LabVIEW实现数控机床试验波形的采集分析*

□ 郝越邦 □ 邬 铎 □ 任启迪 □ 赵 鑫 □ 孙名佳

沈阳机床股份有限公司 沈阳 110142

数控机床在运行中出现不平衡是一种典型故障，数控机床一旦发生不平衡故障，就会产生振动，轻者造成轴承损坏，严重时还能造成重大质量及安全事故。为此，开发了数控机床试验系统，该系统可以监控机床运行情况，进行数据采集并保存数据、离线分析，达到对设备故障监控诊断的功能，用户可用该试验系统进行数控机床动特性、动响应、动强度和稳定性的分析以及动平衡试验。通过试验研究及理论计算，得出数控机床不平衡机理，并在实验室进行模拟，结合现场测试数据，寻找不平衡判别的特征量，为在线诊断及离线精密诊断数控机床故障提供有效的技术支持。

1 系统总体结构

该试验系统通过传感器检测数控机床运行时产生的状态信号，由对应的数据采集卡将数据采集到工控机中，选取需要的数据进行显示、分析，然后保存到数据库中。完成实时监控、数据采集之后，还可以进行一系列离线时、频域数据的分析，并打印出相关数据和分析结果，系统具体结构如图1所示。

▲图1 系统总体结构

1.1 硬件概述

（1）主体设备：数控机床和西门子数控系统SINUMERIK 840D。

（2）信号检测设备：振动加速度传感器，振动位移传感器，主轴转速传感器，电涡流传感器，声音传感器，信号调理器，其它相关附件。

（3）数据采集单元：美国NI公司的动态信号采集卡NI PCI 4472和E系列多功能数据采集卡NI PCI 6071E及其相关附件，声发射传感器，AE前置放大器，2通道PCI-2声发射采集卡。

（4） 工控机一台：CPU PIV-2.4 G/内存 1G/硬盘120 G/4×PCI/IPC-610。

1.1.1 信号采集源

本试验系统由常规物理量监测诊断和声发射信号处理两个子系统组成，它们各自独立，自成体系。前者需要采集的信号分别为：振动加速度信号，振动位移信号，数控信号，主轴转速信号，声音信号，转速脉冲信号，声发射信号。后者由于是单独的一套，它的硬件和应用软件已成商品化，通过集成、安装调试后即可投入使用，不需要进行开发。因此试验系统的余下部分不涉及后者的子系统，而仅需研究前者的子系统。

1.1.2 信号预处理和信号传输

（1）振动加速度信号：振动加速度传感器检测机床产生的信号，并通过NI公司的SMB100传送到动态信号采集卡NI PCI 4472上。

（2）振动位移信号：振动位移传感器检测机床产生的信号，经过调理器预处理后，采用差分方式通过NI公司的SMB100传送到E系列多功能数据采集卡NI PCI 6071E上。

（3）数控信号：采用“一线总线”的方式，不需要信号调理，通过PROFIBUS直接连到工控机上。

（4）主轴转速信号：主轴转速传感器检测机床产生的信号，经过调理器预处理后，采用差分方式通过NI公司的SMB100传送到E系列多功能数据采集卡NI PCI 6071E上。

（5）声音信号：声音传感器检测机床产生的信号，经过前置放大器预处理后，采用差分方式通过NI公司的SMB100传送到E系列多功能数据采集卡NI PCI 6071E上。

1.1.3 信号采集和参数设置

振动加速度信号：采样频率为10 kHz，间隔时间设定为0.1 s，同步、连续采集。振动位移信号：采样频率为10 kHz，间隔时间设定为0.1 s，同步、连续采集。主轴转速信号：采样频率为10 kHz，间隔时间设定为0.1 s，同步、连续采样。声音信号：采样频率为10 kHz，间隔时间设定为0.1 s，同步、连续采样。

