面向數(shù)控機(jī)床刀具系統(tǒng)的遠(yuǎn)程故障診斷平臺(tái)構(gòu)建設(shè)計(jì)

1、.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目面向數(shù)控機(jī)床刀具系統(tǒng)的遠(yuǎn)程故障診斷平臺(tái)構(gòu)建學(xué)生姓名*學(xué)號(hào)2010*班級(jí)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（主要包括課題的研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，所要進(jìn)行的主要工作和所采用的方法、手段，以及預(yù)期達(dá)到的結(jié)果）一.研究背景 近年來，隨著高性能CNC 機(jī)床、FMS 以及CIMS 的廣泛應(yīng)用，機(jī)械加工的效率、加工質(zhì)量有了明顯的提高，同時(shí)對(duì)全自動(dòng)化生產(chǎn)也提出了更高的要求，發(fā)展趨勢(shì)也由以前的一位工人師傅掌管一臺(tái)機(jī)床到一個(gè)車間只需要一位工人師傅看管，這就要求數(shù)控機(jī)床能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)，及時(shí)了解正在使用的刀具磨損情況，從刀具壽命、磨損量、刀具破裂等形式的刀具故障對(duì)刀具工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，

2、并在刀具磨損達(dá)到設(shè)定磨損量時(shí)報(bào)警。 工業(yè)統(tǒng)計(jì)表明，刀具失效是引起機(jī)床故障的首要因素，由此引起的停機(jī)時(shí)間占數(shù)控機(jī)床總停機(jī)時(shí)間的1/51/3。切削加工中，刀具在不同的加工條件下，其狀態(tài)是不斷變化的，如果刀具磨損不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致整個(gè)加工過程的中斷，引起工件報(bào)廢，甚至整個(gè)系統(tǒng)的停止。研究表明，數(shù)控機(jī)床配備刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后可減少75的故障停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)率（1060），提高機(jī)床利用率50以上。美國(guó)Kennamtal 公司的研究表明，配備刀具監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠節(jié)約加工費(fèi)用達(dá)301,4。在傳統(tǒng)模式下對(duì)其進(jìn)行故障診斷日趨困難，表現(xiàn)出成本高昂、效率低下等諸多不足。遠(yuǎn)程化、協(xié)同化、智能化已成為現(xiàn)代故障診

3、斷領(lǐng)域研究的一個(gè)重要發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從20世紀(jì)50年代起,各國(guó)都開始刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究工作。過去幾十年中,國(guó)外在刀具磨損和破損方面做了大量研究工作。德國(guó)亞探大學(xué)的Klocke, F. Reuber, M. Kratz, H.等人將球頭統(tǒng)刀磨損情況與工件表面情況聯(lián)合考慮,并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn),應(yīng)用小波分析提取信號(hào)特征參數(shù),最后實(shí)現(xiàn)了刀具狀態(tài)的可靠識(shí)別。日本Makino公司研制的刀具破損監(jiān)測(cè)儀通過聲發(fā)射信號(hào)識(shí)別刀具磨損狀態(tài),監(jiān)測(cè)刀具破損面積范圍可達(dá)0.005-50平方毫米,監(jiān)測(cè)刀具破損面積精度達(dá)到0.001平方毫米,故障報(bào)警響應(yīng)時(shí)間為0.01毫秒。該型設(shè)備表明刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4、向高精度、高響應(yīng)時(shí)間方向發(fā)展。以上刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)例表明現(xiàn)代國(guó)外刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已具有刀具磨損的監(jiān)測(cè)、刀具損壞檢測(cè)、刀具損壞保護(hù)、刀具壽命的延長(zhǎng)、刀具性能統(tǒng)計(jì)等功能。目前國(guó)外刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正向著綜合性多功能性方向發(fā)展。 我國(guó)于20世紀(jì)70年代末開始刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究,近年來也在努力追趕世界先進(jìn)水平。 西北工業(yè)大學(xué)的張柯等人研制了基于聲發(fā)射技術(shù)的刀具破損監(jiān)測(cè)儀。該監(jiān)測(cè)儀由聲發(fā)射傳感器、信號(hào)放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、邏輯運(yùn)算元件、輸入輸出接口及顯示部件組成。其特點(diǎn)在于以MCS-96系列單片機(jī)為核心,用聲發(fā)射信號(hào)上升斜率及包含最大峰值電壓前若干采樣點(diǎn)的均值電壓作為特征值量來判斷刀具磨損的程度。對(duì)于

5、刀具破損則釆用模擬電路處理,利用峰值檢波后的電壓值作為特征量。南京航空航天大學(xué)的章建釆用統(tǒng)削力和刀具振動(dòng)兩種信號(hào),用時(shí)段比值監(jiān)測(cè)策略和硬件比較監(jiān)測(cè)方法判斷刀具的磨損、破損情況,取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王志勇等人釆用聲發(fā)射信號(hào)的幅值和脈寬兩個(gè)參數(shù)來檢測(cè)銑刀的破損,主要是利用了這兩個(gè)參數(shù)的邏輯“與”進(jìn)行最后判斷。北京航空航天大學(xué)的孫剛等人采用力信號(hào)的一階自適應(yīng)自回歸時(shí)間序列和簡(jiǎn)單的二階差分方法跟蹤銑刀破損,該方法將時(shí)間序列和系統(tǒng)分析結(jié)合在了一起,形成了獨(dú)到的建模工具,并且運(yùn)用在實(shí)際監(jiān)控系統(tǒng)中獲得了成功。三.課題研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù) 服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，并和數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)特征相比較并

6、確定設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。確定設(shè)備狀態(tài)后，服務(wù)器將當(dāng)前數(shù)據(jù)存入服務(wù)器以供以后查閱同時(shí)還將設(shè)備狀態(tài)信息和故障信息返回工控機(jī)。服務(wù)器程序主要分為六個(gè)模塊：故障預(yù)警、特征數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備診斷、狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)打印。特征數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)著設(shè)備各部分正常和不同級(jí)別故障的特征數(shù)據(jù)。服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到特征數(shù)據(jù)，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)傳送到故障診斷模塊。 故障診斷模塊將實(shí)時(shí)特征數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)里相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出結(jié)論后將比較結(jié)果傳給顯示模塊。顯示模塊實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各種參數(shù)，以達(dá)到監(jiān)視的效果。如果有故障征兆，故障診斷模塊還會(huì)將診斷結(jié)果傳給預(yù)警模塊，預(yù)警模塊就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并自動(dòng)切換到該臺(tái)設(shè)

