一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置與方法
2023-05-18 20:18:36 1
專利名稱：一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置與方法，本發明屬於先進位造技術及自動化領域。
背景技術：
數控磨床在機械製造企業使用非常廣泛，數控磨床的可靠性對企業正常生產十分重要。為了提高數控磨床的可靠性，必須對數控磨床進行可靠性設計，數控磨床的載荷譜是可靠性設計的基礎數據。數控磨床的載荷譜主要包括數控磨床各個轉動軸的轉速和轉矩值。目前國內數控磨床與國外先進數控磨床相比可靠性普遍偏低，存在故障率高、力口工精度難以長久維持，其根本原因是在產品設計時未進行可靠性設計。為了提升國產數控磨床的可靠性，必須進行可靠性設計。可靠性設計的前提是獲取載荷譜數據，要想獲取數控磨床的載荷譜數據，需要對相關數據進行採集，而本發明正是基於以上背景而設計的。傳統的數據採集系統是將傳感器裝在被測機體上，影響被測機器的正常工作，且通常傳統數據採集裝置採樣頻率是固定不變的。由於數控工具機載荷譜數據的採集不能影響數控磨床的正常工作，而且是連續採集，CPU需要處理的數據量非常大，給存儲帶來了困難。為此需要一種簡便、實用的數據採集與處理方法，在數據變化較小時降低採樣頻率，從而降低數據存儲量，減輕CPU負擔，減小存儲空間。
發明內容
本發明針對數控磨床載荷譜，提出了一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置與方法。四個非接觸式轉速傳感器(I) (2) (3) (4)分別安裝在主軸(16)、砂輪軸(17)、X軸絲槓(18)和Z軸絲槓(19)端部，四個電流變送器(5) (6) (7) (8)分別穿過主軸伺服驅動器(20)、砂輪軸變頻器(21)、X軸伺服驅動器(22)和Z軸伺服驅動器(23)的電源線。轉速傳感器和電流變送器將信號送給信號採集處理板(13)，信號採集處理板(13)首先以計算出的採樣頻率對各路信號進行分時採樣，然後將採樣的模擬信號轉為數位訊號送給CPU
(12)處理，處理後的數據通過RS232串口( 14)傳送給上位計算機(15)，計算機存儲載荷譜數據並進行後處理。為了不改變數控磨床的機械結構，本發明使用的四個轉速傳感器均為非接觸式轉速傳感器，將傳感器安裝在轉軸和絲槓端部，不影響數控磨床的操作和正常工作。四個轉速傳感器和四個電流變送器的安裝均不影響數控磨床正常的工作。四個轉速傳感器的數值可以直接反映主軸、砂輪軸、X軸絲槓和Z軸絲槓的轉速。對於扭矩的測量本發明採用的是間接測量法，轉軸的扭矩和電機的功率是成正比的，故測量電機的功率即可以計算出軸的扭矩，對於數控磨床使用的電機而言，其輸入電壓通常是固定不變的，而電流隨著扭矩的變化而變化，為此，本發明通過測量電機的電流來間接計算轉軸的扭矩，為了不改變數控磨床的現有接線方式和電氣元件布局，本發明使用電流變送器來檢測電機的電流，電流變送器套在電動機的輸入電源線上即可檢測出輸入電流值。由於數控磨床的轉速和轉矩值的變化是隨機的，為了真實反映工具機任意時刻的轉速和轉矩值，就必須以較大的採樣頻率進行採樣，計採樣的數據量和採樣頻率成正比。如果一直以較高的採樣頻率採樣，將需要大量的存儲空間，且CPU —直處於高速運轉狀態。為了解決這一問題，本發明採取變採樣頻率採樣，即根據每個信號的前後兩次採樣值的差值來確定採樣頻率，採樣頻率與前後兩次採樣值的差值成正比。如果前後採樣值的差值很小，說明該信號變化很小，則降低採樣頻率，減小存儲量；如果前後採樣值的差值很大，說明該信號變化很大，為了不失真，則加大採樣頻率。為了防止前後兩次採樣值的插著很小導致採樣頻率很小或採樣停止，設置一個最低採樣頻率，當計算出的採樣頻率低於最低採樣頻率時，以最低採樣頻率進行採樣。同樣為了防止計算出的採樣頻率超過採樣器件的處理能力，設置一個最高採樣頻率，當計算出的採樣頻率超過最高採樣頻率時，以最高採樣頻率採樣。由於在任意時刻只能有一路信號進行採樣，本發明中有八路信號需要採集，故有可能出現在某一時刻有兩個或兩個以上的信號同時需要採樣，即出現信號競爭情形。為此，在測量時將八路信號進行編號，當出現競爭情況時，將參與競爭的信號按編號的大小進行排隊，編號小的信號先採樣，採樣完畢後再返回繼續採樣。本發明具有的有益效果是:1、本發明所述的數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置與方法可以在不改變數據磨床結構和電氣元件的情況下採集載荷譜數據，不破壞數控磨床的完整性，提高工具機的可靠性，同時不會影響數據磨床的正常工作。2、本發明所述的數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置與方法採取變採樣頻率的方法來採集數據，根據數據變化的大小來確定採樣頻率，從而可以大幅度節約存儲空間，也可以減輕CPU的負擔。本發明適合於各種型號的數控磨床載荷譜數據的自動採集，為數控磨床可靠性設計提供基礎數據，在高端數控磨床的設計中具有較好的應用前景。
