基于 labview 的数控机床故障诊断系统设计学位论文.docx
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基于labview的数控机床故障诊断系统设计学位论文
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摘要
数控机床作为高自动化的机电一体化典型设备，已经广泛应用于各种工业加工领域，如何保证它的设备完好率是摆在工程技术人员面前的新课题，在现代化生产线的加工现场，一旦数控机床出现故障，对整个流水线的正常生产都会带来巨大的损失。
我们除了在数控加工系统过程中尽可能的提高安全性和可靠性以外，如何尽快的判断故障点是排除故障的首要工作。
通过对大量数控机床故障现象统计、分类，总结了故障排除的特点，本文主要从数控机床机械系统故障诊断方面进行系统的研究：
利用压电式传感器对数控机床振动与噪声信号进行采集和处理，依据其噪声特性、响应信号及故障特征之间的内在关系，针对数控机床机械系统的非线性和噪声信号的非平稳特性，引入时、频域分析（FFT）方法有效的提取故障信息，精确找出故障点，以达到在最短的时间内排除故障的目的。
Abstract
Asacompleteautomatizationequipmentandmachineandelectricintegrationtypeequipment,thenumericalcontrolmachine（NCM）hasbeenwidelyappliedtovariousfieldsofindustrialmachining.HowtoensuretheNCMingoodconditionbecomesanewproblemtobesolvedbyengineeringtechnician.Inthemachininglocaleofmodernizationproductline,oncetheNCMappearfault,itwillbringenormouslosstothenaturalproductionofthewholestreamline.Besidesimprovingsecurityandreliabilitytothebestofourabilitiesinthedesignprocessofnumericalcontrolmachiningsystem,howtoquicklyjudgefaultisthechieftaskforspeedilyobviatingfault.
ThepaperlayheavystressonthefaultdiagnosisforthemechanicaltypeofNCM:
PiezoelectricitysensorismadeuseoftocollectanddisposethevibrationandnoisesignalofNCM.Accordingtothemutualrelationamongnoisecharacteristic、responsesignalandfaultcharacter,inallusiontonon-linearityofNCMmechanismsystemandnon-steadyofnoisesignal,theanalysismeansoftime-fieldandfrequency-fieldareintroducedtoavailablydistillfaultinformation,accuratelyfindoutfault,gaintheendsofexcludingfaultsintheleasttime.
KEYWORDS：
Virtualinstrument,faultdiagnosis,CNCmachinetools,FFT
目录
第1章绪论
1.1课题背景..................................................1
1.2研究现状..................................................1
1.3论文研究内容.............................................2
第2章故障诊断系统总体结构设计
2.1故障诊断系统基本原理及结构..................................4
2.2故障诊断的主要项目.........................................5
第3章数据采集
3.1数据采集..................................................7
