基于LabView與單片機(jī)的機(jī)床振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法

本實(shí)用新型涉及一種機(jī)床振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，具體地說是一種基于LabView與單片機(jī)的機(jī)床振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：機(jī)床加工振動(dòng)是影響工件表面質(zhì)量的一個(gè)重要因素，數(shù)控機(jī)床在加工過程中，刀具與工件接觸面隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)對機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)，又由于機(jī)床裝配、工件裝卡以及加工工藝等因素使得振動(dòng)預(yù)測難以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)加工程序編制完成并運(yùn)行之后，加工過程中加工參數(shù)便已固定，因此機(jī)床對加工過程中的突發(fā)情況，如撞刀、振動(dòng)加劇等情況無法做出應(yīng)對。專利號為CN201420471749.X的一種機(jī)床振動(dòng)在線監(jiān)控系統(tǒng)是通過機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)對主軸進(jìn)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(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。專利號為CN201320505108.7的一種機(jī)床的振動(dòng)傳感監(jiān)測裝置以及專利號為CN201120096755.8的一種機(jī)床運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)僅能采集振動(dòng)信號，不能使機(jī)床自動(dòng)做出反應(yīng)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)床對加工過程中因振動(dòng)產(chǎn)生的突發(fā)情況無法做出應(yīng)對等不足，本實(shí)用新型要解決的問題是提供一種具有振動(dòng)抑制功能、實(shí)現(xiàn)回路控制的LabView與單片機(jī)的機(jī)床振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：本實(shí)用新型一種基于LabView與單片機(jī)的機(jī)床振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集單元、PC上位機(jī)程序單元以及單片機(jī)邏輯控制單元，其中：數(shù)據(jù)采集單元采集機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)傳入PC上位機(jī)程序單元；PC上位機(jī)程序單元對機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，輸出控制指令至單片機(jī)邏輯控制單元；單片機(jī)邏輯控制單元對控制指令進(jìn)行邏輯處理后向機(jī)床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動(dòng)、進(jìn)給倍率變動(dòng)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(jī)床主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，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(jī)程序單元相連。所述單片機(jī)邏輯控制單元包含單片機(jī)以及繼電器模組，其中單片機(jī)通過信號線與PC上位機(jī)程序單元相連，繼電器模組輸入端通過信號線與單片機(jī)相連，輸出端通過信號線與機(jī)床PLC相連。本實(shí)用新型具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：1.本實(shí)用新型機(jī)床振動(dòng)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(jìn)行機(jī)床切削振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、分析以及報(bào)告生成，可以替代價(jià)格昂貴的振動(dòng)分析儀，并且具備體積小、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可以根據(jù)公司需求進(jìn)行程序調(diào)整，高效與CNAS檢測標(biāo)準(zhǔn)銜接。2.本實(shí)用新型采用的PC與機(jī)床通信使用單片機(jī)最小系統(tǒng)以及繼電器模組，僅需要進(jìn)行簡單連線，并修改極小部分PLC程序，即可實(shí)現(xiàn)對機(jī)床主軸及進(jìn)給的動(dòng)態(tài)控制，不需要機(jī)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(jī)床上實(shí)現(xiàn)，具有操作簡單明了、通用性強(qiáng)以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，解決了長久以來機(jī)床性能研究僅能測試不能動(dòng)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.本實(shí)用新型基于模糊數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)床加工振動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)自定義模糊規(guī)則在一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)床加工參數(shù)，優(yōu)化加工參數(shù)，減小機(jī)床加工振動(dòng)，借以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量的目的，同時(shí)該系統(tǒng)實(shí)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(kuò)展，為后續(xù)的智能加工研究提供了接口。4.本實(shí)用新型采用單片機(jī)技術(shù)，可以很方便的擴(kuò)展為芯片級集成，使監(jiān)測系統(tǒng)脫離計(jì)算機(jī)的限制，方便的集成到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)提供的撞刀保護(hù)功能能夠以較低的價(jià)格在幾乎所有的高端到低端數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，提升機(jī)床的技術(shù)含量，而振動(dòng)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(kuò)展到中高端機(jī)床上。附圖說明圖1為本實(shí)用新型組成及數(shù)據(jù)流動(dòng)方向示意圖；圖2為本實(shí)用新型中PC上位機(jī)程序單元組成框圖；圖3為本實(shí)用新型中數(shù)據(jù)采集單元組成框圖；圖4為本實(shí)用新型中單片機(jī)邏輯控制單元組成框圖；圖5為本實(shí)用新型中機(jī)床加工振動(dòng)信號采集過程及數(shù)據(jù)流向示意圖；圖6為本實(shí)用新型中機(jī)床加工撞刀保護(hù)過程及數(shù)據(jù)流向示意圖；圖7為本實(shí)用新型中機(jī)床動(dòng)態(tài)智能加工過程及數(shù)據(jù)流向示意。