賈 勇,陳曉飛,翟 旭
(1.新疆工程學(xué)院 信息工程學(xué)院,烏魯木齊 830023;2.中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所,烏魯木齊 830023)
數(shù)控機(jī)床是一個(gè)由機(jī)、電、液組成的一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),相比較于傳統(tǒng)機(jī)床,數(shù)控機(jī)床的機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)化性能更好[1]。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,不同數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)點(diǎn)可能會(huì)引起同一個(gè)故障,因此數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時(shí),機(jī)床故障監(jiān)測(cè)診斷結(jié)果往往都是錯(cuò)誤的。近年來(lái),數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的發(fā)展越來(lái)越好,帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越高,如果數(shù)控機(jī)床因?yàn)楣收贤V构ぷ鳎l(fā)的后果很難彌補(bǔ),所以解決以上問題是數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的重中之重[2-3]。設(shè)備故障診斷技術(shù)是認(rèn)識(shí)和掌握設(shè)備運(yùn)行過程的狀態(tài),判斷其整體或局部的正?;虍惓#霸绨l(fā)現(xiàn)故障及其原因,并預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。機(jī)器故障診斷技術(shù)屬于信息技術(shù)范疇,是利用被診斷對(duì)象提供的各種有用信息,對(duì)其進(jìn)行分析處理,以獲取設(shè)備狀態(tài)的特征參數(shù),從而作出正確的診斷結(jié)論。利用實(shí)時(shí)檢測(cè)到的狀態(tài)信息便可及早發(fā)現(xiàn)加工誤差,并盡快進(jìn)行修正,從而達(dá)到降低產(chǎn)品廢品率,節(jié)約企業(yè)成本的目的。
目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域故障監(jiān)測(cè)診斷功能單一并且故障診斷結(jié)果準(zhǔn)確率低,NI CompactRIO(本文題目和下文簡(jiǎn)稱為CRIO)是美國(guó)NI公司最新研究出基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嵌入式系統(tǒng),應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè),其工作原理是根據(jù)監(jiān)測(cè)和采集數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行參數(shù),利用遠(yuǎn)程上位機(jī)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工狀態(tài)進(jìn)行合理的分析和診斷,加大數(shù)據(jù)分析的精度以便達(dá)到提高機(jī)床的故障診斷能力的目的,減少故障對(duì)數(shù)控機(jī)械工業(yè)帶來(lái)不必要的損失[4-5]。
綜上所述,本文提出基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是由可重復(fù)配置的IO/FPGA核底板、數(shù)據(jù)處理器、模塊、接口組成的嵌入式系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)處理器采集數(shù)據(jù)信息,通過核底板進(jìn)行分析和離線處理,完成數(shù)控機(jī)床故障監(jiān)測(cè)診斷操作,工作人員可以訪問硬件平臺(tái)的任意模塊,完成相應(yīng)的需求。
基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)由數(shù)控機(jī)床在線監(jiān)測(cè)模塊和遠(yuǎn)程設(shè)備管理及故障診斷模塊組成,數(shù)控機(jī)床在線監(jiān)測(cè)模塊是放置在數(shù)控機(jī)床的工作車間內(nèi),完成32通道的機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)的采集,并對(duì)機(jī)械運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè);遠(yuǎn)程設(shè)備管理及故障診斷模塊主要完成的工作任務(wù)一方面是將數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)內(nèi),為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ),另一方面是根據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)完成機(jī)床故障診斷操作[6]。具體的系統(tǒng)總框架如圖1所示。
圖1 基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體框架
基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的硬件區(qū)域由NTI CRIO驅(qū)動(dòng)器、新型伺服電動(dòng)機(jī)、采集卡、傳感器以及PC上位機(jī)組成[7]。在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的區(qū)域組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)模塊的工作原理是采用多線程編程,解決數(shù)據(jù)硬件區(qū)域的數(shù)據(jù)采集卡出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的故障問題。主要面向的對(duì)象是較大數(shù)據(jù)量的信息點(diǎn),避免多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)模塊在數(shù)據(jù)緩存時(shí),出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)模塊由非分頁(yè)環(huán)形內(nèi)存池、用戶緩存區(qū)數(shù)據(jù)采集板卡組成[8-9]。非分頁(yè)環(huán)形內(nèi)存池是多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部唯一一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域,用來(lái)存儲(chǔ)在線監(jiān)測(cè)模塊采集到數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù),為了防止數(shù)據(jù)中斷,在每一次的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)指針,讀取數(shù)據(jù)空間。如果內(nèi)存池的存儲(chǔ)空間滿了,那么內(nèi)存池1中的最后一次數(shù)據(jù)會(huì)映射到重新開啟的另一個(gè)內(nèi)存池中,完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),具體的多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)模塊
