基于LabVIEW和CompactRIO平臺(tái)的數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)*

周凌青，胡永祥，姚振強(qiáng)

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

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基于LabVIEW和CompactRIO平臺(tái)的數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)*

周凌青，胡永祥，姚振強(qiáng)

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

針對(duì)數(shù)控機(jī)床工作中反映加工狀況的特征信號(hào)情況，以NI CompactRIO為硬件核心,使用LabVIEW環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā),完成了一套能對(duì)機(jī)床生產(chǎn)活動(dòng)中噪聲、溫度、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集、分析處理的系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與具體實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)利用FPGA端配合不同I/O模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行指定速度的采集處理，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RT)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與上傳。通過機(jī)床切削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的相關(guān)功能。

機(jī)床監(jiān)測(cè)；LabVIEW；CompactRIO；信號(hào)采集

0 引言

機(jī)床設(shè)備工作的異常狀態(tài)指其某些參數(shù)偏離了其正常的范圍，如振動(dòng)、噪聲過大，異常溫升，轉(zhuǎn)速異常等。異常狀態(tài)的出現(xiàn)將導(dǎo)致加工質(zhì)量下降，生產(chǎn)率降低等后果。因此，需要對(duì)機(jī)床生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)并采取相應(yīng)措施，以保證加工質(zhì)量。目前，自動(dòng)化的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段的缺乏制約了數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率的提高與生產(chǎn)質(zhì)量的保持。因此，有必要發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床工作過程的監(jiān)控。

自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過對(duì)機(jī)床生產(chǎn)過程中的各種物理量(聲、聲發(fā)射、光、振動(dòng)、電流、功率、力、力矩等)采用傳感器進(jìn)行采集，然后將獲取的信息實(shí)時(shí)進(jìn)行傳輸、處理、分析，從而應(yīng)用于對(duì)機(jī)床狀態(tài)的判斷，并可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障診斷、預(yù)測(cè)等功能。張龍等[1]基于ATmega單片機(jī)及LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的采集；錢文杰等[2]使用無線傳感技術(shù)搭建了機(jī)床主軸多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)等。

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)架分為以下幾類：首先是基于嵌入式技術(shù)或功能板卡的采集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)成本較高，數(shù)據(jù)運(yùn)算精度受制于硬件設(shè)備的性能，功能單一且不易維護(hù)。通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的“虛擬儀器”技術(shù)可以克服上述缺點(diǎn)，這類系統(tǒng)又可以分為兩種，一種以通用計(jì)算機(jī)為硬件基礎(chǔ)，通過VC、VB等編程語言實(shí)現(xiàn)采集功能，這一方案的系統(tǒng)有一定的靈活性，成本低，可擴(kuò)展能力較強(qiáng)[3]，但受限于通用計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，其實(shí)時(shí)性、高速采集能力較弱， 且系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)底層通訊與算法的實(shí)現(xiàn)要求較高。另一類以模塊化硬件為基礎(chǔ)，通過各類圖形化編程工具進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)采集等功能，其在靈活性、擴(kuò)展性、及采集性能上都較通用計(jì)算機(jī)方案具有優(yōu)勢(shì)，成本適中，適合實(shí)現(xiàn)多類型傳感器，在線數(shù)據(jù)分析等監(jiān)測(cè)功能。

針對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，以CompactRIO為硬件平臺(tái)為程序運(yùn)行硬件平臺(tái),使用LabVIEW圖形化編程語言進(jìn)行多層次的軟件程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一套數(shù)控機(jī)床多傳感狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有3軸振動(dòng)信號(hào)、噪聲信號(hào)、2點(diǎn)主軸溫度信號(hào)在內(nèi)的6路數(shù)據(jù)通道機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)功能分析

采集系統(tǒng)需通過在不妨礙機(jī)床正常工作條件下采集若干種機(jī)床特征物理信號(hào)，獲取機(jī)床加工過程中典型的信息，反映機(jī)床工作狀態(tài)。常用于機(jī)床監(jiān)控的特征物理信號(hào)有溫度、振動(dòng)、噪聲、聲發(fā)射信號(hào)、切削力信號(hào)等等。主軸工作中振動(dòng)信號(hào)反映工作狀況與健康狀態(tài)，是機(jī)床監(jiān)測(cè)與故障診斷最常用的切入點(diǎn)；噪聲信號(hào)反映切削狀態(tài)，同時(shí)對(duì)其加以分析可獲得各功能部件(刀具、主軸軸承、絲杠等)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行信息；主軸溫度是其熱變形的外在表現(xiàn)，加工精度狀況。因此以這三類典型信號(hào)作為系統(tǒng)采集對(duì)象。

