毕业设计（论文）-数控机床多源信息采集系统的开发.doc

北京信息科技大学 毕业设计（论文）题 目： 数控机床多源信息采集系统的开发 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化S 学生姓名： 指导老师/督导老师： 起止时间：2015 年7月1日 至 2015 年6月10日1摘要摘 要随着工业工程自动化的程度不断地提高，数控机床已经被广泛的应用于船舶、航空、航天、核电、汽车等行业，大大的提高了产品的加工精度以及生产效率，工厂企业对数控机床的依赖也愈发的增强，因此用户们希望数控机床可以实现在无故障的条件下安全的运行。数控机床状态监测与故障诊断系统会根据数控机床运行的过程中产生的各种各样的特征信息来判别他的状态，对于提高机床工作的可靠性与加工精度、提升整个生产线的生产工作效率具有很高的意义。本论文首先介绍了课题研究背景以及国内外状态监测技术的发展情况。并在对数控机床的结构特点，关键部件故障的产生原因等进行研究的基础上，利用计算机构建数控机床状态监测系统。论文对数据采集技术，数据的特征提取技术进行初步研究，为后来的软件开发提供了技术上的支持与保障。在本文的最后开发了一个数控机床多源信息采集的系统。该系统是基于Windows操作系统，利用Lab-view软件开发出来的一款针对数控机床主轴与滚珠丝杠的振动信号、噪声信号、温度信号进行信号采集、降噪、时域频域分析的系统。该软件可以及时、准确的对数控机床两个关键部位主轴以及滚珠丝杠产生的信号进行采集并配合着故障诊断系统进行初步的故障诊断分析。预防或者根除故障，提高数控机床运行的可靠性。经过现场的测试以及调试，这套信息采集系统达到了设计目的。关键词：（38个词）数控机床；信息采集系统；Lab-view；在线监测；故障诊断；全套设计加扣3012250582 IIAbstract Abstract As the degree of automation in industrial engineering continually rise,NC machine tool has been widely used in ship,aviation,aerospace,nuclear power,automobile and other industries.Greatly improve the machining accuracy and production efficiency.Factories in dependence on NC machine tools are increasingly enhanced,so the users want to NC machine tools can be implemented under the condition of trouble-free safe running.NC machine tool condition monitoring and fault diagnosis system based on numerical control machine tool operation process of all kinds of feature information to his state,for improving the working reliability of the machine tool and machining accuracy,improve the whole production line production efficiency has the very high significance.This paper first introduces the research background and the development of condition monitoring technology at home and abroad. And structure characteristics of NC machine tools, the key component fault causes such as study,on the basis of using the computer to construct a system of numerical control machine tool condition monitoring,And structure characteristics of NC machine