湯期林，彭云峰,童雅芳，王惠雪，王振忠，畢 果

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361102； 2．廈門大學(xué)深圳研究院，深圳 518000)

0 引言

在高檔磨床的可靠性和精度保持性等方面，國內(nèi)技術(shù)與國外存在較大差距，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用更是缺乏[1-2]。精密磨床的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以提高所研制裝置運(yùn)行的可靠性和運(yùn)行精度，減少磨床故障發(fā)生率，簡(jiǎn)化維護(hù)過程，提高磨床系統(tǒng)的整體性能[3-4]。對(duì)磨床裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的就是對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種信息進(jìn)行獲取、傳輸、處理、分析和應(yīng)用，以確保自動(dòng)化制造過程可靠、安全、高效、高質(zhì)量的運(yùn)行。

在對(duì)機(jī)床進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究應(yīng)用方面，郭力等利用磨削實(shí)驗(yàn)采集的聲發(fā)射信號(hào)小波分解系數(shù)的方差值來判斷金剛石砂輪磨損狀態(tài)[5]。車霞等通過分析機(jī)床振動(dòng)特性建立了機(jī)床振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)總體方案[6]。鞠萍華等通過搭建溫度測(cè)點(diǎn)與機(jī)床熱誤差之間的映射關(guān)系，形成機(jī)床熱誤差補(bǔ)償機(jī)制[7]。在開展的這些機(jī)床狀態(tài)研究中，只對(duì)機(jī)床某個(gè)部件進(jìn)行單一信號(hào)的監(jiān)測(cè)，缺少對(duì)機(jī)床整體的多種信號(hào)多個(gè)通道的綜合監(jiān)測(cè)。同時(shí)，在數(shù)據(jù)采集量和準(zhǔn)確度上存在不足，缺少對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的有效管理。獲取和管理加工過程的各種不同狀態(tài)數(shù)據(jù)是質(zhì)量預(yù)測(cè)順利實(shí)施的源泉與信息保證。

本文為實(shí)現(xiàn)磨床整體的多信號(hào)多通道狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以NI-PXI為系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺(tái)，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，使用LabVIEW開發(fā)監(jiān)測(cè)軟件的不同功能模塊，結(jié)合SQL server 2012數(shù)據(jù)庫對(duì)不同信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理與調(diào)用，開發(fā)了一套磨床多信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了磨床整體的振動(dòng)，溫度以及聲發(fā)射信號(hào)在內(nèi)的多路通道的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為提高磨床加工精度以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工質(zhì)量預(yù)測(cè)等功能打下了基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

磨床加工過程的異常狀態(tài)代表某些參數(shù)偏離了正常的范圍，如振動(dòng)、異常升溫等。異常狀態(tài)的出現(xiàn)將導(dǎo)致加工質(zhì)量下降，生產(chǎn)率降低等結(jié)果[8]。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除加工的異常狀態(tài)，保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，有必要對(duì)磨床的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。磨床多信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要在不影響正常工作情況下，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)磨床部件各種物理信號(hào)，作為后續(xù)磨床質(zhì)量預(yù)測(cè)與故障診斷等功能的數(shù)據(jù)支持。

基于磨床的結(jié)構(gòu)和加工條件，為了滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)需要從以下幾點(diǎn)出發(fā)：

(1)多種類多通道的信號(hào)準(zhǔn)確獲?。罕O(jiān)測(cè)系統(tǒng)以磨床導(dǎo)軌、主軸、工作臺(tái)和滾珠絲桿為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，分別布置加速度、溫度以及聲發(fā)射傳感器。針對(duì)不同傳感器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采用不同的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，滿足多通道信號(hào)數(shù)據(jù)同步采集，防止數(shù)據(jù)相互影響，保證多通道信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。

(2)數(shù)據(jù)的分析與存儲(chǔ)：加速度和聲發(fā)射傳感器的信號(hào)為快變動(dòng)態(tài)信號(hào)，采樣頻率較高。同時(shí)，每段信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)較大。系統(tǒng)需要具備較高的存儲(chǔ)速度，防止數(shù)據(jù)的丟失。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)雜、多變、基數(shù)大，對(duì)其數(shù)據(jù)處理與分析格外重要。