在上述需采集的信號(hào)中，通過加速度傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)與通過傳聲器所采集的噪聲信號(hào)為快變動(dòng)態(tài)信號(hào)，需使用高采樣頻率，才能獲取足夠反映原信號(hào)波形特征的信息。溫度信號(hào)為低速電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，對(duì)采樣率不敏感而對(duì)精度分辨率有較高的要求。因此，采集系統(tǒng)需同時(shí)具備對(duì)這兩類不同信號(hào)的采集的能力。同時(shí)，能對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的FFT分析，獲知信號(hào)實(shí)時(shí)頻域分布情況。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)以上功能的要求，系統(tǒng)硬件采用NI CompactRIO硬件平臺(tái)作為核心。CompactRIO由以處理器為核心的實(shí)時(shí)系統(tǒng)、可重配置FPGA、不同功能可熱插拔的I/O模塊三部分組成?？芍匦屡渲玫腇PGA能通過程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)高速高精度、自定義的功能，內(nèi)置信號(hào)調(diào)理的熱插拔工業(yè)I/O模塊種類豐富，不同型號(hào)的I/O模塊內(nèi)置對(duì)應(yīng)不同類型傳感連接的信號(hào)調(diào)理功能，可實(shí)現(xiàn)多傳感監(jiān)測(cè)功能。內(nèi)置的實(shí)時(shí)系統(tǒng)則可通過程序編寫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)分析、與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。CompactRIO平臺(tái)采用NI LabVIEW編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)程序。

系統(tǒng)的整體流程結(jié)構(gòu)如圖1所示。整套系統(tǒng)采用CompactRIO為硬件核心，對(duì)機(jī)床主軸振動(dòng)與溫度信號(hào)、整體噪聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，程序完成并載入后，CompactRIO平臺(tái)的FPGA端負(fù)責(zé)信號(hào)的采集， RT端實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)、分析等功能，并將數(shù)據(jù)上傳在上位PC端顯示。

圖1 系統(tǒng)整體流程構(gòu)架

1.2.1 硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件由CompactRIO平臺(tái)，三種信號(hào)傳感器及其對(duì)應(yīng)的采集卡構(gòu)成：

主硬件平臺(tái)采用NI CompactRIO 9082型，其配置有Spartan-6 LX150 FPGA的8槽機(jī)箱，實(shí)時(shí)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(shí)具有32GB非易失性存儲(chǔ)，可在脫離上位機(jī)的環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。

圖2 NI CompactRIO 9082型平臺(tái)

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(jī)床振動(dòng)監(jiān)測(cè)要求。

噪聲信號(hào)采用PCB 377B02型預(yù)極化傳聲器，適用于自由場(chǎng)環(huán)境下噪聲信號(hào)采集，其頻響范圍3.15～20000Hz。

采用NI 9233 4 通道模擬輸入動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊配合振動(dòng)、噪聲兩種動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集。其提供2 mA IEPE信號(hào)調(diào)理用于激勵(lì)傳聲器與加速度傳感器。內(nèi)部時(shí)鐘最大采樣率達(dá)50 kS/s，具有24位分辨率與102 dB動(dòng)態(tài)范圍；同時(shí)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(yīng)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(shù)據(jù)采集能力，具有14S/s的采集速度及24位分辨率，自帶冷端補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)功能通過程序編寫實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)在LabVIEW 2013環(huán)境下進(jìn)行圖形化編程，并調(diào)用了FPGA Module，Real-Time Module，NI-RIO等功能組件。搭建完成的采集系統(tǒng)程序的由運(yùn)行于FPGA端程序、運(yùn)行于RT(實(shí)時(shí)系統(tǒng))端程序和運(yùn)行于上位機(jī)端程序三個(gè)層次構(gòu)成。