tools,the key component fault causes such as study,on the basis of using the computer to construct a system of numerical control machine tool condition monitoring.Papers for data acquisition technology,initially the data feature extraction technology, for the later software development provides the technical support and guarantee.At the end of this paper developed a numerical control machine tool of multi-source information acquisition system.The system is based on the Windows operating system,the use of Lab - view software developed in a NC machine tool spindle and ball screw of the vibration signal and noise signal,temperature signal acquisition,noise reduction,the time domain and frequency domain analysis of the system.The software can be timely and accurate two key parts of NC machine tool spindle and ball screw of signal acquisition and comply with the fault diagnosis system for fault diagnosis of the preliminary analysis.Prevent or eradication failure,improve the reliability of NC machine tool operation.Through field testing, and debugging, the information acquisition system has reached the design purpose. Keywords:Numerical-control-machine-tool;Information-collection-system;Lab-view;Online monitoring; Fault diagnosis.II目录目 录摘要 （中文）I （英文）II第一章 绪论 1 1.1 课题研究意义1 1.2 研究现状及已有成果1 1.2.1 国内研究成果1 1.2.2 国外研究成果2 1.3 论文主要研究内容2第二章 数控机床数据采集系统4 2.1 数控机床数据采集概述4 2.1.1 数控机床的结构特点4 2.1.2 采集位置测量原因分析6 2.2 数据采集内容以及流程6 2.3 建立数据采集系统的准备工作 6 2.3.1 数据采集卡的选择7 2.3.2 传感器的选择7 2.3.3 测点位置的确定9 2.4 建立数据采集系统9 2.5 小结10第三章 状态监测关键技术研究11 3.1 数据采集与储存技术11 3.2 采集信号特征提取技术11 3.3 小结15第四章 系统运行软件总体设计16 4.1 系统软件开发原则16 4.2 软件需求以及总体设计17 4.3 软件开发环境17 4.4 软件可行性分析17 4.5 小结17第五章 系统运行软件的实现18 5.1 系统模块18 5.2 菜单界面的实现19 5.3 信息采集界面的实现20 5.4 信息处理界面的实现23 5.5 信息分析界面的实现27 5.6 小结29III第六章 软件测试30 6.1 测试环境30 6.2 测试过程30 6.3 测试结果分析33 6.4 小结33 结论34致谢34参考文献35 IV正文第一章 绪论本文首先介绍了课题的研究意义以及国内状态监测技术，国外信息监测基础的发展概况。通过研究分析零部件的故障发生原因以及数控机床的特点，总结出在机床运行时很需要一套实时监测系统，因此，就有了利用计算机构建数控机床状态监测系统的想法。