7、備的監(jiān)控臺(tái)上，同時(shí)顯示出診斷信息和推薦的處理方式。 服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)同時(shí)還存入數(shù)據(jù)庫(kù)以供以后研究。參數(shù)控制模塊可以改變采集裝置和信號(hào)處理程序的參數(shù)，以便適應(yīng)不同工作環(huán)境。工控機(jī)程序主要用來進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，以便于在現(xiàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。四.預(yù)期效果(l)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài),刀具不可靠時(shí),加工系統(tǒng)對(duì)刀具磨損量進(jìn)行補(bǔ)償或更換刀具;(2)降低廢品率和工件加工成本,提高工件加工質(zhì)量; (3)減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間,提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)率,延長(zhǎng)刀具使用壽命; (4)防止機(jī)床事故,最大限度地保證機(jī)床加工系統(tǒng)的安全性;指導(dǎo)教師簽字時(shí) 間2014 年4 月 2 日摘要數(shù)控機(jī)床刀具磨損監(jiān)測(cè)對(duì)于提高數(shù)

8、控機(jī)床利用率，減小由于刀具破損而造成的經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。有針對(duì)性地回顧了國(guó)內(nèi)外各種分析刀具磨損信號(hào)方法的研究工作，詳細(xì)敘述了功率譜分析法、小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及多傳感器信息融合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式。通過比較各種數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出基于混合智能多傳感器信息融合技術(shù)是數(shù)控機(jī)床刀具磨損監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的未來發(fā)展的主要方向。以數(shù)控機(jī)床刀具故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建與測(cè)試方法研究為目標(biāo)，進(jìn)行了刀具磨損實(shí)驗(yàn)。采用振動(dòng)傳感器、聲發(fā)射傳感器對(duì)切削過程中不同磨損程度刀具的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析和故障診斷。以LabVIEW10.0 為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了一套包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)分析模塊、故障診斷模塊的數(shù)控機(jī)床故障診斷實(shí)驗(yàn)

9、系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；刀具磨損監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)處理;LabVIEW; 聲發(fā)射; 振動(dòng)AbstractCNC tool wear monitoring would be a great significance for improving the usage rate of CNC and reducing the economic losses due to the tool breakage. The recent research progress on the signal analyzing was reviewed. Some important data process methods

10、 were detailed described，such as power spectrum analysis，wavelet transform，artificial neural network and intelligent sensor fusion technology. By comparing their features，the intelligent sensor fusion technology was introduced to be popular in data processing method for CNC tool wear monitoring. To

11、build fault diagnosis system of CNC machine tools and get test method，tool wear experiments are carried out Signals for cutting tool with different wearing degrees in milling process are detected and analyzed through vibration sensors and acoustic emission sensors on the milling tools Using LabVIEW8

12、 6 as development platform，a fault diagnosis experimental system of CNC machine tools is developed，including data acquisition module，signal analysis module and fault diagnosis moduleKey words：CNC；Tool wear monitoring；Data processing method; LabVIEW; vibration目錄第1章 緒論11.1研究意義11.2國(guó)內(nèi)外過程監(jiān)測(cè)研究動(dòng)態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)31.2

13、.1國(guó)外刀具監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀31.2.2國(guó)內(nèi)刀具監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀41.3虛擬儀器41.3.1 虛擬儀器的概念51.3.2 虛擬儀器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)51.3.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)51.3.4虛擬儀器與LABVIEW6第2章 刀具系統(tǒng)62.1刀具監(jiān)控系統(tǒng)的組成62.11信號(hào)監(jiān)測(cè)72.12特征提取72.13狀態(tài)識(shí)別7第3章 數(shù)據(jù)采集73.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概念83.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)83.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能83.3.1 數(shù)據(jù)采集83.3.2 信號(hào)調(diào)理83.3.3 二次數(shù)據(jù)計(jì)算93.3.4 數(shù)據(jù)顯示93.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)93.3.6 打印輸出93.3.7 人機(jī)聯(lián)系93.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件103

14、.4.1 傳感器103.4.2 前置放大電路103.4.3 濾波器103.4.4 多路模擬開關(guān)113.4.5 采樣/保持器113.4.6 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器113.4.7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)113.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件113.5.1 模擬信號(hào)采集與處理程序113.5.2 系統(tǒng)管理程序113.5.3 通信程序12第4章 刀具磨損監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)124.1實(shí)驗(yàn)方案124.2實(shí)驗(yàn)裝置的選擇124.2.1機(jī)床的選擇124.2.2傳感器的選擇與安裝134.2.3 A/D卡及采集參數(shù)選擇154.3刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)164.4試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)17第5章 程序界面與功能實(shí)現(xiàn)175.1 程序界面175.3遠(yuǎn)程界面，Remote Pane

15、ls技術(shù)23第6章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析265.1刀具損壞形式及標(biāo)準(zhǔn)265.1.1刀具磨損265.1.2刀具破損275.1.3刀具磨損測(cè)量基準(zhǔn)275.2影響刀具磨損的因素275.2.1 刀具本身的材料275.2.2刀具表面涂抹其他材料285.2.3工件的材料285.2.4切削速度的影響29第7章 結(jié)論與展望297.1總結(jié)297.2 展望30參考文獻(xiàn)30致謝31.;第1章 緒論隨著科技的快速發(fā)展，自動(dòng)化逐步代替了人工化，突出了自動(dòng)化的高速、高效、高精度和自動(dòng)化，加快一系列的發(fā)展，但是也有一定的問題，其中刀具的磨損就直接影響數(shù)控機(jī)床的一些性能。刀具在不同的磨損狀態(tài)會(huì)直接影響加工工件的質(zhì)量問題，當(dāng)磨損加劇的

16、時(shí)候，也可能會(huì)影響機(jī)床本身的壽命，從而降低效率。本文以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，主要監(jiān)測(cè)刀具磨損，在不同加工參數(shù)的前提下對(duì)刀具整個(gè)壽命階段的一系列監(jiān)測(cè)，包括振動(dòng)和聲發(fā)射，加工工件的表面粗糙度值，綜合分析刀具在不同加工參數(shù)下所得到的數(shù)據(jù)，來得出刀具的磨損狀態(tài)，并把每次加工工件的性能質(zhì)量一一對(duì)應(yīng)起來，實(shí)現(xiàn)兩者的智能監(jiān)測(cè)。還將其做成個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，把所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，以便查詢以及后續(xù)的分析與研究。另外還有故障案例查詢，以便能夠更好地解決刀具故障問題。1.1研究意義制造業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱行業(yè)，制造業(yè)的發(fā)展離不開先進(jìn)制造技術(shù)的支持。自進(jìn)入21世紀(jì)，隨著電子、計(jì)算機(jī)、信息等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)全球化市