FPGA端程序設(shè)計(jì): 該程序需完成采樣率、采樣模式等變量設(shè)置，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。針對(duì)高速動(dòng)態(tài)信號(hào)(加速度與噪聲)與低速信號(hào)(熱電偶溫度)的不同特點(diǎn)，編寫了兩種不同的采集順序結(jié)構(gòu)，其中，熱電偶采集順序結(jié)構(gòu)中，循環(huán)中數(shù)據(jù)被RT端程序直接讀取。而動(dòng)態(tài)信號(hào)采集順序結(jié)構(gòu)部分由于采集數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性高，需通過函數(shù)將四通道數(shù)據(jù)進(jìn)行捆綁，創(chuàng)建新的一維數(shù)組，并選擇將其送入DMA FIFO緩存區(qū)中，其框圖如圖3所示。RT端通過DMA FIFO緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，這種設(shè)計(jì)可避免數(shù)據(jù)的丟失，且保證了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。另外，通過錯(cuò)誤簇及緩存情況偵測(cè)(是否溢出)設(shè)置采集中斷邏輯，防止非正常數(shù)據(jù)的采集。

圖3 FPGA端高速信號(hào)采集部分程序框圖

RT(實(shí)時(shí)系統(tǒng))端程序設(shè)計(jì)：該程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)FPGA端采集的數(shù)據(jù)的讀取，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、分析與上傳。這一過程需要保證信號(hào)數(shù)據(jù)的完整與時(shí)間的同步，因此，主要通過“生產(chǎn)者、消費(fèi)者”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述功能。

相較單線程順序結(jié)構(gòu)和“管道流水線”模型結(jié)構(gòu)[4]，“生產(chǎn)者、消費(fèi)者”結(jié)構(gòu)將采集步驟與其他步驟分別建立不同的循環(huán)，采集循環(huán)所采集的數(shù)據(jù)存入緩存，使采集與處理等步驟分別生產(chǎn)與消費(fèi)數(shù)據(jù)，互不干涉，優(yōu)化運(yùn)行速度；同時(shí)具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 “生產(chǎn)者、消費(fèi)者”循環(huán)結(jié)構(gòu)

具體的功能實(shí)現(xiàn)上，兩個(gè)“生產(chǎn)者”(熱電偶、動(dòng)態(tài))負(fù)責(zé)控制參數(shù)，并通過DMA FIFO從FPGA端讀取數(shù)據(jù)， “消費(fèi)者”分別負(fù)責(zé)6路信號(hào)(三個(gè)加速度信號(hào)，噪聲信號(hào)、兩個(gè)溫度信號(hào))的處理、顯示、存儲(chǔ)、FFT分析與上傳，熱電偶采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等附屬功能則通過子VI的方式實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)者與消費(fèi)者通過隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的“消費(fèi)者”將獲取的數(shù)據(jù)以每個(gè)采樣率為一組，進(jìn)行編號(hào)分行，并以txt文本格式記錄數(shù)據(jù)，該存儲(chǔ)方法可以方便后續(xù)數(shù)據(jù)核對(duì)工作，也有利于大數(shù)據(jù)量的保存，同時(shí)方便其他軟件、工具進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，其框圖如圖5所示。

圖5 用于加速度信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的“消費(fèi)者”程序框圖

上位機(jī)端程序設(shè)計(jì)：該VI程序需完成通過TCP/IP協(xié)議接收數(shù)據(jù)，并由界面進(jìn)行顯示各數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)修改的功能，這要求其界面直觀、易于操作。前面板界面設(shè)計(jì)如圖6所示，實(shí)時(shí)顯示為信號(hào)時(shí)域波形，動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)FFT分析結(jié)構(gòu)等。同時(shí)，直接通過這一界面進(jìn)行各層次的采樣頻率(單位時(shí)間采樣個(gè)數(shù))、采樣率(單次數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù))、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置等參數(shù)的設(shè)置。

圖6 位于上位機(jī)的系統(tǒng)界面

2 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過床機(jī)床加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采集系統(tǒng)功能。實(shí)驗(yàn)采用側(cè)銑加工薄壁件的方法。實(shí)驗(yàn)機(jī)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(zhì)的65mm×65mm×4mm的薄壁。

