针对反映磨床运行状态的各种特征信号,以NI-PXI高性能测试平台为硬件核心,在LabVIEW编程环境中进行软件开发,完成了一套对磨床重要部件的振动、温度、声发射信号进行实时采集、存储、分析的监测系统。阐述了监测系统的功能和整体结构,以及系统的具体实现方法。系统利用硬件端不同模块实现不同信号的准确采集,在软件设计中加入数据的存储和分析。同时,基于监测系统中数据结构复杂、种类繁多和数据庞大,将数据库技术运用于系统软件中,从而实现对监测系统中数据的有效管理。对监测软件进行测试,验证了软件相关功能的可行性。国家科技重大专项(904专项Ⅱ期):大口径光学元件超精密磨削技术与装备研究(2017ZX04022001-207 904-2);蓝宝石光学表面的柔性气囊抛光理论及中频误差控制机制(JCYJ20160517103720819

彭云峰

毕果

汤期林

王惠雪

王振忠

童雅芳

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第 2 期2019 年 2 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing TechniqueNo． 2Feb． 2019文章编号: 1001 － 2265( 2019) 02 － 0072 － 04 DOI: 10． 13462 / j． cnki． mmtamt． 2019． 02． 019收稿日期: 2018 － 06 － 06; 修回日期: 2018 － 06 － 22* 基金项目: 国家科技重大专项( 904 专项Ⅱ期) : 大口径光学元件超精密磨削技术与装备研究( 2017ZX04022001 － 207 904 － 2) ; 蓝宝石光学表面的柔性气囊抛光理论及中频误差控制机制( JCYJ20160517103720819)作者简介: 汤期林( 1993—) ，男，福建将乐人，厦门大学硕士研究生，研究方向为超精密磨削机床状态监测与控制，( E － mail) 1012535357@ qq．com。超精密磨床多信号监测系统的设计与实现*汤期林1，2，彭云峰1，2，童雅芳1，王惠雪1，王振忠1，毕 果1( 1． 厦门大学 航空航天学院，福建 厦门 361102; 2． 厦门大学深圳研究院，深圳 518000)摘要: 针对反映磨床运行状态的各种特征信号，以 NI-PXI 高性能测试平台为硬件核心，在 LabVIEW编程环境中进行软件开发，完成了一套对磨床重要部件的振动、温度、声发射信号进行实时采集、存储、分析的监测系统。阐述了监测系统的功能和整体结构，以及系统的具体实现方法。系统利用硬件端不同模块实现不同信号的准确采集，在软件设计中加入数据的存储和分析。同时，基于监测系统中数据结构复杂、种类繁多和数据庞大，将数据库技术运用于系统软件中，从而实现对监测系统中数据的有效管理。对监测软件进行测试，验证了软件相关功能的可行性。关键词: LabVIEW; 状态监测; 多信号; 数据采集; 数据库中图分类号: TH89; TG65 文献标识码: ADesign and Implementation of Multi Signal Monitoring System forUltra Precision Grinding MachineTANQ Qi-lin1，2，PENG Yun-feng1，2，TONG Ya-fang1，WANG Hui-xue1，WANG Zhen-zhong1，BI Guo1( 1． School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen Fujian 361102，China; 2． Shenzhen Ｒe-search Institute of Xiamen University，Shenzhen 518000，China)Abstract: On the various characteristic signals reflecting the running state of grinder，with the aid of highperformance NI-PXI，using LabVIEW for software development，the system monitoring important compo-nents of grinder was developed． It could collect，store and process multi-signal，which include vibration，temperature and acoustic emission signal． This paper describes function，overall architecture and concreteimplementation