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石家庄铁道大学毕业设计基于虚拟仪器的数控机床检测系统的开发The Development of Detecting NC Machine Tool System Based on Virtual Instrument届 机械工程 学院专 业 机械工程及自动化学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2011年 6 月 4 日毕业设计成绩单学生姓名学号班级专业机械工程及自动化毕业设计（论文）题目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发指导教师姓名指导教师职称教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业设计任务书题目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发学生姓名学号班级专业机械工程及自动化承担指导任务单位石家庄铁道大学导师姓名导师职称教授一、主要内容开发基于虚拟仪器的数控机床检测系统：以微机为基础，以LabVIEW软件为核心，通过数据采集卡、信号调理板，加之必要的传感器，开发数控机床检测系统。二、基本要求1测试参数及各参数范围的确定；2. 有关传感器、信号调理设备、数据采集卡的选型；3关键参数测试方法的确定；4. 虚拟仪器软件的设计编程；5. 软件使用说明书的编写。三、主要技术指标（或研究方法）本课题用LabVIEW编程，对数控机床液压系统、气动系统、振动系统的运行参数信号进行采集、显示、分析处理及存储，通过频谱分析判断数控机床运行状态。液压系统主要参数有温度、压力、流量、振动；气动系统主要参数包括气动装置压力、液压马达转速。本系统通过实现波形保存和波形回放方便操作者重复观看波形和数据，便利判断故障及产生原因。四、应收集的资料及参考文献LabVIEW8.2基础教程测试技术与虚拟仪器数控机床构造机械故障诊断数控机床故障诊断与维修数控机床的常见故障与排除方法五、进度计划第 1周 - 第 3周 调研、查资料、外文翻译、确定研究方法和技术路线，熟悉软件第 4周 - 第 8周 总体方案设计、系统分析、关键技术研究第 9周 - 第 11周 软件设计、调试、系统优化第 12周 - 第 13周 论文撰写，准备答辩教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发学生姓名学号班级专业机械工程及自动化一、课题的目的和意义数控机床是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动化控制的一类机床。它具加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应性强、经济效益高等优点，是现代制造业中的关键设备。但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性, 势必会出现大量的振动、可靠性等问题, 机床损坏事故也时有发生, 给国家、企业带来巨大的损失。因此数控机床的维修与检测越来越被企业所重视。在现代测量中，虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。基于虚拟仪器（Virtul Instrument）的数控机床检测系统可大大提高数控机床的维修效率。虚拟仪器技术的开发与应用源于1986年美国NI公司设计的LabVIEW,它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。VI 与传统仪器的比较具有软件开发与维护费用低，技术更新周期短等优点。其最主要的区别是VI 的功能由用户自己定义，而传统仪器的功能都是由厂商预先定义好的。二、国内外研究现状（一）现代数控机床的发展趋势：（1）高精度化：随着现代科学技术的高速发展，尤其是精密行业的出现，对精密加工技术提出新的要求。发展新型超精密加工机床，完善精密技术是当今数控机床的发展趋势。现代普通级数控机床的加工精度已提高到正负5 微米。 （2）高速化：数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率，降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。（3）高自动化：数控机床的高自动化并向着FMC、FMS集成方向发展（4）控制智能化：数控机床智能化主要体现在自适应控制技术，专家系统技术，故障自诊断、自修复技术，智能化交流伺服驱动技术，模式识别技术。（5）工序和功能复合化（6）高可靠性（7）网络化（8）开放式体系结构 （9）加工过程绿色化：随着日趋严格的环境与资源约束, 制造加工的绿色化越来越重要, 而中国的资源、环境问题尤为突出。因此, 近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现, 并在不断发展当中。