17、場(chǎng)需求的多變性與多樣化，制造技術(shù)正朝著精密化、柔性化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、全球化、虛擬化、智能化和清潔化的方向發(fā)展。2000年過后,隨著計(jì)算機(jī)、信息、通信等高新技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代制造業(yè)朝著高速度、高效率、柔性化、集成化、自動(dòng)化方向迅猛發(fā)展。其中尤以數(shù)控技術(shù)(CNC)、加工中心(MC)、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)為代表1。數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，其技術(shù)水平的高低代表了一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展水平。對(duì)其加工制造過程能夠智能輔助決策、自動(dòng)感知、智能監(jiān)測(cè)、智能調(diào)節(jié)和智能維護(hù)的機(jī)床，從而支持加工制造過程的高效、優(yōu)質(zhì)和低耗的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行2。刀具狀態(tài)智

18、能監(jiān)測(cè)技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，是在現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，它對(duì)于推動(dòng)加工過程自動(dòng)化和無人化發(fā)展具有極其重要的作用3。刀具作為切削過程的直接執(zhí)行者，在工件的切削加工過程中不可避免地存在著磨損和破損等現(xiàn)象，刀具狀態(tài)的變化直接導(dǎo)致切削力增加、切削溫度升高、工件表面粗糙度上升、工件尺寸超公差、切屑顏色變化以及切削顫振的產(chǎn)生。在傳統(tǒng)的機(jī)械加工過程中，刀具狀態(tài)的識(shí)別是通過加工人員辨別切屑顏色和加工過程中的噪聲等來判斷，或根據(jù)加工時(shí)間判斷，或在加工工序之間拆卸刀具實(shí)測(cè)其破損程度和磨損量，這些方法和加工人員的經(jīng)驗(yàn)緊密相關(guān)，所以它不可避免地存在下列

19、問題:一方面，如果刀具磨損量低于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)因?yàn)闆]有充分利用刀具的實(shí)際壽命而帶來浪費(fèi)，增加制造成本；另一方面，如果刀具磨損量高于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，刀具己經(jīng)磨鈍或破損，則會(huì)影響工件的加工表面質(zhì)量和尺寸精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞機(jī)床。此外，在自動(dòng)化加工、無人化加工以及自適應(yīng)加工過程中，不僅要求能夠在加工過程中實(shí)時(shí)獲知刀具的準(zhǔn)確磨損狀態(tài)，而且還要求根據(jù)刀具的磨損和破損程度改變切削參數(shù)，以便優(yōu)化生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。解決這些問題的關(guān)鍵在于對(duì)刀具實(shí)際的磨損狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)和實(shí)時(shí)檢測(cè)。這一工作的重要性正如美國(guó)學(xué)者B.M.Karmer在CIRP35屆年會(huì)上所說:在提高計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)生產(chǎn)率方面，沒有任何一項(xiàng)技術(shù)比準(zhǔn)確地估計(jì)

20、刀具壽命更重要4。近年來，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)一步加劇，現(xiàn)代制造工業(yè)要求產(chǎn)品產(chǎn)量最大化、成本最小化。這迫切要求制造工業(yè)向自動(dòng)化和無人化方向發(fā)展，對(duì)制造過程進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)成為必然趨勢(shì)，尤其是對(duì)刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。刀具監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展過程經(jīng)歷了由離線非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、由單一傳感器監(jiān)測(cè)到多傳感器數(shù)據(jù)融合監(jiān)測(cè)、由單項(xiàng)監(jiān)測(cè)到集成監(jiān)測(cè)、由簡(jiǎn)單的決策判別監(jiān)測(cè)到智能識(shí)別監(jiān)測(cè)的過程5-7而人工判別刀具狀態(tài)已經(jīng)成為制約制造工業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，這也是刀具狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)獲得廣泛研究的重要原因。刀具狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)是指在產(chǎn)品加工過程中，計(jì)算機(jī)通過檢測(cè)各類傳感器信號(hào)變化，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)刀具的磨損和破損狀態(tài)，過程控制系統(tǒng)根據(jù)刀具狀

21、態(tài)檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)控制刀具進(jìn)給以補(bǔ)償?shù)毒吣p導(dǎo)致零件尺寸和形狀精度的變化。研究表明，CNC機(jī)床配備刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后可減少故障停機(jī)時(shí)間的75%，提高生產(chǎn)率10%一60%，提高機(jī)床利用率50%以上。美國(guó)Knenametal公司的研究表明，刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅提高了刀具本身的利用率，而且可避免刀具失效所導(dǎo)致的工件報(bào)廢和機(jī)床故障，節(jié)約費(fèi)用達(dá)30%8。因此，為有效防止設(shè)備的損壞、工件的報(bào)廢并保證機(jī)床無故障運(yùn)行，就必須發(fā)展加工過程的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。在眾多刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)中，切削聲音檢測(cè)技術(shù)以其特有的優(yōu)越性已成為當(dāng)今最有效的刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)之一。通過噪聲傳感器獲取切削加工中的聲音信號(hào)，并利用有效的信號(hào)處理技術(shù)提取

22、與刀具磨損狀態(tài)相關(guān)的特征信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具狀態(tài)的監(jiān)控。切削聲音信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床刀具監(jiān)控系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要成果。因此刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的目的和意義在于:(l)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)，刀具不可靠時(shí)，加工系統(tǒng)對(duì)刀具磨損量進(jìn)行補(bǔ)償，或更換刀具;(2)降低廢品率和工件加工成本，提高工件加工質(zhì)量;(3)減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)率，延長(zhǎng)刀具使用壽命;(4)防止機(jī)床事故，最大限度地保證機(jī)床加工系統(tǒng)的安全性;(5)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化，最大限度地減少人對(duì)機(jī)床的干預(yù);(6)使加工系統(tǒng)在最優(yōu)的參數(shù)下運(yùn)行。實(shí)際上，從沒有受到干擾的切削過程獲取一個(gè)合適的參考信號(hào)需要大量的工作和較高

23、的技能。即便獲得了恰當(dāng)?shù)膮⒖夹盘?hào)，當(dāng)應(yīng)用到工業(yè)實(shí)際中時(shí)，由于工作條件或加工要求的變化，又會(huì)出現(xiàn)另外的問題。由于所獲得的參考信號(hào)是對(duì)應(yīng)特定機(jī)床類型和實(shí)際切削參數(shù)的某種映射，當(dāng)修改了 NC 程序或者使用不同的刀具進(jìn)行切削時(shí)，這些參考信號(hào)將不能繼續(xù)使用。1.2國(guó)內(nèi)外過程監(jiān)測(cè)研究動(dòng)態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì)刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展與數(shù)控技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。自從上世紀(jì)50年代數(shù)控機(jī)床誕生以來，以運(yùn)動(dòng)、位置控制為主的數(shù)控技術(shù)不斷的提高和發(fā)展，因此刀具監(jiān)控作為其中的重要部分而得以同步發(fā)展。早期的刀具監(jiān)控主要是刀具壽命的管理，即通過系統(tǒng)的計(jì)數(shù)方式對(duì)刀具的切削次數(shù)進(jìn)行管理，嚴(yán)格說來它不算是真正意義上的刀具監(jiān)控。因此在當(dāng)時(shí)的數(shù)

