【正文】 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)的開發(fā)The Development of Detecting NC Machine Tool System Based on Virtual Instrument屆 機(jī)械工程 學(xué)院專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期 2011年 6 月 4 日畢業(yè)設(shè)計(jì)成績單學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班級(jí)專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)開發(fā)指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱教授評(píng) 定 成 績指導(dǎo)教師得分評(píng)閱人得分答辯小組組長得分成績：院長(主任) 簽字：年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題　目基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)開發(fā)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班級(jí)專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù)單位石家莊鐵道大學(xué)導(dǎo)師姓名導(dǎo)師職稱教授一、主要內(nèi)容開發(fā)基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)：以微機(jī)為基礎(chǔ)，以LabVIEW軟件為核心，通過數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理板，加之必要的傳感器，開發(fā)數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)。二、基本要求 1．測試參數(shù)及各參數(shù)范圍的確定；2. 有關(guān)傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡的選型；3．關(guān)鍵參數(shù)測試方法的確定；4. 虛擬儀器軟件的設(shè)計(jì)編程；5. 軟件使用說明書的編寫。三、主要技術(shù)指標(biāo)（或研究方法）本課題用LabVIEW編程，對(duì)數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)信號(hào)進(jìn)行采集、顯示、分析處理及存儲(chǔ)，通過頻譜分析判斷數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。液壓系統(tǒng)主要參數(shù)有溫度、壓力、流量、振動(dòng)；氣動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)包括氣動(dòng)裝置壓力、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)波形保存和波形回放方便操作者重復(fù)觀看波形和數(shù)據(jù)，便利判斷故障及產(chǎn)生原因。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)測試技術(shù)與虛擬儀器數(shù)控機(jī)床構(gòu)造機(jī)械故障診斷數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修數(shù)控機(jī)床的常見故障與排除方法五、進(jìn)度計(jì)劃第 1周 第 3周 調(diào)研、查資料、外文翻譯、確定研究方法和技術(shù)路線，熟悉軟件第 4周 第 8周 總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、關(guān)鍵技術(shù)研究第 9周 第 11周 軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試、系統(tǒng)優(yōu)化第 12周 第 13周 論文撰寫，準(zhǔn)備答辯教研室主任簽字時(shí)　間 　　 年　 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題　目基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)開發(fā)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班級(jí)專業(yè)機(jī)械工程及自動(dòng)化一、課題的目的和意義數(shù)控機(jī)床是指采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床的加工過程進(jìn)行自動(dòng)化控制的一類機(jī)床。它具加工精度高、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代制造業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備。但由于該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)大量的振動(dòng)、可靠性等問題, 機(jī)床損壞事故也時(shí)有發(fā)生, 給國家、企業(yè)帶來巨大的損失。因此數(shù)控機(jī)床的維修與檢測越來越被企業(yè)所重視。在現(xiàn)代測量中，虛擬儀器系統(tǒng)能更迅捷、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地解決測試問題?；谔摂M儀器（Virtul Instrument）的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)可大大提高數(shù)控機(jī)床的維修效率。虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用源于1986年美國NI公司設(shè)計(jì)的LabVIEW,它是一種基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概念。VI 與傳統(tǒng)儀器的比較具有軟件開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用低，技術(shù)更新周期短等優(yōu)點(diǎn)。其最主要的區(qū)別是VI 的功能由用戶自己定義，而傳統(tǒng)儀器的功能都是由廠商預(yù)先定義好的。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（一）現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)：（1）高精度化：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是精密行業(yè)的出現(xiàn)，對(duì)精密加工技術(shù)提出新的要求。發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善精密技術(shù)是當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)代普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已提高到正負(fù)5 微米。 （2）高速化：數(shù)控機(jī)床高速化可充分發(fā)揮現(xiàn)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質(zhì)量和精度。（3）高自動(dòng)化：數(shù)控機(jī)床的高自動(dòng)化并向著FMC、FMS集成方向發(fā)展（4）控制智能化：數(shù)控機(jī)床智能化主要體現(xiàn)在自適應(yīng)控制技術(shù)，專家系統(tǒng)技術(shù)，故障自診斷、自修復(fù)技術(shù)，智能化交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，模式識(shí)別技術(shù)。（5）工序和功能復(fù)合化（6）高可靠性（7）網(wǎng)絡(luò)化（8）開放式體系結(jié)構(gòu) （9）加工過程綠色化：隨著日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源約束, 制造加工的綠色化越來越重要, 而中國的資源、環(huán)境問題尤為突出。因此, 近年來不用或少用冷卻液、實(shí)現(xiàn)干切削、半干切削節(jié)能環(huán)保的機(jī)床不斷出現(xiàn), 并在不斷發(fā)展當(dāng)中。在21 世紀(jì), 綠色制造的大趨勢(shì)將使各種節(jié)能環(huán)保機(jī)床加速發(fā)展, 占領(lǐng)更多的世界市場。（二）數(shù)控機(jī)床檢測診斷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展：數(shù)控機(jī)床的故障診斷技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)床有著較大的區(qū)別, 需采用更為先進(jìn)的故障診斷技術(shù), 及時(shí)在線監(jiān)測和診斷數(shù)控機(jī)床的故障。目前數(shù)控機(jī)床的診斷技術(shù)有以下幾種： ：用戶機(jī)床的通訊口通過電話線和維修中心的專用通訊診斷計(jì)算機(jī)相連。2. 自修復(fù)系統(tǒng) ：當(dāng)診斷軟件發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行中某一模塊有故障時(shí)，系統(tǒng)在CRT上顯示的同時(shí)，自動(dòng)尋找備用模塊并接上。3. 人工智能專家故障診斷系統(tǒng)4. 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(ANN)診斷常用診斷方法：（望聞問切）：CNC系統(tǒng)的自診斷不但能在CRT上顯示故障報(bào)警信息，而且還能以多頁“診斷地址”和“診斷數(shù)據(jù)”的形式提供機(jī)床參數(shù)和狀態(tài)信息。：除CRT軟報(bào)警外，還有許多“硬件”報(bào)警指示燈，分布在電源、主軸驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)I/O裝置上，由此可判斷故障的原因。（替代法）：用同功能的備用板替換被懷疑有故障的模板。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器, 是計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件之間的有效結(jié)合。它充分利用了計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和計(jì)算功能, 通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的分析處理?；谔摂M技術(shù)的檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床故障的檢測與診斷中。部分學(xué)校與研究單位已開始研究遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)主要完成信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、監(jiān)測報(bào)警、結(jié)果的表達(dá)輸出。具體功能如下：1. 信號(hào)的采集與控制功能。利用平臺(tái)提供的據(jù)采集VI, 使用NI 數(shù)據(jù)采集卡PCI6221 進(jìn)行信號(hào)采集。2. 信號(hào)的分析與處理功能。對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行分析、處理,得出所需結(jié)果, 并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。3. 監(jiān)測報(bào)警功能。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析, 確定并顯示測點(diǎn)的報(bào)捷值, 及時(shí)提醒現(xiàn)場進(jìn)行分析與相應(yīng)的處理。4. 結(jié)果的表達(dá)輸出功能。采用波形圖或顯示型控件等多種方式來顯示所需的參數(shù)輸出各種波形和分析結(jié)果?；贚abVIEW的數(shù)控機(jī)床監(jiān)測診斷系統(tǒng)的開發(fā), 充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì), 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、分析、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、診斷等功能, 體現(xiàn)了在低成本下開發(fā)基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性, 給對(duì)象設(shè)備的維護(hù)、維修、保養(yǎng)帶來很大的方便, 大大提高了數(shù)控機(jī)床在線監(jiān)測診斷的水平, 準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床故障診斷, 為今后數(shù)控機(jī)床的監(jiān)測與診斷提供了先進(jìn)的分析工具。三、研究內(nèi)容及擬采用的方法和手段研究內(nèi)容：該課題為設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)開發(fā)。開發(fā)基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)：以微機(jī)為基礎(chǔ)，以LabVIEW軟件為核心，通過數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理板，加之必要的傳感器，開發(fā)數(shù)控機(jī)床檢測系統(tǒng)。研究方法：數(shù)控機(jī)床常見故障主要包括液壓故障和氣動(dòng)系統(tǒng)故障兩類。常見的液壓故障包括液壓系統(tǒng)壓力不足或過高、振動(dòng)和噪聲、油溫過高。氣動(dòng)系統(tǒng)主要檢測氣動(dòng)裝置是否具有合適的工作壓力和運(yùn)動(dòng)速度。通過以上分析，我們將對(duì)數(shù)控機(jī)床的液壓、氣動(dòng)控制的各方面參數(shù)進(jìn)行檢測。（1）數(shù)控機(jī)床各有關(guān)測試參數(shù)及各參數(shù)范圍的確定。（2）有關(guān)傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡的選型。（3）通過LabVIEW編寫程序圖框?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床各方面性能的檢測。