基于虚拟仪器的数控机床检测系统的开发.docx
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基于虚拟仪器的数控机床检测系统的开发
基于虚拟仪器的数控机床
检测系统的开发
TheDevelopmentofDetectingNCMachineToolSystemBasedonVirtualInstrument
××届机械工程学院
专业机械工程及自动化
学号×××
学生姓名×××
指导教师×××
完成日期2011年6月4日
毕业设计成绩单
学生姓名
学号
班级
专业
机械工程及自动化
毕业设计(论文)题目
基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发
指导教师姓名
指导教师职称
教授
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩:
院长(主任)签字:
年月日
毕业设计任务书
题 目
基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发
学生姓名
学号
班级
专业
机械工程及自动化
承担指导任务单位
石家庄铁道大学
导师
姓名
导师
职称
教授
一、主要内容
开发基于虚拟仪器的数控机床检测系统:
以微机为基础,以LabVIEW软件为核心,通过数据采集卡、信号调理板,加之必要的传感器,开发数控机床检测系统。
二、基本要求
1.测试参数及各参数范围的确定;
2.有关传感器、信号调理设备、数据采集卡的选型;
3.关键参数测试方法的确定;
4.虚拟仪器软件的设计编程;
5.软件使用说明书的编写。
三、主要技术指标(或研究方法)
本课题用LabVIEW编程,对数控机床液压系统、气动系统、振动系统的运行参数信号进行采集、显示、分析处理及存储,通过频谱分析判断数控机床运行状态。
液压系统主要参数有温度、压力、流量、振动;气动系统主要参数包括气动装置压力、液压马达转速。
本系统通过实现波形保存和波形回放方便操作者重复观看波形和数据,便利判断故障及产生原因。
四、应收集的资料及参考文献
LabVIEW8.2基础教程
测试技术与虚拟仪器
数控机床构造
机械故障诊断
数控机床故障诊断与维修
数控机床的常见故障与排除方法
五、进度计划
第1周-第3周调研、查资料、外文翻译、确定研究方法和技术路线,熟悉软件
第4周-第8周总体方案设计、系统分析、关键技术研究
第9周-第11周软件设计、调试、系统优化
第12周-第13周论文撰写,准备答辩
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计开题报告
题 目
基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发
学生姓名
学号
班级
专业
机械工程及自动化
一、课题的目的和意义
数控机床是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动化控制的一类机床。
它具加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应性强、经济效益高等优点,是现代制造业中的关键设备。
但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性,势必会出现大量的振动、可靠性等问题,机床损坏事故也时有发生,给国家、企业带来巨大的损失。
因此数控机床的维修与检测越来越被企业所重视。
在现代测量中,虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。
基于虚拟仪器(VirtulInstrument)的数控机床检测系统可大大提高数控机床的维修效率。
虚拟仪器技术的开发与应用源于1986年美国NI公司设计的LabVIEW,它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境,实现了虚拟仪器的概念。
VI与传统仪器的比较具有软件开发与维护费用低,技术更新周期短等优点。
其最主要的区别是VI的功能由用户自己定义,而传统仪器的功能都是由厂商预先定义好的。
二、国内外研究现状
(一)现代数控机床的发展趋势:
(1)高精度化:
随着现代科学技术的高速发展,尤其是精密行业的出现,对精密加工技术提出新的要求。
发展新型超精密加工机床,完善精密技术是当今数控机床的发展趋势。
现代普通级数控机床的加工精度已提高到正负5微米。
(2)高速化:
数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能,大幅度提高加工效率,降低加工成本,提高零件的表面加工质量和精度。
(3)高自动化:
数控机床的高自动化并向着FMC、FMS集成方向发展
(4)控制智能化:
数控机床智能化主要体现在自适应控制技术,专家系统技术,故障自诊断、自修复技术,智能化交流伺服驱动技术,模式识别技术。