论文对数据采集技术，数据的特征提取技术进行初步研究，为后来的软件开发提供了技术上的支持与保障。在本文中开发了一个数控机床多源信息采集的系统。该系统是基于Windows操作系统，利用Lab-view软件开发出来的一款针对数控机床主轴与滚珠丝杠的振动信号、噪声信号、温度信号进行信号采集、降噪、时域频域分析的系统。该软件可以及时、准确的对数控机床两个关键部位主轴以及滚珠丝杠产生的信号进行采集并配合着故障诊断系统进行初步的故障诊断分析。预防或者根除故障，提高数控机床运行的可靠性。1.1 课题研究意义现代技术愈发的高速发展，许多工业，建筑等行业的机械设备装置都变得更加的复杂以及更加的智能。但是，随着设备的飞速发展变化，越来越复杂的结构，使性能功用提高的优点，被一些新出现的问题所取代，那就是设备的可靠性、经济性、安全性变得比以前更加的复杂。由于设备变得复杂，系统故障以及失效的可能性变得更大。数控技术现在已经广泛的应用于各个行业，例如船舶，航天航空，汽车制造，钢铁生产。数控技术的出现，极大地降低了产品的生产周期，使其加工精度大大提高，因此，作为数控技术的核心产物数控机床，成为了各大企业不可或缺的需求品，当然，用户希望得到的数控机床可以达到故障率低，寿命长，工作安全，所以，由此诞生了对数控机床多源信息采集并诊断故障的系统的需求。该系统的存在，可以实现实时的采集数控机床各种各样的特征信息以此判断机床的状态，对于提高机床的安全性，可靠性有着重要的意义。1.2 研究现状及已有成果1.2.1 国内研究的成果邓辉，天津大学的研究小组提出了可以使用单片机与传感器的连接研究机床的运行情况，例如振动信号，噪声信号，温度信号等，并且可以实时分析，及时的对机床运行参数进行调整。以此建立了一套机床状态实时监测系统。周玉清,梅雪松等提出一种基于ePS的大型数控机床状态监测方法，这是一种基于西门子ePS(electronic Production System)网络服务的大型数控机床状态监测和状态分析方法。它通过恒速轴测试、圆度测试和通用轴测试能够实现对机床进给系统的传动部件故障溯源和伺服控制特性进行全面的评估。周玉清还提出了基于内置传感器的大型数控机床状态监测技术这是一种基于光栅尺、编码器、伺服进给电机电流(转矩)等内置传感器的机床状态监测系统，深入研究转矩、位置、润滑特性等内置传感器测试原理，就开放式和商业数控系统给出不同采集机床状态信息的策略。北京理工大学的邓三鹏等人提出一种基于噪声小波包络谱的数控机床主轴故障诊断方法。对于主轴状态监测方面，西安交通大学机械工程学院的孙挪刚等人提出了一种基于主轴电动机电流的数控机床主轴状态监测系统，建立了主轴交流电动机转矩输出模型，深入研究了主轴组件故障诊断和主轴当前运行能力评估原理，搭建了主轴状态监测系统，实验证明这种方法简单有效，为数控机床在线监测提供了技术支撑。对于滚珠丝杠的数据采集监测上，南京理工大学洪宇研究设计了高速滚珠丝杠副的综合性能检测系统,该试验台实现了定位精度、加速度、温度、噪声、湿度、热位移等几项指标的动态检测。山东大学刘剑研制开发了高速滚珠丝杠副综合性能试验系统,是国内第一台比较全面的滚珠丝杠副综合试验台,对定位精度、温度、加速度和热位移几个指标进行了测定分析。北京机床研究所于2000年成功研制“GSz2000高速滚珠丝杠副性能测试仪”，该仪器主要用于高速滚珠丝杠副的定位精度、速度、加速度、噪声、温升及热位移。南京理工大学工程训练中心的刘东升提出了基于EMD的滚珠丝杠振动信号滤波技术这是一种针对磨削加工中滚珠丝杠振动信号低信噪比、非平稳特性，提出基于经验模式分解(EMD)的振动信号滤波方法。通过EMD将滚珠丝杠振动信号分解为多个平稳的固有模态函数(IMF)，并选择包含振动信号特征的若干IMF分量重构，提高了振动信号的信噪比，实现了对振动信号的平稳性分析，得到了振动信号的本质特征，为滚珠丝杠实时监控提供了有效的理论基础。1.2.2 国外研究成果随着数控机床的监测在各个工厂企业中越发的被需要，国外的数控技术厂家、DNC 服务商等均投入了大量的研究人才进行开发并投入了巨额的财富，目的是开发出可以用来赚钱的商品化机床监控软件。比较著名的公司有丹麦公司CIMCO开发的MDC-Max V5机床监控与数据采集软件、西门子公司的 MCIS软件、日本森精机的MORI-NET Global Edition机床远程监控系统等。 东京工业大学和三井精机联合研发的LMS型3米动态激光导程测量机被配备给了日本的NSK公司,这种测量仪器的主要特点是，由丝杠驱动其测量工作台,因为它测量的主要对象是滚珠丝杠，所以可以做到将测量系统与测量工作台这两者实现传动分离,对于实现导程精度的综合测量起着重要的作用。