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石家庄铁道大学毕业设计 基于虚拟仪器的数控机床 检测系统的开发 The Development of Detecting NC Machine Tool System Based on Virtual Instrument 届届 机械工程机械工程 学院学院 专专 业业 机械工程及自动化机械工程及自动化 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 完成日期完成日期 20112011 年年 6 6 月月 4 4 日日 毕业设计成绩单毕业设计成绩单 学生姓名学号班级专业机械工程及自动化 毕业设计 论文 题目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发 指导教师姓名 指导教师职称教授 评 定 成 绩 指导教 师 得分 评阅人得分 答辩小 组组长 得分 成绩 院长 主任 签字 年 月 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 题 目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发 学生姓名学号班级专业机械工程及自动化 承担指导任务单位石家庄铁道大学 导师 姓名 导师 职称 教授 一 主要内容 开发基于虚拟仪器的数控机床检测系统 以微机为基础 以 LabVIEW 软件为核心 通过数 据采集卡 信号调理板 加之必要的传感器 开发数控机床检测系统 二 基本要求 1 测试参数及各参数范围的确定 2 有关传感器 信号调理设备 数据采集卡的选型 3 关键参数测试方法的确定 4 虚拟仪器软件的设计编程 5 软件使用说明书的编写 三 主要技术指标 或研究方法 本课题用 LabVIEW 编程 对数控机床液压系统 气动系统 振动系统的运行参数信号进行 采集 显示 分析处理及存储 通过频谱分析判断数控机床运行状态 液压系统主要参数有温 度 压力 流量 振动 气动系统主要参数包括气动装置压力 液压马达转速 本系统通过实 现波形保存和波形回放方便操作者重复观看波形和数据 便利判断故障及产生原因 四 应收集的资料及参考文献 LabVIEW8 2 基础教程 测试技术与虚拟仪器 数控机床构造 机械故障诊断 数控机床故障诊断与维修 数控机床的常见故障与排除方法 五 进度计划 第 1 周 第 3 周 调研 查资料 外文翻译 确定研究方法和技术路线 熟悉软件 第 4 周 第 8 周 总体方案设计 系统分析 关键技术研究 第 9 周 第 11 周 软件设计 调试 系统优化 第 12 周 第 13 周 论文撰写 准备答辩 教研室主任签字时 间 年 月 日 毕业设计开题报告 题 目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发 学生姓名学号班级专业机械工程及自动化 一 课题的目的和意义 数控机床是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动化控制的一类机床 它具加工精度高 生产效率高 自动化程度高 对加工对象的适应性强 经济效益高等优点 是现代制造业中的关键设备 但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性 势必会出现大量的振动 可靠性等问题 机床损坏事故 也时有发生 给国家 企业带来巨大的损失 因此数控机床的维修与检测越来越被企业所重视 在现代 测量中 虚拟仪器系统能更迅捷 更经济 更灵活地解决测试问题 基于虚拟仪器 Virtul Instrument 的数控机床检测系统可大大提高数控机床的维修效率 虚拟仪器技术的开发与应用源于1986年美国NI公司设计的LabVIEW 它是一种基于图形的开发 调试 和运行程序的集成化环境 实现了虚拟仪器的概念 VI 与传统仪器的比较具有软件开发与维护费用低 技术更新周期短等优点 其最主要的区别是VI 的功能由用户自己定义 而传统仪器的功能都是由厂商 预先定义好的 二 国内外研究现状 一 现代数控机床的发展趋势 1 高精度化 随着现代科学技术的高速发展 尤其是精密行业的出现 对精密加工技术提出新 的要求 发展新型超精密加工机床 完善精密技术是当今数控机床的发展趋势 现代普通级数控机床的 加工精度已提高到正负 5 微米 2 高速化 数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能 大幅度提高加工效率 降低加工 成本 提高零件的表面加工质量和精度 3 高自动化 数控机床的高自动化并向着 FMC FMS 集成方向发展 4 控制智能化 数控机床智能化主要体现在自适应控制技术 专家系统技术 故障自诊断 自 修复技术 智能化交流伺服驱动技术 模式识别技术 5 工序和功能复合化 6 高可靠性 7 网络化 8 开放式体系结构 9 加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束 制造加工的绿色化越来越重要 而中国 的资源 环境问题尤为突出 因此 近年来不用或少用冷却液 实现干切削 半干切削节能环保的机床 不断出现 并在不断发展当中 在 21 世纪 绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展 占领 更多的世界市场 二 数控机床检测诊断的国内外研究现状与发展 数控机床的故障诊断技术与传统机床有着较大的区别 