一种数控机床可靠性数据采集分析系统技术方案

本发明专利技术公开了一种数控机床可靠性数据采集分析系统，包括硬件平台和采集系统软件两大部分。其中硬件平台包括传感器、数据采集装置和监控上位机等核心模块；系统软件主要包括用于权限验证的用户登录模块，设置采集参数的数据采集控制模块、显示机床实时状态信息的显示模块以及用于信号分析的数据分析模块。该系统是一个集数据采集与处理、状态实时监测、信息储存与输出为一体的多任务监测系统，系统操作简单、可移植性好。本发明专利技术能够实时在线监测数控机床本体的工况，降低机床机械部件的故障率，同时辅助维修人员进行故障诊断，自动化和软件融合程度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种数控机床可靠性数据采集分析系统
本专利技术属于数控机床状态监测
，特别涉及一种数控机床可靠性数据采集分析系统。
技术介绍
机床作为“工作母机”，是制造业的基石，高端数控机床已成为国家的重要战略物资。与世界先进水平相比，我国数控机床的在可靠性技术指标方面仍存在较大差距。机床故障的发生和寿命的缩短会给企业带来巨大的损失。一方面，数控机床故障维修周期长，一旦发生故障可能造成停产；另一方面，由于数控机床各种配件价格昂贵，机床故障后维修费用昂贵。对数控机床健康状态进行检测和提前诊断是提高数控机床可靠性的重要手段。对数控机床运行状态进行在线监测，完成早期的故障诊断和在线预报，把故障消灭在萌芽状态，可大大降低故障发生的机率。当前数控机床主要的故障诊断方式有两种，分别为数控系统自带诊断功能和关键部件检测诊断。数控系统中的自诊断功能可以完成简单的电气故障诊断，但是故障出现率最高的机械部分的故障检测和预报还是盲点。另一种常用的数控机床状态监测与故障诊断方法为关键部件监测，一般都是单一的对机床某一关键部件，如主轴、丝杠或轴承等关键部件进行监测。如专利CN201420470749.X提出的一种机床振动在线监控系统，通过机床数控系统对主轴进行监测控制，需要数据系统对其开放相应的权限，且功能单一，仅能实现报警功能。专利CN205426517U提出的一种机床主轴综合性能检测/监测试验系统是在加载模拟典型工况下进行的试验，此试验模拟工况下进行的试验，仅能实现空载和简单径向加载下的指标检测，且监测系统结构复杂。目前，在数控机床状态监测与故障诊断领域，缺乏对整个机床本体进行在线监测的系统，其次是缺乏面向多工况的诊断监测系统。为解决上述问题，需要建立可监测范围广、多工况适应，以及可实现数据综合分析的数控机床综合可靠性数据采集与分析系统。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种数控机床可靠性数据采集分析系统，可适用多种工况以及监测范围，以对数据进行综合分析。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种数控机床可靠性数据采集分析系统，包括传感器系统1、数据采集装置2和监控上位机3三大核心模块，其特征在于：所述传感器系统1包括振动传感器11和温度传感器12，均安装于机床上；所述数据采集装置2与传感器系统1相连接收其数据，实现传感器数据的采集工作；所述监控上位机3上安装有采集系统软件4，所述采集系统软件4对采集的信号进行预处理、特征值提取、数据分析与状态判别。所述数据采集装置2包括信号调理器21、数据采集卡22、PLC控制器23、交流接触器24和交换机25，其中，PLC控制器23的输入端与温度传感器12相连，PLC控制器23的输出端与监控上位机3相连进行温度采集，所述信号调理器21输入端与振动传感器11相连，信号调理器21输出端与数据采集卡22输入端相连，数据采集卡22插在监控上位机3的PCI总线扩展槽上，数据采集卡22输出端与监控上位机3相连，从而进行振动信号的采集，所述交流接触器24在整个采集系统中起到控制负载的保护作用。所述信号调理器21是16通道带增益的低通滤波器，能对所要测试的动态信号进行调理，如程控增益、抗混滤波、AC/DC耦合等。除使用传感器系统采集数控机床运行过程数据外，所述监控上位机3还通过交换机25与机床数控系统连接，采用Ethernet网实现对数控系统中所要求的数据信息的采集。所述振动传感器11的数量为5，均为压电式三轴向振动传感器，其通过端部绝缘的磁座吸附在数控机床上的机械部件上；分别安装在主轴箱、X轴工作台、Y轴轴承座、Y轴螺母和Z轴轴承座；所述温度传感器12的数量为8，分别安装在主轴箱、主电机、X轴轴承座、X轴电机座、Y轴轴承座、Y轴螺母、Y轴电机座、Z轴轴承座。所述监控上位机3为安装windows系统的台式计算机或笔记本电脑，监控上位机3负责数据采集装置通信和完成采集数据的保存，以及提供采集系统软件4运行的平台。所述采集系统软件4主要包括用户登录模块41、采集控制模块42、显示模块43以及数据分析模块44，其中用户登录模块41主要根据登录用户的信息生成相应的权限控制模块，不同的登录用户具有不同的使用权限；数据采集控制模块42主要是实现振动信号的拾取及对采集参数的设置；数据显示模块43将传感器的信号曲线和CNC的状态信息实时显示在监控上位机界面上；数据分析模块44是整个软件的主体，所述信号预处理主要为去趋势项和滤波降噪。所述对采集参数的设置包括对数据采集通道的选择，以及放大器的增益系数和截止频率、数据上传间隔、传感器通道选择的设置功能，所述采集系统软件是在QT中采用C++语言自行编制的，主要用于实现与机床的通信和数据分析，且具有可移植性强和升级容易的特点。