西德的LINDNER公司研制出了GMM一4型丝杠螺纹导程测量机,该机用一对高精度静压丝杠副作为基准,用同步驱动测量头把标准丝杠和被测丝杠的温差用计算机处理并修正。GMM一4的最大特点是能迅速可靠地完成各种螺纹截面形状的丝杠的测量,包括螺纹中径、单面和双面导程误差的测量。法国SORO公司研制的CUB3000、6000和8000型号的滚珠丝杠副激光导程测量机,其特点是:既可单独测试丝杠导程的精度,又可测量滚珠丝杠综合导程的精度,测量精度为1-1.5微米。1.3论文主要研究内容本文主要研究内容是如何利用计算机软件构建数控机床多源信息采集系统，并对采集到的信号进行信号调理、信号分析，并最终通过故障诊断来判断机床运行的状态是否稳定可靠。数控机床可以进行测量的部位有很多，如刀具、主轴、丝杠、导轨、机床床身等，本文主要测量的部位是主轴部分以及滚珠丝杠部分。这两个部分可以采集的信号有很多，本论文以及本软件主要针对以下几个信号进行采集以及分析，机床主轴的轴承部位的振动信号采集、机床主轴轴身旋转时的振动信号、机床主轴工作时的温度测量、机床主轴旋转时的噪声测量、以及在工作过程中的位移信号测量，滚珠丝杠部位两个轴承部位的振动信号、滚珠丝杠工作时的温度测量、滚珠丝杠附近的噪声测量，以及机床工作过程的三相电流测量。以此为主要的研究方向内容，可以被分为六个章节,主要内容如下:章节一：主要介绍本论文的研究意义、国内状态监测研究现状，国外状态监测研究现状等。章节二：通过对数控机床的结构特点、关键零部件产生故障原因的研究基础上确定出该如何选择需要采集信号的传感器，以及在收集这些信号时，将传感器布置在什么位置上，在本章的最后，建立出监测系统的雏形。章节三：本章节主要介绍了几种被用于数据采集的技术:数据的采集存储技术、提取特征技术等，为后续的设计数控机床多源信息采集系统提供了强有力的技术支持。章节四：分析数控机床多源信息采集系统软件的整体设计思想及该软件是否具有可行性。章节五：详细的叙述了该系统中的各个系统模块,以及系统模块下的子模块，并详细的叙述了软件的运行方法以及原理。章节六：对毕设成果软件进行调试与运行结果展示。第二章 数控机床数据采集系统本章研究的是数控机床的结构特点、零部件在工作过程中产生故障原因，并在此基础上确定出采用的传感器类型、采集部位分析等。最后,建立数控机床状态监测系统。2.1 数控机床数据采集概述本论文主要针对VDL260机床进行数据采集以及研究分析。2.1.1数控机床结构特点在进行软件开发之前，需先知道数控机床的结构特点。图中是数控加工中心的实物图。 图2-1数控机床一般的数控机床大多是由机床本体、程序载体、伺服系统、数控装置、检测与反馈装置和辅助装置等部分组成。下图显示的是数控机床的结构框图。图2-2数控机床结构框图由上述组成框图我们可以清楚的看到，数控机床的各个组成部分之间有着十分紧密的联系，整个数控机床的各个系统具有关联性。因为数控机床结构十分复杂性，所以一旦发生故障，故障原因也具有了复杂性、特殊性与层次性，若是诊断机床的所以部件是不可能的，也是不经济的。因此，在选择部件进行故障分析诊断时应遵循以下的情况：(1)一旦某一种部件出现了故障，数控机床会产生严重影响。比如经济损失、人员伤亡、机床损坏严重。这一种部件可以优先的被选为监测对象。(2)某种部件损坏且互换性不好的、短时间无法找到替代品或者是替代品的成本造价过于昂贵的部件，也可以选为监测对象。根据数控机床的结构分析，数控机床故障主要分成了三大类，一是机床床身出现故障，二是承载数控技术的装置产生故障，最后是机床的电传递出现问题。据不完全统计，第一种故障产生的百分比为57%，主要内容有主轴箱问题、机床导轨损坏、作为传动系统的滚珠丝杠螺母副发生损坏、液压装置的问题。第二种故障类型大约占总故障比的5.5%，这是一个很小的问题，证明数控系统故障并不是导致机床故障的主要原因。最后一种故障类型约占总数的37.5%，主要有伺服系统的故障、电机转子定子可能的故障以及及检测元器件的损坏。本论文主要针对以下两个部件进行数据采集，分析以及故障诊断。(1)主轴部分主轴部分包括了旋转主轴、支持主轴的各种轴承和传动零部件等。主轴部件的一系列性能影响了机床整体的自主加工精度。在机床工作过程中，主轴具有两种运动方式，一是加持刀具并令其旋转切割工件，二是夹住工件令其旋转的被固定刀具加工，参与表面成形运动。影响被加工工件精度和表面质量的因素有很多，主轴的刚度旋转的精度，以及抗震耐热性等等因素。一旦主轴发生故障，机床的运行会受到很大影响。