3.2虚拟仪器..................................................8
3.3与传统仪器比较............................................8
3.4虚拟仪器组成结构..........................................9
第4章数控机床本体故障诊断
4.1数控机床噪声的产生........................................12
4.2故障诊断硬件部分..........................................12
4.2.1噪声信号的测量.......................................13
4.2.2测点与环境...........................................13
4.2.3测声传感器...........................................14
4.2.4数据采集卡...........................................15
4.3故障诊断的软件部分........................................15
4.3.1故障诊断系统软件框图................................15
4.3.2故障诊断系统软件.....................................16
4.3.3故障诊断及方法.......................................17
第5章结论
5.1结论.....................................................21
5.2需进一步研究的问题........................................21
参考文献.....................................................22致谢.....................................................23
第1章绪论
1.1课题背景
随着科学技术的发展，现在计算机己成为故障诊断设备中不可或缺的支持环境，我们可以利用其丰富的软硬件资源提高数据采集的精度和数据的处理分析能力。
传统仪器中的数据处理、结果显示等很多功能都可以由计算机软件来实现，只要辅以相应的传感器和数据采集设备，即可组成一套一般仪器所没有的特殊功能的故障诊断系统。
这就运用了虚拟仪器技术。
虚拟仪器（Virtuelinstrument）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。
虚拟仪器是继第一代仪器—模拟式仪表、第二代仪器—分立元件式仪表、第三代仪表—数字式仪表、第四代仪器—智能化仪器之后的新一代仪器。
在NI公司首先提出这个概念之后，这项技术得到了迅速的发展和广泛的应用，它给予用户极大的自由度，可以根据自己的实际需要通过虚拟仪器的软面板方便的构建实际系统。
随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美国国家仪器公司（NationalInstruments）于八十年代中期首先提出基于专用集成电路ASIC和计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。
虚拟仪器技术的优势在于利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，由用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易、转换灵活，可以方便地对其进行维护、扩展、升级等，因此应用领域十分广阔。
到1993年虚拟仪器已发展到三百多家厂商，一千多种虚拟仪器产品，1995年厂商更达一千余家，产品达数千种。
在短短20年左右，该技术己经风靡全球，其中美国NI公司、惠普VEE等为代表的软件仪器供应商已经成功的为诸如摩托罗拉、诺基亚、丰田汽车等知名企业解决了很多现场测试、工业控制等方面的课题，应用领域己经拓展到了通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药及工业生产等各种领域，可以说虚拟仪器正以传统仪器无法比拟的速度飞速发展。
总体来看虚拟仪器基本发展成熟，在各方面都有应用的经验借鉴，本课题的选题是有据可依的
