【正文】 第2章 數(shù)控機床檢測系統(tǒng)硬件配置 數(shù)控機床檢測系統(tǒng)硬件總體配置數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的硬件主要包括四部分：傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和個人計算機。傳感器的種類很多，且有不同的分類方法，按參考坐標(biāo)的不同可分為絕對式與相對式傳感器；按工作方式的不同可分為接觸式和非接觸式傳感器；按工作原理的不同可分為結(jié)構(gòu)型和物性型傳感器。(2)熱敏電阻式溫度傳感器。磁電式速度傳感器是把被測物體的振動速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種傳感器，它的輸出電壓與被測對象的振動速度成正比。裝在殼體外的非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號的頻率，與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比。壓電式加速度傳感器是以壓電晶體或人工極化陶瓷為敏感元件，將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號的換能裝置，它的輸出電荷與振動加速度成正比。沒有好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，數(shù)據(jù)分析再精確也沒有用，因為分析的信號都是沒有意義的。圖22 NICompactDAQ便攜式數(shù)據(jù)紀(jì)錄儀許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只有固定的功能，因此它們只能連接特定傳感器類型。被測物理量經(jīng)過傳感器后，往往成為電阻、電容、電荷、電壓或電流的變化量。采集到整個樣本后，緩存區(qū)被數(shù)據(jù)填滿，然后LabVIEW在程序中對數(shù)據(jù)進行分析，存儲及顯示。在LabVIEW下對數(shù)據(jù)的管理有兩種方式：一種是將數(shù)據(jù)存放在文本文件中，另外就是以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為核心來對數(shù)據(jù)進行管理[25]。采樣分析中得到的特征參量如：最大值、平均值、均方根、頻率、幅值、相位等則放到數(shù)據(jù)庫中保存，可以方便地對數(shù)據(jù)進行刪除、插入、查詢及排序等基木操作。振動信號分析包括時域分析、頻域分析和倒頻譜分析。液壓設(shè)備故障診斷中常用的診斷參數(shù)有: 振動、壓力、溫度、流量、油液污染度、容積效率、泄漏量等等。機床液壓系統(tǒng)用液壓泵主要是容積式泵，它將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，是使流體的位置、壓力和速度得到提高的元件。(3)液壓缸。壓力閥一旦失效，便會引起壓力失調(diào)（如壓力下跌、無壓力、壓力波動及不可調(diào)等），壓力閥失效的主要原因是閥心卡死及彈簧折斷等。(6)流量閥。主要包括蓄能器、過濾器、管件、接頭等。用溫度傳感器直接測試元件表面溫度，可推斷其內(nèi)部狀態(tài)變化狀況。系統(tǒng)壓力信號可以作為監(jiān)測液壓泵的特征信號，而且壓力傳感器具有價格低廉、安裝方便、不會對系統(tǒng)造成不良影響等優(yōu)點。圖47為液壓系統(tǒng)壓力測試前面板。隨后逐步關(guān)閉加載閥，使油壓從0升到最大值（）,記錄相應(yīng)的實時流量。液壓系統(tǒng)流量檢測各參數(shù)檢測程序框圖如圖49所示，液壓系統(tǒng)流量檢測前面板如圖410所示。(4)電動機由于動平衡不良或軸承損壞等而產(chǎn)生振動。在運行過程中，所有的機器都會受到疲勞、磨損、變形和地基下沉的影響。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能為：(1)濾波。機床振動測試前面板如圖414所示。(6)空氣具有可壓縮性，使氣動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過載自動保護，也便于貯氣罐貯存能量，以備急需。它是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機械運動，并將壓縮空體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。(5)傳動介質(zhì)。數(shù)控機床中應(yīng)用的氣馬達種類很多?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據(jù)保存、報警功能，將信號進行功率譜分析。本系統(tǒng)可實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)振動烈度的評級?？梢栽谝韵聨讉€方面繼續(xù)開展研究：(1)數(shù)控機床的故障種類多種多樣，可以綜合運用模糊診斷法、故障診斷專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和短時Fourier 變換、小波變換等時頻分析技術(shù)研究更有效的特征信號提取和分析處理的方法。馬老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵，給我提出了許多意見和指示，使我能夠圓滿的完成畢業(yè)設(shè)計。感謝我的家人多年來對我學(xué)業(yè)上的支持，是他們一直以來的默默付出，使我順利度過了十幾年的求學(xué)生涯。感謝一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)們。參考文獻[1]《機床設(shè)計手冊》編寫組．機床設(shè)計手冊第四冊 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997．