基于LabVIEW和CompactRIO平臺的數控機床實時信號監測系統的開發*

周凌青，胡永祥，姚振強

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

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基于LabVIEW和CompactRIO平臺的數控機床實時信號監測系統的開發*

周凌青，胡永祥，姚振強

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

針對數控機床工作中反映加工狀況的特征信號情況，以NI CompactRIO為硬件核心,使用LabVIEW環境進行軟件開發,完成了一套能對機床生產活動中噪聲、溫度、振動信號進行實時監測、采集、分析處理的系統。闡述了系統的結構與具體實現方法。系統利用FPGA端配合不同I/O模塊實現對不同信號進行指定速度的采集處理，在實時系統(RT)端實現數據的存儲、分析與上傳。通過機床切削實驗驗證了該系統實現了設計的相關功能。

機床監測；LabVIEW；CompactRIO；信號采集

0 引言

機床設備工作的異常狀態指其某些參數偏離了其正常的范圍，如振動、噪聲過大，異常溫升，轉速異常等。異常狀態的出現將導致加工質量下降，生產率降低等后果。因此，需要對機床生產過程進行監測，發現異常狀態并采取相應措施，以保證加工質量。目前，自動化的狀態監測手段的缺乏制約了數控機床生產效率的提高與生產質量的保持。因此，有必要發展自動化技術，實現數控機床工作過程的監控。

自動化的監測系統主要通過對機床生產過程中的各種物理量(聲、聲發射、光、振動、電流、功率、力、力矩等)采用傳感器進行采集，然后將獲取的信息實時進行傳輸、處理、分析，從而應用于對機床狀態的判斷，并可進一步實現故障診斷、預測等功能。張龍等[1]基于ATmega單片機及LabVIEW平臺實現了機床振動信號的采集；錢文杰等[2]使用無線傳感技術搭建了機床主軸多點溫度采集系統等。

目前，數據采集系統的構架分為以下幾類：首先是基于嵌入式技術或功能板卡的采集系統，這類系統成本較高，數據運算精度受制于硬件設備的性能，功能單一且不易維護。通過軟件實現數據采集功能的“虛擬儀器”技術可以克服上述缺點，這類系統又可以分為兩種，一種以通用計算機為硬件基礎，通過VC、VB等編程語言實現采集功能，這一方案的系統有一定的靈活性，成本低，可擴展能力較強[3]，但受限于通用計算機的結構，其實時性、高速采集能力較弱， 且系統的開發對底層通訊與算法的實現要求較高。另一類以模塊化硬件為基礎，通過各類圖形化編程工具進行編程，實現采集等功能，其在靈活性、擴展性、及采集性能上都較通用計算機方案具有優勢，成本適中，適合實現多類型傳感器，在線數據分析等監測功能。

針對數控機床狀態監測的需要，以CompactRIO為硬件平臺為程序運行硬件平臺,使用LabVIEW圖形化編程語言進行多層次的軟件程序開發，實現了一套數控機床多傳感狀態監測系統，具有3軸振動信號、噪聲信號、2點主軸溫度信號在內的6路數據通道機床狀態監測功能。

1 系統的實現

1.1 系統功能分析

采集系統需通過在不妨礙機床正常工作條件下采集若干種機床特征物理信號，獲取機床加工過程中典型的信息，反映機床工作狀態。常用于機床監控的特征物理信號有溫度、振動、噪聲、聲發射信號、切削力信號等等。主軸工作中振動信號反映工作狀況與健康狀態，是機床監測與故障診斷最常用的切入點；噪聲信號反映切削狀態，同時對其加以分析可獲得各功能部件(刀具、主軸軸承、絲杠等)的結構與運行信息；主軸溫度是其熱變形的外在表現，加工精度狀況。因此以這三類典型信號作為系統采集對象。

在上述需采集的信號中，通過加速度傳感器采集的振動信號與通過傳聲器所采集的噪聲信號為快變動態信號，需使用高采樣頻率，才能獲取足夠反映原信號波形特征的信息。溫度信號為低速電動勢信號，對采樣率不敏感而對精度分辨率有較高的要求。因此，采集系統需同時具備對這兩類不同信號的采集的能力。同時，能對動態信號進行實時的FFT分析，獲知信號實時頻域分布情況。

1.2 系統架構

針對以上功能的要求，系統硬件采用NI CompactRIO硬件平臺作為核心。CompactRIO由以處理器為核心的實時系統、可重配置FPGA、不同功能可熱插拔的I/O模塊三部分組成。可重新配置的FPGA能通過程序實現實時高速高精度、自定義的功能，內置信號調理的熱插拔工業I/O模塊種類豐富，不同型號的I/O模塊內置對應不同類型傳感連接的信號調理功能，可實現多傳感監測功能。內置的實時系統則可通過程序編寫實現數據的處理、存儲、實時分析、與上位機網絡通訊等功能。CompactRIO平臺采用NI LabVIEW編程環境實現程序。