在21 世纪, 绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展, 占领更多的世界市场。（二）数控机床检测诊断的国内外研究现状与发展：数控机床的故障诊断技术与传统机床有着较大的区别, 需采用更为先进的故障诊断技术, 及时在线监测和诊断数控机床的故障。目前数控机床的诊断技术有以下几种：1.通讯诊断 ：用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。2. 自修复系统 ：当诊断软件发现数控机床在运行中某一模块有故障时，系统在CRT上显示的同时，自动寻找备用模块并接上。3. 人工智能专家故障诊断系统4. 人工神经元网络(ANN)诊断常用诊断方法：1.直观法（望闻问切）2.CNC系统的自诊断功能3.数据和状态检查：CNC系统的自诊断不但能在CRT上显示故障报警信息，而且还能以多页“诊断地址”和“诊断数据”的形式提供机床参数和状态信息。4.报警指示灯显示故障：除CRT软报警外，还有许多“硬件”报警指示灯，分布在电源、主轴驱动、伺服驱动I/O装置上，由此可判断故障的原因。5.备板置换法（替代法）：用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板。虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器, 是计算机资源和仪器硬件与用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。它充分利用了计算机的存储和计算功能, 通过软件实现对输入信号的分析处理。基于虚拟技术的检测已经广泛应用到数控机床故障的检测与诊断中。部分学校与研究单位已开始研究远程在线监测。利用虚拟仪器技术构建的数控机床故障诊断系统主要完成信号的采集与控制、信号的分析与处理、监测报警、结果的表达输出。具体功能如下：1. 信号的采集与控制功能。利用平台提供的据采集VI, 使用NI 数据采集卡PCI6221 进行信号采集。2. 信号的分析与处理功能。对信号参数进行分析、处理,得出所需结果, 并对其进行存储。3. 监测报警功能。通过对数据的分析, 确定并显示测点的报捷值, 及时提醒现场进行分析与相应的处理。4. 结果的表达输出功能。采用波形图或显示型控件等多种方式来显示所需的参数输出各种波形和分析结果。基于LabVIEW的数控机床监测诊断系统的开发, 充分发挥了虚拟仪器技术的优势, 实现了数据采集、分析、实时显示、存储、诊断等功能, 体现了在低成本下开发基于虚拟仪器的测试系统的可行性和实用性, 给对象设备的维护、维修、保养带来很大的方便, 大大提高了数控机床在线监测诊断的水平, 准确、及时、有效地实现对数控机床故障诊断, 为今后数控机床的监测与诊断提供了先进的分析工具。三、研究内容及拟采用的方法和手段研究内容：该课题为设计并实现一个基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发。开发基于虚拟仪器的数控机床检测系统：以微机为基础，以LabVIEW软件为核心，通过数据采集卡、信号调理板，加之必要的传感器，开发数控机床检测系统。研究方法：数控机床常见故障主要包括液压故障和气动系统故障两类。常见的液压故障包括液压系统压力不足或过高、振动和噪声、油温过高。气动系统主要检测气动装置是否具有合适的工作压力和运动速度。通过以上分析，我们将对数控机床的液压、气动控制的各方面参数进行检测。（1）数控机床各有关测试参数及各参数范围的确定。（2）有关传感器、信号调理设备、数据采集卡的选型。（3）通过LabVIEW编写程序图框实现对数控机床各方面性能的检测。（4）创建LabVIEW菜单，可使用户快捷方便的对机床性能进行检测。关键技术：LabVIEW软件的编程及菜单栏的创建四、预期成果通过查阅资料和自己的学习，在老师的指导下，完成检测系统，力争实现其对数控机床液压、气动控制等性能的检测。五、工作进度计划第1-2周：调研、查资料、熟悉软件；（论文综述，会使用LabVIEW软件）第3周：外文翻译、确定研究方法和技术路线第4-6周：总体方案设计、系统分析第7-8周：关键技术研究（LabVIEW菜单、及编程）第9-10周：软件设计（LabVIEW编程）第11周：调试、系统优化（通过调试系统看是否能满足预期结果）第12-13周：论文撰写，准备答辩六、参考文献1 杨云强测试技术与虚拟仪器M北京：机械工业出版社，20102 林宋，田建君现代数控机床M北京：化学工业出版社，20033 朱文艺，陆全龙数控机床故障诊断与维修M北京：科学出版社，20064 张发启现代测试技术及应用M北京：西安电子科技大学出版社，20055 机床故障诊断与检修丛书编委会机床液压系统常见故障诊断与检修M北京：机械工业出版社，20066 陈循介目前世界机床工业形势、市场需求和发展趋势J北京：精密制造及自动化，20047 鲁方霞，邓朝晖数控机床的发展趋势及国内发展现状D湖南：湖南大学机械与工程学院，20068 魏相华，张士文，赵继敏虚拟仪器的发展及前景J南京：工业控制计算机，20119 穆吉祥数控机床的常见故障与排除方法J北京：中国科技信息，200610 田辉鹏，郭庆伟基于LabVIEW的数据管理在数控机床故障诊断系统中的应用J合肥：计算机与信息技术，2008指导教师签字时间年 月 日摘 要数控化加工是机械行业朝高质量，高精度，高成品率高效率发展的趋势。