methods of the system． The system achieve accurate acquisition of different signals by u-sing different modules on the hardware side． The storage and analysis of data was achieve by software de-sign． Besides，considering the complexity and diversity of data structure，Database was applied to the mo-nitoring system software，in order to effectively manage the data． Functions of system are validated bysoftware testing．Key words: LabVIEW ; condition monitoring ; multi signal; data acquisition; database0 引言在高档磨床的可靠性和精度保持性等方面，国内技术与国外存在较大差距，状态监测技术的应用更是缺乏［1-2］。精密磨床的状态监测技术可以提高所研制装置运行的可靠性和运行精度，减少磨床故障发生率，简化维护过程，提高磨床系统的整体性能［3-4］。对磨床装备进行状态监测的目的就是对生产过程中产生的各种信息进行获取、传输、处理、分析和应用，以确保自动化制造过程可靠、安全、高效、高质量的运行。在对机床进行状态监测研究应用方面，郭力等利用磨削实验采集的声发射信号小波分解系数的方差值来判断金刚石砂轮磨损状态［5］。车霞等通过分析机床振动特性建立了机床振动信号采集与分析系统总体方案［6］。鞠萍华等通过搭建温度测点与机床热误差之间的映射关系，形成机床热误差补偿机制［7］。在开展的这些机床状态研究中，只对机床某个部件进行单一信号的监测，缺少对机床整体的多种信号多个通道的综合监测。同时，在数据采集量和准确度上存在不足，缺少对复杂数据的有效管理。获取和管理加工过程的各种不同状态数据是质量预测顺利实施的源泉与信息保证。本文为 实 现 磨 床 整 体 的 多 信 号 多 通 道 状 态 监测，以 NI-PXI 为系统运行的硬件平台，确保数据采集的准确性，使用 LabVIEW 开发监测软件的不同功能模块，结合 SQL server 2012 数据库对不同信号数据进行有效管理与调用，开发了一套磨床多信号状态监测系统，实现了磨床整体的振动，温度以及声发射信号在内的多路通道的数据监测功能。监测系统为提高磨床加工精度以及实现产品加工质量预测等功能打下了基础。1 监测系统概述1． 1 监测系统功能磨床加工过程的异常状态代表某些参数偏离了正常的范围，如振动、异常升温等。异常状态的出现将导致加工质量下降，生产率降低等结果［8］。为了能够及时发现并排除加工的异常状态，保证产品的加工质量，有必要对磨床的状态进行实时监测。磨床多信号状态监测系统需要在不影响正常工作情况下，准确监测磨床部件各种物理信号，作为后续磨床质量预测与故障诊断等功能的数据支持。基于磨床的结构和加工条件，为了满足监测系统的功能需求，系统需要从以下几点出发:( 1) 多种类多通道的信号准确获取: 监测系统以磨床导轨、主轴、工作台和滚珠丝杆为主要监测对象，分别布置加速度、温度以及声发射传感器。针对不同传感器，监测系统需要采用不同的数据采集设备以及设计相应的程序，满足多通道信号数据同步采集，防止数据相互影响，保证多通道信号采集的准确性。( 2) 数据的分析与存储: 加速度和声发射传感器的信号为快变动态信号，采样频率较高。同时，每段信号的采样点数较大。系统需要具备较高的存储速度，防止数据的丢失。监测数据复杂、多变、基数大，对其数据处理与分析格外重要。( 3) 数据库应用: 针对监测系统的加工参数、信号数据以及特征数据等，建立图 1 所示磨床全信息数据库，包括实时数据库、历史数据库、分析决策库和报警数据库等。同时，将各种数据导入数据库中，应用数据库对其快速、高效和主动管理。图 1 磨床全信息数据库1． 2 系统整体架构基于上述系统功能的需求，搭建如图 2 所示磨床多信号状态监测系统。在磨床重要部件中布置相应传感器。硬件采用 NI-PXI 平台作为基础，结合 PXI 的各种动态信号模块，采集不同传感器的信号，实现多通道信号同步采集。数据存储文件采用 TDMS 文件，能够满足数据高速采集的功能。LabVIEW 编程环境可结合 SQLserver 数据库编写软件，创建磨床全信息数据库。图 2 磨床多信号状态监测系统架构2 监测系统设计2． 1 硬件选择该监测系统硬件主要由 PXI 平台以及三种信号传感器构成。其中 PXI 平台包括 PXI 机箱、控制器和PXI 模块。