井陸陽，王太勇，陳東祥，張 攀

（天津大學(xué) 機構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室，天津 300072）

數(shù)控機床多參數(shù)在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

井陸陽，王太勇，陳東祥，張 攀

（天津大學(xué) 機構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引言

數(shù)控機床是集機、電、液為一體的復(fù)雜機電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且自動化程度高。由于數(shù)控機床本身的復(fù)雜性及多樣性，使得機床故障受到機械、電氣、控制系統(tǒng)等多種因素影響，導(dǎo)致同一種故障的原因都可能是多種多樣的[1～3]。針對數(shù)控機床故障原因多樣、監(jiān)測診斷與故障維修繁瑣困難的問題，提出對機床復(fù)雜系統(tǒng)進行多參數(shù)監(jiān)測，進而對加工狀態(tài)進行診斷，提高數(shù)控機床加工的精度和可靠性，減少由于數(shù)控系統(tǒng)故障帶來的損失。

本文結(jié)合計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)及故障診斷技術(shù)，建立了數(shù)控機床多參數(shù)在線監(jiān)測與管理診斷系統(tǒng)，在工作現(xiàn)場對數(shù)控機床進行多參數(shù)在線監(jiān)測，并由遠程上位機進行設(shè)備及數(shù)據(jù)的集中分析管理。實現(xiàn)對數(shù)控機床的多參數(shù)實時監(jiān)測、設(shè)備管理及故障診斷的功能。

1 系統(tǒng)總體框架

數(shù)控機床多參數(shù)在線監(jiān)測、管理與診斷系統(tǒng)由以下兩個部分組成：工作現(xiàn)場的多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)32通道的在線數(shù)據(jù)采集并兼容多種傳感器，對數(shù)控機床提供多參數(shù)實時監(jiān)測；遠程設(shè)備管理及故障診斷系統(tǒng)，提供遠程設(shè)備的集中分析管理及故障診斷的功能。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

1.1 多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1.1 多線程編程設(shè)計

采用多線程編程，針對一些需高采樣頻率的采集量，解決了數(shù)據(jù)采集卡FIFO產(chǎn)生的溢出現(xiàn)象，避免在高采樣率下計算機用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)“丟點”現(xiàn)象[4]。在系統(tǒng)空間里開辟一個連續(xù)的獨立的非分頁環(huán)形內(nèi)存區(qū)域，由數(shù)據(jù)采集板卡負責(zé)數(shù)據(jù)采集，并將其數(shù)據(jù)填充在環(huán)形內(nèi)存池中，且維持一個當(dāng)前指針，它指向環(huán)形內(nèi)存池中最新數(shù)據(jù)的位置。開始采集后，設(shè)備對象操作環(huán)形內(nèi)存池的第一個片段，每當(dāng)一片數(shù)據(jù)存滿并開始另一片段數(shù)據(jù)存儲的時候，線程1啟動將滿的一個片段的數(shù)據(jù)映射到用戶緩沖區(qū)中；線程2則從用戶緩沖區(qū)中取數(shù)并完成數(shù)據(jù)的處理。該方式流程如圖2所示。測試結(jié)果能夠使得采集卡在最高采樣頻率下不出現(xiàn)“丟點”現(xiàn)象。

圖2 多線程流程圖

1.1.2 多通道在線采集，實時監(jiān)測報警

可以32通道同時在線監(jiān)測，采用兩級聲光報警模式，當(dāng)監(jiān)測值大于一級報警值時，發(fā)出聲光報警，并自動進行數(shù)據(jù)存儲，將數(shù)據(jù)緩存里預(yù)存的報警前數(shù)據(jù)及實時采集到的數(shù)據(jù)進行存儲，為后續(xù)故障分析提供數(shù)據(jù)支持；支持自動數(shù)據(jù)采集及連續(xù)大樣本數(shù)據(jù)采集。

1.1.3 兼容多種傳感器，對數(shù)控機床進行多參數(shù)綜合監(jiān)控

針對影響數(shù)控機床故障的參數(shù)較多，診斷維修復(fù)雜的情況，采用加速度、速度、壓力、濃度、PH值及電渦流等多種傳感器，對數(shù)控機床進行多參數(shù)監(jiān)控，并為后續(xù)故障診斷及設(shè)備管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

監(jiān)測主軸及工作臺的振動、位移及溫度，判斷各個軸承運轉(zhuǎn)是否正常，保證主軸及工作臺穩(wěn)定性及加工精度[5]。根據(jù)測量電柜電流、電壓，監(jiān)控機床強電部分，對于不開放的商用數(shù)控系統(tǒng)也可以獲得主軸工作時間，判斷各個班次工人的實際工作時間，為人員管理及機床使用壽命提供數(shù)據(jù)參考；同時，由電柜電流、電壓的波動情況可監(jiān)測工作臺、主軸運行的穩(wěn)定性，為故障診斷提供依據(jù)。監(jiān)測油箱、切削液溫度，防止由于發(fā)熱導(dǎo)致油液黏度過低或發(fā)生變質(zhì)，影響加工穩(wěn)定甚至漏油；為判斷液壓系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)泵或各個閥門故障提供判斷參考。監(jiān)測油箱液位及壓力，當(dāng)出現(xiàn)較快下降并且工作臺靜壓導(dǎo)軌、銑削齒輪箱變檔潤滑及工作臺面的夾緊不良時，則判斷可能出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，并為數(shù)控機床的定期維護、保養(yǎng)提供參考。根據(jù)酸堿度的測量，監(jiān)控機床摩擦及腐蝕等問題，為查找判斷故障原因提供依據(jù)。

