基于LabVIEW的在線監控系統研究

常京龍(天津冶金職業技術學院機械工程系，天津300400）

鑫 龍(沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽110168）

切削復雜形狀的難加工薄壁零件時，必須設置合理的加工工藝參數并使機床處于最佳工作狀態，嚴格控制影響加工精度和效率關鍵因素，尤其是避免系統振動造成加工零件精度降低甚至報廢，因此必須對機床進行在線檢測。目前機床在線監測在發達國家得到比較廣泛的研究與應用，國內對該研究和應用還處于起步階段[1-2]。

虛擬儀器是現代測試技術和計算機技術相結合的最新成果，只要對計算機輔以少量的數據采集硬件并編制相應軟件，計算機就能作為測量儀器使用，即 “軟件就是儀器”[3-4]。目前LabVIEW是應用最廣、發展最快、功能最強的大型虛擬儀器系統開發平臺，其徹底改變了測試技術的面貌[5-7]。

在加工過程中振動信號反映加工中心實時狀態和機床工作狀態正常與否[8-9]。將加工工藝和加工質量與振動信號參數建立聯系并設定坎值，當刀具振動參數超出坎值范圍，表明磨損嚴重，必須調整或更換刀具；當刀具振動參數在坎值范圍之內時表明機械運行狀態正常，工件表面粗糙度能夠滿足要求，否則工件表面粗糙度不合格。為此，筆者在構建監測系統硬件基礎上利用LabVIEW設計開發虛擬儀器并驗證其準確性。

1 系統硬件設置

硬件設置以USB2002數據采集卡為基礎，選擇剪切式壓電加速度傳感器及其電荷放大器，同時配置光電傳感器與倍頻編碼器、壓力傳感器及電荷放大器、溫度傳感器和現場PC機。硬件系統結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

振動傳感器實時拾取主軸、刀具、床身、工作臺和工件的振動信號，所測電信號經振動電荷放大器傳送給數據采集卡；光電傳感器監測機床主軸、刀具的旋轉周期信號后經倍頻編碼器輸送給數據采集卡；壓力傳感器檢測加工系統中刀具、床身、滾珠絲杠和各軸的壓力信號，并經壓力電荷放大器輸入數據采集卡；溫度傳感器接收滾珠絲杠、刀具及各軸的加工溫度變化信號后傳送給數據采集卡；數據采集卡將以上模擬信號轉變成數字信號輸送給計算機。

2 系統軟件設計

設計系統軟件時通過Access數據庫利用VB6．0作為開發工具，重點是利用LabVIEW語言編制頻譜分析系統。

2．1 數據管理模塊

該模塊包括測點管理和數據管理2部分。數據采集前必須建立一個或多個測點，并對傳感器靈敏度合理設置。采集前一般進行傳感器、通道數、分析頻率、采樣點數、高通設置、抗混設置、放大倍數、觸發源等參數的設置，也允許采集時動態改變所設定參數。采集的數據按測點存儲和管理，數據采集后不允許添加和修改，可以查詢、刪除和打印。數據采集設置如圖2所示。

2．2 數據采集與分析模塊

圖2 數據采集設置圖

圖3 數據采集圖

圖4 時域分析圖

該模塊完成數據連續采集、存儲和分析，數據采集如圖3所示。系統可對采集的數據進行時域分析、頻域分析、相關分析和概率分析：①時域分析。通過時域分析獲取信號時間波形，并提取平均值、有效值、峰值、峰峰值特征參數，獲得波形指標、峰值指標、裕度指標、脈沖指標、峭度指標等。時域分析如圖4所示。②頻域分析。將采集的復雜的時域波形，經傅立葉變換得到若干單一的諧波分量，獲得信號的頻率結構，反映各諧波幅值和相位信息，直接得到6個最大頻率及幅值參數。頻域分析如圖5所示。③相關分析，包括自相關分析和互相關分析。自相關分析主要用于判定原信號的性質和隨機信號識別，也能夠作為故障診斷的依據；互相關分析用于時間滯后判定、傳輸通道識別和檢測外界噪聲。④概率分析。系統通過對采集數據選擇概率密度還是分布函數確定概率分析分布類型。

圖5 頻域分析圖

2．3 趨勢分析模塊

該模塊主要針對時域波形的多種參數量值進行趨勢分析，除前述的時域參數及指標外，還包括1倍頻、2倍頻和3倍頻狀態量的趨勢分析。

2．4 數據回放模塊

該模塊用于倒覽各種采集到的數據，可以調入存儲的采集數據及波形，提供時域采集回放及查詢、分析、打印。

2．5 人工智能專家系統和報警顯示模塊

報警單元核心是人工智能專家系統，采集分析的信號數據經人工智能專家系統確定能夠準確反映當前狀態的參數，并判斷是否在坎值范圍之內；如果超出坎值范圍立即報警顯示，提示操作者進行人工干預，采取相應措施避免設備損壞和保證加工質量，同時補充完善專家系統知識庫。

3 在線監測試驗

選用數控銑床進行在線監測試驗，工件材料A3鋼，選用高速鋼鉆頭；用在線檢測儀采集工件振動加速度信號；用工具顯微鏡測量鉆頭磨損、破損形貌。監測得到刀具振動信號幅值譜波形如圖6所示。

由圖6（a）可知，正常加工時工件振動幅值較小，振動加速度最大值是0．4324m／s2；由圖6（b）可知，隨著進給速度的加大，工件振動明顯加快，振動加速度最大值為0．7017m／s2；由圖6（c）可知，刀具破損時工件振動迅速增強，振動加速度最大值達到2．1146m／s2。上述現象說明加工時工件振動幅值與切削參數和刀具工作狀態內在相關，工件振動幅值反映了刀具磨損狀態。該試驗表明，在線監測系統數據采集準確可靠，利用在線監測技術能有效監控機床加工工作狀態。

圖6 振動信號監測幅值譜波形圖

4 結 論

1）合理選擇傳感器的類型和采集卡的型號是設計在線監控系統的前提。

2）基于LabVIEW的頻譜分析是在線監控系統軟件設計的核心。

3）利用監控系統實施機械加工在線檢測能夠有效監測刀具磨損狀態、保證加工質量、避免機械設備損壞和零件報廢。

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