而市场上基于嵌入式技术的采集系统成本较高，数据运算精度受至于硬件的性能，功能单一且不易维护，不适合本系统。PXI 机箱采用型号 PXIe-1082，具有 8 个 PXI Ex-press 插槽。每插槽高达 2GB /s 的专用带宽和 8 GB /s的系统带宽。控制器采用 PXIe-8840 型号，可同时添加多个存储设备。振动采集模块选择型号为 PXIe-4497，声发射模块选择型号为 PXIe-6366。传感器方面采用 PCB 公司的三轴加速度传感器，上海睿涛信息科技有限公司的高精度数字式温度传感器以及美国物理声学所的声发射传感器。2． 2 软件设计监测系统的各功能通过编写程序实现，本软件在LabVIEW 2017 环境下进行图形化编程。根据程序功能的需求，软件以同步采集与显示、高速存储和分析评价三个模块为主，配以登入、用户管理和报警功能，确保软件的完整性。程序的顶层设计结合生产者 /消费者设计模式( 事件) 和消息队列状态机，用于软件各个功能模块的有序执行。2． 2． 1 同步采集与显示模块LabVIEW 为数据采集提 供 了 许 多 库 函 数，针 对PXI 平台，使用 DAQ 的各种函数能帮助数据采集软件的开发。监测系统以振动、温度和声发射信号为主要对象，基于信号的特性不同，需要设计不同的数据采集结构。在使用 DAQ 进行数据采集设计时，需要灵活地使用各种函数，包括创建虚拟通道函数，定时函数，启动任务函数和读取函数等。在使用多个板卡进行数据采集时，可以通过 PXI 机架的总线进行时钟的路由，达到多板卡之间的同步。同时，采用并行结构，在不同线程中操作同一块板卡。充分利用 DAQmx 通道属性节点·37·2019 年 2 月 汤期林，等: 超精密磨床多信号监测系统的设计与实现的滤波、增益和抗混叠衰减等属性保证数据读取的准确性。数据采集返回的数据为波形数据，利用波形图控件是显示数据的最佳方式。波形图控件的游标和注释属性增加数据显示的灵活性。数据采集界面由振动信号采集、声发射信号采集和温度信号采集三个模块组成。数据采集过程分为初始化、配置板卡参数、采样、读取缓存数据和显示等。配置板卡参数需要完成通道配置、采样频率、采样间隔和采样点数等。2． 2． 2 高速存储模块监测系统在进行多种信号数据采集的同时，对数据的存储能力提出了要求，需要具备庞大的数据存储容量以及高速的存储速度。LabVIEW 提供了多种存储方式，包括文本文件和二进制文件。TDMS 文件是适用于高速存储的文件格式，具有速度快，操 作 简 便 等 特 点，最 高 存 储 速 度 可 达 到600MB /s［9］。存储 TDMS 文件的过程包括打开、文件写入、关闭三个步骤，利用顺序结构设计模式执行整个过程。文件打开用于设置存储路径和文件名，不同信号存储于特定的路径中，每段数据配以有序的文件名，保证数据存储正确。通过在文件写入中设置通道组和通道，可以记录不同类型的数据。以振动信号为例，通道组设置一个三轴传感器的 X 通道、Y 通道和 Z 通道，每个通道组创建三个通道对象，通道名称设置为振动值、采样时间、采样率，数据类型为数值、时间标识和字符串。当数据写入完成后，立即执行文件关闭。创建不同的线程分别存储不同传感器的数据，利用多线程技术保证数据同时存储。同时利用队列在多个线程中传递数据。2． 2． 3 分析评价模块监测软件采集获取的原始数据多为非确定信号，该信号并不能直接反映机床状态［10］。信号分析模式通过分析和提取原始数据的特征数据，主观的反映监测的各种信号。对信号分析处理，采用信号时域统计和信号频域分析是两种较为有效的方式。时域分析统计包括均值、均方根值、方差和峭度等。例如在砂轮磨损时，振动和声发射信号的均值往往会增大。频域分析包括傅里叶变换，幅值谱、功率谱、相位谱和功率谱密度等。在正常磨削时，功率谱往往体现环境噪声。当出现磨损时，频谱幅值会持续增大［11］。数据分析评价模块将状态特征与加工质量相对应，利用数据分析积累对后续的加工形成有效预测与控制。图 3 为结合数据库的状态数据分析流程，根据设定的优化采样频率，实时提取加工状态数据特征，同时与历史数据库进行比较，将区别于历史经验数据的状态数据加入新的累加中，后续再针对性补充与该数据对应的加工质量特征。如此反复，形成一个已存储大量分析数据的数据库，为后续加工质量预测提供事实经验参考基础。图 3 状态数据分析处理流程3 数据库模块设计监测系统采用 SQL SEＲVEＲ 2012 数据库，对系统采集的原始数据、特征数据以及加工参数进行全方面的管理，形成一个完整的数据仓库。监测软件可以使用数据库连接工具包访问数据库，执行数据的插入和查询各种操作［12］。3． 1 在线存储模块监测软件将采集的数据以 TDMS 文件格式进行保存，但 TDMS 文件内存占用将较大，需要巨大的内存空间。数据库存储将 TDMS 文件中的原始数据存储于数据库中对应的数据表，减少内存空间的同时易于管理。