1.2研究现状
现在随着国内计算机产业快速发展普及，许多设备制造企业进行了以信息技术为基础的改造，已具备了实现故障诊断的硬件基础。
不少科研机构和企业也集中精力进行设备诊断领域的研究，其中包括华中科技大学、东南大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等等国内著名高校，也取得许多实际应用的成果。
但是大都作的远程协作诊断如：
华中科技大学在国家“九五”科研项目的资助下，建立了设备故障远程诊断中心。
该中心可以在Internet上为用户提供远程信号采集，信号分析和故障诊断服务。
东南大学研制的基于Client/S，模式的大型旋转机械远程故障诊断系统RMRDS；该系统主要利用计算机网络实现了对多用户的异地诊断服务。
在数控设备故障诊断领域，北京工业大学与北京第一机床厂联合合作对数控机床远程故障诊断进行了相关研究，并取得了相应成果。
其实国内现在对设备的故障诊断方面的研究已相当成熟了，正如《设备诊断现场实用技术丛书》一样，基本上分部作的比较好，其它院校作的远程协作诊断系统需要投资比较大，数控系统方面的诊断还是很成功的，当遇到综合性的故障时就一筹莫展了。
本课题也就是把“振动与噪声的故障诊断”，“电气控制系统故障诊断”有机的结合为一个综合的数控机床故障诊断系统既经济又能快速诊断出数控机床的故障点，使排除数控机床故障效率大大提高。
经过近一年的试用，排除故障率为100%，当然随着试用的时间增长，这个数值将有所降低。
原来需要很长时间才能找到的问题，用本系统只用几分钟就搞定，的确给设备的维修带来了方便，给单位节约了开支，如果应用到企业将效果将会更加显著，所以我们先进制造技术中心这两年的设备维修费基本为零。
1.3论文研究内容
数控设备的故障是多种多样的，可以从不同角度对其进行分类。
从故障发生的性质上看，数控系统故障可分为软件故障、硬件故障和干扰故障三种。
其中，软件故障是指由程序编制错误、机床操作失误、参数设定不正确等引起的故障。
硬件故障是指由CNC电子元器件、润滑系统、换刀系统、限位机构、机床本体等硬件因素造成的故障。
干扰故障则表现为内部干扰和外部干扰。
从数控机床的结构来看，可大体分为机床本体故障、润滑系统和电子控制系统以及数控装置故障。
随着集成电路规模的日益扩大，可靠性显著提高，功能也更加完善，数控装置的故障已降到了很次要的地位，约占整个故障的3%。
数控机床本体故障约占整个故障的60%，包括主轴箱故障，导轨副和丝杆螺母副的配合故障，液压和气动装置故障，润滑系统故障。
电子控制系统故障约占整个故障的38%，包括伺服系统故障，检测元件故障，机床电器故障，执行电器及各种电机故障。
本文的研究内容主要放在数控机床的本体单元：
从数控机床主要机械元件噪声信号的产生机理出发，依据其噪声特性、响应信号及故障特征之间的内在关系，在此基础上研究分析，针对数控机床机械系统的非线性和噪声信号的非平稳特性，引入时、频域分析方法，将实测数据中分解出具有实际物理意义的瞬时频率，从而有效的提取故障信息，精确找出故障点，以至在最短的时间内排除故障。
第2章故障诊断系统总体结构设计
2.1故障诊断系统基本原理及结构
利用虚拟仪器技术构建的数控机床故障诊断系统由三大功能构成:
信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达输出。
该系统是一种新型的测量仪器，它具备了下列这些功能能在不解体情况下对各种型号的发动机进行全面检测和故障诊断。
自动采集信号；自动进行数据分析和处理，并进行存储：
对信号参数进行分析、处理，得出所需结果，并对其进行存储；波形和结果显示：
采用波形图或显示型控件等多种方式来显示，从而很容易观察到所需参数，如幅度、频率信息等；输出：
包括波形和分析结果。
要从一个基于计算机的数据采集系统得到合理的结果，完成自动测试，必须依赖于系统的每一个组成部分，即计算机、传感器、信号调理、数据采集硬件和虚拟仪器软件。
数控机床故障诊断系统的原理是通过各种不同传感器从数控机床有关部位采集到多种信号，将这些信号经过调理后，由数据采集硬件进行采集，然后将信号送往主机，在相应软件支持下，通过键盘操作完成各种参数设置和性能检测，检测结果由屏幕显示。
它的基本原理框图如图2-1所示。
由图中可看出，数控机床故障诊断系统有两大组成部分：
硬件平台和软件系统。
硬件平台包括传感器、信号调理模块、PC计算机和数据采集卡，软件部分则利用LabVIEW来实现信号的分析、处理和显示。
（1）硬件平台
在该系统中，传感器用来获取信号，它将被测参量转换成相应的可用输出信号。
被测参量可以是各种非电气参量，如噪声、速度、加速度等，也可以是电气量，如电流、电压等。
