基于Labview的电主轴状态监测系统研制

毕 业 设 计基于 LabVIEW 的电主轴状态 监测系统研制学生姓名： 李威宇 学号： 122028132 系 部： 电子工程系 专 业： 测控技术与仪器 指导教师： 杨辉（讲师） 2016 年 6 月诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 基于 LabVIEW 的电主轴状态监测系统研制 系部： 电子工程系 专业： 测控技术与仪器 学号： 122028132 学生： 李威宇 指导教师（含职称）： 杨辉（讲师） 1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解电主轴的工作原理，进行主轴系统的状态监测技术研究，培养电子测控系统设计及方案论证、分析和比较的能力，为学生在毕业后从事电子测控技术工作打好基础。2主要内容基于专业虚拟仪器开发工具 LabVIEW,设计一电主轴状态监测系统，该监测系统能够通过调研和现场采集的数据，进行电主轴的故障分析。对电主轴的状态进行监测，提高了电主轴的可靠性。基本要求：（1）充分了解电主轴工作原理及其常见故障；（2）画出基于 LabVIEW 的电主轴监测系统的前面板图和程序框图； （3）完成监测系统的各个模块编程；（4）设计完成之后进行软件仿真，验证电主轴监测系统可行性；3主要参考资料1 林月芳，吉海彦 .智能仪器及其发展趋势M.中国农业大学信息学院，2003.2 王凯.高速电主轴电液伺服加载的可靠性试验台研制D.吉林大学，2013. 3 江建军，刘继光 .LabVIEW程序设计教程M.北京：电子工业出版社.2008.4进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅相关资料，撰写开题报告 2 月 29 日3 月 20 日2 学习 LabVIEW,学习电主轴及其监测原理 3 月 21 日4 月 10 日3 设计监测系统的各个模块，进行软件编程 4 月 11 日5 月 9 日4 进行软件仿真,验证监测系统可行性 5 月 10 日6 月 1 日5 完成毕业论文及答辩工作 6 月 2 日6 月 18 日太原工业学院毕业设计I基于 LabVIEW 的电主轴状态监测系统研制摘 要电主轴是数控机床上一个极其重要的核心功能器件，它的工作状态好与坏直接决定了数控机床的性能好坏并且关系到它的可靠性和精度是否可以达到标准。本课题是为电主轴的性能测试而开发的一套电主轴状态监测系统。该监测系统可以完成对电主轴的常规性能监测、转子振动信号监测、主轴应力监测和噪声的检测，该系统基于 LabVIEW 进行设计，有用户界面，主界面及多个子界面。本论文首先对此课题的研究意义进行了说明，然后重点介绍了虚拟仪器技术的结构、特点、优势等等，之后对所设计的监测系统进行了模块化的阐述，分为软件部分和硬件部分，同时也对信号的采集及算法进行了一些学习研究。关键词： LabVIEW，虚拟仪器技术，电主轴，性能监测太原工业学院毕业设计IIDevelopment of Condition Monitoring System of Motorized Spindle Based on LabVIEW AbstractMotorized spindle is a core function device of CNC machine tools, its good or bad working conditions will determine the performance of CNC machine tools is good or bad and it is related to the reliability and accuracy whether can be up to standard. This topic aims to design a motorized spindle condition monitoring system. The monitoring system can complete a series of functions,such as conventional spindle performance monitoring,rotor vibration signal monitoring,stress