(2)滚珠丝杠部件数控机床的进给系统中，最重要的传动部件就是滚珠丝杠，它是一种可以将回转运动转变为直线运动的传动装置。滚珠丝杠具有很多优良的属性：较高传动比可以让它有很高的传动效率、灵敏度很高、传动不易出现波动，很平稳而且不易产生爬行，自身的磨损消耗不大、可使用的时间久，运动方向可以随时随用户要求的转换等优点。作为数控机床传动系统中不可缺少的关键部件之一，它的状态改变会使进给系统的传动精度与稳定性受到很大的影响。滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置四部分组成。在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，滚道内装满滚珠。62.1.2关键位置测量原因分析图2-3数控机床状态监测内容(1)主轴部件主轴箱体具有以下的几种常见故障，轴承因为受到震动而损坏，刀具因为不正确的布置而被磨损，齿轮传动因为工作环境问题产生磨损等，这种故障会使得切削时产生很大振动。因此，在机床运行时监测振动信号，可以较好的判断机床的工作状态。(2)滚珠丝杠部件滚珠丝杠故障有很多，主要故障表现为由于传动时的压力导致异常的噪声，运动受阻而导致的精度不良等。因此，振动信号同样可以用来判断滚珠丝杠的运行情况是否正常。(3)其他因为本题目为数控机床多源信息采集系统开发，所以还应该采集其他数据，如温度，噪声等信号，因加工过程中，热量与噪音均会产生，所以同样的在主轴和滚珠丝杠上采集声信号和热信号。2.2 数据采集内容以及流程数控机床状态监测与数据采集内容主要有3个过程(1)选择合适的监测位置(2)通过数据采集卡完成数据采集(3)对数据进行分析处理，得出结论2.3 建立数据采集系统的准备工作2.3.1数据采集卡的选择由于已知要采集8个信号源，所以需要数据采集卡有8个通道以上的，或者选用两个4通道的数据采集卡。因此，我选用PCI8510。它是8路同步AD 每路500K 精度16的采集卡，因为实验数据采集分为主轴部分以及滚珠丝杠部分，所以正好用合适。以下为采集卡的图片以及其参数。图2-4数据采集卡参数以下为PCI8510的连线图图2-5 PCI8510连线图2.3.2传感器的选择(1) 振动测量振动测量传感器，本论文中测量振动的传感器采用的是电涡流传感器，电涡流传感器的主要原理是通过静态或者动态的测量被测表面与传感器金属探头之间的距离，从而测量出振动信号的大小。电涡流传感器的优点很多，比如分辨力高，线性度好，而且是非接触式，可以有效的减小因接触而产生的影响。当然，电涡流传感器的测量对象必须是金属导体，否则无法做出准确的测量。(2)温度测量温度的测量可以采用的方式有很多，可以采用接触式的温度计，但是这种方法并不适用于旋转的轴，所以本毕设中选用的是非接触式的温度测量方法，利用的传感器类型是红外传感器。红外传感器的原理是辐射测温法。其中利用红外线进行温度测量属于这些方法中的辐射法，符合黑体辐射定律。因为任何物体都会不停的向外辐射能力，而这个能力的大小以及波长的分布与其表面温度有关，温度越高，红外能量越大。因此可以通过这一原理测出温度大小。(3)噪声测量噪声测量选用CRY2110/2112/噪声传感器系列，具有高灵敏度声信号采集传感器头、ICP前置放大器、计权网络、声校准装置、供电装置、数据信号调理模板、工作状态指示灯。(4)电流测量电流测量是利用电流的互感来完成测量的，在需要测量的位置加上互感线圈，通过测量互感线圈里的电流，可以得出机床的电流。2.3.3测点位置的确定图2-6 主轴部分振动测量位置图2-7 滚珠丝杠部分振动测量位置图2-8 噪声测量位置主轴部分的振动信号测量位置有轴承一处，主轴一处。温度测量位置在旋转主轴附近。噪声测量在主轴的周围安装声级计。而滚珠丝杠部分的振动测量位置位于两个轴承部位。2.4 建立状态监测系统数控机床数据采集系统主要由四部分组成:第一部分是传感器传感器是通过不同的安装方式，采集机床部件状态的各种信息，并转换成电压信号。第二部分是简易信号处理装置因为被采集到的信号有很大部分并不能被采集系统正确地捕捉识别,所以在采集之前应该对信号进行初步的调理。简易的信号调理仪器可以把传感器获取的信号进行放大、滤波、带通等操作将其转换成采集设备可以识别的标准信号。(3)数据采集卡当代的计算机技术只能识别数字信号,而经过前两部采集到的信号是模拟量,所以必须经过离散化和数字化才能被计算机识别,而实现这一目的的转换单元就是数据采集卡，数据采集卡的种类有很多，下文将详细介绍本文所选取的采集卡类型。在整个数据采集系统中，数据采集卡至关重要。(4)计算机以及其软件计算机是用来存储并处理经由数据采集卡采集到的数据。