其中，1為機(jī)床，2為TEDS加速度傳感器，3為數(shù)據(jù)采集卡，4為單片機(jī)，5為繼電器模塊。具體實(shí)施方式下面結(jié)合說明書附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。如圖1所示，本實(shí)用新型一種基于LabView與單片機(jī)的機(jī)床振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集單元、PC上位機(jī)程序單元以及單片機(jī)邏輯控制單元，其中：數(shù)據(jù)采集單元采集機(jī)床1的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳入PC上位機(jī)程序單元；PC上位機(jī)程序單元對機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，輸出控制指令至單片機(jī)邏輯控制單元；單片機(jī)邏輯控制單元對控制指令進(jìn)行邏輯處理后向機(jī)床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動(dòng)、進(jìn)給倍率變動(dòng)以及急停處理信號，機(jī)床PLC程序?qū)⒃撔盘枌懭霗C(jī)床系統(tǒng)運(yùn)行指定內(nèi)存。如圖2所示，所述PC上位機(jī)程序單元包括TEDS傳感器自動(dòng)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(jī)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(dòng)調(diào)試PC上位機(jī)程序單元控制機(jī)床啟停功能、主軸轉(zhuǎn)速倍率控制、進(jìn)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(jī)床主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，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(jī)程序單元相連。如圖4所示，所述單片機(jī)邏輯控制單元包含單片機(jī)以及繼電器模組，其中單片機(jī)通過信號線與PC上位機(jī)程序單元相連，繼電器模組輸入端通過信號線與單片機(jī)相連，輸出端通過信號線與機(jī)床PLC相連；單片機(jī)中運(yùn)行單片機(jī)邏輯控制程序。本實(shí)用新型基于LabView與單片機(jī)的機(jī)床振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)通過以下方法實(shí)現(xiàn)其控制過程：數(shù)據(jù)采集單元采集機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)傳入PC上位機(jī)程序單元；PC上位機(jī)程序單元接收數(shù)據(jù)采集單元采集的機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)，對機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，輸出控制指令至單片機(jī)邏輯控制單元；單片機(jī)邏輯控制單元對控制指令進(jìn)行邏輯處理后向機(jī)床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動(dòng)、進(jìn)給倍率變動(dòng)以及急停處理信號，機(jī)床PLC程序?qū)⒃撔盘枌懭霗C(jī)床系統(tǒng)運(yùn)行指定內(nèi)存；機(jī)床系統(tǒng)在加工過程中實(shí)時(shí)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度變化或者使機(jī)床進(jìn)行急停動(dòng)作(與撞刀保護(hù)相關(guān))。如圖5所示，本實(shí)用新型通過TEDS加速度傳感器采集機(jī)床振動(dòng)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(jī)可識(shí)別信號，通過基于LabView編制的上位機(jī)程序系統(tǒng)分析計(jì)算，使用串口發(fā)出控制指令，由單片機(jī)對控制指令進(jìn)行邏輯處理并經(jīng)由繼電器模組向機(jī)床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率變動(dòng)、進(jìn)給倍率變動(dòng)以及急停處理信號，機(jī)床PLC程序?qū)⒃撔盘枌懭霗C(jī)床系統(tǒng)運(yùn)行指定內(nèi)存，從而在加工過程中實(shí)時(shí)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度變化或者使機(jī)床進(jìn)行急停動(dòng)作。PC上位機(jī)程序單元接收數(shù)據(jù)采集單元采集的機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)，對機(jī)床振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析包括：建立檢測通道，PC上位機(jī)程序單元通過其內(nèi)部TEDS傳感器自動(dòng)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(jìn)行顯示。由數(shù)據(jù)庫模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，通過信號閾值比較模塊進(jìn)行閾值比較、信號規(guī)律分析模塊進(jìn)行分析，所得結(jié)果經(jīng)由串口通信模塊傳送至單片機(jī)邏輯控制單元。本實(shí)施例中，信號規(guī)律分析模塊進(jìn)行分析的步驟為：基于一線加工數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，將加工過程的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，將振動(dòng)特征量與加工表面質(zhì)量進(jìn)行對應(yīng)關(guān)系分析，形成模糊控制邏輯，按不同機(jī)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(shí)際加工測試與現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)機(jī)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(dòng)后，信號規(guī)律分析模塊根據(jù)上述控制準(zhǔn)則確定機(jī)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(jī)。本實(shí)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(shí)、命令字、數(shù)據(jù)值和結(jié)束標(biāo)識(shí)四部分，其中起始標(biāo)識(shí)表示一個(gè)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(jìn)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(jìn)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(dòng)后，信號規(guī)律分析模塊根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則向單片機(jī)發(fā)送指令。