需采用更为先进的故障诊断技术 及时在线 监测和诊断数控机床的故障 目前数控机床的诊断技术有以下几种 1 通讯诊断 用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连 2 自修复系 统 当诊断软件发现数控机床在运行中某一模块有故障时 系统在 CRT 上显示的同时 自动寻找备用 模块并接上 3 人工智能专家故障诊断系统 4 人工神经元网络 ANN 诊断 常用诊断方法 1 直观法 望闻问切 2 CNC 系统的自诊断功能 3 数据和状态检查 CNC 系统的自 诊断不但能在 CRT 上显示故障报警信息 而且还能以多页 诊断地址 和 诊断数据 的形式提供机床 参数和状态信息 4 报警指示灯显示故障 除 CRT 软报警外 还有许多 硬件 报警指示灯 分布在电 源 主轴驱动 伺服驱动 I O 装置上 由此可判断故障的原因 5 备板置换法 替代法 用同功能的 备用板替换被怀疑有故障的模板 虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器 是计算机资源和仪器硬件与 用于数据分析 过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合 它充分利用了计算机的存储和计算功 能 通过软件实现对输入信号的分析处理 基于虚拟技术的检测已经广泛应用到数控机床故障的检测与 诊断中 部分学校与研究单位已开始研究远程在线监测 利用虚拟仪器技术构建的数控机床故障诊断系统主要完成信号的采集与控制 信号的分析与处理 监测报警 结果的表达输出 具体功能如下 1 信号的采集与控制功能 利用平台提供的据采集 VI 使用 NI 数据采集卡 PCI6221 进行信号采 集 2 信号的分析与处理功能 对信号参数进行分析 处理 得出所需结果 并对其进行存储 3 监测报警功能 通过对数据的分析 确定并显示测点的报捷值 及时提醒现场进行分析与相应 的处理 4 结果的表达输出功能 采用波形图或显示型控件等多种方式来显示所需的参数输出各种波形和 分析结果 基于 LabVIEW 的数控机床监测诊断系统的开发 充分发挥了虚拟仪器技术的优势 实现了数据采集 分析 实时显示 存储 诊断等功能 体现了在低成本下开发基于虚拟仪器的测试系统的可行性和实用 性 给对象设备的维护 维修 保养带来很大的方便 大大提高了数控机床在线监测诊断的水平 准确 及时 有效地实现对数控机床故障诊断 为今后数控机床的监测与诊断提供了先进的分析工具 三 研究内容及拟采用的方法和手段 研究内容 该课题为设计并实现一个基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发 开发基于虚拟仪器的 数控机床检测系统 以微机为基础 以 LabVIEW 软件为核心 通过数据采集卡 信号调理板 加之必要 的传感器 开发数控机床检测系统 研究方法 数控机床常见故障主要包括液压故障和气动系统故障两类 常见的液压故障包括液压系 统压力不足或过高 振动和噪声 油温过高 气动系统主要检测气动装置是否具有合适的工作压力和运 动速度 通过以上分析 我们将对数控机床的液压 气动控制的各方面参数进行检测 1 数控机床各有关测试参数及各参数范围的确定 2 有关传感器 信号调理设备 数据采集卡的选型 3 通过 LabVIEW 编写程序图框实现对数控机床各方面性能的检测 4 创建 LabVIEW 菜单 可使用户快捷方便的对机床性能进行检测 关键技术 LabVIEW 软件的编程及菜单栏的创建 四 预期成果 通过查阅资料和自己的学习 在老师的指导下 完成检测系统 力争实现其对数控机床液压 气动 控制等性能的检测 五 工作进度计划 第 1 2 周 调研 查资料 熟悉软件 论文综述 会使用 LabVIEW 软件 第 3 周 外文翻译 确定研究方法和技术路线 第 4 6 周 总体方案设计 系统分析 第 7 8 周 关键技术研究 LabVIEW 菜单 及编程 第 9 10 周 软件设计 LabVIEW 编程 第 11 周 调试 系统优化 通过调试系统看是否能满足预期结果 第 12 13 周 论文撰写 准备答辩 六 参考文献 1 杨云强 测试技术与虚拟仪器 M 北京 机械工业出版社 2010 2 林宋 田建君 现代数控机床 M 北京 化学工业出版社 2003 3 朱文艺 陆全龙 数控机床故障诊断与维修 M 北京 科学出版社 2006 4 张发启 现代测试技术及应用 M 北京 西安电子科技大学出版社 2005 5 机床故障诊断与检修丛书编委会 机床液压系统常见故障诊断与检修 M 北京 机械工业出 版社 2006 6 陈循介 目前世界机床工业形势 市场需求和发展趋势 J 北京 精密制造及自动化 2004 7 鲁方霞 邓朝晖 数控机床的发展趋势及国内发展现状 D 湖南 湖南大学机械与工程学院 2006 8 魏相华 张士文 赵继敏 虚拟仪器的发展及前景 J 南京 工业控制计算机 2011 9 穆吉祥 数控机床的常见故障与排除方法 J 北京 中国科技信息 2006 10 田辉鹏 郭庆伟 基于LabVIEW的数据管理在数控机床故障诊断系统中的应用 J 合肥 计算 机与信息技术 2008 指导教师签字时间年 月 日 摘 要 数控化加工是机械行业朝高质量 高精度 高成品率高效率发展的趋势 我国 的数控行业也正以高速发展的势头紧追世界先进的水平 但是由于许多无法避免的 因素影响 数控机床会出现各种各样的故障 以致降低或失去其预定功能 甚至造 成严重事故 这时如果我们能及时发现并排除故障就显得尤为重要 