电主轴监控系统设计Word下载.docx

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第一章前言

1.1选题背景

随着数控机床在我国的广泛应用，电主轴是数控机床的关键功能部件之一,主轴的好坏直接影响机床性能。

由于主轴单元中,转子、壳体、轴承密封等部分的机构及加工和安装方面的缺陷,机床运行时引起振动,过大的振动又往往是机器破坏的主要原因,为了保持机床良好的技术状态和维修方面的便捷,需要对其重要参数进行全面的监测与研究。

近年来,随着计算机软件的大量开发和先进的监测理论的应用,由在线监视主轴工况离线分析诊断主轴状态,发展成为在线监视与诊断主轴运行状态,监测软件系统趋向智能化,使电主轴的监视与专家系统更能按照人们的愿望实现对其进行健康的管理。

1.2设计目的

了解电主轴在数控机床发展中的重要作用，了解其基本结构和工作原理。

掌握传感器具体安装方法，学会用labview虚拟仪器和采集卡进行多路数据采集

1.3总体设计方案

主轴监控系统的主体为传感器、信号调理系统、数据采集卡及PC终端构成的硬件系统。

由图1.1可知系统采用传感器为数据采集元件，经过信号调理系统的处理，再通过采集卡A/D转换卡将模拟信号转换成为数字信号，送入计算机实现数据的存储、分析和处理

图1.1硬件组成原理

第二章系统硬件部分设计

2.1电主轴部分设计

2.1.1电主轴选择

数控机床已经在我国广泛应用且越来越多的发挥着重要作用，这次设计选择了德国GMN公司用于加工中心和铣床的电主轴

主轴型号

套筒直径/mm

最高转速/（r/min）

输出功率/KW

基速/（r/min）

基速转矩/N·

m

润滑

刀具接口

HCS230g-12000/22

230

12000

22

2400

87

G

HSK-A63

注：

HCS矢量控制；

OL油气润滑；

G:

永久油脂润滑；

SKISO

表2.1电主轴其型号和参数

图2.2数控机床电主轴内部的简单结构图

图2.3电主轴内部结构外观图

2.2数据采集卡部分设计

2.2.1概述

虚拟仪器的硬件平台由计算机和I/O接口设备两部分组成。

I/O接口设备主要执行信号的输入采集、放大与模/数或数/模转换的任务。

I/O接口设备的驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号采集的基础。

因此，I/O接口设备的驱动是虚拟仪器系统的重要环节。

2.2.2I/O接口设备PCI-6221数据采集卡

NIPCI-6221（37针）数据采集卡DAQ卡，另有5倍采样速率的高速M系列和4倍分辨率的高精度M系列可供选择，包括NI-DAQmx、VILoggerLite数据记录软件和其他测量服务。