24、控機(jī)床應(yīng)用中，刀具監(jiān)控一直是制造應(yīng)用的瓶頸。進(jìn)入本世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)的控制功能日臻完善，高速處理器、數(shù)字化控制、前饋控制和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)被廣泛采用。由于信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，使得刀具監(jiān)控過程所需的數(shù)據(jù)采集成為可能。1.2.1國(guó)外刀具監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀早在上世紀(jì)40年代，機(jī)械加工數(shù)控技術(shù)得以應(yīng)用之前，國(guó)外對(duì)刀具磨損和破損監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究就已經(jīng)開展起來。經(jīng)過40多年的發(fā)展，國(guó)外在刀具磨損與破損自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面做了大量的工作，監(jiān)測(cè)技術(shù)和理論已得到極大的豐富和發(fā)展Dimla認(rèn)為切削力(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))和振動(dòng)(加速度)信號(hào)是刀具監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的信號(hào)，二者融合

25、后的信息能更準(zhǔn)確地反映刀具磨損狀態(tài)9。 Bemhardsick通過大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出切削力、振動(dòng)和AE信號(hào)是反映刀具狀態(tài)的典型信號(hào)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)公開發(fā)表的文章中，有87%的作者使用多傳感器信息融合技術(shù)，并進(jìn)一步指出多傳感器信息融合技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)成為刀具監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)的核心10。Ertunc，H.M為了提高監(jiān)控模型的可靠性，把測(cè)量到的力信號(hào)和能量信號(hào)分別輸入單個(gè)模糊運(yùn)算法則，然后把這些單個(gè)模糊運(yùn)算法則的輸出送入模糊中心運(yùn)算法則，以判斷鉆削過程中的刀具狀態(tài)11。MannanM.A使用ccD攝像機(jī)采集刀具表面圖像和微型話筒采集切削聲音，用小波分析進(jìn)行特征提取，最后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息融

26、合判斷刀具磨損狀態(tài)12。D.E.Dimlasrl指出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及訓(xùn)練樣本決定網(wǎng)絡(luò)分類的成敗，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出僅僅把刀具狀態(tài)分為磨損或新刃遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)加工的需要，應(yīng)該提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力使其能分辨刀具的新刃、部分磨損、磨損和破損狀態(tài)13。1.2.2國(guó)內(nèi)刀具監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，由于數(shù)控機(jī)床與柔性制造系統(tǒng)等先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展較晚，相對(duì)世界先進(jìn)水平還比較落后，因此在刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究上起步也比較晚，上世紀(jì)70年代末才開始這方面的研究。但經(jīng)過近些年的努力，在檢測(cè)方法和監(jiān)測(cè)識(shí)別理論上都有了很大的進(jìn)展，有些已接近或超過國(guó)際先進(jìn)水平。路勇等14建立了基于數(shù)據(jù)模糊分析模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)數(shù)控磨床刀具

27、狀態(tài)。測(cè)力計(jì)和加速計(jì)采集到的信息輸入不同的數(shù)據(jù)模糊分析模型進(jìn)行特征提取,然后再送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。劉敦焰15以切削力和切削功率為監(jiān)控參數(shù),建立了基于切削參數(shù)(切削深度、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、工件材料及刀具材料)與刀具狀態(tài)(主要考慮后刀面磨損量)的車削力及功率模型,經(jīng)解藕得到的后刀面磨損量VB的實(shí)時(shí)監(jiān)控方法非常有實(shí)用價(jià)值。舒服華16用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確的細(xì)分,提取出加工過程中刀具磨損的特征信息,據(jù)此分析該加工過程的刀具磨損狀況,為刀具磨損的狀態(tài)檢測(cè)和實(shí)時(shí)補(bǔ)償提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。李菊歡17從理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算3個(gè)方面論證了刀具磨損的分形特性,應(yīng)用曼德波羅提出的分形維數(shù)分析計(jì)算方法,探討了刀具磨損的分

28、形結(jié)構(gòu)和切削用量與刀具磨損分形維數(shù)之間的關(guān)系。研究表明,用分形維數(shù)能有效地描述刀具磨損特征,表征刀具磨損切削參數(shù)與刀具磨損之間的聯(lián)系,并顯示出使用分形維數(shù)作為模式聚類與識(shí)別的優(yōu)越性。1.3虛擬儀器虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域的一個(gè)突破，它徹底改變了傳統(tǒng)儀器觀，從根本上更新了測(cè)量?jī)x器的概念，帶給人們一個(gè)全新的儀器觀念。虛擬儀器代表這測(cè)量?jī)x器發(fā)展的最新潮流和方向，是未來儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)。1.3.1 虛擬儀器的概念 從實(shí)質(zhì)上講，虛擬儀器利用硬件系統(tǒng)完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用計(jì)算機(jī)的顯示器模擬創(chuàng)傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測(cè)結(jié)

29、果，從而完成所需的各種測(cè)試功能。1.3.2 虛擬儀器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 虛擬儀器利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各項(xiàng)測(cè)試，測(cè)量和測(cè)控方面的應(yīng)用。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便的提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能夠滿足同步，定時(shí)等多種應(yīng)用需求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下4個(gè)特點(diǎn)： （1）性能高：虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此擁有了高效的處理器和文件輸入輸出性能。（2）擴(kuò)展性強(qiáng)：由于軟件的靈活性強(qiáng)，所以只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件后，通過修改軟件進(jìn)行擴(kuò)展。（3）開發(fā)時(shí)間少：虛擬儀器由于其靈活的軟件功能，只需要修改應(yīng)用程序或者驅(qū)動(dòng)程序

30、來適應(yīng)不同儀器儀表與計(jì)算機(jī)的通信。因此較之于單獨(dú)開發(fā)某一儀器儀表的時(shí)間減少了。（4）無縫集成：虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的輸入輸出設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。1.3.3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)包括儀器硬件和應(yīng)用軟件兩大部分。儀器硬件是計(jì)算機(jī)的外圍電路，與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成了虛擬儀器系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)；應(yīng)用軟件則是虛擬儀器的核心，在基本硬件確定后，軟件通過不同功能模塊即軟件模塊的組合構(gòu)成多種儀器，賦予系統(tǒng)特有的功能，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。1.3.4虛擬儀器與LABVIEW虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(fā)