monitoring and detection of spindle noise, which is designed based on LabVIEW system.The design has a user interface and a main interface and a plurality of sub-interfaces. The thesis describes the significances of this subject and it focuses on the structure of the virtual instrument technology,features,advantages,etc.And then it modularly describes the monitoring system which has been designed.This system could be divided into hardware and software part ,meanwhile,I made some study and research on the acquisition and signal algorithm.Key words: LabVIEW，virtual instrument technology，spindle，performance monitoring太原工业学院毕业设计III目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本课题的研究任务 .3第 2 章 虚拟仪器技术 .42.1 虚拟仪器概念 .42.1.1 虚拟仪器的定义 .42.1.2 虚拟仪器的特点 .42.2 虚拟仪器的结构 .52.2.1 硬件部分 .52.2.2 软件部分 .62.3 虚拟仪器的开发平台 LabVIEW .72.3.1 LabVIEW 概述 .72.3.2 LabVIEW 的应用 .102.4 虚拟仪器的发展 .102.5 本章小结 .11第 3 章 状态监测系统的总体设计思路 .123.1 状态监测系统的功能及设计要求 .123.1.1 系统的功能 .123.1.2 测试系统的整体设计要求 .133.2 系统的整体设计方案 .133.3.1 硬件设计部分 .133.3.2 软件设计部分 .143.3.3 软件平台的选择 .14第 4 章 信号的采集、处理与分析 .154.1 信号的采集 .154.1.1DAQ 助手采集信号 .154.1.2 仿真信号 .17太原工业学院毕业设计IV4.1.3 基本函数发生器模拟信号 .174.2 常用传感器 .174.3 信号的处理与分析 .184.3.1 信号的处理 .184.3.2 信号的分析 .18第 5 章 软件模块的设计与编写 .235.1 检测系统的总体框架设计 .235.2 登陆界面程序的编写与设计 .235.3 主演示界面程序的设计与编写 .245.4 常规性能监测程序模块的设计与编写 .265.5 振动信号监测模块的设计与编写 .275.6 主轴应力监测的设计与编写 .285.7 噪声检测模块的设计与编写 .29第 6 章 总结与展望 .316.1 总结 .316.2 课题展望 .31参考文献 .32致谢 .33太原工业学院毕业设计1第 1 章 绪论1.1 课题研究的意义电主轴是数控机床上一个极其重要的核心功能器件，它的工作状态好与坏直接决定了数控机床的性能好与坏并且关系到它的可靠性和精度是否可以达到标准。然而，国内对加工中心功能部件可靠性研究还没有重视，现在还是仅仅停留在简单的故障统计和分析上。根据研究表明，对关键功能部件（如电主轴）进行状态的监测和可靠性研究实验，对于研究和提升整个加工中心的可靠性具有重要意义。传统的电主轴监测系统有很多不足之处：价格昂贵而且效率低，功能单一不能满足现实需求，有时还会出现软硬件均不能兼容,不能共享软硬件资源,再者，硬件设备的维护成本较高，可扩展性也较差。由此看出，传统的设备不能从系统的多方面角度来进行测试，实验数据无法得到充分的应用。自 20 世纪 90 年代以来，世界范围内刮起了一阵技术革命风暴，计算机技术，网络技术等等都出现在人们的视野当中，虚拟仪器技术也因为它的易操作性和集成性渐渐被人们所接受。