本發(fā)明涉及一種機床振動監(jiān)測技術(shù)，具體地說是一種基于LabView與單片機的機床振動監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
：機床加工振動是影響工件表面質(zhì)量的一個重要因素，數(shù)控機床在加工過程中，刀具與工件接觸面隨主軸轉(zhuǎn)動對機床產(chǎn)生振動激勵，又由于機床裝配、工件裝卡以及加工工藝等因素使得振動預(yù)測難以實現(xiàn)，當(dāng)加工程序編制完成并運行之后，加工過程中加工參數(shù)便已固定，因此機床對加工過程中的突發(fā)情況，如撞刀、振動加劇等情況無法做出應(yīng)對。專利號為CN201420471749.X的一種機床振動在線監(jiān)控系統(tǒng)是通過機床數(shù)控系統(tǒng)對主軸進行監(jiān)測控制，需要數(shù)控系統(tǒng)對其開放相應(yīng)權(quán)限，且功能單一，僅能實現(xiàn)報警功能。專利號為CN201320505108.7的一種機床的振動傳感監(jiān)測裝置以及專利號為CN201120096755.8的一種機床運行監(jiān)測系統(tǒng)僅能采集振動信號，不能使機床自動做出反應(yīng)。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中機床對加工過程中因振動產(chǎn)生的突發(fā)情況無法做出應(yīng)對等不足，本發(fā)明要解決的問題是提供一種具有振動抑制功能、實現(xiàn)回路控制的LabView與單片機的機床振動監(jiān)測系統(tǒng)及方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明一種基于LabView與單片機的機床振動監(jiān)測系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集單元、PC上位機程序單元以及單片機邏輯控制單元，其中：數(shù)據(jù)采集單元采集機床振動數(shù)據(jù)傳入PC上位機程序單元；PC上位機程序單元對機床振動數(shù)據(jù)進行分析計算，輸出控制指令至單片機邏輯控制單元；單片機邏輯控制單元對控制指令進行邏輯處理后向機床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動、進給倍率變動以及急停處理信號。所述數(shù)據(jù)采集單元包含TEDS加速度傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡，其中TEDS傳感器置于機床主軸振動數(shù)據(jù)采集點，通過信號線與數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡通過USB連接線與PC上位機程序單元相連。所述單片機邏輯控制單元包含單片機以及繼電器模組，其中單片機通過信號線與PC上位機程序單元相連，繼電器模組輸入端通過信號線與單片機相連，輸出端通過信號線與機床PLC相連。本發(fā)明基于LabView與單片機的機床振動監(jiān)測系統(tǒng)的控制方法包括以下步驟：由數(shù)據(jù)采集單元采集機床振動數(shù)據(jù)傳入PC上位機程序單元；PC上位機程序單元接收數(shù)據(jù)采集單元采集的機床振動數(shù)據(jù)，對機床振動數(shù)據(jù)進行計算、分析，輸出控制指令至單片機邏輯控制單元；單片機邏輯控制單元對控制指令進行邏輯處理后向機床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動、進給倍率變動以及急停處理信號，機床PLC程序?qū)⒃撔盘枌懭霗C床系統(tǒng)運行指定內(nèi)存；機床系統(tǒng)在加工過程中實時調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、進給速度變化或者使機床進行急停動作。PC上位機程序單元接收數(shù)據(jù)采集單元采集的機床振動數(shù)據(jù)，對機床振動數(shù)據(jù)進行計算、分析包括：建立檢測通道，PC上位機程序單元通過其內(nèi)部TEDS傳感器自動檢測模塊檢測數(shù)據(jù)采集單元中TEDS加速度傳感器，讀取TEDS加速度傳感器參數(shù)；由數(shù)據(jù)庫模塊進行數(shù)據(jù)記錄，通過信號閾值比較模塊進行閾值比較、信號規(guī)律分析模塊進行分析，所得結(jié)果經(jīng)由串口通信模塊傳送至單片機邏輯控制單元。信號規(guī)律分析模塊進行分析的步驟為：基于一線加工數(shù)據(jù)進行整合，將加工過程的振動特征數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，將振動特征量與加工表面質(zhì)量進行模糊邏輯控制，按不同機床類型與工藝，形成模糊控制標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)定各環(huán)節(jié)的閾值；根據(jù)機床類型和加工工序特征對加工零件的材質(zhì)設(shè)定對應(yīng)的準(zhǔn)則，控制準(zhǔn)則依從迭代更新的原則，確?？