31、平臺(tái)有很多種，莫倩最流行的是美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments,NI）公司的LABVIEW。LABVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench （實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）單詞首字母組合。LABVIEW環(huán)境中的開發(fā)的每個(gè)程序稱為Virtual Instrument（VI）。用LABVIEW作為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的最大優(yōu)勢(shì)就是程序開發(fā)效率高，這主要是由于它提供了幾乎所有的經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級(jí)信號(hào)分析函數(shù)，這些函數(shù)用圖標(biāo)的方式提供給用戶，使用者采用圖標(biāo)與連線的方式，可以像畫電路板一樣編寫程序，非常形象

32、，直白又便于修改和移植。才外LABVIEW程序非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成。還可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及與大多數(shù)通用的數(shù)據(jù)庫(kù)連接，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使用LABVIEW開發(fā)虛擬儀器比使用基于文本的語言開發(fā)效率可以提高1015倍，同時(shí)LABVIEW在信號(hào)處理等方面的強(qiáng)大功能有遠(yuǎn)非組態(tài)軟件可比。第2章 刀具系統(tǒng)對(duì)刀具狀態(tài)監(jiān)控的研究,一方面要加強(qiáng)基礎(chǔ)理論的研究,獲得對(duì)刀具時(shí)效敏感的特征,發(fā)展使用可靠的新型決策模型;另一方面要加強(qiáng)理論和實(shí)踐相結(jié)合,才能使刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)得到進(jìn)一步的完善18。2.1刀具監(jiān)控系統(tǒng)的組成2.11信號(hào)監(jiān)測(cè)在加工過程中有許多種狀態(tài)信號(hào)從不同角度反映刀具狀態(tài)的變化，監(jiān)測(cè)信號(hào)選擇

33、的好壞往往是決定監(jiān)控系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素。監(jiān)測(cè)信號(hào)應(yīng)具備對(duì)刀具狀態(tài)的變化反應(yīng)靈敏和迅速，便于在線測(cè)量，不改變加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，信號(hào)受環(huán)境干擾小，具有較高的信噪比等特點(diǎn)。常用的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)有切削力、功率/扭矩、聲發(fā)射信號(hào)(AE)、振動(dòng)、溫度、切削參數(shù)、電流等。監(jiān)測(cè)信號(hào)用相應(yīng)的傳感器獲得并進(jìn)行預(yù)處理，信號(hào)預(yù)處理的內(nèi)容包括隔離、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等。2.12特征提取特征提取是對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的進(jìn)一步加工處理，從大量信號(hào)中提取出與刀具狀態(tài)變化相關(guān)的參數(shù)，一方面可以提高信號(hào)的信噪比，另一方面可以減少后期數(shù)據(jù)的處理量，提高運(yùn)算速度。目前廣泛使用的特征提取方法主要有時(shí)域分析方法(均值、差值、相關(guān)系數(shù)、導(dǎo)數(shù)值等)

34、、頻域分析方法(快速傅立葉變換、功率譜等)和時(shí)頻分析方法(短時(shí)FFT、小波分析。特征提取后可獲得反映信號(hào)本質(zhì)的特征數(shù)據(jù)，它的品質(zhì)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能和可靠性具有很重要的影響作用。2.13狀態(tài)識(shí)別狀態(tài)識(shí)別是根據(jù)所獲得的刀具狀態(tài)特征參數(shù)通過識(shí)別模型對(duì)加工過程的刀具狀態(tài)進(jìn)行分類判斷，其核心是所采用的模型。模型的功能是實(shí)現(xiàn)從特征空間到狀態(tài)空間的映射，模型可由物理關(guān)系或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立。根據(jù)模型的特點(diǎn)可以分為固定參數(shù)模型、適應(yīng)性模型和自學(xué)習(xí)模型等。多模型系統(tǒng)的思路是對(duì)加工過程刀具狀態(tài)的檢測(cè)信號(hào)通過多個(gè)模型進(jìn)行分析，以獲得更多的監(jiān)測(cè)信息，這種系統(tǒng)在不增加設(shè)備成本的情況下，通過軟件處理獲得更多的刀具狀態(tài)信息，

35、使監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確更可靠。當(dāng)前采用建模的主要方法有統(tǒng)計(jì)方法、模式識(shí)別專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 第3章 數(shù)據(jù)采集虛擬儀器主要用于獲取真實(shí)物理世界的數(shù)據(jù)，也就是說，虛擬儀器必須要有數(shù)據(jù)采集的功能。從這個(gè)角度來說，數(shù)據(jù)采集就是虛擬儀器的核心，使用虛擬儀器必須要掌握如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概念在科研、生產(chǎn)和日常生活中，模擬量的測(cè)量和控制是經(jīng)常的。為了對(duì)溫度、振動(dòng)、聲音、等進(jìn)行測(cè)量和控制，都要先通過傳感器把上述物理量轉(zhuǎn)換成能模擬物理量的電信號(hào)（即模擬電信號(hào)），再將模擬電信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)，這就是數(shù)據(jù)采集。3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù) 傳感器從被測(cè)對(duì)象獲取有用信息，并將

36、其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得出所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來進(jìn)行某些物理量的控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對(duì)速度的要求。3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能3.3.1 數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)按照預(yù)先選定的采樣周期，對(duì)輸入到系統(tǒng)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，有時(shí)還有對(duì)數(shù)字信號(hào)、開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采樣。數(shù)字信號(hào)和開關(guān)信號(hào)不受采樣周期的限制，當(dāng)這類信號(hào)到來時(shí)，由相應(yīng)的程序進(jìn)行處理。3

37、.3.2 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理是對(duì)從傳感器輸出的信號(hào)做進(jìn)一步加工和處理包括對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大、濾波、存儲(chǔ)、重放和一些專門的信號(hào)處理。另外，傳感器輸出信號(hào)往往具有機(jī)、光、電等多種形式。而對(duì)信號(hào)的后續(xù)處理往往采取電的方式和手段，因而必須吧傳感器輸出信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為適宜于電路處理的電信號(hào)，其中包括電信號(hào)的放大。通過信號(hào)的調(diào)理，獲得最終希望的便于傳輸，顯示和記錄，以及可以做進(jìn)一步后續(xù)處理的信號(hào)。3.3.3 二次數(shù)據(jù)計(jì)算通常把直接由傳感器采集到的數(shù)據(jù)稱為一次數(shù)據(jù)，把通過對(duì)一次數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)運(yùn)算而獲得的數(shù)據(jù)稱為二次數(shù)據(jù)。二次數(shù)據(jù)計(jì)算主要有求和、最大值、最小值、平均值、累積值、變化率、樣本方差與標(biāo)準(zhǔn)方差統(tǒng)計(jì)方