圖1是數控磨床坐標軸方向示意圖；圖2是數控磨床載荷譜數據採集方法與裝置原理圖；圖3是非接觸式轉速傳感器安裝示意圖；圖4是電流變送器安裝示意圖；圖5是採集數據處理方法流程圖；圖6是上位機數據處理方法示意圖；圖中:1、主軸轉速傳感器，2、砂輪轉速傳感器，3、X軸絲槓轉速傳感器，4、Z軸絲槓轉速傳感器，5、主軸電機電流變送器，6、砂輪電機電流變送器，7、X軸伺服電機電流變送器，8、Z軸伺服電機電流變送器，9、接線端子排，10、分時採樣開關，1UA/D轉換器，12,CPU,13、信號採集處理板，14、RS232串口，15、上位計算機，16、主軸，17、砂輪軸，18、X向絲槓轉軸，19、Z軸絲槓轉軸，20、主軸伺服驅動器，21、砂輪軸變頻器，22、X軸伺服驅動器，23、Z軸 伺服驅動器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。建立數控磨床的載荷譜通常需要數控磨床在任意時刻的轉速、軸的扭矩、電機的功率等數據，其中轉速和扭矩是必須的數據。轉速的測量有多種方法，為了不改變數控磨床的機械結構，本發明使用非接觸式轉速傳感器，將傳感器安裝在轉軸和絲槓端部，不影響數控磨床的操作和正常工作。非接觸式轉速傳感器輸出的標準模擬量信號送給信號採集處理板進行處理。如圖2和圖3所示，將主軸轉速傳感器(I)安裝在數控磨床主軸(16)軸端附近，主軸轉速傳感器(I)根據主軸轉速的大小將轉速信號轉換為與之成正比的標準模擬電信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上。同理，將砂輪轉速傳感器
(2)安裝在數控磨床砂輪軸(17)軸端附近，砂輪轉速傳感器(2)根據砂輪轉速的大小將轉速信號轉換為與之成正比的標準模擬電信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9 )上。X軸絲槓轉速傳感器(3 )安裝在數控磨床X進給絲槓轉軸(18 )軸端附近，X軸絲槓轉速傳感器(3)根據X軸絲槓轉速的大小將轉速信號轉換為與之成正比的標準模擬電信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上。Z軸絲槓轉速傳感器
(4)安裝在數控磨床Z軸進給絲槓轉軸(19)軸端附近，Z軸絲槓轉速傳感器(4)根據Z軸絲槓轉速的大小將轉速信號轉為與之成正比的標準模擬電信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上，數控磨床坐標軸X、Y和Z軸的方向如圖1所示，砂輪軸17及下面的座由X軸絲槓18驅動，可以沿X軸方向運動，主軸16及下面的底座由Z軸絲槓19驅動，可以沿Z軸方向運動。對於扭矩的測量通常比較複雜，本發明採取的間接測量法。因為轉軸的扭矩和電機的功率是成正比的，故測量電機的功率即可以計算出軸的扭矩。數控磨床中，直接採集功率數據也比較複雜，需要更換原數控磨床的電器元件，會破壞數控磨床的完整性，降低其可靠性。對於數控磨床使用的電機而言，其輸入電壓通常是固定不變的，而電流隨著扭矩的變化而變化，為此，本發明採用的是測量電機的電流來間接計算轉軸的扭矩。為了不改變數控磨床的現有接線方式和電氣元件布局，本發明使用的電流變送器來檢測電機的電流。電流變送器包括空心電流互感器和變送單元，將其套在電動機的輸入電源線上即可檢測出輸入電流值，電流變送器將電流值變換為標準的模擬信號送給信號採集處理板進行處理。如圖
2和圖4所示，將主軸電機電流變送器(5)套在主軸伺服驅動器(20)的電源進線上，主軸電機電流變送器(5)將主軸伺服驅動器(20)消耗的電流轉換為與之成正比的標準模擬信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上。同理，將砂輪電機電流變送器