系統的整體流程結構如圖1所示。整套系統采用CompactRIO為硬件核心，對機床主軸振動與溫度信號、整體噪聲信號進行監測，程序完成并載入后，CompactRIO平臺的FPGA端負責信號的采集， RT端實現信號的存儲、分析等功能，并將數據上傳在上位PC端顯示。

圖1 系統整體流程構架

1.2.1 硬件構成

系統硬件由CompactRIO平臺，三種信號傳感器及其對應的采集卡構成：

主硬件平臺采用NI CompactRIO 9082型，其配置有Spartan-6 LX150 FPGA的8槽機箱，實時控制器采用1.33GHz雙核Intel Core i7處理器配合2 GB DDR3 800 MHz RAM。同時具有32GB非易失性存儲，可在脫離上位機的環境下進行監測并存儲采集數據。

圖2 NI CompactRIO 9082型平臺

加速度傳感器方面，采用PCB公司的356A16型三軸加速度傳感器，具有0.5～5000 Hz的頻響范圍，50g 的量程與100mV/g的靈敏度，滿足機床振動監測要求。

噪聲信號采用PCB 377B02型預極化傳聲器，適用于自由場環境下噪聲信號采集，其頻響范圍3.15～20000Hz。

采用NI 9233 4 通道模擬輸入動態信號采集模塊配合振動、噪聲兩種動態信號的采集。其提供2 mA IEPE信號調理用于激勵傳聲器與加速度傳感器。內部時鐘最大采樣率達50 kS/s，具有24位分辨率與102 dB動態范圍；同時自帶防混疊濾波器。

溫度采集方面，熱電偶較pt熱電阻等其他溫度傳感器的響應更快，采用OMEGA的5TC-GG-K-30-36型熱電偶傳感器。

采用NI 9211熱電偶模擬輸入模塊，其最多可提供4通道的熱電偶傳感器數據采集能力，具有14S/s的采集速度及24位分辨率，自帶冷端補償的功能。

1.2.2 軟件設計

采集系統功能通過程序編寫實現，本系統在LabVIEW 2013環境下進行圖形化編程，并調用了FPGA Module，Real-Time Module，NI-RIO等功能組件。搭建完成的采集系統程序的由運行于FPGA端程序、運行于RT(實時系統)端程序和運行于上位機端程序三個層次構成。

FPGA端程序設計: 該程序需完成采樣率、采樣模式等變量設置，并進行數據采集。針對高速動態信號(加速度與噪聲)與低速信號(熱電偶溫度)的不同特點，編寫了兩種不同的采集順序結構，其中，熱電偶采集順序結構中，循環中數據被RT端程序直接讀取。而動態信號采集順序結構部分由于采集數據量大，實時性高，需通過函數將四通道數據進行捆綁，創建新的一維數組，并選擇將其送入DMA FIFO緩存區中，其框圖如圖3所示。RT端通過DMA FIFO緩存區讀取數據，這種設計可避免數據的丟失，且保證了數據實時性。另外，通過錯誤簇及緩存情況偵測(是否溢出)設置采集中斷邏輯，防止非正常數據的采集。

圖3 FPGA端高速信號采集部分程序框圖

RT(實時系統)端程序設計：該程序實現對FPGA端采集的數據的讀取，并進行數據處理、存儲、分析與上傳。這一過程需要保證信號數據的完整與時間的同步，因此，主要通過“生產者、消費者”結構實現上述功能。

相較單線程順序結構和“管道流水線”模型結構[4]，“生產者、消費者”結構將采集步驟與其他步驟分別建立不同的循環，采集循環所采集的數據存入緩存，使采集與處理等步驟分別生產與消費數據，互不干涉，優化運行速度；同時具體結構如圖4所示。

圖4 “生產者、消費者”循環結構

具體的功能實現上，兩個“生產者”(熱電偶、動態)負責控制參數，并通過DMA FIFO從FPGA端讀取數據， “消費者”分別負責6路信號(三個加速度信號，噪聲信號、兩個溫度信號)的處理、顯示、存儲、FFT分析與上傳，熱電偶采集數據的轉換等附屬功能則通過子VI的方式實現。生產者與消費者通過隊列進行數據傳輸。其中，在數據存儲方面，負責存儲的“消費者”將獲取的數據以每個采樣率為一組，進行編號分行，并以txt文本格式記錄數據，該存儲方法可以方便后續數據核對工作，也有利于大數據量的保存，同時方便其他軟件、工具進行數據調用，其框圖如圖5所示。

圖5 用于加速度信號數據存儲的“消費者”程序框圖

上位機端程序設計：該VI程序需完成通過TCP/IP協議接收數據，并由界面進行顯示各數據顯示，參數修改的功能，這要求其界面直觀、易于操作。前面板界面設計如圖6所示，實時顯示為信號時域波形，動態信號實時FFT分析結構等。同時，直接通過這一界面進行各層次的采樣頻率(單位時間采樣個數)、采樣率(單次數據交換個數)、數據存儲位置等參數的設置。