本数控机床故障诊断系统中采用了图2-1中的五类传感器来获取所需信号。
信号调理模块是数控机床故障诊断系统信号到被测对象的信号通路，其作用在于实现信号的分配、转接和调理，如电荷放大器。
数据采集卡能够在计算机控制下完成数据采集与控制任务。
随着计算机和总线技术的发展，越来越多的科学家和工程师采用基于PC的数据采集系统来完成实验室研究和工业控制中的测试测量任务。
建立在通用计算机和数据采集卡设备基础上的虚拟仪器系统具有一机多用、用户自定义功能和使用维护方便等特点，因此在本系统中选择采用数据采集卡来实现数据采集的功能。
在此硬件平台基础上，调用开发的应用软件来完成数控机床故障检测、诊断任务，便构成了虚拟数控机床故障诊断仪器。
（2）应用软件系统
该数控机床故障诊断软件系统是利用LabVIEW平台开发的，其由前面板和框图程序两部分组成。
前面板就是图形化用户界面，用于输入数值和观察输出量。
每一个前面板都有一个框图程序与之对应，该程序可理解成传统编程语言程序中的源代码。
2.2故障诊断的主要项目
数控机床性能包括动力性、安全性、经济性、可靠性、环保性能等。
数控机床的主轴工作状态、运动的各种性能、润滑液的成分和状态、电器控制系统的运行情况，是影响这些性能的主要因素。
通过数控机床故障诊断系统的检测可得到数控机床的主轴及运动轴的振动（速度、加速度、功率、转速等）和噪声以及电器控制系统等参数的动态数值，根据数据库存放的信息与之比较，得到初步的系统自诊断结果，结合人工综合分析可以准确判断数控机床的磨损情况、故障部件，为视情修理提供客观、科学的依据。
根据故障诊断对象，主要从以下几个项目数控机床的故障诊断:
（1）主轴的故障诊断：
主轴电机的起动电压、电流、起动转速，主轴箱，刀具夹持机构等；
（2）运动轴故障诊断：
轴驱动电机与驱动器，丝杠、螺母间隙，机床导轨，轴润滑等；
（3）电器控制系统的故障诊断；输入、输出各种电源，输入、输出各种信号指令波形；
（4）辅助系统的故障诊断：
冷却系统，安全保护机构。
为了能够定性地确定数控机床的故障状态，定量地获知数控机床机的故障信息，保证数控机床的可靠性，本数控机床故障诊断系统根据这些测试项目设计了三个故障诊断模块来实现数控机床故障诊断。
第3章虚拟仪器
3.1数据采集
过去我们对设备运行维护过程中主要靠传统的听、摸、看等简单手段来判断旋转设备运行的状态好坏。
这种感性判断与设备实际运行状态相差很远，设备振动的波形的频谱的变化，不能凭人的听、摸、看检查出来，因此，经常出现一些突发性故障，例如最常见的轴承故障、齿轮故障、叶片脱落及动平衡等故障；使我们常处于一种被动检修状态，使小问题酿成大事故。
特别是生产线由于其生产连续性的特点，往往会由于一台设备的损坏处理不及时造成其它设备停产的连锁反应。
给生产和检修工作带来繁重的负担。
因此，国内外的机械专家和设备管理人员都在寻求一种较好的解决办法，在故障初始状态就能准确判断事故的原因，使设备能够进行预维修变被动为主动。
经过广泛的探索和不断的实践，我们采用了振动分析或噪声分析系统对旋转机械设备进行故障检测。
设备的状态监测故障诊断是在机械运行中或基本不拆卸机械结构的情况下，对机械技术状态进行定量测定，通过对所测信号的处理和分析，并结合诊断对象的历史状况来定量识别机械设备及其零件、部件的实时技术状态，预测机械的异常及未来技术状态，并对故障部位、原因进行分析和判断，及时确定必要对策和最适宜的修理时间。
设备状态监测故障诊断技术有利于企业实行现代设备管理；克服维修工作中“过剩维修”及“维修不足”现象，从而达到设备寿命周期内，实现费用最为经济和设备综合效率最高的目标。
设备噪声信号一般说来很复杂，但从数据处理分类来说，分为确定性信号和非确定性信号。
通过对故障诊断实际应用中得出，在旋转机械中，机组的联接及转子存在不对中，不平衡，齿轮箱中轮齿的点蚀、剥落、断齿，滚动轴承中零部件损坏，滑动轴承中存在油膜涡动等等这些常见的故障，其信号都是确定性信和非确定性信号。
通过对故障诊断实际应用中得出，在旋转机械中，机组的联接及转子存在不对中，不平衡，齿轮箱中轮齿的点蚀、剥落、断齿，滚动轴承中零部件损坏，滑动轴承中存在油膜涡动等等这些常见的故障，其信号都是确定性信号，都有可以用函数关系来描述，即通过理论计算和频谱分析技术均可确定它们的特征频率，从而确定故障的类型和部位。
振动分析仪器利用电压加速度传感器将振动信号转换为电信号，对振动信号进行处理和分析，得到设备各种振动量的准确值，进而判断这些设备运转状态是否良好，故障的部位和故障原因以及检修的方法。
为了更好地研究振动分析设备故障诊断技术，首先要对波形理论、机械理论、以及计算机应用等有一定的了解。