由于计算机软 件技术的不断进步 虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向 运用虚拟仪器技 术能够达到共享硬件和软件资源 方便地利用计算机的强大功能 进行信号分析 数据处理 存储以及图形化显示等 本文设计了基于虚拟仪器的数控机床故障诊断系统 利用NI CompactDAQ 数 据采集设备 NI SCXI 信号调理系统和各种传感器 用图形化编程语言LabVIEW对数 控机床的液压系统 气动系统 振动信号实时故障检测 液压装置测试系统通过对 压力 温度 振动信号的采集和分析可以判断液压装置的工作状态 气动测试系统 通过对压力 速度信号的采集处理可以推断气动系统的工作状态 使用开发的虚拟 仪器技术开发平台 通过对信号数据采集 时域 频域分析判断机床是否正常工作 及故障发生原因 经仿真测试 该系统大大提高了数控机床故障诊断准确度和效率 而且界面操 作简单 扩展性好 易于开发 关键词 数控机床 故障检测 虚拟仪器 Abstract CNC machining is the tendency of machinery industry which towards high quality high precision high efficiency and the development trend of high yield China CNC industry is also run after the world s advanced level by the momentum of rapid developing However because many factors can not be avoided there will be a variety of CNC machine tool failure which can be resulting in reduced or loss of its intended function or even result in serious accidents Then if we can detect and troubleshoot problems would be particularly important As technology computer software progresses continuous virtual instrument is gradually becoming a testing field development We can sharing hardware and software resources and access to the power of the computer easily to achieve the signal analysis data processing storage and graphical display etc by virtual instrument technology This article designs fault diagnosis system for NC machine tools based of virtual instrument It utilizes NI Compact DAQ data acquisition devices NI SCXI signal conditioning system and various sensors and uses LabVIEW graphical programming language to detect the fault of hydraulic systems pneumatic systems real time vibration signals on CNC machine tool Hydraulic testing system can determine the working status of the hydraulic device through the pressure temperature vibration signal acquisition and analysis Pneumatic test system can infer the system working state through collecting and processing the pressure speed signal With the development of the virtual instrument technology platform we can determine whether the machine works and the reasons for failure by collecting the signal data analyzing the time and frequency domain The system can enhanced the accuracy and efficiency on diagnosis of CNC machine tool greatly by simulation testing in addition the interface is operated simply scalable and develops easily Key words CNC machine tools faults detection