而计算机软件的作用就是对收集到的信号进行深度分析，并最终的到结论的重要一环。2.5 小结通过本章节内容，可以得出以下结论(1)本论文主要研究的对象是机床的主轴部分以及滚珠丝杠部分，采集的信号一共有5种，分别为振动信号、温度信号、噪声信号、主轴位移信号、机床电流信号。(2)本论文所选用的数据采集卡为PCI8510。(3)本论文中所选择的传感器类型分别为第三章 数据采集关键技术研究数据采集系统主要应用的技术有集采集数据技术、特征的提取技术，数据采集系统的构建少不了这几种技术的参与，了解了这几种技术，将会更了解这个系统的功能，有利于构建出一个功能齐全的软件。3.1 数据采集技术数据采集，又称数据获取，是利用一种各种各样的装置，从计算机系统外部采集各种数据并输入到计算机系统内部的一个接口。数据采集技术广泛应用在各个领域。被采集的信号数据是多种多样的物理量，比如温度，噪声，振动等，这些信号被转换为电信号进入数据收集系统，采集一般是以采样的方式，间隔一定的时间量也就是采样周期值，对于同一个点的数据进行重复采集。而采集到的信号一般是瞬时信号，也可以是某一时间段内的特征值。数据采集的基础就是准确的数据测量。而对数据进行采集的方式有很多，一般分为接触式和非接触式。以不影响被测量对象和测量环境的前提下，可以利用各种各样的监测元件，也就是传感器。利用传感器采集数据时数据采集技术的核心观念。3.2 数据采集信号特征提取技术因为信号的多样性以及随机性，所以通过传感器采集到的信号不一定都是单一的、用户需要的信号,其中没有利用价值的信号也占据了极大一部分，所以采集到的信号并不适合直接作为机床工作状况的判断量。所以，在实际的工作情况下，应该使信号去除掉没有用的部分，留下需要的重点信号，这样才可以做到对整个机床进行正确有效的监测。而为了达成这一目的，就需要利用新型的信号分析处理的方法来获取到可以判断工作状态的特征量。监测机床工作状态这一目的能否实现,取决于特征量的正确选取。所谓的特征提取技术,就是正确的应用信号分析与处理办法,以此来寻找机床与采集到的特征值的内在关系,把最能指出问题的特征信息从所采集的信号中分离出来,达到去除无用信号保留有用信号的目的。特征提取是数据处理分析中的第一步骤,争取的选择合理的特征量，可以保证数据采集系统的完美运行。此论文中,由于题目限制，从繁多的特征量中选取了几个最典型的特征量进行分析，为后面的分析提供数据上的支持，这几个典型特征量包括：时域分析，频域分析以及时频域的混合分析。1.时域分析时域分析中包含了很多的参数，主要的分为有量纲参数与无量纲参数以及概率分布函数。(1)有量纲参数有量纲参数是随着机床运行的问题变大而随之增大的一种参数，因此用来判别机床工作时的问题大小，也就是严重程度。同时影响有量纲参数的因素不只是机床的工作状态，与周边环境也密切相关，例如载荷的变化，轴转速的变化，都会对其造成一定程度的影响。有量纲参数中，主要有以下几个重要参数：1）峰值峰值参数反映信号的强度，他的含义是在某一时间t上，所获得波形的振幅最大值。但是在实际的应用场合一般不会直接的用真峰值，代替真峰值的数据是当量峰值,也就是把整个信号分为n段,分别求出各自的峰值,之后对各个峰值做平均处理，以此作为当量峰值。峰值有一个计算公式:xmax=max(xi)(i=1,2,n) (公式3-1)2）均值均值表达了信号变化的中心趋势，是采集的信号的算术平均值。均值的计算公式如下: (公式3-2)3）绝对平均值绝对平均值描述了所采集到的信号的能量的大小，他的计算公式很简单，就是所有信号平均值的绝对值计算。绝对平均值计算公式如下所示: (公式3-3)4）均方根值均方根值又称有效值,是信号平均能量的一种表示方式。均方根值的计算公式如下: (公式3-4)5）方差方差这个数值表示了信号的波动分量，描述的是信号偏离中心趋势的波动强度。方差计算公式: (公式3-5)6）方根幅值方根幅值用于描述信号能量大小。方根幅值计算公式: (公式3-6)(2)无量纲参数无量纲参数与有量纲参数不同，后者对于采集信号的幅值以及频率变化很敏感，但是前者无量纲参数就不是这样，无量纲参数是根据采集到的信号的分布密度函数来确定的。因此无量纲参数判别是一种很好的机床状态监测参数。常用的无量纲参数指标有如下几种:1）波形参数公式如下: (公式3-7)2）峰值参数峰值参数的存在，可以让用户清楚的分析出在所检查的信号中是否有突变值，在机床上来看就是冲击信号。峰值参数的计算公式如下: (公式3-8)3）脉冲如果说峰值参数是判断是否在采集信号中存在冲击信号，那么脉冲这一个参数所分析处来的就是判断冲击信号是何种类型。