其基本规格如下：

●16路模拟输入、16位分辨率 

●250kS/s采样速率

●2路16位模拟输出，更新速率833kS/s 

●24路数字I/O（8路高速可达1M）

●2个32位80MHz计数器/定时器

●AI、AO通道可承受的最大电压正负10伏

NIPCI-6221是一款低价位多功能M系列数据采集（DAQ）板卡，经优化适用于需要控制成本的应用。

PCI-6221（37针）采用了常见于其他M系列设备的技术，NIPCI-6221（37针）为您在设计、测试和控制应用中进行数据采集提供了高性价比的解决方案。

2.3信号调理模块

2.3.1概述

信号调理是数据采集系统中最重要也是最易被忽视的一部分。

许多传感器都要求使用专门信号调理技术，而没有哪种设备能为所有的传感器提供各种类型的信号调理功能。

比如说，热电偶产生的是低电压信号，它还需要进一步的放大、过滤、以及线性化等处理。

2.3.2信号调理模块的选择

为解决工程中传感器的接口问题，美国模拟器件（ANAL0GDEVICES）公司专门设计生产了传感器接口模块2B31。

它是一个电阻信号、适配模块。

它功能完整，精度高，噪声低，只要配接少量外围元件，就可适应多种传感器。

图2.22B31结构原理图

该模块由四个部分组成：

高性能的仪器放大器、缓冲器、贝塞尔三极点低通滤渡器、一个可调激励源。

它可将用户设计接口时所需的各种功能电路有机地结台起来．系统完成了对传感器信号的处理，减少了接口电路的体积，降低了功耗，消除了器件间的干扰信号。

2.3.3信号调理模块的功能

从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。

由于不同传感器有不同的特性，所以除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。

信号调理的通用功能如下：

1）放大微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。

信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。

2）隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。

使用隔离的原因：

是从安全的角度考虑；

二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。

如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。

3）滤波滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。

大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。

通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。

另外，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。

4）激励信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。

很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。

5）线性化许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。

目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。

6）数字信号调理即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理，其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。

大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。

2.4传感器部分设计

2.4.1温度传感器

选用STT-S系列铂电阻温度传感器，它适用于金属设备表面和内部温度的测量，通过加长螺纹，也可测量轴承和轴瓦的温度，安装简单方便。

技术指标：

安装方式：

螺纹安装

传感器类型：

PT100

不锈钢材质：

sus321

螺纹规格：

M10×

1.0

螺纹长度：

10mm

引线结构：

三线制/特氟龙类型/有线缆护套/有屏蔽层

引线长度：

1000mm

精度：

A级

温度范围：

-50～200℃

2.4.2振动和位移传感器部分设计

振动形式是显示在示波器上的原始振动波形，是分析振动数据非常重要的方法。

安装在机器上每一测点的两个互成90度的电涡流传感器，可以很好的描述振动形式。

轴向位移测量的主要目的是为了确定转子和定子间的轴向间隙，避免轴向摩擦这种恶性故障，另外在利用径向振动数据分析振动原因时作为参考。

该系统振动和轴位移传感器均采用JX70系列涡流传感器，

JX70系列一体化电涡流位移传感器是在JX20系列电涡流位移传感器基础上，通过表面贴装微形封装技术，将前置器电路和探头集成一体，是一种高性能、低成本的新型电涡流位移传感器，属本公司的专利产品。

此设计我们选用JX70-04-G—M12x1-80-30K

技术指标

1、非接触测量，永不磨损。

2、抗干扰能力强，高可靠性，长寿命。

3、工作温度：

-25～+85℃，温漂0.05%/℃。

4、防护等级：

IP68。

5、输出形式：

三线制电压或电流输出。

-10~+10输出

6、频响：

0～10kHz

幅频特性0～1kHz衰减小于1％，10kHz衰减小于5％；

相频特性0～1kHz相位差小于-10°

，10kHz相位差小于-100°

7、电压输出形式传感器供电电源：

±

12Vdc～±

15Vdc供电，输出0～+5V或0～+10V或-5～+5V或-10～+10V功耗≤±

12mA（不含输出电流）;

8、纹波（测量间隙恒定时最大输出噪声峰峰值）：

电压输出形式的传感器输出纹波不大于20mV；

电流输出形式的传感器输出纹波不大于30uA。

9、负载能力：

电压输出形式的传感器输出阻抗不大于51Ω，最大驱动信号电缆长度300m；

4～20mA电流输出形式的传感器最大负载电阻不大于750Ω，带最大负载电阻时输出变化-1%。

第三章数据采集系统部分设计

3.1系统实现的功能特点

系统程序的主要功能为模块划分的标准，其包括系统管理、系统参数配置、实时数据采集显示、数据保存、历史数据的查询、报警指示及记录和远程数据查询等功能。

具体结构见图3.1所示：

图3.1基于LabV1EW和PCI-6221板卡的多路数据采集系统功能模块图

3.2系统前面板设计

本设计的前面板由登录系统、通道配置、实时数据显示及报警指示、历史数据波形图回放、历史数据查询表格显示、报警记录、系统信息7个页面组成。

完整的体现了一个数据采集系统的功能和实际应用。

3.2.1登录系统

任何一个系统都应该设置使用权限以便进行管理，本系统首先设计了一个登录界面，如图3.2所示，其中的功能有添加用户，删除用户，修改密码，系统权限分为管理员权限和普通用户，其中只有以管理员身份登录系统才能进行用户的添加和删除，普通用户是没有权限的。