刂茰?zhǔn)則的準(zhǔn)確性；信號規(guī)律分析模塊檢測TEDS加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)信號規(guī)律發(fā)生變動后，信號規(guī)律分析模塊根據(jù)上述控制準(zhǔn)則確定機床的控制方法，并根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則生成控制指令發(fā)送給單片機?？刂浦噶畎鹗紭?biāo)識、命令字、數(shù)據(jù)值和結(jié)束標(biāo)識四部分，其中起始標(biāo)識表示一個新控制指令的開始；命令字說明控制指令的用途，包括調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、調(diào)整進給軸轉(zhuǎn)速和控制急停三種命令；數(shù)據(jù)值為設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速或進給軸轉(zhuǎn)速的百分比，對應(yīng)加工程序設(shè)定轉(zhuǎn)速的0％到120％；結(jié)束標(biāo)志表示控制指令結(jié)束。單片機邏輯控制單元對控制指令進行邏輯處理為：信號規(guī)律分析模塊將輸出控制指令通過串口通信發(fā)送至單片機邏輯控制單元；單片機邏輯控制單元完整的接收數(shù)據(jù)并根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則對控制指令進行解析，分析出命令字和數(shù)據(jù)值。如果命令字為控制急停命令，則單片機立即通過繼電器模塊向數(shù)控系統(tǒng)PLC發(fā)出急?？刂菩盘?，PLC接收到急停信號后立即執(zhí)行機床急停命令；如果命令字為調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速或調(diào)整進給軸轉(zhuǎn)速命令，則首先將數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速倍率對應(yīng)的格雷碼，然后將格雷碼的每一位的值輸出到一個繼電器模塊；當(dāng)命令字為調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速倍率格雷碼通過一個繼電器模組發(fā)送到機床PLC中；當(dāng)命令字為調(diào)整進給軸轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速倍率格雷碼通過另一個繼電器模組發(fā)送到機床PLC中；機床PLC再將相應(yīng)的倍率格雷碼發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)中的指定內(nèi)存，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的修改倍率指令。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：1.本發(fā)明機床振動監(jiān)測系統(tǒng)采用NI-USB4431數(shù)據(jù)采集卡及智能TEDS加速度傳感器，可以方便的進行機床切削振動數(shù)據(jù)采集、分析以及報告生成，可以替代價格昂貴的振動分析儀，并且具備體積小、攜帶方便等優(yōu)點，并且可以根據(jù)公司需求進行程序調(diào)整，高效與CNAS檢測標(biāo)準(zhǔn)銜接。2.本發(fā)明采用的PC與機床通信使用單片機最小系統(tǒng)以及繼電器模組，僅需要進行簡單連線，并修改極小部分PLC程序，即可實現(xiàn)對機床主軸及進給的動態(tài)控制，不需要機床數(shù)控系統(tǒng)的額外授權(quán)，甚至可以在各種低端數(shù)控機床上實現(xiàn)，具有操作簡單明了、通用性強以及價格低廉等優(yōu)點，解決了長久以來機床性能研究僅能測試不能動態(tài)操控的短板，可以提高研究成果向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化速度。3.本發(fā)明基于模糊數(shù)學(xué)模型，可以實時監(jiān)測機床加工振動數(shù)據(jù)，根據(jù)自定義模糊規(guī)則在一定范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整機床加工參數(shù)，優(yōu)化加工參數(shù)，減小機床加工振動，借以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量的目的，同時該系統(tǒng)實現(xiàn)方式為自定義模糊規(guī)則，因此天然提供了自學(xué)習(xí)功能擴展，為后續(xù)的智能加工研究提供了接口。4.本發(fā)明采用單片機技術(shù)，可以很方便的擴展為芯片級集成，使監(jiān)測系統(tǒng)脫離計算機的限制，方便的集成到機床數(shù)控系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)提供的撞刀保護功能能夠以較低的價格在幾乎所有的高端到低端數(shù)控機床上實現(xiàn)，提升機床的技術(shù)含量，而振動抑制功能則可以采用中高端芯片，在更新為集成芯片程序后，擴展到中高端機床上。