我国的数控行业也正以高速发展的势头紧追世界先进的水平。但是由于许多无法避免的因素影响，数控机床会出现各种各样的故障，以致降低或失去其预定功能，甚至造成严重事故。这时如果我们能及时发现并排除故障就显得尤为重要。由于计算机软件技术的不断进步，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。运用虚拟仪器技术能够达到共享硬件和软件资源，方便地利用计算机的强大功能，进行信号分析、数据处理、存储以及图形化显示等。本文设计了基于虚拟仪器的数控机床故障诊断系统，利用NI CompactDAQ、数据采集设备、NI SCXI 信号调理系统和各种传感器，用图形化编程语言LabVIEW对数控机床的液压系统、气动系统、振动信号实时故障检测。液压装置测试系统通过对压力、温度、振动信号的采集和分析可以判断液压装置的工作状态；气动测试系统通过对压力、速度信号的采集处理可以推断气动系统的工作状态。使用开发的虚拟仪器技术开发平台，通过对信号数据采集，时域、频域分析判断机床是否正常工作及故障发生原因。经仿真测试，该系统大大提高了数控机床故障诊断准确度和效率，而且界面操作简单，扩展性好，易于开发。关键词：数控机床 故障检测 虚拟仪器 AbstractCNC machining is the tendency of machinery industry which towards high-quality, high precision, high efficiency and the development trend of high yield. China CNC industry is also run after the worlds advanced level by the momentum of rapid developing. However, because many factors can not be avoided, there will be a variety of CNC machine tool failure, which can be resulting in reduced or loss of its intended function, or even result in serious accidents. Then if we can detect and troubleshoot problems would be particularly important. As technology computer software progresses continuous, virtual instrument is gradually becoming a testing field development. We can sharing hardware and software resources and access to the power of the computer easily to achieve the signal analysis, data processing, storage, and graphical display etc. by virtual instrument technology.This article designs fault diagnosis system for NC machine tools based of virtual instrument.It utilizes NI Compact DAQ, data acquisition devices, NI SCXI signal conditioning system and various sensors and uses LabVIEW graphical programming language to detect the fault of hydraulic systems, pneumatic systems, real-time vibration signals on CNC machine tool. Hydraulic testing system can determine the working status of the hydraulic device through the pressure, temperature, vibration signal acquisition and analysis; Pneumatic test system can infer the system working state through collecting and processing the pressure, speed, signal. With the development