圖7 工件的裝夾與切削狀況

布點(diǎn)方面，三軸加速度傳感器布置于電主軸外殼軸承外側(cè)(近刀具側(cè))，熱電偶分別布置于主軸軸承外側(cè)與刀具附件監(jiān)測(cè)，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(jī)床外罩布置。

實(shí)驗(yàn)采用單邊順銑方式，進(jìn)給速度300mm/min，軸向切深10mm，徑向切深0.5mm。

實(shí)驗(yàn)一采用平口鉗夾具，一側(cè)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(zhuǎn)速是設(shè)定為6000rpm。

實(shí)驗(yàn)二采用不帶缺口的平口鉗夾具，轉(zhuǎn)速為變量進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，在轉(zhuǎn)速區(qū)間2000～9000rpm，以1000rpm為間隔設(shè)置8組實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)二各組編號(hào)與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速

實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)銑削加工過程中振動(dòng)、噪聲、溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)，同時(shí)實(shí)時(shí)進(jìn)行各動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通道的FFT分析，實(shí)時(shí)顯示噪聲、振動(dòng)信號(hào)頻譜信息。

其中，在實(shí)驗(yàn)一的加工過程中，當(dāng)?shù)毒呓?jīng)過鉗口缺口位置時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)噪聲與振動(dòng)信號(hào)顯示并記錄明顯的信號(hào)幅度變化，切削開始時(shí)其振動(dòng)與噪聲幅值較為穩(wěn)定，當(dāng)?shù)毒呓?jīng)過工件缺少支持的平口鉗缺口時(shí)，幅值激增，通過該區(qū)域后信號(hào)恢復(fù)穩(wěn)定。通過觀察加工后的工件表面亦發(fā)現(xiàn)，平口鉗缺口處所對(duì)應(yīng)的工件位置有較他出更為明顯的振紋。下圖中橫軸對(duì)應(yīng)的是數(shù)據(jù)交換次數(shù)，縱軸對(duì)應(yīng)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(dǎo)致的振紋。

圖8 實(shí)時(shí)顯示的噪聲(上)與振動(dòng)信號(hào)(下)

圖9 零件加工表面現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)二中，系統(tǒng)對(duì)各組實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集。對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：選取測(cè)的數(shù)據(jù)中代表實(shí)際切削過程的振動(dòng)(加速度)、噪聲信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分別計(jì)算信號(hào)的均方根、極值，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)二加速度信號(hào)極值/均方根值

圖11 實(shí)驗(yàn)二噪聲信號(hào)極值/均方根值

振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)的均方根與極值分別在第4組(5000rpm)與第7組(8000rpm)出現(xiàn)峰值?？梢耘袛?，在這兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的加工過程過程中，切削穩(wěn)定性較差，振動(dòng)劇烈；實(shí)時(shí)頻譜圖顯示，頻域峰值與主軸處于刀具-主軸系統(tǒng)固有頻率附近。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)亦可發(fā)現(xiàn)，在薄壁銑削過程中，振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)存在一定正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

基于NI CompactRIO硬件，使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境為工具進(jìn)行多層次編程，開發(fā)了一套多傳感機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、噪聲、溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)、處理功能，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其功能。相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于虛擬儀器技術(shù)搭建的系統(tǒng)具有更大的擴(kuò)展性與可重構(gòu)性。同時(shí)，本系統(tǒng)硬件便攜且擁有工業(yè)級(jí)的設(shè)計(jì)，是理想的用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的平臺(tái)。這套系統(tǒng)的建立為了解各類機(jī)床設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)提供了方案，也為進(jìn)一步進(jìn)行基于機(jī)床生產(chǎn)狀態(tài)信息的研究打下了良好的基礎(chǔ)。

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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(xiàng)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床與系統(tǒng)在航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工中的驗(yàn)證、深入示范應(yīng)用與基地建設(shè)課題資助(2014ZX04015021);面向制造過程的先進(jìn)共性工藝技術(shù)研究與信息采集平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目資助(GU0200054/001)

周凌青(1990—)，男，浙江臺(tái)州人，上海交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)床設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與工藝分析，(E-mail)t348544@hotmail.com。

TH89；TG659

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