38、式等。3.3.4 數(shù)據(jù)顯示顯示裝置可把各種數(shù)據(jù)以方便于操作者觀察的方式顯示出來，屏幕上顯示的內(nèi)容一般稱為畫面。常見的畫面有：相關(guān)畫面、趨勢(shì)圖、模擬圖、一覽表等。3.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)就是按照一定的時(shí)間間隔，如一小時(shí)，一天，一個(gè)月等，定期將某些重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器上。3.3.6 打印輸出打印輸出就是按照一定的時(shí)間間隔，如分鐘、小時(shí)、月的要求，定期將各種數(shù)據(jù)以表格或圖形的形式打印出來3.3.7 人機(jī)聯(lián)系 人機(jī)聯(lián)系是指操作人員通過鍵盤、鼠標(biāo)或觸摸屏與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)話，完成對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，采樣周期等參數(shù)和一些采集設(shè)備的通信接口參數(shù)的設(shè)置。此外，還可以通過它選擇系統(tǒng)功能，選擇輸出需要的畫面等

39、。3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件圖3.3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基本組成從圖3.3可以看出，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)刺激系統(tǒng)硬件部分一般由傳感器、前置放大電路、濾波器、多路模擬開關(guān)、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。3.4.1 傳感器傳感器的作用是把非電物理量（如振動(dòng)、溫度、聲音等）轉(zhuǎn)變成模擬電量（如電壓、電流、電阻），通常把傳感器輸出到A/D轉(zhuǎn)換器輸出的這一段信號(hào)通道稱為模擬通道。3.4.2 前置放大電路前置放大電路用來放大和緩沖輸入信號(hào)。由于傳感器輸出的信號(hào)較小（常用熱電偶的輸出變化往往在幾毫伏到幾十毫伏之間，電阻應(yīng)變片的輸出電壓的變化只有幾個(gè)毫伏），因此需要加以放大以滿足大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程

40、輸入510V的要求。由于各類傳感器輸出信號(hào)的情況各不相同，因此放大器的種類也很多。3.4.3 濾波器 傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合器渠道使信號(hào)通道感染上噪聲。為了提高模擬輸入的信號(hào)信噪比，常常需要使用濾波器對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行一定的衰減。3.4.4 多路模擬開關(guān)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對(duì)多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢測(cè)，這可以通過多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，這樣可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。多路模擬開關(guān)可以分時(shí)選擇來自多個(gè)輸入通道中的某一路通道。3.4.5 采樣/保持器多路模擬開關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作

41、用是快速拾取多路模擬開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。3.4.6 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 采樣/保持電路輸出的信號(hào)傳輸至A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號(hào)變化的速度不同，系統(tǒng)對(duì)分辨率、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同，因此A/D轉(zhuǎn)換器的種類也較多，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的結(jié)果輸出給計(jì)算機(jī)，有的采用并行碼輸出，有的則采用串行嗎輸出。3.4.7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。計(jì)算機(jī)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，并且把A/D轉(zhuǎn)換器輸出的結(jié)果讀入到內(nèi)存，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。3.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件3.5.1 模擬

42、信號(hào)采集與處理程序 模擬信號(hào)采集與處理程序的主要功能是對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采集、標(biāo)度變換、濾波處理及二次數(shù)據(jù)計(jì)算，并將數(shù)據(jù)存入磁盤。3.5.2 系統(tǒng)管理程序 系統(tǒng)管理程序首先是用來將各個(gè)功能模塊程序組織成一個(gè)程序系統(tǒng)，并管理和調(diào)用各個(gè)功能模塊程序，其次是用來管理數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)和輸出。3.5.3 通信程序通信程序是用來完成上位機(jī)與各個(gè)數(shù)據(jù)采集站之間的數(shù)據(jù)傳送工作，它的主要功能有：設(shè)置數(shù)據(jù)傳送的波特率，上位機(jī)向數(shù)據(jù)采集站群發(fā)送機(jī)號(hào)，上位機(jī)接收和判斷數(shù)據(jù)采集站發(fā)回的機(jī)號(hào)，命令相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集站傳送數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)采集站傳送的數(shù)據(jù)。第4章 刀具磨損監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)本課題前提以實(shí)驗(yàn)為主，通過修改不同的參數(shù)所得到

43、的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與工件表面的粗糙度值和刀具的實(shí)際磨損值來分析不同條件參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響。4.1實(shí)驗(yàn)方案在本刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，利用振動(dòng)傳感器和聲發(fā)射傳感器采集車削過程中的切削力信號(hào)，選用多分辨率小波分析對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行特征提取，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)刀具磨損狀態(tài)的識(shí)別，完成對(duì)本刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。4.2實(shí)驗(yàn)裝置的選擇4.2.1機(jī)床的選擇根據(jù)學(xué)校組織實(shí)驗(yàn)的機(jī)床設(shè)備條件，選擇SK40P數(shù)控機(jī)床和DL20MH圖4-1 SK40P數(shù)控機(jī)床圖4-2 DL20MH機(jī)床4.2.2傳感器的選擇與安裝4.2.2.1傳感器技術(shù)：在刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，傳感器主要把切削過程的物理量(如切削力)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便于后一階段

44、的處理。因此，首先要求采集到的電信號(hào)必須如實(shí)反映刀具磨損狀態(tài)信息;其次，傳感器要與機(jī)床配套使用，要求傳感器安裝簡(jiǎn)單易行，抗干擾能力強(qiáng)。在切削過程中，與切削過程密切相關(guān)的物理量，如切削力、切削功率的變化等可以從不同方面反映刀具狀態(tài)的變化，利用傳感器采集這些變化量并提取特征值建立數(shù)學(xué)模型就可以判斷刀具狀態(tài)。但是不同監(jiān)測(cè)信號(hào)在不同條件下各有優(yōu)勢(shì)和局限，相同監(jiān)測(cè)信號(hào)在不同條件下對(duì)刀具磨損的敏感度也不同。由于刀具監(jiān)測(cè)中存在切削加工條件的多樣性、切削參數(shù)的多變性、刀具磨鈍的隨機(jī)性、模糊性和監(jiān)測(cè)信號(hào)單調(diào)性的矛盾，為了提高刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性，有必要以多傳感器信息融合的方式實(shí)現(xiàn)刀具監(jiān)測(cè)。4.2.2.2