of the virtual instrument technology platform, we can determine whether the machine works and the reasons for failure by collecting the signal data, analyzing the time and frequency domain. The system can enhanced the accuracy and efficiency on diagnosis of CNC machine tool greatly by simulation testing in addition the interface is operated simply, scalable, and develops easily.Key words: CNC machine tools faults detection Virtual Instrument朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 形容词 1. consequent目 录第1章 绪论11.1 数控机床故障诊断系统研究的意义11.2 国内外发展动态11.2.1 现代数控机床的发展趋势11.2.2 数控机床故障诊断技术的国内外研究现状21.3 虚拟仪器技术31.3.1 虚拟仪器系统的构成.31.3.2 LabVIEW 软件简介31.4 论文研究内容3第2章 数控机床检测系统硬件配置52.1 数控机床检测系统硬件总体配置52.2 传感器选择52.3 数据采集系统82.3.1 NI CompactDAQ82.3.2 信号调理系统9第3章 数控机床检测系统软件设计103.1 数控机床检测系统软件总体设计方案103.1.1 数据采集模块103.1.2 数据分析处理模块113.1.3 数据管理模块113.1.4 故障诊断模块123.2 数控机床检测系统软件功能12第4章 数控机床检测系统程序设计164.1 数控机床液压系统检测164.1.1 液压系统的基本组成及故障概述164.1.2 温度检测系统的设计实现174.1.3 压力检测系统的设计实现174.1.4 流量检测系统的设计实现204.1.5 振动检测系统的设计实现234.2 数控机床振动系统检测254.2.1 数控机床振动评定264.2.2 机床振动检测程序274.3 数控机床气动系统检测284.3.1 气动系统的基本组成及故障概述284.3.2 压力、速度检测系统的设计实现29第五章 结论与展望325.1 结论325.2 展望32参考文献34致谢35附录A 外文资料翻译36附录B 软件使用说明48附录C 测试分析报告50附录D 源程序清单52石家庄铁道大学毕业设计第1章 绪论1.1 数控机床故障诊断系统研究的意义数控机床是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动化控制的一类机床。它具加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应性强、经济效益高等优点，是现代制造业中的关键设备。在日益细分的市场需求中, 数控机床很好地实现了小批量、柔性化加工的要求并以其高精度、高效率、高适应性等特点而逐渐取代了传统的普通机床成为工作母机。数控机床实现了将电力电子、自动化控制、计算机等技术的高度结合。但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性, 势必会出现大量的振动、可靠性等问题, 机床损坏事故也时有发生, 给国家、企业带来巨大的损失。因此数控机床的维修与检测越来越被企业所重视。加强和开展对数控机床运行状态的研究，具有以下重要意义:(1)可早期报警，以便采取措施，减少和避免故障扩大和机器损坏。提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降到最低。(2)及时检测确诊，正确维修，以减少维修时间，提高维修质量，节约维修费用，应使重要的设备能按其状态进行维修（即视情维修或预知维修），随时掌握设备性能的发展变化情况，并逐步实现定期强迫维修制度向预知维修转变。(3)取得设备寿命周期的大量数据，可充分了解设备性能，保证设备发挥最大的能力，制订合理的检测维修制度，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。(4)作为一种科学的设备管理思想，它比传统的设备管理与维修更有效、更科学，大大提高了设备运行的可靠性、利用率及寿命，同时又大大降低了设备的维护费用，是一种更加积极、主动的设备管理新理念。1.2 国内外发展动态1.2.1 现代数控机床的发展趋势当前世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：(1)高精度化：随着现代科学技术的高速发展，尤其是精密行业的出现，对精密加工技术提出新的要求。发展新型超精密加工机床是当今数控机床的发展趋势。 (2)高速化：数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率，降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。(3)高自动化：数控机床的高自动化并向着FMC、FMS集成方向发展(4)控制智能化：数控机床智能化主要体现在自适应控制技术，专家系统技术，故障自诊断、自修复技术，智能化交流伺服驱动技术，模式识别技术。(5)工序和功能复合化(6)高可靠性(7)网络化(8)开放式体系结构 (9)加工过程绿色化：随着日趋严格的环境与资源约束,制造加工的绿色化越来越重要, 而中国的资源、环境问题尤为突出。因此, 近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现,并在不断发展当中。在21世纪,绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展,占领更多的世界市场21。1.2.2 数控机床故障诊断技术的国内外研究现状数控机床的故障诊断技术与传统机床有着较大的区别, 需采用更为先进的故障诊断技术, 及时在线监测和诊断数控机床的故障。随着集成电路和计算机性能价格比的提高，近年来，国外已将一些新的概念和方法引入到诊断领域，使诊断技术上升到一个新的更高的阶段，这些新的诊断技术主要有：通讯诊断、自修复系统、具有入工智能功能的专家故障诊断系统、基于因特网的远程故障诊断系统、人工神经元网络(ANN)诊断等。随着电子测量、信号处理、传感器、计算机等技术的发展，目前国内科研单位研究开发了一些针对不同应用场合的监测诊断系统。因特网的普及和局域网建设，为故障诊断技术的发展带来了新的思路与前景，将因特网计算机地用技术与故障诊断技术相结合，可构造一种全新的故障诊断系统，即基于因特网的远程故障诊断系统(Internetbased Remote Diagnosis System IRDS )。如，美国斯坦福大学和麻省理工学院已合作开发了基于因持网的下一代远程诊断示范系统。美国的DM2000系统和PDS系统都是基于网络环境，能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种典型故障，具有远程通讯能力，能对企业的管理和控制系统联网通信，使企业不同部门都能同时获取设备运行状态信息，也能对不同地区、不同企业的设备进行监测和故障诊断等。在国内西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学等已进行工业领域的远程诊断研究工作并取得了初步成果；华中理工大学也于1997年初开始了前期研究工作，并在因特网上设立了个远程诊断宣传站点，介绍远程诊断技术，以实验室的方式向用户提供远程诊断服务5。1.3 虚拟仪器技术虚拟仪器的概念是美国国家仪器公司(National Instruments Corporation 简称NI)在1986 年首先提出来的。所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设置仪器的测试功能。1.3.1 虚拟仪器系统的构成.虚拟仪器由三部分组成：(1)软件。软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。其中LabVIEW软件采用图形化的编程语言不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的数据处理能力，并将分析结果有效地显示给用户。(2)模块化的I/O设备。适应测试测量应用，NI 提供PCI, PXI, PCMCIA, USB和IEEE 1394总线相应的模块化硬件产品，产品种类从数据采集及信号调理、模块化仪器、机器视觉、运动控制、仪器控制、分布式I/O 到CAN 接口等工业通讯，应有尽有。(3)用于集成的软硬件平台。NI提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，是为测试、测量和自动化应用设计的标准平台。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O 硬件和相应的测试测量开发软件，可以建立完全自定义的测试测量解决方案。1.3.2 LabVIEW 软件简介虚拟仪器技术的开发与应用源于1986年美国NI公司设计的LabVIEW,它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。用LabVIEW开发平台编制的程序成为虚拟仪器程序，简称VI。一个VI包括3个部分：程序前面板、框图程序、图标链接端口。VI与传统仪器的比较具有软件开发与维护费用低，技术更新周期短等优点。其最主要的区别是VI 的功能由用户自己定义，而传统仪器的功能都是由厂商预先定义好的。1.4 论文研究内容本课题以数控机床为研究对象，建立了基于虚拟仪器技术的测试诊断平台，能够对数控机床的液压系统、振动系统和气动系统进行测试和故障诊断。构建了以数据采集设备CompactDAQ、传感器、计算机为基础的测试诊断硬件平台；以LabVIEW作为软件开发平台，设计了数控机床故障检测与诊断程序。