單片機(jī)邏輯控制單元對控制指令進(jìn)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(jī)邏輯控制單元；單片機(jī)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(jìn)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(jī)立即通過一個(gè)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(jī)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(jìn)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(gè)繼電器模塊；當(dāng)命令字為0x01，即調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速倍率格雷碼通過一個(gè)8位的繼電器模組發(fā)送到機(jī)床PLC中；當(dāng)命令字為0x02，即調(diào)整進(jìn)給軸轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速倍率格雷碼通過另一個(gè)8位的繼電器模組發(fā)送到機(jī)床PLC中；機(jī)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(jìn)給軸轉(zhuǎn)速的目的。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工振動(dòng)信號的采集、機(jī)床加工撞刀保護(hù)以及機(jī)床動(dòng)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(jī)程序單元中的TEDS傳感器自動(dòng)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(jī)床主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，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(jī)程序系統(tǒng)模塊。PC上位機(jī)程序單元自動(dòng)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(jī)床振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫模塊中。機(jī)床加工撞刀保護(hù)如圖6所示，使用到的模塊包括數(shù)據(jù)采集單元、單片機(jī)邏輯控制單元以及PC上位機(jī)程序系統(tǒng)模塊中的TEDS傳感器自動(dòng)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(jī)床主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，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(jī)程序單元，PC上位機(jī)程序單元經(jīng)由RS232串口數(shù)據(jù)線連接到單片機(jī)邏輯控制單元中的單片機(jī)4，單片機(jī)4與繼電器模組連接，繼電器模組與機(jī)床PLC輸入點(diǎn)連接。在PC上位機(jī)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(jī)程序模塊向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)邏輯控制單元分析指令后通過繼電器模組向機(jī)床PLC發(fā)送停機(jī)指令。機(jī)床動(dòng)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(jī)邏輯控制單元以及PC上位機(jī)程序單元中的TEDS傳感器自動(dòng)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(jī)床主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，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(jī)程序單元，PC上位機(jī)程序單元經(jīng)由RS232串口數(shù)據(jù)線連接到單片機(jī)4中，單片機(jī)4與繼電器模組連接，繼電器模組與機(jī)床PLC輸入點(diǎn)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(dòng)后，信號規(guī)律分析模塊根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則向單片機(jī)4發(fā)送指令，單片機(jī)邏輯控制單元分析指令后通過繼電器模組向機(jī)床PLC發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速倍率編碼與進(jìn)給倍率編碼，機(jī)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(jī)床主軸轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速度。本實(shí)用新型采用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(jìn)行機(jī)床切削振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、分析以及報(bào)告生成，可以替代價(jià)格昂貴的振動(dòng)分析儀，并且具備體積小、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可以根據(jù)現(xiàn)場需求進(jìn)行程序調(diào)整，高效地與CNAS檢測標(biāo)準(zhǔn)銜接。本實(shí)用新型基于模糊數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)床加工振動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)自定義模糊規(guī)則在一定范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)床加工參數(shù)，優(yōu)化加工參數(shù)，減小機(jī)床加工振動(dòng)，借以達(dá)到提高加工表面質(zhì)量的目的，同時(shí)該系統(tǒng)實(shí)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(kuò)展，為后續(xù)的智能加工研究提供了接口。本實(shí)用新型采用了單片機(jī)技術(shù)，可以很方便的擴(kuò)展為芯片級集成，使監(jiān)測系統(tǒng)脫離計(jì)算機(jī)的限制，方便的集成到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，因此使得系統(tǒng)提供的撞刀保護(hù)功能能夠以較低的價(jià)格在幾乎所有的高端到低端數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，提升機(jī)床的技術(shù)含量，而振動(dòng)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(kuò)展到中高端機(jī)床上。當(dāng)前第1頁1 2 3