附圖說明圖1為本發(fā)明組成及數(shù)據(jù)流動方向示意圖；圖2為本發(fā)明中PC上位機程序單元組成框圖；圖3為本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集單元組成框圖；圖4為本發(fā)明中單片機邏輯控制單元組成框圖；圖5為本發(fā)明中機床加工振動信號采集過程及數(shù)據(jù)流向示意圖；圖6為本發(fā)明中機床加工撞刀保護過程及數(shù)據(jù)流向示意圖；圖7為本發(fā)明中機床動態(tài)智能加工過程及數(shù)據(jù)流向示意。其中，1為機床，2為TEDS加速度傳感器，3為數(shù)據(jù)采集卡，4為單片機，5為繼電器模塊。具體實施方式下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步闡述。如圖1所示，本發(fā)明一種基于LabView與單片機的機床振動監(jiān)測系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集單元、PC上位機程序單元以及單片機邏輯控制單元，其中：數(shù)據(jù)采集單元采集機床1的振動數(shù)據(jù)傳入PC上位機程序單元；PC上位機程序單元對機床振動數(shù)據(jù)進行分析計算，輸出控制指令至單片機邏輯控制單元；單片機邏輯控制單元對控制指令進行邏輯處理后向機床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動、進給倍率變動以及急停處理信號，機床PLC程序?qū)⒃撔盘枌懭霗C床系統(tǒng)運行指定內(nèi)存。如圖2所示，所述PC上位機程序單元包括TEDS傳感器自動檢測模塊、信號顯示模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、信號閾值比較模塊、信號規(guī)律分析模塊、串口通信模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊以及模擬測試模塊；其中，系統(tǒng)設(shè)置模塊提供PC機上位程序單元閾值設(shè)置、串口參數(shù)設(shè)置、傳感器參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)庫管理設(shè)置功能；模擬測試模塊提供手動調(diào)試PC上位機程序單元控制機床啟停功能、主軸轉(zhuǎn)速倍率控制、進給倍率控制功能。如圖3所示，所述數(shù)據(jù)采集單元包含TEDS加速度傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡，其中TEDS傳感器置于機床主軸振動數(shù)據(jù)采集點，通過信號線與數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡通過USB連接線與PC上位機程序單元相連。如圖4所示，所述單片機邏輯控制單元包含單片機以及繼電器模組，其中單片機通過信號線與PC上位機程序單元相連，繼電器模組輸入端通過信號線與單片機相連，輸出端通過信號線與機床PLC相連；單片機中運行單片機邏輯控制程序。本發(fā)明一種基于LabView與單片機的機床振動監(jiān)測系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：由數(shù)據(jù)采集單元采集機床振動數(shù)據(jù)傳入PC上位機程序單元；PC上位機程序單元接收數(shù)據(jù)采集單元采集的機床振動數(shù)據(jù)，對機床振動數(shù)據(jù)進行分析計算，輸出控制指令至單片機邏輯控制單元；單片機邏輯控制單元對控制指令進行邏輯處理后向機床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動、進給倍率變動以及急停處理信號，機床PLC程序?qū)⒃撔盘枌懭霗C床系統(tǒng)運行指定內(nèi)存；機床系統(tǒng)在加工過程中實時調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、進給速度變化或者使機床進行急停動作(與撞刀保護相關(guān))。如圖5所示，本發(fā)明方法通過TEDS加速度傳感器采集機床振動數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為PC機可識別信號，通過基于LabView編制的上位機程序系統(tǒng)分析計算，使用串口發(fā)出控制指令，由單片機對控制指令進行邏輯處理并經(jīng)由繼電器模組向機床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動、進給倍率變動以及急停處理信號，機床PLC程序?qū)⒃撔盘枌懭霗C床系統(tǒng)運行指定內(nèi)存，從而在加工過程中實時調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、進給速度變化或者使機床進行急停動作。