具体的研究工作主要有：(1)对于不同的故障特征信号选取适合的传感器类型；对信号调理和数据采集设备进行分析比较，构建适合数控机床功能测试且便于携带、易于扩展的硬件系统。(2)采用有效地信号分析方法提取故障信息特征，找出故障诊断的判据，即建立故障和诊断信号之间的对应关系。(3)利用LabVIEW软件开发工程机械故障诊断模块。功能诊断模块主要由数据采集，数据分析处理，数据管理，故障判别几部分组成。第2章 数控机床检测系统硬件配置2.1 数控机床检测系统硬件总体配置数控机床故障诊断系统的硬件主要包括四部分：传感器、信号调理模块、数据采集设备和个人计算机。传感器用于把真实的振动信号转换成电信号，由于传感器输出的电信号通常很微弱，并伴有噪声，因此需要信号调理装置对其进行必要的调理。信号调理装置的功能一般有：放大、隔离、多路复用、滤波、激励和线性化等。个人计算机通过各种总线和数据采集设备进行数据交换，例如ISA、PCI、PXI、USB、IEEE1394等。用户可以根据不同的数据传输方案，选择不同的DAQ装置和总线结构。本系统采用USB总线进行数据交换。图2-1为数控机床检测系统的硬件组成。模拟化电信号数控机床传感器信号调理设备数据采集卡计算机（分析、显示）硬件部分软件部分测试前端数字化电信号温度信号压力信号振动信号位移信号其他信号图2-1 数控机床检测系统的硬件组成2.2 传感器选择传感器是能够感受物体运动并将物体的运动转换成模拟电信号的一种灵敏的换能元件。传感器的种类很多，且有不同的分类方法，按参考坐标的不同可分为绝对式与相对式传感器；按工作方式的不同可分为接触式和非接触式传感器；按工作原理的不同可分为结构型和物性型传感器。本测试诊断系统，选用的传感器有测量数控机床振动的位移传感器；测量液压系统振动的测振传感器；测量数控机床气动系统压力、液压系统压力的压力传感器；测量数控机床进气温度、排气温度、机油温度、冷却液温度、液压系统温度的温度传感器；测量数控机床泄漏量、空载流量的涡轮流量传感器；测量气动系统速度的磁电式速度传感器。以下为本课题中使用的几种传感器：(1)霍尔传感器。霍尔传感器属半导体磁敏传感器。将霍尔元件（板）置于磁场中，板厚一般远小于板宽和板长，在板长方向通以控制电流时，板的侧向（宽度方向）会产生电动势，称为霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。霍尔传感器的用途十分广泛，可以测量转速、电压、电流、位置等。霍尔传感器具有体积小、外围电路简单、频带宽、动态特性好、寿命长等特点。广泛应用于测控系统。(2)热敏电阻式温度传感器。热敏电阻传感器具有体积小、灵敏度高、使用方便等特点，而且价格便宜，应用广泛。热敏电阻传感器所用的热敏电阻阻值随着温度变化，它有正温度系数( PTC，温度上升则电阻上升)和负温度系数(NTC，温度上升则电阻下降)之分，一般来讲，前者称为PTC型热敏电阻，后者称为NTC型热敏电阻。NTC型热敏电阻封装在导热性好的黄铜或者树脂做的壳体内，广泛用于发动机冷却水温度、发动机吸入空气温度、各种机油温度以及空调装置的空气温度控制等。(3)应变式压力传感器。应变式压力传感器是基于弹性形变的原理，将被测压力作用在传感器的弹性元件上，使弹性元件产生弹性形变，并用弹性形变的大小来度量压力的大小。由于去载时弹性形变可恢复，所以应变式压力传感器不仅能测压力的上升段，也能测量压力的下降段，能反映出压力变化的全过程。(4)磁电式速度传感器。磁电式速度传感器是把被测物体的振动速度转换为感应电动势的一种传感器，它的输出电压与被测对象的振动速度成正比。常用的磁电式速度传感器按其运动部件来分有动圈式和动磁式，按测量方式来分有惯性式和相对式。该测试系统选用上海权浩公司生产的SZMB4型磁电转速传感器。该传感器由感应齿轮，感应齿座，感应线圈，磁钢等组成，当感应齿轮与感应齿座有相对角位移时，由于磁路中的磁阻变化，在感应线圈内产生感应电动势，经放大整形，输出电脉冲方波信号将转角位移转换成电脉冲信号，供计数器使用。主要技术指标如下：输出脉冲数：60脉冲/转；测速范围：505000r/min；工作电源：DC 812V；输出信号幅值：高电平_电源电压，低电平1V；传输线最大长度：50m。(5)涡轮流量传感器。当被测流体流过传感器时，在流体作用下，涡轮受力而旋转，转速与管道平均流速成正比。涡轮转动后周期性地改变磁电转换器的磁阻值，检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势。装在壳体外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率，与涡轮的转速成正比。涡轮流量传感器具有安装方便、精度高(可达0.1级)、反应快、刻度线性及量程宽等特点，信号易传输，且便于数字显示，可直接与计算机配合进行流量计算和控制。(6)应变片式位移传感器。它的测量原理是利用一弹性元件把位移量转换为应变量，而后用应变片、应变仪等测量记录。它的种类有多种，其区别特点就在于弹性元件的结构形式。常用的弹性元件有悬臂梁、圆环和半圆环等。