(3)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用：針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的加工參數(shù)、信號(hào)數(shù)據(jù)以及特征數(shù)據(jù)等，建立圖1所示磨床全信息數(shù)據(jù)庫，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、分析決策庫和報(bào)警數(shù)據(jù)庫等。同時(shí)，將各種數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫對(duì)其快速、高效和主動(dòng)管理。

圖1 磨床全信息數(shù)據(jù)庫

1.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于上述系統(tǒng)功能的需求，搭建如圖2所示磨床多信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在磨床重要部件中布置相應(yīng)傳感器。硬件采用NI-PXI平臺(tái)作為基礎(chǔ)，結(jié)合PXI的各種動(dòng)態(tài)信號(hào)模塊，采集不同傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)同步采集。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件采用TDMS文件，能夠滿足數(shù)據(jù)高速采集的功能。LabVIEW編程環(huán)境可結(jié)合SQL server數(shù)據(jù)庫編寫軟件，創(chuàng)建磨床全信息數(shù)據(jù)庫。

圖2 磨床多信號(hào)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要由PXI平臺(tái)以及三種信號(hào)傳感器構(gòu)成。其中PXI平臺(tái)包括PXI機(jī)箱、控制器和PXI模塊。而市場(chǎng)上基于嵌入式技術(shù)的采集系統(tǒng)成本較高，數(shù)據(jù)運(yùn)算精度受至于硬件的性能，功能單一且不易維護(hù)，不適合本系統(tǒng)。

PXI機(jī)箱采用型號(hào)PXIe-1082，具有8個(gè)PXI Express插槽。每插槽高達(dá)2GB/s的專用帶寬和8 GB/s的系統(tǒng)帶寬。控制器采用PXIe-8840型號(hào)，可同時(shí)添加多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備。振動(dòng)采集模塊選擇型號(hào)為PXIe-4497，聲發(fā)射模塊選擇型號(hào)為PXIe-6366。

傳感器方面采用PCB公司的三軸加速度傳感器，上海睿濤信息科技有限公司的高精度數(shù)字式溫度傳感器以及美國物理聲學(xué)所的聲發(fā)射傳感器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各功能通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)，本軟件在LabVIEW 2017環(huán)境下進(jìn)行圖形化編程。根據(jù)程序功能的需求，軟件以同步采集與顯示、高速存儲(chǔ)和分析評(píng)價(jià)三個(gè)模塊為主，配以登入、用戶管理和報(bào)警功能，確保軟件的完整性。程序的頂層設(shè)計(jì)結(jié)合生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式(事件)和消息隊(duì)列狀態(tài)機(jī)，用于軟件各個(gè)功能模塊的有序執(zhí)行。

2.2.1 同步采集與顯示模塊

LabVIEW為數(shù)據(jù)采集提供了許多庫函數(shù)，針對(duì)PXI平臺(tái)，使用DAQ的各種函數(shù)能幫助數(shù)據(jù)采集軟件的開發(fā)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以振動(dòng)、溫度和聲發(fā)射信號(hào)為主要對(duì)象，基于信號(hào)的特性不同，需要設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。

在使用DAQ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)時(shí)，需要靈活地使用各種函數(shù)，包括創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)，定時(shí)函數(shù)，啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)和讀取函數(shù)等。在使用多個(gè)板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以通過PXI機(jī)架的總線進(jìn)行時(shí)鐘的路由，達(dá)到多板卡之間的同步。同時(shí)，采用并行結(jié)構(gòu)，在不同線程中操作同一塊板卡。充分利用DAQmx通道屬性節(jié)點(diǎn)的濾波、增益和抗混疊衰減等屬性保證數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集返回的數(shù)據(jù)為波形數(shù)據(jù)，利用波形圖控件是顯示數(shù)據(jù)的最佳方式。波形圖控件的游標(biāo)和注釋屬性增加數(shù)據(jù)顯示的靈活性。

數(shù)據(jù)采集界面由振動(dòng)信號(hào)采集、聲發(fā)射信號(hào)采集和溫度信號(hào)采集三個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)采集過程分為初始化、配置板卡參數(shù)、采樣、讀取緩存數(shù)據(jù)和顯示等。配置板卡參數(shù)需要完成通道配置、采樣頻率、采樣間隔和采樣點(diǎn)數(shù)等。