45、傳感器的選擇：傳感器信號(hào)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)源，因此傳感器的合理選擇對(duì)于刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)研究成功起著重要的作用。研究表明，AE信號(hào)對(duì)與塑性變形和切削區(qū)裂變有關(guān)的微觀活動(dòng)敏感，切削力信號(hào)和加速度信號(hào)對(duì)后刀面磨損而導(dǎo)致的刀具和工件振動(dòng)敏感，其組合為刀具磨損監(jiān)測(cè)提供了更多的冗余信息，能夠滿足刀具磨損狀態(tài)的可靠監(jiān)測(cè)。所以本文選擇聲發(fā)射傳感器和振動(dòng)傳感器的組合對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。(1)振動(dòng)加速度傳感器：選用丹麥B&K公司的振動(dòng)傳感器，型號(hào)B&K4930，可以測(cè)量位移、 速度和加速度。(2)振動(dòng)信號(hào)電荷放大器：信號(hào)放大采用B&K公司配套的放大器，型號(hào)B&K2635。(3

46、)聲發(fā)射傳感器：PAC公司的PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。(4)聲發(fā)射信號(hào)放大器:采用配套的前置放大器及主放大器。4.2.2.3.傳感器的安裝： 最常用的測(cè)振傳感器是：磁電式速度傳感器、電阻應(yīng)變式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器。磁電式速度傳感器是利用電磁感應(yīng)原理制成的用以測(cè)量振動(dòng)位移、速度、加速度的傳感器，有動(dòng)圈式、動(dòng)磁式和可變間隙式等結(jié)構(gòu)形式。圖4.7.2是一種動(dòng)圈式速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 圖4-3 動(dòng)圈式速度傳感器結(jié)構(gòu)圖1-彈簧片 2-永久磁鐵 3-阻尼環(huán) 4-鉛框架 5-芯桿6-殼體 7-工作線圈 8-彈簧片 9-接線端 傳感器原理：處在磁場(chǎng)中的線圈以被測(cè)振動(dòng)的速度切割磁力線，使線圈產(chǎn)生感

47、應(yīng)電動(dòng)式。設(shè)被測(cè)的振動(dòng)速度 則傳感器的輸出電壓為（式中 B磁感應(yīng)強(qiáng)度；N線圈扎數(shù)； L每匝線圈導(dǎo)線長(zhǎng)度），從上式看出，B、L、N均為常數(shù)時(shí)，線圈中感應(yīng)電勢(shì)與被測(cè)速度成正比。由于一個(gè)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要振源，振動(dòng)信號(hào)可調(diào)，這樣才可以通過相頻特性曲線捕捉固有頻率。而實(shí)際中，我沒有一個(gè)可調(diào)的振源。所以用Labview自帶的信號(hào)發(fā)生函數(shù)取代振源，進(jìn)行虛擬仿真，虛擬仿真可以滿足如下要求：（1）可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)的幅值、相位、頻率、進(jìn)行調(diào)整；（2）可以對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行疊加；（3）可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換；對(duì)信號(hào)在頻域中進(jìn)行分析，可以對(duì)含噪聲的信號(hào)進(jìn)行濾波。傳感器的安裝需要考慮到采集信號(hào)的最佳效果。振動(dòng)監(jiān)測(cè)選用加速度

48、傳感器，采用垂直安裝，共有4 個(gè)，電主軸軸承部位水平和垂直方向各1個(gè)，刀架及刀柄位置各1 個(gè)( 如圖 左圖所示) ，從而能更加全面地監(jiān)測(cè)車削加工過程中的振動(dòng)信號(hào)。聲發(fā)射傳感器選用R15A 型，安裝于車削加工行程的兩端側(cè)面，刀架及刀柄位置各1 個(gè)( 如圖 右圖所示) ，并保證傳感器與刀具粘合牢固。 圖4-4 傳感器4.2.3 A/D卡及采集參數(shù)選擇4.2.3.1振動(dòng)采集裝置：INV3060系列24位多功能采集分析系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析儀而言、24位的模數(shù)轉(zhuǎn)化較傳統(tǒng)配備14為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)分析儀來說其高精高速高動(dòng)態(tài)范圍是其顯著的優(yōu)點(diǎn)， 量化臺(tái)階1677萬個(gè)，是傳統(tǒng)12bit的4000倍。此INV30

49、60系列24位多功能采集分析系統(tǒng)時(shí)一款集信號(hào)采集、存儲(chǔ)、傳輸為一體的高性能信號(hào)采集分析儀器，結(jié)合配套軟件可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)分析、打印等。該系統(tǒng)具有4通道全并行采集，24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高50KSPS高速采樣，大于100dB的高動(dòng)態(tài)范圍，多功能擴(kuò)展接口支持遠(yuǎn)程設(shè)備升級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，傳輸距離無限擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)變、振動(dòng)、地震、壓力、結(jié)構(gòu)、材料、溫度、噪聲等信號(hào)采集和處理。4.2.3.2采集參數(shù)確定（1）力和振動(dòng)信號(hào)機(jī)床主軸的試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速為1200/rmin，則刀具每轉(zhuǎn)需要的時(shí)間:t=60/1200=0.05(s)機(jī)床主軸的試驗(yàn)最低轉(zhuǎn)速為6O0/rmin，則刀具每轉(zhuǎn)需要的

50、時(shí)間t=60/600=0.1(s)根據(jù)銑削加工特點(diǎn)，隨著車刀切割工件，在刀具安裝理想的情況下，在每齒的切削周期內(nèi)，切削厚度隨刀具轉(zhuǎn)角而變化，因此切削力隨刀具轉(zhuǎn)角和刀具旋轉(zhuǎn)而變化，此時(shí)可以對(duì)每齒周期的切削力信號(hào)進(jìn)行分析，研究刀具磨損的變化規(guī)律。然而，由于刀片的安裝誤差，切削力在每齒周期的變化是不同的，此時(shí)切削力表現(xiàn)為刀具轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)間的周期函數(shù)，因此信號(hào)采樣時(shí)間應(yīng)該大于刀具每轉(zhuǎn)的最長(zhǎng)時(shí)間，才能正確分析切削力信號(hào)特征與刀具磨損的映射關(guān)系，即采樣時(shí)間滿足:式中:L一采樣長(zhǎng)度;f一采樣頻率。由于力和振動(dòng)信號(hào)屬于低頻信號(hào)，首先確定采樣頻率16kHz，則采樣長(zhǎng)度必須大于1.6K，實(shí)際的采樣長(zhǎng)度取為1K。（2

51、）AE信號(hào)目前的研究表明，AE信號(hào)的頻率在50kHz一1MHz之間。由于選用的采集卡采樣長(zhǎng)度最大為256K，且采樣頻率越高，采集的長(zhǎng)度越小，即采樣時(shí)間越短。根據(jù)香濃采樣定理，采樣頻率至少為信號(hào)最高頻率的2倍，因此選擇聲發(fā)射信號(hào)采樣頻率為2MHz，信號(hào)采樣長(zhǎng)度的選擇滿足式(2一1)，即L>200K，本文選擇采樣長(zhǎng)度為256K。4.3刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)把上述所有設(shè)備裝置連接器來，數(shù)控機(jī)床程序?qū)霗C(jī)床，各個(gè)傳感器分別安裝在指定位置，并與數(shù)據(jù)采集儀連接好，調(diào)整軟件參數(shù)，這樣子的道具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就組成了。圖4-5刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4.4試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依賴良好的傳感器信號(hào)特征