此类传感器的主要特点是结构牢固、性能稳定、可靠，有较高的测量精度和良好的线性关系。(7)压电式加速度传感器。压电式加速度传感器是以压电晶体或人工极化陶瓷为敏感元件，将振动信号转换成电信号的换能装置，它的输出电荷与振动加速度成正比。由带探针的基座、中心螺杆、压电转换元件、惯性质量块等组成，预紧力是通过中心螺杆施加到压电转换元件的。它具有灵敏度高、频响宽、性能好的特点，而且外壳与质量弹簧系统不直接接触，可隔离部分外界由于非振动因素造成的干扰。它安装简单，价格便宜，无需频率滤波器，并且计算量小。结合各厂家声誉及产品性能，振动加速度传感器选用朗斯测试技术有限公司生产的LC01系列IEPE压电加速度传感器LC0104T三个，如图2-2所示，主要技术指标见表2-1。磁力座选用北京京仪北方仪器仪表有限公司生产的CZ-4磁力座，吸力8。图4-3 压电式加速度传感器表2-1 LC0104压电加速度传感器主要技术指标型号灵敏度/mVg-1量程/g 频率范围/Hz(10%) 谐振频率/kHz 分辨率/g 抗冲击/g 重量/gm 安装螺纹/mmLC0104 100 50 0.5-9000 27 0.0002 150028 M5 2.3 数据采集系统数据采集（Data Acquisition，简称DAQ）就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转换为数字量并传递到计算机中的过程，是构建测试系统必不可少的至关重要的一环。没有好的数据采集系统的设计，数据分析再精确也没有用，因为分析的信号都是没有意义的。从最基本的角度看，DAQ系统设计的任务包括针对要建立的测试项目选择传感器、构建信号调理模块以及数据采集卡的安装和调试等。基于LabVIEW的数据采集系统一般如图3-1所示。数据采集硬件驱动程序的用户接口Measurement &Automation Explorer硬件驱动程序LabVIEW开发环境图3-1 基于LabVIEW的数据采集系统2.3.1 NI CompactDAQ本课题使用的数据采集硬件是NI CompactDAQ便携式数据纪录仪14,如图2-2所示NI CompactDAQ是一种为工作台、测量现场以及生产流水线上的传感器和电子测量应用提供USB即插即用特性的数据采集设备。通过将数据记录仪的应用性和低成本特点与模块化仪器的性能和灵活性相结合，NI CompactDAQ能够在一个小型简单，成本又在可承受范围之内的系统中提供快速而准确的测量。利用NI软件就可以轻松使用NI CompactDAQ来记录简单实验数据，或开发完整的自动化测试和控制系统。NI CompactDAQ是通用型数据采集和控制系统，它可广泛用于各种应用。图2-2 NICompactDAQ便携式数据纪录仪许多数据采集系统只有固定的功能，因此它们只能连接特定传感器类型。其它系统虽然是模块化的，但是测量功能只限于如直流电压和温度这样的低速和静态信号。NI CompactDAQ除了能测量如DC电压和温度这样的静态信号，还能以每通道高达50kS/s测量动态信号，这包括声音、振动、压力和电压暂态信号。其它模块提供高达每通道100kS/s单点和波形输出能力，并且数字I/O速率可高达1MHz。由于NI CompactDAQ是模块化系统，用户可以在系统中轻松地插入其它模块来增加测量的类型和通道。所有模块能自动同步，并且单个NI CompactDAQ系统通过一个USB接口可以同时传送高速模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出数据15。2.3.2 信号调理系统信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。即传感器采集到的信号在输入DAQ卡之前进行的预处理，主要包括放大、滤波、隔离、多路复用（电荷放大、电压放大、热电偶、积微分、应变桥路平衡、激励电源和线性化）等。被测物理量经过传感器后，往往成为电阻、电容、电荷、电压或电流的变化量。因为工业信号有些是高压、过流、浪涌等，不能被系统正确识别，必须经过调理，以提高信噪比，易于传输并与后续环节相适配。第3章 数控机床检测系统软件设计3.1 数控机床检测系统软件总体设计方案本课题软件设计方案，包括三部分即数控机床振动测试诊断系统、气动测试诊断系统、液压测试诊断系统，每部分由数据采集模块、数据分析处理模块、数据管理模块、故障诊断模块组成。系统软件总体方案见图3-1。 主菜单气动测试系统振动测试系统液压测试诊断系统故障判别模块数据管理模块数据分析处理模块数据采集模块故障判别模块数据管理模块数据分析处理模块数据管理模块数据采集模块数据分析处理模块故障判别模块数据采集模块图3-1 系统软件总体方案3.1.1 数据采集模块本系统使用缓存（Buffer）技术采集振动信号时域波形。在数据采集之前，程序将对DAQ板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。使用缓存技术进行模拟输入时，LabVIEW按系统设定的采样数和采样的信道数在内存中分配一块缓存数据。数据采集设备按照程序中指定的采样数采集信号，数据被传递到缓存区内。