(5)工序和功能复合化
(6)高可靠性
(7)网络化
(8)开放式体系结构
(9)加工过程绿色化:
随着日趋严格的环境与资源约束,制造加工的绿色化越来越重要,而中国的资源、环境问题尤为突出。
因此,近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现,并在不断发展当中。
在21世纪,绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展,占领更多的世界市场。
(二)数控机床检测诊断的国内外研究现状与发展:
数控机床的故障诊断技术与传统机床有着较大的区别,需采用更为先进的故障诊断技术,及时在线监测和诊断数控机床的故障。
目前数控机床的诊断技术有以下几种:
1.通讯诊断:
用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。
2.自修复系统:
当诊断软件发现数控机床在运行中某一模块有故障时,系统在CRT上显示的同时,自动寻找备用模块并接上。
3.人工智能专家故障诊断系统4.人工神经元网络(ANN)诊断
常用诊断方法:
1.直观法(望闻问切)2.CNC系统的自诊断功能3.数据和状态检查:
CNC系统的自诊断不但能在CRT上显示故障报警信息,而且还能以多页“诊断地址”和“诊断数据”的形式提供机床参数和状态信息。
4.报警指示灯显示故障:
除CRT软报警外,还有许多“硬件”报警指示灯,分布在电源、主轴驱动、伺服驱动I/O装置上,由此可判断故障的原因。
5.备板置换法(替代法):
用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板。
虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器,是计算机资源和仪器硬件与用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。
它充分利用了计算机的存储和计算功能,通过软件实现对输入信号的分析处理。
基于虚拟技术的检测已经广泛应用到数控机床故障的检测与诊断中。
部分学校与研究单位已开始研究远程在线监测。
利用虚拟仪器技术构建的数控机床故障诊断系统主要完成信号的采集与控制、信号的分析与处理、监测报警、结果的表达输出。
具体功能如下:
1.信号的采集与控制功能。
利用平台提供的据采集VI,使用NI数据采集卡PCI6221进行信号采集。
2.信号的分析与处理功能。
对信号参数进行分析、处理,得出所需结果,并对其进行存储。
3.监测报警功能。
通过对数据的分析,确定并显示测点的报捷值,及时提醒现场进行分析与相应的处理。
4.结果的表达输出功能。
采用波形图或显示型控件等多种方式来显示所需的参数输出各种波形和分析结果。
基于LabVIEW的数控机床监测诊断系统的开发,充分发挥了虚拟仪器技术的优势,实现了数据采集、分析、实时显示、存储、诊断等功能,体现了在低成本下开发基于虚拟仪器的测试系统的可行性和实用性,给对象设备的维护、维修、保养带来很大的方便,大大提高了数控机床在线监测诊断的水平,准确、及时、有效地实现对数控机床故障诊断,为今后数控机床的监测与诊断提供了先进的分析工具。
三、研究内容及拟采用的方法和手段
研究内容:
该课题为设计并实现一个基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发。
开发基于虚拟仪器的数控机床检测系统:
以微机为基础,以LabVIEW软件为核心,通过数据采集卡、信号调理板,加之必要的传感器,开发数控机床检测系统。
研究方法:
数控机床常见故障主要包括液压故障和气动系统故障两类。
常见的液压故障包括液压系统压力不足或过高、振动和噪声、油温过高。
气动系统主要检测气动装置是否具有合适的工作压力和运动速度。
通过以上分析,我们将对数控机床的液压、气动控制的各方面参数进行检测。
(1)数控机床各有关测试参数及各参数范围的确定。
(2)有关传感器、信号调理设备、数据采集卡的选型。
(3)通过LabVIEW编写程序图框实现对数控机床各方面性能的检测。
(4)创建LabVIEW菜单,可使用户快捷方便的对机床性能进行检测。
关键技术:
LabVIEW软件的编程及菜单栏的创建
四、预期成果
通过查阅资料和自己的学习,在老师的指导下,完成检测系统,力争实现其对数控机床液压、气动控制等性能的检测。
五、工作进度计划
第1-2周:
调研、查资料、熟悉软件;(论文综述,会使用LabVIEW软件)
第3周:
外文翻译、确定研究方法和技术路线
第4-6周:
总体方案设计、系统分析
第7-8周:
关键技术研究(LabVIEW菜单、及编程)
第9-10周:
软件设计(LabVIEW编程)
第11周:
调试、系统优化(通过调试系统看是否能满足预期结果)
第12-13周:
论文撰写,准备答辩
六、参考文献
[1]杨云强.测试技术与虚拟仪器[M].北京:
机械工业出版社,2010.