Virtual Instrument 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 数控机床故障诊断系统研究的意义 1 1 2 国内外发展动态 1 1 2 1 现代数控机床的发展趋势 1 1 2 2 数控机床故障诊断技术的国内外研究现状 2 1 3 虚拟仪器技术 3 1 3 1 虚拟仪器系统的构成 3 1 3 2 LabVIEW 软件简介 3 1 4 论文研究内容 3 第 2 章 数控机床检测系统硬件配置 5 2 1 数控机床检测系统硬件总体配置 5 2 2 传感器选择 5 2 3 数据采集系统 8 2 3 1 NI CompactDAQ 8 2 3 2 信号调理系统 9 第 3 章 数控机床检测系统软件设计 10 3 1 数控机床检测系统软件总体设计方案 10 3 1 1 数据采集模块 10 3 1 2 数据分析处理模块 11 3 1 3 数据管理模块 11 3 1 4 故障诊断模块 12 3 2 数控机床检测系统软件功能 12 第 4 章 数控机床检测系统程序设计 16 4 1 数控机床液压系统检测 16 4 1 1 液压系统的基本组成及故障概述 16 4 1 2 温度检测系统的设计实现 17 4 1 3 压力检测系统的设计实现 17 4 1 4 流量检测系统的设计实现 20 4 1 5 振动检测系统的设计实现 23 4 2 数控机床振动系统检测 25 4 2 1 数控机床振动评定 26 4 2 2 机床振动检测程序 27 4 3 数控机床气动系统检测 28 4 3 1 气动系统的基本组成及故障概述 28 4 3 2 压力 速度检测系统的设计实现 29 第五章 结论与展望 32 5 1 结论 32 5 2 展望 32 参考文献 34 致谢 35 附录 A 外文资料翻译 36 附录 B 软件使用说明 48 附录 C 测试分析报告 50 附录 D 源程序清单 52 石家庄铁道大学毕业设计 1 第 1 章 绪论 1 1 数控机床故障诊断系统研究的意义 数控机床是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动化控制的一类机床 它具加工精度高 生产效率高 自动化程度高 对加工对象的适应性强 经济效益 高等优点 是现代制造业中的关键设备 在日益细分的市场需求中 数控机床很好 地实现了小批量 柔性化加工的要求并以其高精度 高效率 高适应性等特点而逐 渐取代了传统的普通机床成为工作母机 数控机床实现了将电力电子 自动化控制 计算机等技术的高度结合 但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性 势必会 出现大量的振动 可靠性等问题 机床损坏事故也时有发生 给国家 企业带来巨 大的损失 因此数控机床的维修与检测越来越被企业所重视 加强和开展对数控机床运行状态的研究 具有以下重要意义 1 可早期报警 以便采取措施 减少和避免故障扩大和机器损坏 提高设备运 行的可靠性 安全性和有效性 以期把故障损失降到最低 2 及时检测确诊 正确维修 以减少维修时间 提高维修质量 节约维修费用 应使重要的设备能按其状态进行维修 即视情维修或预知维修 随时掌握设备性 能的发展变化情况 并逐步实现定期强迫维修制度向预知维修转变 3 取得设备寿命周期的大量数据 可充分了解设备性能 保证设备发挥最大的 能力 制订合理的检测维修制度 以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力 延长服 役期限和使用寿命 降低设备全寿命周期费用 4 作为一种科学的设备管理思想 它比传统的设备管理与维修更有效 更科学 大大提高了设备运行的可靠性 利用率及寿命 同时又大大降低了设备的维护费用 是一种更加积极 主动的设备管理新理念 1 2 国内外发展动态 1 2 1 现代数控机床的发展趋势 当前世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面 1 高精度化 随着现代科学技术的高速发展 尤其是精密行业的出现 对精密 加工技术提出新的要求 发展新型超精密加工机床是当今数控机床的发展趋势 石家庄铁道大学毕业设计 2 2 高速化 数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能 大幅度提高加工 效率 降低加工成本 提高零件的表面加工质量和精度 3 高自动化 数控机床的高自动化并向着 FMC FMS 集成方向发展 4 控制智能化 数控机床智能化主要体现在自适应控制技术 专家系统技术 故障自诊断 自修复技术 智能化交流伺服驱动技术 模式识别技术 5 工序和功能复合化 6 高可靠性 7 网络化 8 开放式体系结构 9 加工过程绿色化 随着日趋严格的环境与资源约束 制造加工的绿色化越来 越重要 而中国的资源 环境问题尤为突出 因此 近年来不用或少用冷却液 实 现干切削 半干切削节能环保的机床不断出现 并在不断发展当中 在 21 世纪 绿色 制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展 占领更多的世界市场 21 1 2 2 数控机床故障诊断技术的国内外研究现状 数控机床的故障诊断技术与传统机床有着较大的区别 需采用更为先进的故障 诊断技术 及时在线监测和诊断数控机床的故障 随着集成电路和计算机性能 价 格比的提高 近年来 国外已将一些新的概念和方法引入到诊断领域 使诊断技术 上升到一个新的更高的阶段 这些新的诊断技术主要有 通讯诊断 