TDMS 文件作为数据采集的临时存储格式，数据库则作为数据的最终存储库。同时，设置每个 TDMS 文件对应的加工参数，选择对应的数据表，利用 ADO SQLExecute． vi 和 insert 插入数据语句将原始数据、特征值和加工参数存储于数据库中。在图 4 所示在线存储模块前面板界面中，通过选择测点文件路径，加载待存储于数据库的数据文件。同时设置加工参数、特征选择以及存储数据表，执行开始存储操作，就能将各种数据有序、正确的存储于数据库中。图 4 在线存储功能前面板3． 2 数据管理模块数据管理模块的功能是对数据库进行基本的操作，包括查询，显示，删除和备份等。在查询过程中，利用 SQL 结构化语言提供的各种高级查询函数，如聚合函数、分组查询和嵌套子查询等，完成数据的查询。当数据库中的某些数据不再需要时，可以通过 delete 或drop 删除语句，将制定的数据从数据库中删除。同时，为了保证数据的安全性，添加了备份功能，使用 backup语句对数据库和日志文件进行备份处理。数据管理模·47· 组合机床与自动化加工技术 第 2 期块可以对数据库中的表和数据进行各种操作和维护，实现数据的集中管理，从而实现数据的规范化，保证了监测软件稳定的运行。图 5 为数据管理模块的前面板界面。管理模块可以设置需要查看的数据表以及时间，执行开始查询便能在表格内容中查看到相应数据的信息。同时，可以导出所需数据。图 5 数据管理模块前面板界面4 监测系统软件测试为了保证实现监测系统的各个功能，需要对监测软件运行测试。软件测试选择 4 个振动测点以及 2 个声发射测点为监测对象，并对各个测点采取同步采集。表 1 为测试数据采集功能的采样设置，选择较大的采样频率和采样点数能够达到测试高速数据采集和存储的目的。数据采集程序运行结果如图 6 所示，在使用高采样率和多测点同步采集的条件下，软件能够准确完成数据采集任务。同时，软件执行时间较短，验证了TDMS 文件在数据高速存储的优势。图 6 振动和声发射信号采集表 1 数据采集测试参数监测信号 测点数量 采样频率 采样点数 数据组数 采样间隔( s)振动 4 16000 10240 10 30声发射 2 18000 16000 10 30数据采集完成后，可对获取数据进行分析。以振动测点 1 为对象，对数据进行分析。图 7 为数据分析界面运行结果，软件能够有效地执行各种分析任务。在线存储模块测试过程中，将 40 组振动信号和 20 组声发射数据存储于数据库指定数据表中。从执行在线存储模块的结果得出，软件能够稳定的访问数据库，并将数据准确存储于数据库中。数据管理模块针对数据查询、删除、备份和导出进行测试。测试结果表明数据管理模块能够快速调用数据库数据，并可对数据库进行删除，备份，导出等操作。通过对监测软件不同功能进行测试，确保了数据采集、信号分析、在线存储和数据管理等重要模块的准确运行。图 7 数据分析界面运行结果5 结论基于 NI-PXI 硬件平台，使用 LabVIEW 图形化编程软件为工具进行多层次编程，同时结合了数据库技术，开发了一套磨床多信号监测系统，实现了振动、声发射和温度信号的实时采集、显示、分析和存储等功能。监测系统采用高性能硬件实现数据的准确采集，设计不同模块满足功能需求，结合数据库对管理数据的优势，通过软件测试验证了相关功能的可行性。该系统的建立为磨床状态监测提供了方案，同时对其它监测系统提供了重要的参考价值。［参考文献］［1］张子龙，王庆霞，李蓓智． 基于． NET 的数控机床状态监测系统的设计与实现［J］． 组合机床与自动化加工技术，2015( 10) : 88 － 90．［2］Shi Ｒ B，Guo Z P，Song Z Y． Ｒesearch Based on State Mo-nitoring of CNC Machine Tools Intelligent Security System［J］． Applied Mechanics ＆ Materials，2013，427 － 429:1328 － 1332．［3］Li H，Chen Y． Machining Process Monitoring［J］． Hand-book of Manufacturing Engineering ＆ Technology，2014: 1 －33．［4］Drake P Ｒ，Jennings A D，Grosvenor Ｒ I，et al． A data ac-quisition system for machine tool condition monitoring［J］．Quality ＆ Ｒeliability Engineering 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超精密磨床多信号监测系统的设计与实现

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