脉冲的计算公式如下: (公式3-9) (3)概率分布函数概率密度分布函数是数学上的一种概率算法，它描述一种规律，信号幅值的取值规律。正常工作情况下与发生故障状态时的信号，他们之间的概率密度分布一定是不同的，因此，可以通过这个参数来区分机床的运行状态是否正常。这个参数有两种子参数，一个是分布函数，另一个是密度函数，前者是在一组随机信号在N个采样函数的集合，在某一时刻有N个样本的函数值不会超过指定的值，而这个事件出现的频率就是概率分布函数的公式：。 (公式3-10)而后者概率密度函数则是分布函数的一阶导数，这一点在数学中的概率学中已经的到了验证，这个参数表示的是前面采集到的幅值落在某一范围的概率，根据所选范围的幅值变化的不同，这个参数有不同的值，所以作为函数，他是幅值函数。这个参数的公式如下： (公式3-11)2.频域分析信号和信号之间有可能具有相同的时域信号的参数量，但是用户知道这几个信号之间有着不同，不能光凭借着时域参量就草草的确定信号，还需要利用频域信号。影响信号的因素不只是时间，频率以及相位等也会影响信号,所以研究信号的频率参数很重要，利用频率来描述信号，也是一种重要的参考数据。对于频域分析的理解，就是把时域信息通过傅里叶变换，分解成横坐标为频率而不是时间的频率信号。这种信号得到的是以前的时域信号频率成分的幅值和相位信息的一种方法。频域信号的指标主要重心频率、均分频率等几个，下文将一一叙述:1）重心频率重心频率是一种反应振动总频率变化情况的一种参数，它表示的重心变化是功率谱。重心频率的计算公式如下: (公式3-12)2）均方频率表示了功率谱信号的离散程度,频率方差计算公式如下: (公式3-13)3）均方根频率描述了谱信号的主频带变化,均方根频率计算公式如下: (公式3-14)4）频率方差在一个信号测试中，功率谱的能量是分散开来的，而频率方程就是表现这一谱图中能量分布分散情况的一种参量。它的计算公式表示为: (公式3-15)3.时频域分析时频域分析是结合了时域分析和频域分析的一种综合分析方法，其中小波包分析就是一种典型的时频域分析方法。这种方法是对信号的低频部分进行分解分析,并且对于信号的高频部分有更详尽的细致分解分析。小波包分解过程如图所示。小波包的分解与重构是小波包分析的重点,其数学算法如下:(1)分解算法 (公式3-16) 式中hk,gk为小波分解共扼滤波器系数。(2)重构算法 (公式3-17) 式中pk，qk为小波重构共扼滤波器系数。小波包分解把采集到的信号能量分解到了各个频率段，也就是说，它将信号分解了很多份，每一份均有着能量信息的存在。经过这些分开的频率段上的信号进行提取分析，这对分析信号本身特性有着很大的利处。每个频率段信号的能量的分解分析与整体能量进行比较分析，更能有力的提取出整个信号的特征信息，通过这些信息，可以更清楚机床的状态。小波包频带分析依据Parse-val能量积分等式,信号f(x)在时域中的能量定义为信号在L2(R)上的2范数的平方,计算公式: (公式3-18)信号f(x)的小波变换计算公式: (公式3-19)将两者通过Parse-val恒等式联系： (公式3-20)通过共扼正交滤波器把采集到的信号分解到不同的频率带中,经过小波包分解后的信号彼此之间是正交的,他们之间的能量是守恒的,并且可以分析出大量的非线性非平稳的信号诊断信息，所以每个频率带中的信号均可以作为该实验的特征向量进行分析。3.3 小结本章主要介绍了一些典型的数据采集以及分析的原理，便于后来的软件开发步骤。第四章 系统运行软件总体设计本章主要介绍了数控机床多源信息采集系统软件的设计方案。最开始先介绍一下在软件开发过程中需要遵循的几点原则。之后,了解分析这套软件的面向对象以及需求分析,并介绍该套软件的整体设计思想。在这些均完成之后,选择在开发过程中可能用到的工具以及软件并最终验证该套软件的可行性。4.1 数控机床多源信息采集系统软件的开发原则一个优良的软件开发应该遵循如下的几个原则:(l)结构合理性在开发软件之前，应该确定软件的模块以及面向对象的程序设计方法。在开发某种特定功能的软件时需要确定总体的功能，并将其分解为多个子模块进行一一编写。每一个子模块都有自己的一套系统以及功能，并最终合成成为自己需要的总系统。每个子模块之间应该有着特定的通讯机制，以方便彼此之间的通信连接。子模块应该独立于其他子模块并且具有可重用性。因为在开发软件时，可能面对这软件的失效，所以彼此独立的系统，可以有利于对整个系统的维护，一旦出现问题，能够快速的发现问题所在模块，并进行调整。而且模块化的设计，可以有效的对软件进行添加和删去功能，方便各方面的需求。