自修复系统 具有入工智能功能的专家故障诊断系统 基于因特网的远程故障诊断系统 人工神 经元网络 ANN 诊断等 随着电子测量 信号处理 传感器 计算机等技术的发展 目前国内科研单位 研究开发了一些针对不同应用场合的监测诊断系统 因特网的普及和局域网建设 为故障诊断技术的发展带来了新的思路与前景 将因特网计算机地用技术与故障诊 断技术相结合 可构造一种全新的故障诊断系统 即基于因特网的远程故障诊断系 统 Internet based Remote Diagnosis System IRDS 如 美国斯坦福大学和麻省理 工学院已合作开发了基于因持网的下一代远程诊断示范系统 美国的 DM2000 系统 和 PDS 系统都是基于网络环境 能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种典 型故障 具有远程通讯能力 能对企业的管理和控制系统联网通信 使企业不同部 门都能同时获取设备运行状态信息 也能对不同地区 不同企业的设备进行监测和 故障诊断等 在国内 西安交通大学 上海交通大学和哈尔滨工业大学等已进行工 业领域的远程诊断研究工作 并取得了初步成果 华中理工大学也于 1997 年初开始 了前期研究工作 并在因特网上设立了 个远程诊断宣传站点 介绍远程诊断技术 石家庄铁道大学毕业设计 3 以实验室的方式向用户提供远程诊断服务 5 1 3 虚拟仪器技术 虚拟仪器的概念是美国国家仪器公司 National Instruments Corporation 简称NI 在1986 年首先提出来的 所谓虚拟仪器技术 就是用户在通用计算机平台上 根据 测试任务的需要来定义和设置仪器的测试功能 1 3 1 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器由三部分组成 1 软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份 其中LabVIEW软件采用图形化 的编程语言不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接 更能提供强大的数据处理 能力 并将分析结果有效地显示给用户 2 模块化的I O设备 适应测试测量应用 NI 提供PCI PXI PCMCIA USB 和IEEE 1394总线相应的模块化硬件产品 产品种类从数据采集及信号调理 模块化 仪器 机器视觉 运动控制 仪器控制 分布式I O 到CAN 接口等工业通讯 应有 尽有 3 用于集成的软硬件平台 NI提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台 是为 测试 测量和自动化应用设计的标准平台 PXI作为一种专为工业数据采集与自动 化应用度身定制的模块化仪器平台 内建有高端的定时和触发总线 再配以各类模 块化的I O 硬件和相应的测试测量开发软件 可以建立完全自定义的测试测量解决 方案 1 3 2 LabVIEW 软件简介 虚拟仪器技术的开发与应用源于1986年美国NI公司设计的LabVIEW 它是一种 基于图形的开发 调试和运行程序的集成化环境 实现了虚拟仪器的概念 用 LabVIEW开发平台编制的程序成为虚拟仪器程序 简称VI 一个VI包括3个部分 程序前面板 框图程序 图标链接端口 VI与传统仪器的比较具有软件开发与维护 费用低 技术更新周期短等优点 其最主要的区别是VI 的功能由用户自己定义 而 传统仪器的功能都是由厂商预先定义好的 1 4 论文研究内容 本课题以数控机床为研究对象 建立了基于虚拟仪器技术的测试诊断平台 能 石家庄铁道大学毕业设计 4 够对数控机床的液压系统 振动系统和气动系统进行测试和故障诊断 构建了以数 据采集设备CompactDAQ 传感器 计算机为基础的测试诊断硬件平台 以 LabVIEW作为软件开发平台 设计了数控机床故障检测与诊断程序 具体的研究工 作主要有 1 对于不同的故障特征信号选取适合的传感器类型 对信号调理和数据采 集设备进行分析比较 构建适合数控机床功能测试且便于携带 易于扩展的硬件系 统 2 采用有效地信号分析方法提取故障信息特征 找出故障诊断的判据 即 建立故障和诊断信号之间的对应关系 3 利用LabVIEW软件开发工程机械故障诊断模块 功能诊断模块主要由数据 采集 数据分析处理 数据管理 故障判别几部分组成 石家庄铁道大学毕业设计 5 石家庄铁道大学毕业设计 6 第 2 章 数控机床检测系统硬件配置 2 1 数控机床检测系统硬件总体配置 数控机床故障诊断系统的硬件主要包括四部分 传感器 信号调理模块 数据 采集设备和个人计算机 传感器用于把真实的振动信号转换成电信号 由于传感器输出的电信号通常很 微弱 并伴有噪声 因此需要信号调理装置对其进行必要的调理 信号调理装置的 功能一般有 放大 隔离 多路复用 滤波 激励和线性化等 个人计算机通过各种总线和数据采集设备进行数据交换 例如 ISA PCI PXI USB IEEE1394等 用户可以根据不同的数据传输方案 选择不 同的DAQ装置和总线结构 本系统采用USB总线进行数据交换 图2 1为数控机床检 测系统的硬件组成 模拟化 电信号 数控机床 传感器 信号调理设备 数据采集卡 计算机 分析 显示 硬件部分软件部分 测试前端 数字化 电信号 温度信号 压力信号 振动信号 位移信号 其他信号 图2 1 数控机床检测系统的硬件组成 2 2 传感器选择 传感器是能够感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的换 