[2]林宋,田建君.现代数控机床[M].北京:
化学工业出版社,2003.
[3]朱文艺,陆全龙.数控机床故障诊断与维修[M].北京:
科学出版社,2006.
[4]张发启.现代测试技术及应用[M].北京:
西安电子科技大学出版社,2005.
[5]机床故障诊断与检修丛书编委会.机床液压系统常见故障诊断与检修[M].北京:
机械工业出版社,2006.
[6]陈循介.目前世界机床工业形势、市场需求和发展趋势[J].北京:
精密制造及自动化,2004.
[7]鲁方霞,邓朝晖.数控机床的发展趋势及国内发展现状[D].湖南:
湖南大学机械与工程学院,2006.
[8]魏相华,张士文,赵继敏.虚拟仪器的发展及前景[J].南京:
工业控制计算机,2011.
[9]穆吉祥.数控机床的常见故障与排除方法[J].北京:
中国科技信息,2006.
[10]田辉鹏,郭庆伟.基于LabVIEW的数据管理在数控机床故障诊断系统中的应用[J].合肥:
计算机与信息技术,2008.
指导教师签字
时间
年月日
摘要
数控化加工是机械行业朝高质量,高精度,高成品率高效率发展的趋势。
我国的数控行业也正以高速发展的势头紧追世界先进的水平。
但是由于许多无法避免的因素影响,数控机床会出现各种各样的故障,以致降低或失去其预定功能,甚至造成严重事故。
这时如果我们能及时发现并排除故障就显得尤为重要。
由于计算机软件技术的不断进步,虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。
运用虚拟仪器技术能够达到共享硬件和软件资源,方便地利用计算机的强大功能,进行信号分析、数据处理、存储以及图形化显示等。
本文设计了基于虚拟仪器的数控机床故障诊断系统,利用NICompactDAQ、数据采集设备、NISCXI信号调理系统和各种传感器,用图形化编程语言LabVIEW对数控机床的液压系统、气动系统、振动信号实时故障检测。
液压装置测试系统通过对压力、温度、振动信号的采集和分析可以判断液压装置的工作状态;气动测试系统通过对压力、速度信号的采集处理可以推断气动系统的工作状态。
使用开发的虚拟仪器技术开发平台,通过对信号数据采集,时域、频域分析判断机床是否正常工作及故障发生原因。
经仿真测试,该系统大大提高了数控机床故障诊断准确度和效率,而且界面操作简单,扩展性好,易于开发。
关键词:
数控机床故障检测虚拟仪器
Abstract
CNCmachiningisthetendencyofmachineryindustrywhichtowardshigh-quality,highprecision,highefficiencyandthedevelopmenttrendofhighyield.ChinaCNCindustryisalsorunaftertheworld'sadvancedlevelbythemomentumofrapiddeveloping.However,becausemanyfactorscannotbeavoided,therewillbeavarietyofCNCmachinetoolfailure,whichcanberesultinginreducedorlossofitsintendedfunction,orevenresultinseriousaccidents.Thenifwecandetectandtroubleshootproblemswouldbeparticularlyimportant.Astechnologycomputersoftwareprogressescontinuous,virtualinstrumentisgraduallybecomingatestingfielddevelopment.Wecansharinghardwareandsoftwareresourcesandaccesstothepowerofthecomputereasilytoachievethesignalanalysis,dataprocessing,storage,andgraphicaldisplayetc.byvirtualinstrumenttechnology.