PC上位機程序單元接收數(shù)據(jù)采集單元采集的機床振動數(shù)據(jù)，對機床振動數(shù)據(jù)進行計算、分析包括：建立檢測通道，PC上位機程序單元通過其內(nèi)部TEDS傳感器自動檢測模塊檢測數(shù)據(jù)采集單元中TEDS加速度傳感器，讀取TEDS加速度傳感器參數(shù)，并由信號顯示模塊進行顯示。由數(shù)據(jù)庫模塊進行數(shù)據(jù)記錄，通過信號閾值比較模塊進行閾值比較、信號規(guī)律分析模塊進行分析，所得結(jié)果經(jīng)由串口通信模塊傳送至單片機邏輯控制單元。本實施例中，信號規(guī)律分析模塊進行分析的步驟為：基于一線加工數(shù)據(jù)進行整合，將加工過程的振動特征數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，將振動特征量與加工表面質(zhì)量進行對應(yīng)關(guān)系分析，形成模糊控制邏輯，按不同機床類型與工藝，形成模糊控制標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)定各環(huán)節(jié)的閾值；依托實際加工測試與現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗，根據(jù)機床類型和加工工序特征對加工零件的材質(zhì)設(shè)定對應(yīng)的準(zhǔn)則，控制準(zhǔn)則依從迭代更新的原則，確?？刂茰?zhǔn)則的準(zhǔn)確性；信號規(guī)律分析模塊檢測TEDS加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)信號規(guī)律發(fā)生變動后，信號規(guī)律分析模塊根據(jù)上述控制準(zhǔn)則確定機床的控制方法，并根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則生成控制指令發(fā)送給單片機。本實施采用的控制指令格式為：01230x7E命令字?jǐn)?shù)據(jù)值0x7F控制指令包含起始標(biāo)識、命令字、數(shù)據(jù)值和結(jié)束標(biāo)識四部分，其中起始標(biāo)識表示一個新控制指令的開始，規(guī)定固定值為0x7E；命令字說明控制指令的用途，包括調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、調(diào)整進給軸轉(zhuǎn)速和控制急停三種命令，分別對應(yīng)0x01，0x02和0x03；數(shù)據(jù)值為設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速或進給軸轉(zhuǎn)速的百分比，范圍為0x00～0x78，對應(yīng)加工程序設(shè)定轉(zhuǎn)速的0％到120％；結(jié)束標(biāo)志表示控制指令結(jié)束，規(guī)定固定值為0x7F。例如調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速到最大轉(zhuǎn)速的80％，則發(fā)送控制指令為0x7E01507F。信號規(guī)律分析模塊檢測TEDS加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)信號規(guī)律發(fā)生變動后，信號規(guī)律分析模塊根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則向單片機發(fā)送指令。單片機邏輯控制單元對控制指令進行邏輯處理為：信號規(guī)律分析模塊將輸出控制指令通過串口通信發(fā)送至單片機邏輯控制單元；單片機邏輯控制單元完整的接收數(shù)據(jù)并根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則對控制指令進行解析，分析出命令字和數(shù)據(jù)值。如果命令字為0x03，即控制急停命令，則單片機立即通過一個繼電器模塊向數(shù)控系統(tǒng)PLC發(fā)出急?？刂菩盘?，PLC接收到急停信號后立即執(zhí)行機床急停命令；如果命令字為0x01或0x02，即調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速或調(diào)整進給軸轉(zhuǎn)速命令，則首先將數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速倍率對應(yīng)的8位的格雷碼，然后將格雷碼的每一位的值輸出到一個繼電器模塊；當(dāng)命令字為0x01，即調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速倍率格雷碼通過一個8位的繼電器模組發(fā)送到機床PLC中；當(dāng)命令字為0x02，即調(diào)整進給軸轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速倍率格雷碼通過另一個8位的繼電器模組發(fā)送到機床PLC中；機床PLC再將相應(yīng)的倍率格雷碼發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)中的指定內(nèi)存，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的修改倍率指令，從而達(dá)到控制主軸或進給軸轉(zhuǎn)速的目的。