采集到整个样本后，缓存区被数据填满，然后LabVIEW在程序中对数据进行分析，存储及显示。图3-2表示了数据采集的结构。信号采集模块的主要功能就是可以在界面上选择数据采集参数和数据显示及保存。硬件A/DBuffer(FIFO)驱动程序LabVIEW程序显示Buffer内存DAQ板卡外触发图3-2 数据采集的结构信号采集模块的主要功能就是可以在界面上选择数据采集参数和数据显示及保存，功能如下：(1)设置采集卡的设备号和通道号(2)设置采样频率(3)设置采样点数(4)采集信号的显示(5)信号的保存3.1.2 数据分析处理模块数据分析与处理模块是虚拟仪器信号处理的重要部分，它需要对信号进行预处理，对信号进行幅域分析、时域分析、幅值谱分析、功率谱分析、相关分析、倒频谱分析等各种各样的分析，同时还要选择合适的坐标来显示分析结果，以最佳方式显示信号特征，因此该模块相对其它模块来说较复杂。3.1.3 数据管理模块信号经过分析后，应该对分析的结果进行有效的管理。在专用的测试系统中，测试的数据用来对机械设备进行故障诊断，分析后的数据可以提取故障特征参量。这时可以对大量的经过分析后的数据的特征参量进行二次分析，以用来总结设备的工作情况。因而探讨数据管理的技术具有重要意义。在LabVIEW下对数据的管理有两种方式：一种是将数据存放在文本文件中，另外就是以数据库管理系统为核心来对数据进行管理25。(1)利用文件的数据管理这种方法是将所测数据利用提供的存储方法直接存为文本文件、电子表格格式文件、二进制文件或者波形文件。该方法可以很好的满足实时性的要求，根据日期、时间等数据存储数据也比较方便，但是，在用户自定义的数据格式和数据查询方面应用性不强，耗费大量系统时间。(2)利用数据库的数据管理这种方法是将所测数据储存在数据库文件中，较常用的是关系型数据库如Access,FoxPro, Oracle等。采用这种存储方式占用的磁盘空间比较大，而且程序实现上，要比基于文件的数据存储困难，但是它具有设置数据格式相对容易、组织数据查询比较方便、处理数据量大和易于实现数据移植等优点。本诊断系统的数据管理主要采用了第一种管理方式。对于波形数据保存为测量文件，以.lvm 为扩展名。写入测量文件程序框图如图3-3所示，读取测量文件程序框图如图3-4所示。采样分析中得到的特征参量如：最大值、平均值、均方根、频率、幅值、相位等则放到数据库中保存，可以方便地对数据进行删除、插入、查询及排序等基木操作。图3-3 写入测量文件程序框图 图3-4 读取测量文件程序框图3.1.4 故障诊断模块故障诊断模块的主要功能是根据数据分析与处理模块得到的特征值，进行故障诊断和判别。故障诊断的一般方法是，在对故障机理详细分析的基础上，通过测定设备的某些较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检查设备状态，并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设备是处于正常、异常还是故障状态。本故障诊断系统主要有自动诊断方式。自动诊断是用相应的判据和测试数据分析后的结果相比较，来判别机器故障。3.2 数控机床检测系统软件功能本系统主要针对数控机床的振动、气动和液压三大系统进行了检测系统开发。本诊断系统中数控机床的检测功能如图3-5所示。数控机床测试诊断系统液压测试诊断系统气动测试诊断系统振动测试诊断系统温度参数测试流量参数测试振动参数测试速度参数测试压力参数测试振动位移参数测试压力参数测试图3-5 数控机床的检测功能图(1)振动检测系统由于振动信号包含了设备运行状态的丰富信息，我们通常利用检测设备振动信号来监视机械的工作状态，并对其进行分析处理提取故障信号，因此振动监测是非常重要的一种状态监测方法。振动信号分析包括时域分析、频域分析和倒频谱分析。振动检测系统功能图如图3-6所示。保存波形波形回放振动检测系统功率谱分析位移检测滤波器类型选择机床类型选择图3-6 振动检测系统功能图(2)气动检测系统气动装置由于具有体积小、重量轻、污染小、安装调试方便等优点,得到了越来越广泛的应用。气压传动和控制是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一,其工作介质为压缩空气。如今，气动系统广泛应用到数控机床中，其运行状态对机床的工作性能有很大的影响。气动检测系统功能图如图3-7所示。气动系统检测压力检测速度检测马达选择运行是否报警有故障正常运行保存波形波形回放是否图3-7 气动检测系统功能图(3)液压检测系统随着数控机床液压技术向高速、高压和大功率方向的发展,液压系统故障越来越被人们重视。液压系统是一个有机联系的多元件复杂整体，故障现象和故障原因并非是一一对应关系，呈现出综合性和系统性的特点，再加上液压系统工作元件及工作介质的封闭特性，给系统的在线状态检测及在线故障诊断带来相当多的困难。液压设备故障诊断中常用的诊断参数有: 振动、压力、温度、流量、油液污染度、容积效率、泄漏量等等。液压设备在一定的工况下, 每一部位都有一定的稳定值, 即任何液压系统工作正常时, 其工作参数值应在工况值附近。若液压系统的工作参数值与设备正常工况值不