能元件 传感器的种类很多 且有不同的分类方法 按参考坐标的不同可分为绝对 石家庄铁道大学毕业设计 7 式与相对式传感器 按工作方式的不同可分为接触式和非接触式传感器 按工作原 理的不同可分为结构型和物性型传感器 本测试诊断系统 选用的传感器有测量数控机床振动的位移传感器 测量液压 系统振动的测振传感器 测量数控机床气动系统压力 液压系统压力的压力传感器 测量数控机床进气温度 排气温度 机油温度 冷却液温度 液压系统温度的温度 传感器 测量数控机床泄漏量 空载流量的涡轮流量传感器 测量气动系统速度的 磁电式速度传感器 以下为本课题中使用的几种传感器 1 霍尔传感器 霍尔传感器属半导体磁敏传感器 将霍尔元件 板 置于磁场 中 板厚一般远小于板宽和板长 在板长方向通以控制电流时 板的侧向 宽度方 向 会产生电动势 称为霍尔电压 这种现象称为霍尔效应 霍尔传感器的用途十 分广泛 可以测量转速 电压 电流 位置等 霍尔传感器具有体积小 外围电路 简单 频带宽 动态特性好 寿命长等特点 广泛应用于测控系统 2 热敏电阻式温度传感器 热敏电阻传感器具有体积小 灵敏度高 使用方便 等特点 而且价格便宜 应用广泛 热敏电阻传感器所用的热敏电阻阻值随着温度 变化 它有正温度系数 PTC 温度上升则电阻上升 和负温度系数 NTC 温度上升 则电阻下降 之分 一般来讲 前者称为PTC型热敏电阻 后者称为NTC型热敏电阻 NTC型热敏电阻封装在导热性好的黄铜或者树脂做的壳体内 广泛用于发动机冷却 水温度 发动机吸入空气温度 各种机油温度以及空调装置的空气温度控制等 3 应变式压力传感器 应变式压力传感器是基于弹性形变的原理 将被测压力 作用在传感器的弹性元件上 使弹性元件产生弹性形变 并用弹性形变的大小来度 量压力的大小 由于去载时弹性形变可恢复 所以应变式压力传感器不仅能测压力 的上升段 也能测量压力的下降段 能反映出压力变化的全过程 4 磁电式速度传感器 磁电式速度传感器是把被测物体的振动速度转换为感应 电动势的一种传感器 它的输出电压与被测对象的振动速度成正比 常用的磁电式 速度传感器按其运动部件来分有动圈式和动磁式 按测量方式来分有惯性式和相对 式 该测试系统选用上海权浩公司生产的SZMB 4型磁电转速传感器 该传感器由感 应齿轮 感应齿座 感应线圈 磁钢等组成 当感应齿轮与感应齿座有相对角位移 时 由于磁路中的磁阻变化 在感应线圈内产生感应电动势 经放大整形 输出电 脉冲方波信号将转角位移转换成电脉冲信号 供计数器使用 主要技术指标如下 输出脉冲数 60脉冲 转 测速范围 50 5000r min 工作电源 DC 8 12V 石家庄铁道大学毕业设计 8 输出信号幅值 高电平 电源电压 低电平 1V 传输线最大长度 50m 5 涡轮流量传感器 当被测流体流过传感器时 在流体作用下 涡轮受力而旋 转 转速与管道平均流速成正比 涡轮转动后周期性地改变磁电转换器的磁阻值 检测线圈中的磁通随之发生周期性变化 产生周期性的感应电势 装在壳体外的非 接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率 与涡轮的转速成正比 涡轮流量传感 器具有安装方便 精度高 可达0 1级 反应快 刻度线性及量程宽等特点 信号易 传输 且便于数字显示 可直接与计算机配合进行流量计算和控制 6 应变片式位移传感器 它的测量原理是利用一弹性元件把位移量转换为应变 量 而后用应变片 应变仪等测量记录 它的种类有多种 其区别特点就在于弹性 元件的结构形式 常用的弹性元件有悬臂梁 圆环和半圆环等 此类传感器的主要 特点是结构牢固 性能稳定 可靠 有较高的测量精度和良好的线性关系 7 压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是以压电晶体或人工极化陶瓷为 敏感元件 将振动信号转换成电信号的换能装置 它的输出电荷与振动加速度成正 比 由带探针的基座 中心螺杆 压电转换元件 惯性质量块等组成 预紧力是通 过中心螺杆施加到压电转换元件的 它具有灵敏度高 频响宽 性能好的特点 而 且外壳与质量 弹簧系统不直接接触 可隔离部分外界由于非振动因素造成的干扰 它安装简单 价格便宜 无需频率滤波器 并且计算量小 结合各厂家声誉及产品 性能 振动加速度传感器选用朗斯测试技术有限公司生产的LC01系列IEPE压电加速 度传感器LC0104T三个 如图2 2所示 主要技术指标见表2 1 磁力座选用北京京仪 北方仪器仪表有限公司生产的CZ 4磁力座 吸力8 石家庄铁道大学毕业设计 9 图4 3 压电式加速度传感器 表2 1 LC0104压电加速度传感器主要技术指标 型号灵敏度 mV g 1 量程 g 频率范围 Hz 10 谐振 频率 kHz 分辨率 g 抗冲击 g 重量 gm 安装 螺纹 mm LC0104 100 50 0 5 9000 27 0 0002 150028 M5 2 3 数据采集系统 数据采集 Data Acquisition 简称DAQ 就是将电压 电流 温度 压力等物 理信号转换为数字量并传递到计算机中的过程 是构建测试系统必不可少的至关重 要的一环 没有好的数据采集系统的设计 数据分析再精确也没有用 因为分析的 信号都是没有意义的 从最基本的角度看 DAQ系统设计的任务包括针对要建立的 测试项目选择传感器 构建信号调理模块以及数据采集卡的安装和调试等 基于 LabVIEW的数据采集系统一般如图3 1所示 数据采集硬件 驱动程序的用户接口 Measurement Wright 1995 Lee