ThisarticledesignsfaultdiagnosissystemforNCmachinetoolsbasedofvirtualinstrument.ItutilizesNICompactDAQ,dataacquisitiondevices,NISCXIsignalconditioningsystemandvarioussensorsandusesLabVIEWgraphicalprogramminglanguagetodetectthefaultofhydraulicsystems,pneumaticsystems,real-timevibrationsignalsonCNCmachinetool.Hydraulictestingsystemcandeterminetheworkingstatusofthehydraulicdevicethroughthepressure,temperature,vibrationsignalacquisitionandanalysis;Pneumatictestsystemcaninferthesystemworkingstatethroughcollectingandprocessingthepressure,speed,signal.Withthedevelopmentofthevirtualinstrumenttechnologyplatform,wecandeterminewhetherthemachineworksandthereasonsforfailurebycollectingthesignaldata,analyzingthetimeandfrequencydomain.
ThesystemcanenhancedtheaccuracyandefficiencyondiagnosisofCNCmachinetoolgreatlybysimulationtestinginadditiontheinterfaceisoperatedsimply,scalable,anddevelopseasily.
Keywords:
CNCmachinetoolsfaultsdetectionVirtualInstrument
朗读
显示对应的拉丁字符的拼音
字典
1.形容词
1.consequent
目录
第1章绪论1
1.1数控机床故障诊断系统研究的意义1
1.2国内外发展动态1
1.2.1现代数控机床的发展趋势1
1.2.2数控机床故障诊断技术的国内外研究现状2
1.3虚拟仪器技术3
1.3.1虚拟仪器系统的构成.3
1.3.2LabVIEW软件简介3
1.4论文研究内容3
第2章数控机床检测系统硬件配置5
2.1数控机床检测系统硬件总体配置5
2.2传感器选择5
2.3数据采集系统8
2.3.1NICompactDAQ8
2.3.2信号调理系统9
第3章数控机床检测系统软件设计10
3.1数控机床检测系统软件总体设计方案10
3.1.1数据采集模块10
3.1.2数据分析处理模块11
3.1.3数据管理模块11
3.1.4故障诊断模块12
3.2数控机床检测系统软件功能12
第4章数控机床检测系统程序设计16
4.1数控机床液压系统检测16
4.1.1液压系统的基本组成及故障概述16
4.1.2温度检测系统的设计实现17
4.1.3压力检测系统的设计实现17
4.1.4流量检测系统的设计实现20
4.1.5振动检测系统的设计实现23
4.2数控机床振动系统检测25
4.2.1数控机床振动评定26
4.2.2机床振动检测程序27
4.3数控机床气动系统检测28
4.3.1气动系统的基本组成及故障概述28
4.3.2压力、速度检测系统的设计实现29
第五章结论与展望32
5.1结论32
5.2展望32
参考文献34
致谢35
附录A外文资料翻译36
附录B软件使用说明48
附录C测试分析报告50
附录D源程序清单52
第1章绪论
1.1数控机床故障诊断系统研究的意义
数控机床是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动化控制的一类机床。
它具加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应性强、经济效益高等优点,是现代制造业中的关键设备。
在日益细分的市场需求中,数控机床很好地实现了小批量、柔性化加工的要求并以其高精度、高效率、高适应性等特点而逐渐取代了传统的普通机床成为工作母机。
数控机床实现了将电力电子、自动化控制、计算机等技术的高度结合。
但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性,势必会出现大量的振动、可靠性等问题,机床损坏事故也时有发生,给国家、企业带来巨大的损失。
因此数控机床的维修与检测越来越被企业所重视。
加强和开展对数控机床运行状态的研究,具有以下重要意义:
(1)可早期报警,以便采取措施,减少和避免故障扩大和机器损坏。