觀察圖3可知,多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)模塊為了提高報(bào)警被發(fā)覺的效果,采用兩級(jí)聲光報(bào)警模式對(duì)32通道的數(shù)控機(jī)械進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)值大于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),存儲(chǔ)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息發(fā)出聲光警報(bào)并對(duì)當(dāng)前運(yùn)行的數(shù)控機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行鎖死,不允許繼續(xù)工作,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為數(shù)控機(jī)械故障分析提供有效的數(shù)據(jù)。因?yàn)閿?shù)控機(jī)械涉及到的結(jié)構(gòu)較多,為此基于CRIO的在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)提取出代表的數(shù)控性能,分別為機(jī)械運(yùn)行的加速度、速度、壓力、濃度、PH值及電渦流,通過對(duì)以上結(jié)構(gòu)點(diǎn)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行特殊記錄,為機(jī)械故障監(jiān)測(cè)診斷過程奠定基礎(chǔ)[10-11]。
基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的硬件區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)控制模塊的工作任務(wù)是實(shí)現(xiàn)管理機(jī)械設(shè)備各個(gè)終端性能診斷數(shù)據(jù)的傳輸操作[12-13]。CRIO系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)械生產(chǎn)不同產(chǎn)品的規(guī)格,實(shí)時(shí)設(shè)定不同標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器內(nèi)核,設(shè)置相對(duì)合理的并發(fā)機(jī)械數(shù)量,網(wǎng)絡(luò)控制模塊一方面可以隨時(shí)對(duì)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的任意設(shè)備終端進(jìn)行斷開和閉合的操作,用于危險(xiǎn)時(shí),斷開操作,避免大的損失;另一方面對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息,在運(yùn)輸過程中都會(huì)進(jìn)行二次加密操作,保證機(jī)械參數(shù)信息的安全性[14-15]。
數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的設(shè)備管理模塊主要負(fù)責(zé)完成后臺(tái)機(jī)械管理人員對(duì)機(jī)械運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息的管理以及數(shù)控機(jī)械的管理。機(jī)械信息點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方法是交叉樹存儲(chǔ)法,設(shè)定6個(gè)根節(jié)點(diǎn),根據(jù)根節(jié)點(diǎn)的屬性設(shè)置若干個(gè)分支,構(gòu)成一個(gè)樹狀,依次對(duì)數(shù)控機(jī)械運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)管理,在管理過程中,設(shè)備管理模塊可以對(duì)機(jī)械數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行刪除和增加,完善各個(gè)數(shù)控機(jī)械的分析參數(shù)。
基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)硬件區(qū)域的核心模塊是故障診斷模塊,故障診斷模塊的工作是通過隨機(jī)共振技術(shù)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。隨機(jī)共振技術(shù)通數(shù)控機(jī)械共振操作將機(jī)械運(yùn)行過程中的噪音進(jìn)行百倍放大,解決數(shù)控機(jī)械故障診斷特征信號(hào)微弱的問題,提高特征數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性,有利于故障診斷模塊的工作;現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)通過信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)時(shí)域和信號(hào)頻域分析以及其信號(hào)的時(shí)頻分析完成數(shù)控機(jī)械故障信號(hào)的采集和分析。診斷工作人員會(huì)根據(jù)以上的分析結(jié)果數(shù)據(jù)得出診斷報(bào)告,經(jīng)過二次核實(shí),將報(bào)告?zhèn)鞯骄S修部門進(jìn)行維修處理。
本文設(shè)計(jì)的基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件區(qū)域的控制語(yǔ)言選擇圖形化編程語(yǔ)言java,圖形化編程語(yǔ)言能夠突破計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的局限性,提高編程結(jié)果的可變性,更好地完成在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件區(qū)域的調(diào)用。具體的監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件區(qū)域結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。
圖4 軟件設(shè)計(jì)框圖
數(shù)控機(jī)械在運(yùn)行生產(chǎn)過程中由于工作強(qiáng)度和外界環(huán)境的干擾,機(jī)械設(shè)備各個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生切削熱,影響數(shù)控機(jī)械的產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量并減少機(jī)械設(shè)備的使用壽命,所以軟件區(qū)域設(shè)計(jì)了溫度信號(hào)采集程序,目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)械的溫度。采集機(jī)械溫度傳感器的輸出信號(hào),通過串口通信的方式完成機(jī)械溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集。圖5為軟件區(qū)域溫度信號(hào)采集程序的框圖,程序調(diào)用控制機(jī)械溫度信號(hào)和模塊之間的相互傳遞。
圖5 溫度信號(hào)采集程序
數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)程序是軟件區(qū)域的重要調(diào)用程序,實(shí)現(xiàn)方法采用疊層式順序調(diào)用方法,此方法是將各個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行順序存儲(chǔ),完成數(shù)控機(jī)械結(jié)構(gòu)點(diǎn)幀與幀之間數(shù)據(jù)的運(yùn)輸,數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)程序?qū)崿F(xiàn)模擬圖如圖6所示。
圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序操作模擬圖
選用格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),確定樣本,估算標(biāo)準(zhǔn)偏差,計(jì)算公式為:
(1)
通過概率論進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為:
(2)
其中:P為數(shù)控機(jī)械各結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)的概率值,若該值小于0.5,即超出標(biāo)準(zhǔn)值要求范圍,表示該結(jié)構(gòu)存在隱形故障。