本發(fā)明可實現(xiàn)機床加工振動信號的采集、機床加工撞刀保護以及機床動態(tài)智能加工，其中數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)采集過程如圖5所示，使用到的單元包括數(shù)據(jù)采集單元、PC上位機程序單元中的TEDS傳感器自動檢測模塊、信號顯示模塊和數(shù)據(jù)庫模塊，TEDS加速度傳感器2置于機床主軸振動數(shù)據(jù)采集點，使用數(shù)據(jù)線連接于數(shù)據(jù)采集卡3，數(shù)據(jù)采集卡3通過USB數(shù)據(jù)線連接PC上位機程序系統(tǒng)模塊。PC上位機程序單元自動檢測TEDS加速度傳感器2的參數(shù)，并將TEDS加速度傳感器2采集到的機床振動加速度數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫模塊中。機床加工撞刀保護如圖6所示，使用到的模塊包括數(shù)據(jù)采集單元、單片機邏輯控制單元以及PC上位機程序系統(tǒng)模塊中的TEDS傳感器自動檢測模塊、信號顯示模塊和信號閾值比較模塊，TEDS加速度傳感器2置于機床主軸振動數(shù)據(jù)采集點，使用數(shù)據(jù)線連接于數(shù)據(jù)采集單元中數(shù)據(jù)采集卡3，數(shù)據(jù)采集卡3通過USB數(shù)據(jù)線連接PC上位機程序單元，PC上位機程序單元經(jīng)由RS232串口數(shù)據(jù)線連接到單片機邏輯控制單元中的單片機4，單片機4與繼電器模組連接，繼電器模組與機床PLC輸入點連接。在PC上位機程序單元中，通過系統(tǒng)設(shè)置模塊設(shè)置加速度閾值，TEDS加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過處理后傳入信號閾值比較模塊，當(dāng)超過設(shè)定閾值后，PC上位機程序模塊向單片機發(fā)送指令，單片機邏輯控制單元分析指令后通過繼電器模組向機床PLC發(fā)送停機指令。機床動態(tài)智能加工如圖7所示，使用到的模塊包括：數(shù)據(jù)采集單元、單片機邏輯控制單元以及PC上位機程序單元中的TEDS傳感器自動檢測模塊、信號顯示模塊、信號規(guī)律分析模塊3，TEDS加速度傳感器2置于機床主軸振動數(shù)據(jù)采集點，使用數(shù)據(jù)線連接于數(shù)據(jù)采集卡3，數(shù)據(jù)采集卡通過USB數(shù)據(jù)線連接PC上位機程序單元，PC上位機程序單元經(jīng)由RS232串口數(shù)據(jù)線連接到單片機4中，單片機4與繼電器模組連接，繼電器模組與機床PLC輸入點連接。TEDS加速度傳感器2采集到的數(shù)據(jù)通過處理后傳入信號規(guī)律分析模塊，當(dāng)信號規(guī)律發(fā)生變動后，信號規(guī)律分析模塊根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則向單片機4發(fā)送指令，單片機邏輯控制單元分析指令后通過繼電器模組向機床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率編碼與進給倍率編碼，機床PLC程序?qū)⑹盏降木幋a信號寫入內(nèi)存指定地址，改變機床主軸轉(zhuǎn)速或進給速度。本發(fā)明采用NI-USB4431數(shù)據(jù)采集卡及智能的TEDS加速度傳感器，可以方便的進行機床切削振動數(shù)據(jù)采集、分析以及報告生成，可以替代價格昂貴的振動分析儀，并且具備體積小、攜帶方便等優(yōu)點，并且可以根據(jù)現(xiàn)場需求進行程序調(diào)整，高效地與CNAS檢測標(biāo)準(zhǔn)銜接。本發(fā)明基于模糊數(shù)學(xué)模型，可以實時監(jiān)測機床加工振動數(shù)據(jù)，根據(jù)自定義模糊規(guī)則在一定范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整機床加工參數(shù)，優(yōu)化加工參數(shù)，減小機床加工振動，借以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量的目的，同時該系統(tǒng)實現(xiàn)方式為自定義模糊規(guī)則，因此天然提供了自學(xué)習(xí)功能擴展，為后續(xù)的智能加工研究提供了接口。本發(fā)明采用了單片機技術(shù)，可以很方便的擴展為芯片級集成，使監(jiān)測系統(tǒng)脫離計算機的限制，方便的集成到機床數(shù)控系統(tǒng)中，因此使得系統(tǒng)提供的撞刀保護功能能夠以較低的價格在幾乎所有的高端到低端數(shù)控機床上實現(xiàn)，提升機床的技術(shù)含量，而振動抑制功能則可以采用中高端芯片，在更新為集成芯片程序后，擴展到中高端機床上。當(dāng)前第1頁1 2 3