提高设备运行的可靠性、安全性和有效性,以期把故障损失降到最低。
(2)及时检测确诊,正确维修,以减少维修时间,提高维修质量,节约维修费用,应使重要的设备能按其状态进行维修(即视情维修或预知维修),随时掌握设备性能的发展变化情况,并逐步实现定期强迫维修制度向预知维修转变。
(3)取得设备寿命周期的大量数据,可充分了解设备性能,保证设备发挥最大的能力,制订合理的检测维修制度,以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力,延长服役期限和使用寿命,降低设备全寿命周期费用。
(4)作为一种科学的设备管理思想,它比传统的设备管理与维修更有效、更科学,大大提高了设备运行的可靠性、利用率及寿命,同时又大大降低了设备的维护费用,是一种更加积极、主动的设备管理新理念。
1.2国内外发展动态
1.2.1现代数控机床的发展趋势
当前世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面:
(1)高精度化:
随着现代科学技术的高速发展,尤其是精密行业的出现,对精密加工技术提出新的要求。
发展新型超精密加工机床是当今数控机床的发展趋势。
(2)高速化:
数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能,大幅度提高加工效率,降低加工成本,提高零件的表面加工质量和精度。
(3)高自动化:
数控机床的高自动化并向着FMC、FMS集成方向发展
(4)控制智能化:
数控机床智能化主要体现在自适应控制技术,专家系统技术,故障自诊断、自修复技术,智能化交流伺服驱动技术,模式识别技术。
(5)工序和功能复合化
(6)高可靠性
(7)网络化
(8)开放式体系结构
(9)加工过程绿色化:
随着日趋严格的环境与资源约束,制造加工的绿色化越来越重要,而中国的资源、环境问题尤为突出。
因此,近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现,并在不断发展当中。
在21世纪,绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展,占领更多的世界市场[21]。
1.2.2数控机床故障诊断技术的国内外研究现状
数控机床的故障诊断技术与传统机床有着较大的区别,需采用更为先进的故障诊断技术,及时在线监测和诊断数控机床的故障。
随着集成电路和计算机性能/价格比的提高,近年来,国外已将一些新的概念和方法引入到诊断领域,使诊断技术上升到一个新的更高的阶段,这些新的诊断技术主要有:
通讯诊断、自修复系统、具有入工智能功能的专家故障诊断系统、基于因特网的远程故障诊断系统、人工神经元网络(ANN)诊断等。
随着电子测量、信号处理、传感器、计算机等技术的发展,目前国内科研单位研究开发了一些针对不同应用场合的监测诊断系统。
因特网的普及和局域网建设,为故障诊断技术的发展带来了新的思路与前景,将因特网计算机地用技术与故障诊断技术相结合,可构造一种全新的故障诊断系统,即基于因特网的远程故障诊断系统(Internet—basedRemoteDiagnosisSystemIRDS)。
如,美国斯坦福大学和麻省理工学院已合作开发了基于因持网的下一代远程诊断示范系统。
美国的DM2000系统和PDS系统都是基于网络环境,能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种典型故障,具有远程通讯能力,能对企业的管理和控制系统联网通信,使企业不同部门都能同时获取设备运行状态信息,也能对不同地区、不同企业的设备进行监测和故障诊断等。
在国内.西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学等已进行工业领域的远程诊断研究工作.并取得了初步成果;华中理工大学也于1997年初开始了前期研究工作,并在因特网上设立了—个远程诊断宣传站点,介绍远程诊断技术,以实验室的方式向用户提供远程诊断服务[5]。
1.3虚拟仪器技术
虚拟仪器的概念是美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorporation简称NI)在1986年首先提出来的。
所谓虚拟仪器技术,就是用户在通用计算机平台上,根据测试任务的需要来定义和设置仪器的测试功能。
1.3.1虚拟仪器系统的构成.
虚拟仪器由三部分组成:
(1)软件。
软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。
其中LabVIEW软件采用图形化的编程语言不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的数据处理能力,并将分析结果有效地显示给用户。
(
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