et al 2004 Through such researches PC based open architecture CNC was introduced Nowadays machine tool with open architecture CNC is continuously increasing because of its portability and extensity of application programs Real time monitoring and control via CNC can be implemented for these machine tools Kim et al 2002 Kim et al 2000 Hong et al 2003 Tahk and Shin 2002 Now a brief outline of the related researches is introduced The machine status of each axis were monitored and controlled by interrupting signals between the CNC and electric actuators Rober and Shin 1995 A Digital Signal Processing DSP board which is connected to sensors installed with CNC was used for real time control of machine tool Erol 2000 A study on integration of process monitoring and optimized interpolation of each axis has been reported Yellowley and Pottier 1994 Also economic system configurations by servo control using Field Programmable Gate Array FPGA have been mentioned Oldknow and Yellowley 2001 However most of the mentioned researches have not focused on CNC level functional applications but machine s control by interface between hardware devices As for research on the management of machine tool with open architecture CNC in manufacturing systems there have been studies on rapid part realization in flexible factory systems Wright 1995 and automatic configuration and dynamic reconfiguration Oldknow and Yellowley 2001 A study on switching function generator addressed the maintenance mechanism of machine tool with open architecture CNC Kim et at 2002 The research of fault diagnosis for manufacturing devices such as gas turbines Guasch et al 2000 flexible manufacturing system Hu et al 2000 Zhou et al 2000 and textile plant Hu et al 1999 were reported And remote control of machine tool by client server environments was mentioned Kim et al 2000 Kang and Kang 1999 The representative examples for such remote services were factory windows and remote systems developed by a commercial CNC vendor However these systems were characterized by basic technical support in local domain environments This paper proposes CNC implemented fault diagnosis and web based remote 石家庄铁道大学毕业设计 43 services for machine tool with open architecture CNC In machine tool with open architecture CNC the fault is diagnosed by using diagnostic models and diagnosed results are transferred to clients