图3.2系统登录界面

图3.3用户管理界面

3.2.2通道参数配置

系统参数配置界面是提供了采集卡的参数配置，主要包括通道的选择，采样模式，采集卡输入方式的设置，数据保存的时间间隔，采样间隔，采样信号的范围（最大值和最小值）设定，采样频率、采样数设置、缓存大小设置以及数据源名称的设置。

见图3.4通道配置界面。

图3.4参数配置界面

图3.5实时数据显示界面

3.2.3实时数据显示

LabVIEW提供了非常丰富的图形控件来进行前面板的设计，波形图表能非常清晰且生动地实时显示采集波形。

在界面中可以单独显示某一个通道采集的波形也可以同时显示多个通道采集的波形，非常清楚的表达了采集波形的动态曲线，同时还对采集的数据进行相应的分析。

该面板灵活采用了属性节点来编程。

此外，还设有报警指示灯、显示报警状态、以及采集、保存状态指示等。

实时数据显示界面图见图3.5所示：

对采集数据的保存是本设计的一个突出特点，数据保存有着实际的意义，这样便于以后访问历史数据，还可以实现数据的远程访问。

本设计采用数据库进行数据的存储，数据库的存储不仅存储的信息量大，而且便于数据的管理。

3.2.4历史数据查询

首先选择要查询的条件，查询的条件有三种，分别是按采集时间段查询、记录编号查询和通道数据值查询。

然后点击开始检索即可，具体的操作见系统说明。

本设计提供了对历史数据用波形图和表格2种不同的显示方式，波形图显示还对历史数据进行了简单的统计分析。

图3.6为历史数据表格显示界面，图3.7为历史数据波形图显示界面。

图3.6历史数据波形图显示界面。

图3.7历史数据表格显示界面

图3.8报警记录界面

3.2.5报警记录

报警是实时数据采集系统的一个必须的功能，报警有实时指示，如声音或光报警。

该系统使用了光报警，及声音报警，并实时记录报警时刻，报警值及报警类型。

此外，还有统计报警次数，及清除历史记录等功能。

具体界面见图3.8所示：

第四章系统软件设计及其相关技术

4.1软件平台选择

4.1.1图形化编程软件平台LabVIEW

LabVIEW是一种可视化开发平台，是基于图形开发调试和运行程序的集成化环境，是借助于虚拟前面板用户界面和方框图建立虚拟仪器应用程序系统的设计。

目前，LabVIEW在以PC机为基础的测控软件中，它的普及率占39%仅次于C++（49%）和C（43%）。

LabVIEW编程语言和常规的程序语言不同，它是一种定位于非计算机专业人员使用的编程工具。

所以采用的是更易使用的图形化程序语言G语言。

4.2系统的应用软件编制

4.2.1启动系统

为了使系统界面更加的生动形象，本设计还为系统设计了动态载入系统程序。

在使用本系统时可直接打开此程序待一切初始化结束，系统主界面将被打开并且处于运行状态，用户可直接登录系统，具体程序如图5.2所示：

图4.2系统启动程序框图

4.2.2系统登录模块

任何一个测量测试系统都应该考虑到它的安全性，这样不仅可以到保证系统数据不会被窃取，同时也避免了业外人士对系统的随意改动和设置，从而保障了系统的安全稳定运行。

所以有必要设计用户登陆界面，只有知道密码的用户才能访问此系统。

本模块的实现主要用到了数据库管理用户，MD5加密技术对密码进行识别和处理，此外程序结构上主要使用了条件，顺序结构以及对话框。

具体实现如图5.3所示：

图4.3系统登录程序框图

4.2.3用户管理模块

每一个系统都应该设置使用权限以便进行管理，本系统可以被多个用户访问。

不同的用户具有不同的权限，本系统权限分为管理员权限和普通用户，其中只有以管理员身份登录系统才能进行用户的添加和删除，普通用户是没有权限的。

本模块主要运用了事件结构进行编程。

具体程序框图如图5.4所示：

图4.4用户管理模块程序框图

4.2.4数据采集模块

系统采用的是NIPCI-6221数据采集卡，由于该卡支持DAQmx驱动程序，所以本设计是直接使用DAQmx-DataAcquisition开发的，在这部分中，主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。