(6)套在砂輪變頻器(21)的電源進線上，砂輪電機電流變送器(6)將砂輪變頻器(21)消耗的電流轉換為與之成正比的標準模擬信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上。X軸伺服電機電流變送器(7)套在X軸伺服驅動器(22)的電源進線上，X軸伺服電機電流變送器(7)將X軸伺服驅動器(22)消耗的電流轉換為與之成正比的標準模擬信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上。Z軸伺服電機電流變送器(8)套在Z軸伺服驅動器(23)的電源進線上，Z軸伺服電機電流變送器(8)將Z軸伺服驅動器(23)消耗的電流轉換為與之成正比的標準模擬信號，這個信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上。數控磨床在工作時其轉速和扭矩是變化的，而且在某些時刻變化很快，為了真實反映數控磨床的載荷情況，必須加大採樣頻率，但加大採樣頻率會增加CPU工作負擔和需要海量存儲空間。同時，數控磨床在正常磨削中其轉速和扭矩通常變化不大，或者在空轉時，其載荷譜數據幾乎不變，如果此時仍以較高的採樣頻率採集數據並存儲，因採集到的數據前後沒有變化，其實這些數據是無用的，完全可以用前次採集到的數據來代替，從而節約存儲空間。為此，本發明採取變採樣頻率的方法進行數據採樣，採樣頻率與數據前後的變化率成正比。當採集到的數據前後變化較小時，降低數據的採樣頻率，當採集到數據前後變化較大時，增加數據的採樣頻率。這樣可以大大節約存儲空間，又保證了採集信號的真實性。採樣頻率的確定是這樣的:初始時是以一個固定的採樣頻率進行數據採樣的，一段時間後開始將每次採樣的值與前一次採樣的值相減得到一個差值，將該差值乘以一個常數作為該信號數據採集的採樣頻率，差值越大則採樣頻率越大，差值越小則表明數據變化很小，採樣頻率則減小。為了防止採樣頻率最大值超過CPU的最大極限能力或最小值為零而無法啟動下一次採樣，在採樣時設置最大和最小採樣頻率，如果採樣頻率計算值超過最大值則以最大值進行採樣，如果採樣頻率計算值小於最小值則以最小值進行採樣。因為本發明所述的數據採集裝置共有8路信號，考慮到在採樣時，因8路信號的採樣頻率都在變化，根據計算有可能在某個時間點有幾個信號同時需要採樣，但每個時間點只能採集一個信號，即信號衝突解決機制。本裝置採取的是當信號衝突時，各信號由小到大排隊採樣的方法，即將8路信號進行編號，如果有衝突，則衝突的信號進行排隊，編號小的先採集，編號大的後採集。如圖2和圖5所示，轉速傳感器(I) (2) (3) (4)和電流變送器(5) (6) (7) (8)的信號送給信號採集處理板(13)上的接線端子排(9)上，CPU (12)根據初值和計算的信號變化率來確定分時採樣開關(10)的狀態，決定哪一路信號送給A/D轉換器(11)中，A/D轉換器(11)將採樣的模擬信號轉換為數位訊號，數位訊號送入CPU (12)中，CPU (12)將數位訊號處理後，將數據通過RS232串口(14)送給上位計算機(15)中存儲，然後CPU計算前後採樣值的差值並乘以係數後作為下次採樣的頻率，之後根據各路信號的頻率值計算下一次採樣的時間，如果有兩路或兩路信號同時在某個時刻採樣，則將信號進行排隊，編號小的數據先採集，進入下一個採集循環。如圖6所示，上位計算機(15)接收到CPU (12)發送來的數據後，通過上位計算機中的控制程序將數據存儲在資料庫中，以便為數控磨床的可靠性設計使用。同時，為了更加直觀地了解數控磨床在某一時刻或某一時間段的載荷情況，計算機中的控制程序將轉速和轉矩生成載荷譜圖形，圖形的橫坐標是時間，縱坐標是轉速值和轉矩值。更具用戶的選擇，在計算機上可以生成每個轉速值的圖形和每個轉矩的圖形，也可以將所有的轉速和轉矩值顯示在一個圖形中。在計算中可以按條件查詢某個時刻某個信號的值，計算機中還具有統計功能，統計每路信號的最大值、最小值和平均值。以上所述具體實施方式
