采樣數(shù)據(jù)波形，相關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、細化譜、對數(shù)譜和倒數(shù)譜5個部分，頻域分析可通過對各個通道的原始數(shù)據(jù)（按時間段0.1s）進行計算與處理，顯示其對應的幅值圖。

（3）小波分析。對數(shù)據(jù)進行小波變換后的分析。（4）報表打印。選擇相關內容，打印離線分析后的數(shù)據(jù)及各種圖表。

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

4 結束語

該數(shù)控機床試驗波形采集分析系統(tǒng)經(jīng)過試運行，由各項試驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)已達到預期效果，可實現(xiàn)如下功能。

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

（2）通過完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，提供了理論分析所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

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

［1］ 石博強，趙德永，李暢，等.LabVIEW6.i編程技術實用教程［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

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