圖6 位于上位機的系統界面

2 系統的實驗驗證

通過床機床加工實驗驗證采集系統功能。實驗采用側銑加工薄壁件的方法。實驗機床為德瑪吉DMU-70V型五軸加工中心，刀具為18mm三刃平銑刀，工件采用2024硬鋁材質的65mm×65mm×4mm的薄壁。

圖7 工件的裝夾與切削狀況

布點方面，三軸加速度傳感器布置于電主軸外殼軸承外側(近刀具側)，熱電偶分別布置于主軸軸承外側與刀具附件監測，傳聲器布置于刀具箱頂面并指向加工位置。傳感器線材通過主軸殼體、機床外罩布置。

實驗采用單邊順銑方式，進給速度300mm/min，軸向切深10mm，徑向切深0.5mm。

實驗一采用平口鉗夾具，一側裝備帶V形缺口的鉗口，用以模擬工件支撐固定不足的條件，主軸轉速是設定為6000rpm。

實驗二采用不帶缺口的平口鉗夾具，轉速為變量進行切削實驗，在轉速區間2000～9000rpm，以1000rpm為間隔設置8組實驗。

表1 實驗二各組編號與對應轉速

實驗中，監測系統實現了對銑削加工過程中振動、噪聲、溫度信號的實時采集、存儲，同時實時進行各動態數據通道的FFT分析，實時顯示噪聲、振動信號頻譜信息。

其中，在實驗一的加工過程中，當刀具經過鉗口缺口位置時，監測系統噪聲與振動信號顯示并記錄明顯的信號幅度變化，切削開始時其振動與噪聲幅值較為穩定，當刀具經過工件缺少支持的平口鉗缺口時，幅值激增，通過該區域后信號恢復穩定。通過觀察加工后的工件表面亦發現，平口鉗缺口處所對應的工件位置有較他出更為明顯的振紋。下圖中橫軸對應的是數據交換次數，縱軸對應電壓(V)可通過傳感器靈敏度換算為m/s2與Pa。圖9 中顯示缺乏支撐固定導致的振紋。

圖8 實時顯示的噪聲(上)與振動信號(下)

圖9 零件加工表面現象

實驗二中，系統對各組實驗過程進行監測與數據采集。對系統存儲的數據進行分析：選取測的數據中代表實際切削過程的振動(加速度)、噪聲信號強度數據，分別計算信號的均方根、極值，結果如圖10、圖11所示。

圖10 實驗二加速度信號極值/均方根值

圖11 實驗二噪聲信號極值/均方根值

振動信號與噪聲信號的均方根與極值分別在第4組(5000rpm)與第7組(8000rpm)出現峰值。可以判斷，在這兩個轉速下的加工過程過程中，切削穩定性較差，振動劇烈；實時頻譜圖顯示，頻域峰值與主軸處于刀具-主軸系統固有頻率附近。通過實驗數據亦可發現，在薄壁銑削過程中，振動信號與噪聲信號存在一定正相關關系。

3 結論

基于NI CompactRIO硬件，使用LabVIEW開發環境為工具進行多層次編程，開發了一套多傳感機床狀態監測系統，實現振動、噪聲、溫度信號的實時采集、顯示、存儲、處理功能，并通過實驗驗證其功能。相對于傳統監測系統，基于虛擬儀器技術搭建的系統具有更大的擴展性與可重構性。同時，本系統硬件便攜且擁有工業級的設計，是理想的用于工業現場監控系統的平臺。這套系統的建立為了解各類機床設備生產狀態提供了方案，也為進一步進行基于機床生產狀態信息的研究打下了良好的基礎。

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(編輯 李秀敏)

Development of On-line Monitoring System for NC Machine Tool Base on LabVIEW and CompactRIO

ZHOU Ling-qing, HU Yong-xiang, YAO Zhen-qiang

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China)

With the aid of LabVIEW and CompactRIO, The on-line monitoring system was developed. It could monitor, collect and process multi-signal, which including vibration signal, noise signal and temperature signal. This paper describes the structure and the implementation method of the system. The system uses FPGA and I/O modules to collect and process data in speed given. And the analysis, storage and upload functions are realized by the Real-Time Controller. Functions of system are validated by the machining experiment on machine tool.

monitoring of machine tool；LabVIEW；CompactRIO；acquisition of signal

1001-2265(2016)10-0083-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.022

2015-11-01；

2015-12-11

04專項國產高檔數控機床與系統在航天復雜結構件加工中的驗證、深入示范應用與基地建設課題資助(2014ZX04015021);面向制造過程的先進共性工藝技術研究與信息采集平臺建設項目資助(GU0200054/001)

周凌青(1990—)，男，浙江臺州人，上海交通大學碩士研究生，研究方向為機床設備狀態在線監測與工藝分析，(E-mail)t348544@hotmail.com。

TH89；TG659

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