（4）創(chuàng)建LabVIEW菜單，可使用戶快捷方便的對(duì)機(jī)床性能進(jìn)行檢測。關(guān)鍵技術(shù)：LabVIEW軟件的編程及菜單欄的創(chuàng)建四、預(yù)期成果通過查閱資料和自己的學(xué)習(xí)，在老師的指導(dǎo)下，完成檢測系統(tǒng)，力爭實(shí)現(xiàn)其對(duì)數(shù)控機(jī)床液壓、氣動(dòng)控制等性能的檢測。五、工作進(jìn)度計(jì)劃第12周：調(diào)研、查資料、熟悉軟件；（論文綜述，會(huì)使用LabVIEW軟件）第3周：外文翻譯、確定研究方法和技術(shù)路線第46周：總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析第78周：關(guān)鍵技術(shù)研究（LabVIEW菜單、及編程）第910周：軟件設(shè)計(jì)（LabVIEW編程）第11周：調(diào)試、系統(tǒng)優(yōu)化（通過調(diào)試系統(tǒng)看是否能滿足預(yù)期結(jié)果）第1213周：論文撰寫，準(zhǔn)備答辯六、參考文獻(xiàn)[1] 楊云強(qiáng)．測試技術(shù)與虛擬儀器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．[2] 林宋，田建君．現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．[3] 朱文藝，陸全龍．?dāng)?shù)控機(jī)床故障診斷與維修[M]．北京：科學(xué)出版社，2006．[4] 張發(fā)啟．現(xiàn)代測試技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2005．[5] 機(jī)床故障診斷與檢修叢書編委會(huì)．機(jī)床液壓系統(tǒng)常見故障診斷與檢修[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．[6] 陳循介．目前世界機(jī)床工業(yè)形勢(shì)、市場需求和發(fā)展趨勢(shì)[J]．北京：精密制造及自動(dòng)化，2004．[7] 魯方霞，鄧朝暉．?dāng)?shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)及國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀[D]．湖南：湖南大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院，2006．[8] 魏相華，張士文，趙繼敏．虛擬儀器的發(fā)展及前景[J]．南京：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011．[9] 穆吉祥．?dāng)?shù)控機(jī)床的常見故障與排除方法[J]．北京：中國科技信息，2006．[10] 田輝鵬，郭慶偉．基于LabVIEW的數(shù)據(jù)管理在數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．合肥：計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2008．指導(dǎo)教師簽字時(shí)間年 月 日摘 要數(shù)控化加工是機(jī)械行業(yè)朝高質(zhì)量，高精度，高成品率高效率發(fā)展的趨勢(shì)。我國的數(shù)控行業(yè)也正以高速發(fā)展的勢(shì)頭緊追世界先進(jìn)的水平。但是由于許多無法避免的因素影響，數(shù)控機(jī)床會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，以致降低或失去其預(yù)定功能，甚至造成嚴(yán)重事故。這時(shí)如果我們能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障就顯得尤為重要。由于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬儀器正在逐漸成為測試領(lǐng)域的發(fā)展方向。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)能夠達(dá)到共享硬件和軟件資源，方便地利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，進(jìn)行信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)以及圖形化顯示等。本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)，利用NI CompactDAQ、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、NI SCXI 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)和各種傳感器，用圖形化編程語言LabVIEW對(duì)數(shù)控機(jī)床的液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)故障檢測。液壓裝置測試系統(tǒng)通過對(duì)壓力、溫度、振動(dòng)信號(hào)的采集和分析可以判斷液壓裝置的工作狀態(tài)；氣動(dòng)測試系統(tǒng)通過對(duì)壓力、速度信號(hào)的采集處理可以推斷氣動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。使用開發(fā)的虛擬儀器技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，通過對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)采集，時(shí)域、頻域分析判斷機(jī)床是否正常工作及故障發(fā)生原因。經(jīng)仿真測試，該系統(tǒng)大大提高了數(shù)控機(jī)床故障診斷準(zhǔn)確度和效率，而且界面操作簡單，擴(kuò)展性好，易于開發(fā)。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 故障檢測 虛擬儀器 AbstractCNC machining is the tendency of machinery industry which towards highquality, high precision, high efficiency and the development trend of high yield. China CNC industry is also run after the world39。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 puter software progresses continuous, virtual instrument is gradually being a testing field development. We can sharing hardware and software resources and access to the power of the puter easily to achieve the signal analysis, data processing, storage, and graphical display etc. by virtual instrument technology.This article designs fault diagnosis sy