2.2.2 高速存儲(chǔ)模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行多種信號(hào)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力提出了要求，需要具備龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量以及高速的存儲(chǔ)速度。LabVIEW提供了多種存儲(chǔ)方式，包括文本文件和二進(jìn)制文件。

TDMS文件是適用于高速存儲(chǔ)的文件格式，具有速度快，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，最高存儲(chǔ)速度可達(dá)到600MB/s[9]。

存儲(chǔ)TDMS文件的過程包括打開、文件寫入、關(guān)閉三個(gè)步驟，利用順序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式執(zhí)行整個(gè)過程。文件打開用于設(shè)置存儲(chǔ)路徑和文件名，不同信號(hào)存儲(chǔ)于特定的路徑中，每段數(shù)據(jù)配以有序的文件名，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正確。通過在文件寫入中設(shè)置通道組和通道，可以記錄不同類型的數(shù)據(jù)。以振動(dòng)信號(hào)為例，通道組設(shè)置一個(gè)三軸傳感器的X通道、Y通道和Z通道，每個(gè)通道組創(chuàng)建三個(gè)通道對(duì)象，通道名稱設(shè)置為振動(dòng)值、采樣時(shí)間、采樣率，數(shù)據(jù)類型為數(shù)值、時(shí)間標(biāo)識(shí)和字符串。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入完成后，立即執(zhí)行文件關(guān)閉。創(chuàng)建不同的線程分別存儲(chǔ)不同傳感器的數(shù)據(jù)，利用多線程技術(shù)保證數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)。同時(shí)利用隊(duì)列在多個(gè)線程中傳遞數(shù)據(jù)。

2.2.3 分析評(píng)價(jià)模塊

監(jiān)測(cè)軟件采集獲取的原始數(shù)據(jù)多為非確定信號(hào)，該信號(hào)并不能直接反映機(jī)床狀態(tài)[10]。信號(hào)分析模式通過分析和提取原始數(shù)據(jù)的特征數(shù)據(jù)，主觀的反映監(jiān)測(cè)的各種信號(hào)。對(duì)信號(hào)分析處理，采用信號(hào)時(shí)域統(tǒng)計(jì)和信號(hào)頻域分析是兩種較為有效的方式。時(shí)域分析統(tǒng)計(jì)包括均值、均方根值、方差和峭度等。例如在砂輪磨損時(shí)，振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)的均值往往會(huì)增大。頻域分析包括傅里葉變換，幅值譜、功率譜、相位譜和功率譜密度等。在正常磨削時(shí)，功率譜往往體現(xiàn)環(huán)境噪聲。當(dāng)出現(xiàn)磨損時(shí)，頻譜幅值會(huì)持續(xù)增大[11]。

數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)模塊將狀態(tài)特征與加工質(zhì)量相對(duì)應(yīng)，利用數(shù)據(jù)分析積累對(duì)后續(xù)的加工形成有效預(yù)測(cè)與控制。圖3為結(jié)合數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)數(shù)據(jù)分析流程，根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化采樣頻率，實(shí)時(shí)提取加工狀態(tài)數(shù)據(jù)特征，同時(shí)與歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，將區(qū)別于歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)加入新的累加中，后續(xù)再針對(duì)性補(bǔ)充與該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的加工質(zhì)量特征。如此反復(fù)，形成一個(gè)已存儲(chǔ)大量分析數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)加工質(zhì)量預(yù)測(cè)提供事實(shí)經(jīng)驗(yàn)參考基礎(chǔ)。

圖3 狀態(tài)數(shù)據(jù)分析處理流程

3 數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用SQL SERVER 2012數(shù)據(jù)庫，對(duì)系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)以及加工參數(shù)進(jìn)行全方面的管理，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)倉庫。監(jiān)測(cè)軟件可以使用數(shù)據(jù)庫連接工具包訪問數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行數(shù)據(jù)的插入和查詢各種操作[12]。

3.1 在線存儲(chǔ)模塊

監(jiān)測(cè)軟件將采集的數(shù)據(jù)以TDMS文件格式進(jìn)行保存，但TDMS文件內(nèi)存占用將較大，需要巨大的內(nèi)存空間。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)將TDMS文件中的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，減少內(nèi)存空間的同時(shí)易于管理。TDMS文件作為數(shù)據(jù)采集的臨時(shí)存儲(chǔ)格式，數(shù)據(jù)庫則作為數(shù)據(jù)的最終存儲(chǔ)庫。同時(shí)，設(shè)置每個(gè)TDMS文件對(duì)應(yīng)的加工參數(shù)，選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，利用ADO SQL Execute.vi和insert插入數(shù)據(jù)語句將原始數(shù)據(jù)、特征值和加工參數(shù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。