[2] 李國華．機械故障診斷[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992 ． [3] 楊云強．測試技術(shù)與虛擬儀器[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010．[4] 林宋，田建君．現(xiàn)代數(shù)控機床[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．[5] 朱文藝，陸全龍．?dāng)?shù)控機床故障診斷與維修[M]．北京：科學(xué)出版社，2006．[6] 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．[7] 機床故障診斷與檢修叢書編委會．機床液壓系統(tǒng)常見故障診斷與檢修[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006．[8] 蔡厚道．?dāng)?shù)控機床構(gòu)造[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2007:86~96．[9] 王貴成．?dāng)?shù)控機床故障診斷技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．[10] 熊詩波，黃長藝．機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006．[11] 趙晨光，魏麗．[M]．北京：北京鐵道出版社，2008．[12] 何存興，張鐵華．液壓傳動與氣壓傳動[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社2000:281.[13] 張凱, 虛擬儀器工程設(shè)計與開發(fā)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.[14] 黃志堅,[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.[15] Acquisition Basic Manual[Z].USA:National 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氣動系統(tǒng)壓力極限值報警程序框圖氣動系統(tǒng)壓力檢測系統(tǒng)前面板如圖416所示，速度檢測系統(tǒng)的前面板如圖417所示。氣動裝置系統(tǒng)故障診斷的基本原理就是采用對比檢測法，即根據(jù)實際氣動裝置系統(tǒng)輸出與參考數(shù)值或與標(biāo)準(zhǔn)值的比較，來判斷氣動裝置系統(tǒng)是否存在故障。它是使壓縮空氣凈化、潤滑、消聲以及用于元件間連接等所需要的一些裝置?？諝鈮嚎s機將原動機械供給的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能；而氣源凈化設(shè)備用以降低壓縮空氣的溫度，除去壓縮空氣中的水分、油分以及污染雜質(zhì)等。(4)氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，適于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。該程序有實測和虛擬測試兩種工作方式，虛擬測試即采用仿真信號模擬波形，對程序的運行效果進行模擬實驗。機床振動位移允許檻值如表42所示，機床振動位移檢測程序框圖如圖413所示。液壓系統(tǒng)振動測試前面板如圖412所示。(2)油管管道碰擊。s1)。將渦輪式流量傳感器按圖48接入測試回路，先測出額定流量與空載流量：將液壓缸處于下端頂死位置，同時將溢流閥回油管用一根橡膠軟管接通至油箱外的油桶內(nèi)，再將溢流閥壓力分別調(diào)至額定壓力和，啟動電動機使其在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，即可測定額定流量與空載流量。壓力極限值報警程序框圖如圖44所示。先在設(shè)備正常狀態(tài)下，測出各點正常的壓力值，并以此為基準(zhǔn)，根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作機理，推測相關(guān)元件磨損以后，有關(guān)點的壓力值將發(fā)生什么變化，由此判斷元件的損壞情況。液壓元件本身發(fā)熱過多，引起表面溫度升高主要有兩種情況：一是節(jié)流發(fā)熱；二是摩擦發(fā)熱。液壓裝置的能量流與物料流量是一致的，且前后相通，故液壓回路中任一處發(fā)生密封問題都會引起系統(tǒng)能量傳遞的偏差。換向閥損壞后，液壓系統(tǒng)的動作次序會出現(xiàn)錯亂。壓力閥主要包括各類溢流閥、減壓閥和順序閥。液壓馬達的損壞主要是工作部分及運動件磨損，使間隙增大，進而引起輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下降、泄漏增大及振動增大。圖39 數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)總界面第4章 數(shù)控機床檢測系統(tǒng)程序設(shè)計 數(shù)控機床液壓系統(tǒng)檢測液壓系統(tǒng)與機械傳動、電氣傳動相比具有以下優(yōu)點：(1)液壓傳動的各種元件，可根據(jù)需要方便、靈活的布置；(2)重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快；(3)操縱控制方便，可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速；(4)可自動實現(xiàn)過載保護；(5)一般采用礦物油為工作介質(zhì)，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長；(6)很容易實現(xiàn)直線運動；(7)很容易實現(xiàn)機器的自動化[12]；由于以上優(yōu)點，液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床中，因此液壓系統(tǒng)檢測對機床故障維修也越來越重要。