52、對(duì)刀具的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)際加工過程中，由于待加工產(chǎn)品呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，因此加工參數(shù)需要合理組合，刀具材料、尺寸和磨損量也要不斷改變以滿足加工要求，監(jiān)測(cè)信號(hào)也隨之改變。如果把這些參數(shù)看作系統(tǒng)的輸入，監(jiān)測(cè)信號(hào)看作系統(tǒng)的輸出，則刀具磨損監(jiān)測(cè)試驗(yàn)屬于多因子、多指標(biāo)試驗(yàn)問題。對(duì)于研究刀具磨損監(jiān)測(cè)的研究人員，如何確定合理的試驗(yàn)方法，降低試驗(yàn)成本，縮短研究周期、提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性是首要解決的問題。此外，考慮樣本質(zhì)量對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別精度的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)還必須滿足模式分類及數(shù)據(jù)建模的要求。本章基于刀具狀態(tài)監(jiān)控試驗(yàn)系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)刀具切削試驗(yàn)，探索刀具磨損與切削聲音信號(hào)的相關(guān)性，從而確定切削聲音信

53、號(hào)中的刀具磨損特征分量。第5章 程序界面與功能實(shí)現(xiàn)5.1 程序界面首先是【用戶登陸】系統(tǒng)，可以通過正確的賬號(hào)密碼，登陸到【主菜單】。圖5-1登陸界面登陸成功后，進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，可以根據(jù)自己所需的功能進(jìn)入相關(guān)的程序。 在【主菜單】中點(diǎn)擊【數(shù)據(jù)錄入】進(jìn)入數(shù)據(jù)的錄入界面，通過【數(shù)據(jù)導(dǎo)入】按鈕，可以將機(jī)床型號(hào)，類型，轉(zhuǎn)速等等機(jī)床的詳細(xì)信息直接錄入到access數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且會(huì)在右邊的顯示欄中實(shí)時(shí)顯示，每組數(shù)據(jù)都有自己的數(shù)據(jù)ID，不僅可以對(duì)信息方便的瀏覽，還能對(duì)不正確，或者不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)點(diǎn)擊按鈕【數(shù)據(jù)刪除】進(jìn)行刪除，進(jìn)而確保數(shù)據(jù)的正確性，完整性。圖5-2 數(shù)據(jù)錄入在【主菜單】界面，點(diǎn)擊【數(shù)據(jù)查詢】按鈕，

54、通過此版塊，可以查詢機(jī)床屬性，以及讀取歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并直觀顯示。圖5-3 數(shù)據(jù)查詢?cè)凇局鞑藛巍拷缑?，點(diǎn)擊【故障分析】按鈕，通過故障分析模塊，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，并通過類型選擇，選擇正常，磨損，嚴(yán)重磨損等方面的故障數(shù)據(jù)，形成圖像，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。最后綜合圖像，數(shù)據(jù)的分析，點(diǎn)擊【故障報(bào)表】按鈕，生成診斷報(bào)表。圖5-4-1 故障分析-震動(dòng)圖5-4-2 故障分析-聲發(fā)射圖5-5 報(bào)表生成在【主菜單】點(diǎn)擊【案例分析】按鈕，用戶可以根據(jù)不同的故障類型，選擇不同的故障來源，并且從案例，以及右側(cè)分析文本框中，了解到此類故障的來源，原因以及解決方法。圖5-6 故障案例庫(kù)由于典型故障案例分類比較多，原因以

55、及解決的方法不能及時(shí)篩選出來，此時(shí)可以通過點(diǎn)擊【案例分析】中的【案例簡(jiǎn)要總結(jié)】按鈕，直接跳轉(zhuǎn)到此界面，這樣是用戶對(duì)問題的原因，解決的方案一目了然。圖5-7 故障案例總結(jié)在【主菜單】中點(diǎn)擊【程序流程圖】進(jìn)入此界面，這是對(duì)此平臺(tái)一個(gè)功能路徑的簡(jiǎn)要概括，此功能，使用戶對(duì)平臺(tái)的詳細(xì)功能有更深一步的了解以及概括的認(rèn)識(shí)。圖5-8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.3遠(yuǎn)程界面，Remote Panels技術(shù) 利用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)，例如Datasocket及TCP/IP可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控?cái)?shù)據(jù)，但是它們的不足之處就在于，需要高深的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)來應(yīng)用它們19。而且，對(duì)于以前開發(fā)完成的軟件，沒有遠(yuǎn)程測(cè)控功能的，則需要修改，修改需

56、要耗費(fèi)大量精力，而且，有些軟件，是不能修改的37。對(duì)于LabVIEW中提供的Remote Panels技術(shù)，用戶可以輕松的在本地計(jì)算機(jī)上打開遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的VI，在LabVIEW中使用Remote Panels非常方便20。首先，要先運(yùn)行LabVIEW并配置Web Server.其配置步驟如下。在LabVIEW主菜單中選擇工具-選項(xiàng)，隨后，在彈出的LabVIEW“選項(xiàng)”對(duì)話框的下拉列表框中選擇“Web服務(wù)器：配置”，進(jìn)行配置，如圖5.25所示。選中啟動(dòng)Web服務(wù)器，啟動(dòng)LabVIEW Web Server。LabVIEW Web Server默認(rèn)的端口號(hào)為80。通常情況下，推薦給用戶自定義TCP/IP應(yīng)用程序使用的網(wǎng)絡(luò)端口的端口號(hào)為49152到65535。配置頁(yè)面中的其他選項(xiàng)包括記錄文件路徑設(shè)置、服務(wù)器根目錄、超時(shí)時(shí)間設(shè)定等?？蛻粼L問權(quán)限設(shè)置在下拉列表框中選擇“Web服務(wù)器：瀏覽器訪問”進(jìn)行配置。如圖5.26所示。VI訪問權(quán)限設(shè)置在下拉列表框中選擇“Web服務(wù)器：可見VI”，設(shè)置允許用戶訪問VI。如圖5.27所示。為了提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪問，必須在配置服務(wù)器時(shí)增加一步:利用菜單中的工具>>web發(fā)布工具將網(wǎng)頁(yè)發(fā)布出去。如下圖，Web發(fā)布工具允許用戶輸入一個(gè)Vl的名稱，