振动的参数指标很多，经过长期的实践和学习，我们认为时域波谱图、频域波谱图、轴心轨迹图、脉冲指标、峭度指标等对设备的故障分析很有效果
3.2虚拟仪器
虚拟仪器（VirtualInstruments，简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp，简称NI）在1986年提出的。
虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。
虚拟仪器用NI公司的话来说就是“软件即仪器”。
它是在通用计算机环境中，依托功能强大的处理单元和高速的数据总线，利用LabVIEW等虚拟仪器软件平台，在显示器屏幕上构建与真实仪器类似的可视化软面板，通过软面板上的虚拟控制软件控制底层硬件，用功能强大的软件来完成信号的采集、（实时或事后）分析、显示和存储，并给出检测结果。
虚拟仪器（VI）技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术。
它推动传统的测量仪器朝着数字化、智能化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。
3.3与传统仪器比较
与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点：
表3-1虚拟仪器与传统仪器的比较
Tab.3-1ComparisonbetweenVirtualInstrumentandtraditioninstrument
传统仪器
虚拟仪器
功能由仪器制造商定义并固定
硬件是关键
价格高，开发维护费用高
图形界面小而呆板不友好
技术更新慢（周期长）
系统封闭，与其它仪器连接，受限制
功能由用户自己定义并
软件是关键
基于计算机的开放系统
仪器的通用化和网络化
有好的中英文图形界面
价格低，软件结构可节省开发维护费用
技术更新快（周期短）
虚拟仪器所拥有的优势使得虚拟技术的发展越来越快，而计算机技术的发展又辅助了虚拟仪器进一步发展的潜力。
虚拟仪器正取代传统仪器成为测试领域的新兴发展力量。
3.4虚拟仪器组成结构
虚拟仪器的结构从功能分类可以概括为三个模块：
面板界面、功能模块和硬件接口。
面板界面：
用来表示传统仪器的面板，由各种各样的表示开关、信号灯和数字显示器等仪器部件的图形符号组成如图3-1所示。
图3-7面板界面
功能模块：
是虚拟仪器技术的核心部分，是虚拟仪器技术充分利用计算机技术的体现，其内容很丰富，从数学工具、数据处理到自动控制算法，甚至人工智能等，可以把计算机技术的最新发展都应用到所设计的仪器中去如图3-2所示。
图3-2功能模块
在功能模块中我们可以看几个例子：
信号滤波如图3-3所示。
图3-3信号滤波
在数据采集后的处理方面有：
写入文件如图3-4所示。
图3-4写入文件
在显示功能不仅能三维曲线显示的而且能轻松的进行三维曲面和三维参数功能显示，如图3-5所示。
图3-5三维曲面和三维参数
硬件接口：
是把虚拟仪器的全部功能通过执行机构发挥出来。
将虚拟仪器结构按照组成体系可归结为两大模块：
自动测试系统的硬件结构和自动测试系统的软件结构。
虚拟仪器技术作为今后仪器的一个发展方向，将仪器与算机、DSP技术相结合，通过基本的硬件模块组成系统，只要设置不同的软件就可以实现不同仪器的功能。
本系统采用了这种技术之后，使得其通用性和可扩展性都得到了大大的提高，只要添加一些传感器，在采集通道够用的情况下，软件中增加相应的模块即可对数控机床的另外一些参数进行采集，大大增加了本故障诊断系统的性能，在维护数控机床中更方便更有效。
同时也可以扩展为其他设备服务。
第4章数控机床本体故障诊断
数控机床是机电一体化在机械加工领域中的典型产品，集电力电子、自动控制、电机、传感器、计算机、机床、液压、气动和加工工艺等技术于一体,具有高精度、高效率和高适应性的特点，在各种精密、复杂、特殊的机械零件加工中，数控系统运行的稳定性和可靠性，直接影响数控机床使用的经济效益。
4.1数控机床噪声的产生
数控机床是个多声源的机械，包括电气噪声、电机丝杠噪声、齿轮箱噪声等。
齿轮箱以看作为质量弹簧组成的一个振动系统，轮齿的弹簧刚度具有周期性变化的性质，制造装配误差、传动误差的存在和扭知的变动形成激振力，在此激振力的作用下，齿轮会产生振动，此振动通过轴、抽承传给齿轮箱，轴承、轴等的振动也传给齿轮箱，产生箱体的振动。
同时振动还以固体声和空气声的形式传播成为噪声，齿轮箱运转噪声本质上属于
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