通過上述公式獲取采樣數(shù)據(jù),判斷數(shù)控機(jī)械的各個(gè)結(jié)構(gòu)的性能,本文通過分析機(jī)械主軸、工作臺(tái)、電柜、液壓系統(tǒng)、油箱液壓、銑削齒輪各個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)參數(shù)以及狀態(tài),完成數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷。工作臺(tái)的振動(dòng)頻率、工作一段時(shí)間內(nèi)的位移和溫度差,可以體現(xiàn)數(shù)控機(jī)械工作的狀態(tài),如果3類數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值不在要求范圍內(nèi),那么機(jī)械就存在一定的隱形故障。對(duì)信息進(jìn)行分析,確定有效數(shù)據(jù)后,將得到的有效數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。
數(shù)據(jù)顯示子程序的主要任務(wù)是通過NI設(shè)計(jì)方法將數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)程序和溫度信號(hào)采集程序調(diào)用控制的結(jié)果展示出來(lái)。數(shù)據(jù)顯示子程序會(huì)執(zhí)行工作人員的調(diào)用命令,完成各個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的調(diào)用,具有實(shí)時(shí)性,對(duì)于數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷的效率有促進(jìn)作用,采集的信息利用數(shù)據(jù)采集卡輸送到硬件區(qū)域的數(shù)據(jù)顯卡內(nèi),完成存儲(chǔ)記錄。
數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。
圖7 數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件流程圖
如圖7所示,數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)軟件編程采用Java編程語(yǔ)言,通過溫度信號(hào)采集程序采集溫度信號(hào),通過格拉布斯準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),并計(jì)算各參數(shù)概率值,判斷其是否存在隱形故障,最后通過數(shù)據(jù)顯示子程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控診斷結(jié)果的顯示,完成軟件設(shè)計(jì)。
為驗(yàn)證提出的基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的有效性,以基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)及基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法,驗(yàn)證系統(tǒng)診斷的準(zhǔn)確性及診斷過程的準(zhǔn)確性。
選用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有如下幾個(gè):CRIO、數(shù)據(jù)采集卡、AKD驅(qū)動(dòng)器、PC上位機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
根據(jù)上述參數(shù),進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),在絲杠螺母上固定傳感器,并將傳感器與CRIO連接,啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制程序,在保證設(shè)備連接狀況沒有異常的情況下開始工作。同時(shí),使用提出的基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)、傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)以及基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè),采集數(shù)控機(jī)械溫度數(shù)據(jù)。利用LabVIEW軟件將3種系統(tǒng)采集到的結(jié)果寫入顯示面板,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
圖8 溫度采集結(jié)果實(shí)驗(yàn)圖
通過均勻采集法獲得圖像內(nèi)部數(shù)據(jù),得到的結(jié)果如表2所示。
表2 溫度采集結(jié)果
如圖8及表2所示,可以看出,所提方法采集到的的溫度信息與實(shí)際溫度值相差較小,而其他兩個(gè)對(duì)比方法與實(shí)際溫度值存在較大的誤差,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)能夠有效提高溫度采集精度,提升檢測(cè)準(zhǔn)確性。
數(shù)控機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集結(jié)果如圖9所示。
圖9 振動(dòng)信號(hào)采集結(jié)果實(shí)驗(yàn)圖
分析圖9可知,基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)采集結(jié)果與實(shí)際值較為接近,而基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)及基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的采集結(jié)果與實(shí)際值偏差較大。由此可以看出,基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)械的共振信號(hào),提升故障監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。
采集過程的穩(wěn)定性如圖10~12所示。
圖10 基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性
圖11 基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性
圖12 基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性
如圖10~12所示,基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的電壓波動(dòng)一直遵循一定的規(guī)律,而基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)及基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)則存在較大波動(dòng)誤差,本文提出的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制為基礎(chǔ),將檢測(cè)系統(tǒng)安裝在數(shù)控機(jī)床上,利用檢測(cè)系統(tǒng)提供的檢測(cè)程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的自動(dòng)檢測(cè),使數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備,也是檢測(cè)設(shè)備,因此該系統(tǒng)可在線監(jiān)控下實(shí)時(shí)檢測(cè)加工過程中零件的狀態(tài)信息,有效提升了數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本文通過分別研究基于CRIO的數(shù)控機(jī)械在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域的各個(gè)組成模塊和編程程序,作為一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái),CRIO的硬件驅(qū)動(dòng)和方便的編程設(shè)計(jì)為自動(dòng)測(cè)量和儀器控制提供了良好的環(huán)境。其模塊可有效地實(shí)現(xiàn)曲線擬合和數(shù)據(jù)分析功能。實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析模塊不僅具有友好的人機(jī)交互界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,而且能夠快速、實(shí)時(shí)地完成不同工況下的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析。將該方法運(yùn)用在實(shí)際工程中,能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)械監(jiān)測(cè)診斷,滿足實(shí)際工作的需求。