用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制。在本發明的設計思想和權利要求的保護範圍內，對本發明做出任何修改或改變，均應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置，該裝置包括非接觸式轉速傳感器、非接觸式電流變送器、信號採集處理板和上位計算機組成，其特徵在於:非接觸式轉速傳感器為四個，分別設於數控磨床主軸、砂輪軸、X軸進給絲槓和Z軸進給絲槓端部，在主軸電機、砂輪軸電機、X軸進給電機和Z軸進給電機電源線上分別裝有電流變送器(5、6、7、8 )採集各電機的輸入電流值，非接觸式轉速傳感器(1、2、3、4)和電流變送器(5、6、7、8)的信號經信號端子排(9 )送給信號採集處理板(13 )，並經分時採樣開關(10 )採樣、A/D轉換器(11)轉換後送給CPU (12),CPU (12)將數據處理後通過RS232接口(14)送給上位計算機(15)，上位機(15)將數據存儲在資料庫中，CPU (12)根據每個轉速傳感器或電流變送器採集數據前後數據的差值確定採樣頻率。
2.根據權利要求1中所述的一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置，其特徵在於:CPU確定採樣頻率時，將每個傳感器採集數據前後數據的差值乘以一個固定的係數來計算採樣頻率。
3.根據權利要求1中所述的一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置，其特徵在於:設置一個最高採樣頻率和一個最低採樣頻率，當計算的採樣頻率小於最低採樣頻率，則以最低採樣頻率進行採樣；如果計算的採樣頻率大於最高採樣頻率，則以最高採樣頻率進行採樣。
4.根據權利要求1中所述的一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置，其特徵在於:該裝置對每個轉速傳感器或電流變送器進行編號，且在任意時刻只能有一路信號進行採樣，當某一時刻有兩個或兩個以上的信號同時需要採樣時，按編號的大小進行排隊，編號小的信號先採樣。
5.一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集方法，其特徵在於:分別在數控磨床主軸、砂輪軸、X軸進給絲槓和Z軸進給絲槓端部設置非接觸式轉速傳感器用來測量主軸、砂輪軸、X軸進給絲槓和Z軸進給絲槓的轉速，在主軸電機、砂輪軸電機、X軸進給電機和Z軸進給電機電源線上分別裝有非接觸式電流變送器(5、6、7、8)採集各電機的輸入電流值，非接觸式轉速傳感器(1、2、3、4)和電流變送器(5、6、7、8)的信號經信號端子排(9)送給信號米集處理板(13)，並經分時採樣開關(10)採樣、A/D轉換器(11)轉換後送給CPU (12)，CPU(12)根據每個轉速傳感器或電流變送器採集數據前後數據的差值確定採樣頻率。
6.根據權利要求5中所述的一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集方法，其特徵在於:CPU確定採樣頻率時，將每個傳感器採集數據前後數據的差值乘以一個固定的係數來計算採樣頻率。
7.根據權利要求5中所述的一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集方法，其特徵在於:設置一個最高採樣頻率和一個最低採樣頻率，當計算的採樣頻率小於最低採樣頻率，則以最低採樣頻率進行採樣；如果計算的採樣頻率大於最高採樣頻率，則以最高採樣頻率進行採樣。
8.根據權利要求5中所述的一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集方法，其特徵在於:對每個轉速傳感器或電流變送器進行編號，且在任意時刻只能有一路信號進行採樣，當某一時刻有兩個或兩個以上的信號同時需要採樣時，按編號的大小進行排隊，編號小的信號先採樣。
全文摘要
本發明針對建立數控磨床載荷譜的需要，提出了一種數控磨床載荷譜數據變採樣率採集裝置與方法。四個非接觸式轉速傳感器分別安裝在主軸、砂輪軸、X軸絲槓和Z軸絲槓端部，四個電流變送器分別穿過主軸伺服驅動器、砂輪軸變頻器、X軸伺服驅動器和Z軸伺服驅動器的電源線。轉速傳感器和電流變送器將信號送給信號採集處理板，信號採集處理板首先將各路信號進行分時採樣，然後將採樣的模擬信號轉為數位訊號送給CPU處理，處理後的數據通過RS232串口傳送給上位計算機。計算機存儲載荷譜數據並進行後處理。本發明具有以下優點在不影響數控磨床正常工作的前提下，可以方便、快捷地採集、記錄數控磨床載荷譜數據，為數控磨床的可靠性設計提供依據。
文檔編號B24B49/00GK103170910SQ201310007289
公開日2013年6月26日 申請日期2013年1月8日 優先權日2013年1月8日
發明者範晉偉, 劉勇軍, 王波, 穆東輝, 李偉華, 梁曉霞, 鄭德榮 申請人:北京工業大學