另外，由于本系统大部分处于连续运行状态所以需要使用缓冲本系统缓冲区设置为默认值（50000）。

编程的基本思路是：

首先创建双通道采集任务，为系统提供时钟源，设置输入缓冲区，启动采集任务，将数据读入缓冲区，最后停止采集任务。

具体程序见图5.5示：

图4.5数据采集模块程序框图

4.2.5数据存储模块

数据存储是把采集来的数据保存起来以便以后对数据的分析或访问，本设计是将采集到的数据保存到ACCESS数据库里，这部分工作首先进行的是数据库的选择以及数据库表格的建立，其次就是在运行之前必须建立数据库与程序之间的ODBC连接，然后将采集的数据按照一定的时间间隔保存到数据库的表格里。

在这里可以针对不同的采样信号进行相应的处理后再进行存储，例如，如果要进行采集波形的复现则必须将某一次的采样值全部进行保存，但对于温度等惯性大的信号，通常情况下我们只关心某些或某段时间内的数据，因此可以将每次采样值取平均值进行存储，或定时保存，因为这样不仅减小了系统的负担，而且提高了系统的运行速度，具体程序见图5.6所示：

图4.6数据存储模块程序框图

4.2.6数据回放模块

图4.7历史数据波形图显示

历史数据查询就是将保存在数据库里的数据按照一定的条件检索出来就行了，本系统可选择的检索条件有三种：

分别是按采集时间段查询、记录编号查询和通道数据值查询。

此外本系统设计了两种回放方式即：

波形图显示和表格显示。

波形图显示还对历史数据进行了简单的统计分析。

该模块主要应用了事件结构来实现。

图5.7为历史数据的波形图回放程序，图5.8为历史数据表格显示程序。

图4.8历史数据表格显示

4.2.7报警及记录模块

这部分程序采用用户事件来编写的，用户事件属于动态事件类型，当采样值大于设定的数值时，就会触发用户事件，从而使下面循环里的事件发生，进行数据记录，这部分是实时记录的，没有进行保存，每次重新启动系统时，会清空保存的记录同时也可以手动清除记录。

此外还设有声光报警指示。

具体程序见图5.9所示。

图4.9报警指示及记录模块程序框图

第五章总结

本设计在研究虚拟仪器技术、数据库技术、及数据采集技术相关理论的基础上，使用虚拟仪器技术实现多通道数据采集，对电主轴进行了有效监控。

本设计大部分工作是程序的编写，所涉及的硬件部分都是现成的。

但是对硬件的了解也是必需要做的工作，特别是对NIPCI-6221采集卡的了解。

其中包括采集率，采集通道，采样方式，然后根据实际情况选择了合适的测量系统。

通过本设计，深刻的认识到了虚拟仪器技术是仪器发展的重要发展方向。

虚拟仪器以崭新的模式和强大的功能深入人心。

伴随计算机技术和信息技术的发展虚拟仪器必将拓展到各个领域，引起测控仪器的深层次变革。

致谢

在此，首先由衷的感谢我的指导老师黄崇莉老师，在他的指导和帮助下，我的设计及论文才得以顺利完成。

感谢NI的工程师们，为虚拟仪器设计出了如此完美的开发平台。

你们的工作很了不起，很值得我尊敬。

感谢虚拟仪器家园论坛及所有关于虚拟仪器的论坛。

通过学习你们的帖子，我知道了如何去编程，并完成了我的设计，这里非常感谢版主们的热心帮助，认真的回答了我的每一个细小的问题。

你们的业余工作真的很伟大！

此外我要感谢所有关心、帮助过我的老师、同学和朋友们，正是在你们的支持和帮助下，我的学习生活更加有声有色。

参考文献

[1]陈锡辉，张银鸿著.LabVIEW程序设计从入门到精通[M].清华大学出版社，2007,7