所述特征值提取、数据分析与状态判别是通过MATLAB软件计算实现，具体是在C++程序中利用MATLAB引擎调用MATLAB函数，将MATLAB作为应用程序进行计算，使其在后台运行，其中特征值的提取，是通过MATLAB引擎调用MATLAB中的C函数，数据分析包括时域分析和频谱分析，时域分析和频域分析是利用MATLAB引擎的API函数，状态判别主要是通过与特征值预设阈值进行对比，超过预设阈值，或者频谱图中特征频率幅值变大，则表明机床关键部件异常，采集软件界面就会出现红色闪烁的报警信息。所述数据采集装置2和监控上位机3均安装在电器柜5，所述电器柜不仅具有电磁屏蔽功能，还有不同的扩展口，方便采集系统后续的功能升级。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术通过在数控机床搭建在线监测硬、软件平台实现对数控机床整机关键功能部件的状态监测，与传统的单项功能部件的监测诊断系统相比，监测范围更加完整和全面，进而实现对机床整机性能的维护。(2)将数采装置放置在电器柜解决了由于体积制约导致的安装复杂性和设备外置性问题，并且该系统结构简单，成本低，可以替代价格昂贵的便携式监测与故障分析系统。综上所述，本专利技术实现了在线采集和分析功能，改变了传统外部测量、离线建模分析的方式，提高了数控机床健康评估的效率，而且还可以用来实现机床可靠性的智能监控。此系统能够采集机床早期故障微弱信号和快速提取信号的特征量，实时对数控机床整机状态进行监测。同时具有多种采集方式和数据存储灵活，携带方便等优点。另外，该系统能够适应不同的切削工况及各种数控机床，通过实时的对机床状态信息进行采集和监测，辅助维修人员对机床进行故障预测和诊断，提升机床的技术含量。附图说明图1为数控机床可靠性数据采集分析系统系统结构图。图2为传感器分布图。图3为采集系统软件界面图。其中，1为传感器、11为振动传感器、12为温度传感器、2为数据采集装置、21为信号调理器、22为数据采集卡、23为PLC控制器、24为交流接触器、25为交换机、3为监控上位机、4为采集系统软件、5为电器柜。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。如图1所示，本专利技术一种数控机床可靠性数据采集分析系统，主要包括传感器系统1、数据采集装置2和监控上位机3三大核心模块。其中，传感器系统包括监测振动的振动传感器11和监测温度的温度传感器12，均安装于机床上。数据采集装置2与传感器系统1相连接收其数据，实现传感器数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数控机床可靠性数据采集分析系统，包括传感器系统(1)、数据采集装置(2)和监控上位机(3)三大核心模块，其特征在于：所述传感器系统(1)包括振动传感器(11)和温度传感器(12)，均安装于机床上；所述数据采集装置(2)与传感器系统(1)相连接收其数据，实现传感器数据的采集工作；所述监控上位机(3)上安装有采集系统软件(4)，所述采集系统软件(4)对采集的信号进行预处理、特征值提取、数据分析与状态判别。

【技术特征摘要】
1.一种数控机床可靠性数据采集分析系统，包括传感器系统(1)、数据采集装置(2)和监控上位机(3)三大核心模块，其特征在于：所述传感器系统(1)包括振动传感器(11)和温度传感器(12)，均安装于机床上；所述数据采集装置(2)与传感器系统(1)相连接收其数据，实现传感器数据的采集工作；所述监控上位机(3)上安装有采集系统软件(4)，所述采集系统软件(4)对采集的信号进行预处理、特征值提取、数据分析与状态判别。2.根据权利要求1所述数控机床可靠性数据采集分析系统，其特征在于，所述数据采集装置(2)包括信号调理器(21)、数据采集卡(22)、PLC控制器(23)、交流接触器(24)和交换机(25)，其中，PLC控制器(23)的输入端与温度传感器(12)相连，PLC控制器(23)的输出端与监控上位机(3)相连进行温度采集，所述信号调理器(21)输入端与振动传感器(11)相连，信号调理器(21)输出端与数据采集卡(22)输入端相连，数据采集卡(22)插在监控上位机(3)的PCI总线扩展槽上，数据采集卡(22)输出端与监控上位机(3)相连，从而进行振动信号的采集，所述交流接触器(24)在整个采集系统中起到控制负载的保护作用。3.根据权利要求2所述数控机床可靠性数据采集分析系统，其特征在于，所述信号调理器(21)是16通道带增益的低通滤波器，能对所要测试的动态信号进行调理，如程控增益、抗混滤波、AC/DC耦合等。4.根据权利要求2或3所述数控机床可靠性数据采集分析系统，其特征在于，除使用传感器系统采集数控机床运行过程数据外，所述监控上位机(3)还通过交换机(25)与机床数控系统连接，采用Ethernet网实现对数控系统中所要求的数据信息的采集。5.根据权利要求1所述数控机床可靠性数据采集分析系统，其特征在于，所述振动传感器(11)的数量为5，均为压电式三轴向振动传感器，其通过端部绝缘的磁座吸附在数控机床上的机械部件上；分别安装在主轴箱、X轴工作台、Y轴轴承座、Y轴螺母和Z轴轴承座；所述温度传感器(12)的数量为8，分别安装在主轴箱、主电机、X轴轴承座、X轴电机座、Y轴轴承座、Y轴螺母、Y轴电机座、Z轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵珠峰，罗勇，王立平，张兆坤，耿勇晟，徐雄斌，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11