氣動系統(tǒng)檢測壓力檢測速度檢測馬達選擇運行是否報警有故障正常運行保存波形波形回放是否圖37 氣動檢測系統(tǒng)功能圖(3)液壓檢測系統(tǒng)隨著數(shù)控機床液壓技術(shù)向高速、高壓和大功率方向的發(fā)展,液壓系統(tǒng)故障越來越被人們重視。本診斷系統(tǒng)中數(shù)控機床的檢測功能如圖35所示。對于波形數(shù)據(jù)保存為測量文件， 為擴展名。這時可以對大量的經(jīng)過分析后的數(shù)據(jù)的特征參量進行二次分析，以用來總結(jié)設(shè)備的工作情況。使用緩存技術(shù)進行模擬輸入時，LabVIEW按系統(tǒng)設(shè)定的采樣數(shù)和采樣的信道數(shù)在內(nèi)存中分配一塊緩存數(shù)據(jù)。 信號調(diào)理系統(tǒng)信號調(diào)理簡單的說就是將待測信號通過放大、濾波等操作轉(zhuǎn)換成采集設(shè)備能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)信號。利用NI軟件就可以輕松使用NI CompactDAQ來記錄簡單實驗數(shù)據(jù)，或開發(fā)完整的自動化測試和控制系統(tǒng)。圖43 壓電式加速度傳感器表21 LC0104壓電加速度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)型號靈敏度/mV此類傳感器的主要特點是結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠，有較高的測量精度和良好的線性關(guān)系。當(dāng)被測流體流過傳感器時，在流體作用下，渦輪受力而旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與管道平均流速成正比。由于去載時彈性形變可恢復(fù)，所以應(yīng)變式壓力傳感器不僅能測壓力的上升段，也能測量壓力的下降段，能反映出壓力變化的全過程。霍爾傳感器具有體積小、外圍電路簡單、頻帶寬、動態(tài)特性好、壽命長等特點。圖21為數(shù)控機床檢測系統(tǒng)的硬件組成。(3)利用LabVIEW軟件開發(fā)工程機械故障診斷模塊。用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序成為虛擬儀器程序，簡稱VI。軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。隨著電子測量、信號處理、傳感器、計算機等技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)科研單位研究開發(fā)了一些針對不同應(yīng)用場合的監(jiān)測診斷系統(tǒng)。發(fā)展新型超精密加工機床是當(dāng)今數(shù)控機床的發(fā)展趨勢。但由于該設(shè)備運轉(zhuǎn)的連續(xù)性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 勢必會出現(xiàn)大量的振動、可靠性等問題, 機床損壞事故也時有發(fā)生, 給國家、企業(yè)帶來巨大的損失。經(jīng)仿真測試，該系統(tǒng)大大提高了數(shù)控機床故障診斷準(zhǔn)確度和效率，而且界面操作簡單，擴展性好，易于開發(fā)。我國的數(shù)控行業(yè)也正以高速發(fā)展的勢頭緊追世界先進的水平。氣動系統(tǒng)主要檢測氣動裝置是否具有合適的工作壓力和運動速度。通過對數(shù)據(jù)的分析, 確定并顯示測點的報捷值, 及時提醒現(xiàn)場進行分析與相應(yīng)的處理。基于虛擬技術(shù)的檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用到數(shù)控機床故障的檢測與診斷中。（二）數(shù)控機床檢測診斷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展：數(shù)控機床的故障診斷技術(shù)與傳統(tǒng)機床有著較大的區(qū)別, 需采用更為先進的故障診斷技術(shù), 及時在線監(jiān)測和診斷數(shù)控機床的故障。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（一）現(xiàn)代數(shù)控機床的發(fā)展趨勢：（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)，對精密加工技術(shù)提出新的要求。它具加工精度高、生產(chǎn)效率高、自動化程度高、對加工對象的適應(yīng)性強、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，是現(xiàn)代制造業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備。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)計編程；5. 軟件使用說明書的編寫。在現(xiàn)代測量中，虛擬儀器系統(tǒng)能更迅捷、更經(jīng)濟、更靈活地解決測試問題。 （2）高速化：數(shù)控機床高速化可充分發(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. 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)”的形式提供機床參數(shù)和狀態(tài)信息。具體功能如下：1. 信號的采集與控制功能?；贚abVIEW的數(shù)控機床監(jiān)測診斷系統(tǒng)的開發(fā),