表1 主要傳感器類型及主要監(jiān)測量

1.2 遠程設(shè)備管理及故障診斷系統(tǒng)

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)控制模塊

網(wǎng)絡(luò)控制模塊實現(xiàn)對各個采集終端的身份管理，上傳數(shù)據(jù)的接收及診斷結(jié)果的下傳。采用Socket技術(shù)，可以根據(jù)服務(wù)器實際硬件性能，設(shè)置并發(fā)用戶個數(shù)[6]；任意控制某一采集終端的連接與斷開, 保障系統(tǒng)的安全性；實時偵聽各個采集終端的連接消息，針對采集終端的非正常斷開情況，增加反饋信息功能，向采集終端提示連接狀況；對數(shù)據(jù)包進行加密，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及安全性。

1.2.2 設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊實現(xiàn)用戶信息管理、監(jiān)測點的信息管理和設(shè)備管理等。監(jiān)測點的信息管理采用了六級的樹形管理目錄，包括有總廠-分廠-車間-設(shè)備-監(jiān)測點-監(jiān)測物理量[7]，采用圖形化的界面顯示，對于每級目錄都對應(yīng)有相應(yīng)的屬性頁來描述該級設(shè)備信息，能夠清晰的顯示出機床測點位置信息和測量數(shù)據(jù)的分級管理；同時可根據(jù)具體需要增加或刪除測點；提供設(shè)備及數(shù)據(jù)的檢索功能，可統(tǒng)計各分廠、車間、設(shè)備的測點個數(shù)，或者對報警數(shù)據(jù)進行查詢，實現(xiàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)的集中化管理。圖3顯示了測點的設(shè)置圖與實際傳感器的布置圖。

圖3 測點設(shè)置與傳感器布置對比圖

1.2.3 故障診斷模塊

故障診斷模塊包含隨機共振方法，針對數(shù)控裝備的早期故障特征信號很微弱、信噪比極低的情況，通過隨機共振使湮沒在隨機噪聲中的微弱信息得到增強放大，數(shù)控裝備的故障可以較早發(fā)現(xiàn)，有助于設(shè)備的安全可靠運行[7]；同時，也包括現(xiàn)代信號處理方法中的信號預(yù)處理、信號時域分析、信號頻域分析及其信號的時頻分析[7,8]。包含的信號分析處理與特征提取方法如圖4所示。專家在對設(shè)備進行分析可調(diào)用故障診斷報告模板，生成故障診斷報告，并將其下傳至相應(yīng)采集終端，指導(dǎo)現(xiàn)場人員的調(diào)試及維修。故障診斷報告如圖5所示。

圖4 信號分析處理與特征提取框圖

圖5 故障診斷報告

2 現(xiàn)場測試

與某公司合作，在現(xiàn)場進行了系統(tǒng)測試，圖6顯示了現(xiàn)場基于工控機的多通道在線監(jiān)測系統(tǒng)及其主界面。對數(shù)控機床進行實時多參數(shù)監(jiān)測，并通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)上傳至遠程設(shè)備管理及故障診斷系統(tǒng)，有專業(yè)人員使用遠程設(shè)備管理及故障診斷系對數(shù)據(jù)進行分析處理，并生成相應(yīng)的故障診斷報告下傳至現(xiàn)場。

圖6 現(xiàn)場的多通道在線監(jiān)測系統(tǒng)(左)采集系統(tǒng)主界面(右)

3 結(jié)束語

針對數(shù)控機床故障原因復(fù)雜、影響因素多的問題，集合傳感器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、故障診斷技術(shù)及現(xiàn)代設(shè)備管理理念，構(gòu)建了一套數(shù)控機床多參數(shù)監(jiān)測、管理與診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)控機床多參數(shù)實時監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的集中化管理及專家的遠程診斷。該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)控機床進行多狀態(tài)監(jiān)控，有效減少機床故障停機時間，指導(dǎo)并提高維修水平，具有一定的工程意義。

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The design and implementation of multi-parameter monitoring and diagnostic system for CNC machine tools

JING Lu-yang, WANG Tai-yong, CHEN Dong-xiang, ZHANG Pan

針對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障原因多樣，構(gòu)建了數(shù)控機床多參數(shù)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由工作現(xiàn)場部分的多參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)和遠程部分的設(shè)備管理及故障診斷系統(tǒng)組成。工作現(xiàn)場部分實現(xiàn)對數(shù)控機床振動、電壓、電流、液位、壓力及溫度等多個參數(shù)的在線監(jiān)測，遠程部分實現(xiàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)的集中分析管理及故障診斷。該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)控機床進行較為全面的監(jiān)測，并進行有效的故障診斷，提高維修水平，具有一定的工程意義。

數(shù)控機床；多參數(shù)監(jiān)測；故障診斷；設(shè)備管理

井陸陽（1988 -），男，博士研究生，研究方向為動態(tài)測試與故障診斷技術(shù)。

TG659

A

1009-0134(2013)06(上)-0178-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.06(上).53

2013-04-26

國家科技支撐計劃（2013BAF06B00）；天津市科技支撐重點項目（12ZCZDGX01600）資助項目