虚拟仪器以及 LabVIEW 开发平台是美国 NI 公司设计开发的，我们可以利用它轻松的建立相关的测试系统和检测模块等。LabVIEW 在工业领域发挥着越来越重要的作用，提高了工业生产的效率。所以，利用虚拟仪器技术设计一款可维护性强，扩张性好，集成化程度高，高效实用的电主轴状态监测系统具有很高的实际意义，此系统还有助于加工中心维修策略的制定，进而确保所加工零件的精度和机床的工作效率。1.2 国内外研究现状步入二十一世纪，计算机技术，传感器技术和自动化控制技术等等都得到了迅猛发展，近几年电主轴的监测技术也进行了改朝换代。早期的监测技术主要采用人工监测与自动化检测相结合的方法，但是由于这种方法容错率小，可维护性差，实时性差，监测精度不高，所以渐渐被微机化，智能化的监测系统替代，也就是用微型计算机或者单片机作为监测系统的大脑，从而使系统可以更加智能的处理一些数据，如可以时刻对数据进行分析、对硬件设备进行自行控制以及进行一些图形生成等功能。与此同时，随着人们对测试系统的智能性要求日益高涨，虚拟仪器技术太原工业学院毕业设计2（LabVIEW）被逐渐运用到了电主轴性能测试领域，使得监测系统的简化度大大提高，监测系统的智能性，可维护性也得到了很大的提升。目前，在国外，各种仪器公司对于虚拟仪器和虚拟仪器产品等方面也做了大量的研究，研究成果也在数控机床监测和自动控制系统等方面得到了普遍的应用。虚拟仪器的春风所到之处都产生不可估量的影响，虚拟仪器的产品如雨后春笋，国际市场占有的比例大幅上升，由此产生的经济效益也上相当客观的。生产虚拟仪器的主要厂家有 HP 公司(目前生产 100 多种型号的虚拟仪器)，Tektronix 公司(目前生产80 多种型号的虚拟仪器)，Agilent 公司(目前生产 60 多种型号的虚拟仪器)。目前，这些厂家的产品已经进入我国市场。在国内，虽然对虚拟仪器的应用没有那么广泛，但是也有了许多革新技术，如国内许多新开发的监测系统都属于微机化系统，同时结合了结合了现代科技的多种技术，使得监测设备更加智能且可靠。如哈尔滨工业大学利用 LabVIEW 技术上设计的电主轴监测系统。这个系统分别从不同的角度对电主轴做了故障特征分析，并对电主轴的特性和常规性能进行了大量研究；又如清华大学鉴于现存的监测系统无法高效经济的检测生产的发动机是否达标，基于 LabVIEW 技术开发了一套发动机性能的检测系统。随着数控机床技术和计算机技术的不断发展，更智能，更经济，更多功能化的电主轴监测系统将会在数控机床监测领域有着广阔的应用前景。在欧洲北美等发达国家，已经普遍出现由最新高新科技改进和完善的数控机床监测设备，并且逐渐向综合化化、智能化、数字化、多功能化和小型化等方面发展。这些监测系统有不少优点，但是这种系统也有它的缺点：比如它的兼容性差、整合程度也不高，软件的开发周期长，随着虚拟仪器技术的迅猛发展，它的上述缺点正在渐渐被克服。如美国大熊公司的 BEAR-200，BEAR-400 型全电脑发动机检测诊断系统，法国学者 C. de Castelbajac 运用振动传感器设计了高速主轴轴承的状态监测系统，实现对轴承的分布性故障进行监测和识别。Thomson WT 通过设计电机三相电流的在线检测系统，可以对电机定转子的状态进行监测。瑞典 SPM 仪器公司通过冲击脉冲计(Shock Pulse Meter )监测轴承的状态等都彰显了当代先进的科学技术。虽然目前国内在数控机床监测领域如电主轴监测系统取得了较大的进步，但是在系统的智能化程度，可靠性，监测精度等方面还和发达国家有着较大差距，有着很大的改进空间。国外的这一方面的监测系统品质更高，可维护性和智能化程度领先国内，但是其价格较国内则更加昂贵。虚拟仪器在国外悄无声息的兴起并且正在太原工业学院毕业设计3逐渐发展壮大，而在这个时候我国各行各业的发展也是不尽人意，我国正努力将我国转变为工业化强国，这不仅没有为虚拟仪器的发展提供在硬件方面的条件，而且这个时候计算机技术在国外发展也是如火如荼了，在国内这种形式并没有得到大规模普及。这些因素的存在导致我们发展这个新技术的过程也已经是相当困难了，为了将这些新技术撬开过门，我们赶上了“计算技术的大巴”加快脚步弥补我们落后的漏洞。同时各名校也在忙于筹建相应的研究实验室鼓励在校大学生参与新技术学习的氛围中；我们也将虚拟仪器的技术运用到先进的设备中，但是即使这样快速的发展我们与国外还是存在差距，我们还需要一段时间才能达到他们的发展阶段。1.3