在圖4所示在線存儲(chǔ)模塊前面板界面中，通過選擇測(cè)點(diǎn)文件路徑，加載待存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)文件。同時(shí)設(shè)置加工參數(shù)、特征選擇以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表，執(zhí)行開始存儲(chǔ)操作，就能將各種數(shù)據(jù)有序、正確的存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。

圖4 在線存儲(chǔ)功能前面板

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊的功能是對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基本的操作，包括查詢，顯示，刪除和備份等。在查詢過程中，利用SQL結(jié)構(gòu)化語言提供的各種高級(jí)查詢函數(shù)，如聚合函數(shù)、分組查詢和嵌套子查詢等，完成數(shù)據(jù)的查詢。當(dāng)數(shù)據(jù)庫中的某些數(shù)據(jù)不再需要時(shí)，可以通過delete或drop刪除語句，將制定的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中刪除。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的安全性，添加了備份功能，使用backup語句對(duì)數(shù)據(jù)庫和日志文件進(jìn)行備份處理。數(shù)據(jù)管理模塊可以對(duì)數(shù)據(jù)庫中的表和數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范化，保證了監(jiān)測(cè)軟件穩(wěn)定的運(yùn)行。圖5為數(shù)據(jù)管理模塊的前面板界面。管理模塊可以設(shè)置需要查看的數(shù)據(jù)表以及時(shí)間，執(zhí)行開始查詢便能在表格內(nèi)容中查看到相應(yīng)數(shù)據(jù)的信息。同時(shí)，可以導(dǎo)出所需數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)管理模塊前面板界面

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件測(cè)試

為了保證實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)功能，需要對(duì)監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行測(cè)試。軟件測(cè)試選擇4個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)以及2個(gè)聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，并對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)采取同步采集。表1為測(cè)試數(shù)據(jù)采集功能的采樣設(shè)置，選擇較大的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)能夠達(dá)到測(cè)試高速數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的目的。數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行結(jié)果如圖6所示，在使用高采樣率和多測(cè)點(diǎn)同步采集的條件下，軟件能夠準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。同時(shí)，軟件執(zhí)行時(shí)間較短，驗(yàn)證了TDMS文件在數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)。

圖6 振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)采集

監(jiān)測(cè)信號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)量采樣頻率采樣點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)組數(shù)采樣間隔(s)振動(dòng)416000102401030聲發(fā)射218000160001030

數(shù)據(jù)采集完成后，可對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1為對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7為數(shù)據(jù)分析界面運(yùn)行結(jié)果，軟件能夠有效地執(zhí)行各種分析任務(wù)。在線存儲(chǔ)模塊測(cè)試過程中，將40組振動(dòng)信號(hào)和20組聲發(fā)射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫指定數(shù)據(jù)表中。從執(zhí)行在線存儲(chǔ)模塊的結(jié)果得出，軟件能夠穩(wěn)定的訪問數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)管理模塊針對(duì)數(shù)據(jù)查詢、刪除、備份和導(dǎo)出進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明數(shù)據(jù)管理模塊能夠快速調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，并可對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行刪除，備份，導(dǎo)出等操作。通過對(duì)監(jiān)測(cè)軟件不同功能進(jìn)行測(cè)試，確保了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、在線存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理等重要模塊的準(zhǔn)確運(yùn)行。

圖7 數(shù)據(jù)分析界面運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)論

基于NI-PXI硬件平臺(tái)，使用LabVIEW圖形化編程軟件為工具進(jìn)行多層次編程，同時(shí)結(jié)合了數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了一套磨床多信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)、聲發(fā)射和溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示、分析和存儲(chǔ)等功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用高性能硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，設(shè)計(jì)不同模塊滿足功能需求，結(jié)合數(shù)據(jù)庫對(duì)管理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，通過軟件測(cè)試驗(yàn)證了相關(guān)功能的可行性。該系統(tǒng)的建立為磨床狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了方案，同時(shí)對(duì)其它監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了重要的參考價(jià)值。