1.2 软件概述

操作系统选用Windows 2000 Server，数据库选用SQL Server 2000软件，界面开发平台选择支持32位操作系统的LabVIEW专业开发版及其Sound and Vibration Toolkit和SQL Toolkit附加工具软件包。

本系统在与数据库链接时，利用附加工具软件包SQL Toolkit，通过SQL Toolkit可以访问现有大多数关系型数据库，用标准SQL语句实现对数据库的查询、修改、增删等操作。

2 系统流程

系统主要流程：系统初始参数设置，系统自检，数据采集和实时分析，将结果数据保存到数据库及进行离线分析，具体结构如图2所示。

▲图2 系统流程示意

3 系统功能模块说明

试验系统总体功能模块主要由实时监测和离线分析两个功能模块组成。

3.1 实时监测模块

该功能模块是在实现系统自检后监测数控机床运行状态的关键模块，它可细分为总貌图、多值棒图、时域图、趋势图、数据采集及数据处理子模块。

（1）总貌图：对由每个采样通道采集来的数据进行分析后，在界面上显示各采样通道一个时间段的有效值（数值显示各测点有效值，每1 s变化1次）。设置采样方式：手动或自动，其中以手动优先。

（2）多值棒图：以柱状图形式显示采集到的数据（在1 s内约定0.1 s的间隔数据），经过分析处理后，显示在不同主频率下的有效值。在图形界面显示每个通道的有效值，显示刷新时间为1 s。多值棒图仅分析振动信号和声音信号。

（3）时域图和趋势图：在各个通道采集到的数据（在1 s内约定0.1 s的间隔数据）经过分析处理后，通过时域图显示出各通道采集数据的实时波形，并实时显示各通道的特征值（最大值、最小值、峰峰值、有效值等）。

（4）趋势图：主要是实时显示每个采集时段各通道数据的波形趋势，即实时显示各通道每组数据的有效值，其刷新频率定为1 Hz。

（5）数据采集：在系统设置完成之后，根据数据库中的系统设置信息，对所选择通道进行数据采集。采样时每个通道每秒钟采集一组数据，每组数据1 024个点，采样频率为10 000 Hz，采样时间大致为0.1 s。

（6）数据处理：利用SQL Server 2000数据库软件进行相应的数据表结构设计后，在TCG16数控机床运行时实时采集各个通道的原始数据并经转换后导入数据库中保存，在采样监测的同时进行实时分析，将其得到的特征数据录入数据库。

3.2 离线分析模块

（1）时域分析。模块分为波形分析和相关分析两部分，波形分析显示所要查询采样通道在各时段的采样数据波形，相关分析用以分析不同通道之间的相互作用及影响。

（2）频域分析。模块分为频谱、功率谱、细化谱、对数谱和倒数谱5个部分，频域分析可通过对各个通道的原始数据（按时间段0.1s）进行计算与处理，显示其对应的幅值图。

（3）小波分析。对数据进行小波变换后的分析。（4）报表打印。选择相关内容，打印离线分析后的数据及各种图表。

（5）瀑布图及趋势分析。是指以采样组号为X轴、频率为Y轴、幅值为Z轴把一段时间内采样的数据显示出来，利用SQL语句查询所需的数据，显示出波形的变化曲线，分析得出其中各个通道的信号变化规律，从而可以找出其物理上的原因，分析出对于数控机床平衡运行有用的数据规律。

4 结束语

该数控机床试验波形采集分析系统经过试运行，由各项试验数据表明，该系统已达到预期效果，可实现如下功能。

（1）建立了运行稳定可靠的数据采集系统；

（2）通过完善的数据库系统，提供了理论分析所需的监测数据；

（3）利用界面友好、运行稳定的软件系统所提供的数据分析方法，增强了数控机床运行时的平衡性。

［1］ 石博强，赵德永，李畅，等.LabVIEW6.i编程技术实用教程［M］.北京：中国铁道出版社，2002.

［2］ 刘君华，贾惠芹，丁晖，等.虚拟仪器图形化编程语言［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001.