(2)美观的软件运行操作界面用户需要的软件是一个简洁明了的界面，而不是繁琐复杂的程序，一个优良的软件，对于与用户的交互性应该设计的很完美，使得用户可以方便的了解如果需要实现什么功能就去按什么按钮，如果想保存数据，就按保存按钮之类。所以在开发软件系统时，应换位思考，以使用者的角度去设计软件界面。并且要保持一定的对称性以及统一性，使得软件界面整体看上去可操作性强，美观。(3)运行效率高因为一般的软件设计，离不开计算机的操作，而计算机具有有限的计算速度，所以在开发软件时，应尽量减小对系统内存的占用，做到小内存，大功率的目的。通过对模块化的系统编写，有效的减小程序体积。不要过度的占用资源，不要重复编译。选择正确的编写环境，软件结构以及编程方法可以有效的利用计算机资源，使开发出的软件系统具有高效性，运行流畅快速。(4)软件的功能应该具有完善性在开发软件之前就应该确定开发这个软件的目的，以及使用者对该套软件的需求。在调查完所有的功能之后在进行编译，可以有效的利用资源，并开发出易于用户操作的软件，并且满足用户的需求，使其了解软件存在的各种功能。(5)安全性能好无论何种软件，都应该具有安全性，安全性体现在两个方面，一是软件对于信息的保护，使一次测试结果具有不可盗窃性，用户应该可以通过登录信息，以此来保护一个公司机床的机密性，不易于被其他人盗取数据。第二个安全性体现在，当用户错误操作时，软件应该具有实时保存的功能，以免数据丢失而造成的损失。并且在保存的同时，提醒使用者错误的原因以及修正方法，使用户下次不会再出现这种错误。当错误致命且不可还原时，软件本身应该具备错误信息保存功能，以便开发者进行及时的调整维修。4.2 软件需求以及总体设计在开发软件之前，需求的分析是至关重要的，因为这决定了软件的一系列后续开发过程，比如分为何种模块，分为几种模块，利用什么编译方法等，确定需求为整个软件开发过程提供了严谨性以及逻辑性，是整个开发过程的重要依据。该套数控机床多源信息采集系统的需求是：对数控机床主轴部分以及滚珠丝杠部分进行多源信息的采集，例如振动信号，温度信号，噪声信号，电信号等等。第二个需求是对采集到的信号进行初步的处理，降噪等。最终对处理后的信号进行分析，并保存信号。通过以上的需求分析，可以清楚的分析出整套系统需要三个系统模块，三个模块之间有着相互的联系。系统模块的建立在第五章会有详细的讲解，再次不在赘述。4.3 软件开发环境软件开发环境是指在基本的计算机硬件和软件的基础上，为支持该套系统软件和应用软件的工程化开发和维护而使用的一组软件，简称SDE。它由软件工具和环境集成机制构成，前者用以支持软件开发的相关过程、活动和任务，后者为工具集成和软件的开发、维护及管理提供统一的支持。该套数控机床多源信息采集系统的软件开发环境是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的一款类似于C和BASIC开发环境的软件：Lab-view。这是一套图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，方便开发者系统的开发软件。4.4 软件可行性分析软件可行性分析最根本的目的是对后续的行动方针提出建议。如果这个系统的要求不具有可行性，那么开发者应适当的修改目的或者废除计划，以免造成多方面的浪费。如果需求分析后发现可行，那么开发者可以通过系统编译来为后续的工作进行合理的安排。4.5 小结本章节主要介绍了开发软件的前期准备工作，并验证了软件的可行性，为后续的系统开发打下了基础。并通过几条开发软件需要注意的原则，为整体软件的开发奠定了开发方向。第五章 系统运行软件的实现本章主要详细介绍信息管理的子系统、数据采集的子系统、在线状态监测的子系统的功能、基本的流程、实现的方法以及用户用于操作的界面。5.1 系统模块本论文提到的数控机床多源信息采集开发的系统模块主要有如下几种：菜单模块，数据采集模块，数据处理模块，数据分析模块。每一个模块下方还有子系统的存在，在下述文章中会一一赘述。数控机床多源信息采集系统数据采集模块数据分析模块数据处理模块菜单模块实时采集模块小波降噪信号采集模块FFT快速傅里叶变换模块自功率谱模块功率谱模块幅度谱模块瀑布图模块超出上限预警模块图5-1 系统模块化5.2 菜单界面的实现菜单界面的实现是由在Windows系统环境下的Lab-view软件来实现的，利用Lab-view软件进行前面板的布置，并对程序框图进行编辑而成。本论文中的多源信息采集系统，主菜单分为三个分选项，一为数据采集按钮，二为数据处理按钮，三为数据分析按钮。具体菜单如下图。图5-2 菜单界面此图为前面板，