through the web If the fault is recovered by operator and current status is monitored through the web for remote operating machine tool can be remotely controlled Most of the proposed technologies are implemented in CNC in the form of an application program In this research faults were defined as operational faults that were occupied by over 70 of all faults The faults were unpredictable as they occur without any warning Two diagnostic models the Switching Function SF and the Step Switching Function SSF were proposed in order to diagnose faults efficiently The faults were automatically diagnosed from Fault Diagnosis System FDS with these diagnostic models A suitable interface environment between CNC and an application program was constructed to apply the developed system to the internal functioning of CNC Also a suitable web environment was constructed to service remotely diagnosed results The web service functions such as remote monitoring of diagnosed results and remote control of machine tool were implemented and their operability was tested through the web 2 Structure of Open Architecture Controller OAC in Machine Tool The general OAC has its functional configuration as shown in Fig 1 The Numerical Controller Kernel NCK the Man Machine Interface MMI CNC and the Programmable Logic Controller PLC have the same functions as the conventional Numerical Controller NC OAC however is characterized by a flexible structure which allows the implementation of application programs in CNC For fault diagnosis and web based remote services these basic functions need two additional functions such as FDS and Remote Service System RSS FDS which is internally implemented within the open architecture CNC can search for the cause of a fault when a fault occurs For remote services RSS enables communication with an external system in order to transmit and receive the current status of machines and the diagnosed results The major reason to use dual architecture such as FDS and RSS is to reduce communication problems and support real time diagnosis For instance if FDS is executed on an external network network troubles can 石家庄铁道大学毕业设计 44 occur by unstable communication session and network congestion Because FDS has to be continuously connected with open architecture CNC in order to obtain necessary data such as input and output signals of the PLC for fault diagnosis 3