一種數控工具機動態特性測試分析系統的製作方法

2023-12-02 13:04:56 1

一種數控工具機動態特性測試分析系統的製作方法
【專利摘要】一種數控工具機動態特性測試分析系統，由硬體和軟體兩部分組成，分為四層體系結構，四層體系為：硬體層、硬體管理層(PC)、工具機測試分析層(PC)、資料庫層(工作站)，硬體層和硬體管理層(PC)輸入連接，硬體管理層(PC)的輸出和工具機測試分析層(PC)輸入連接，工具機測試分析層(PC)輸出和資料庫層(工作站)輸入連接，硬體層屬於硬體部分，硬體管理層(PC)、工具機測試分析層(PC)、資料庫層(工作站)屬於軟體部分，提供了多種測試方法，便於搭建測試平臺，減小了測試誤差，提高了測試精度。
【專利說明】一種數控工具機動態特性測試分析系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及數控工具機性能評估【技術領域】，特別涉及一種數控工具機動態特性測試分 析系統

【背景技術】
[0002] 數控工具機由於其自動化程度高、技術先進，已成為生產中的關鍵設備，尤其是對於 加工多品種小批量、結構較複雜、精度要求高的零件，數控工具機承擔著無可替代的作用。作 為工業設備的母機，數控工具機的動態特性將直接影響被加工工件的質量以及工業產品的性 能。因此對數控工具機的動態特性的評估一直工具機廠商所關注的焦點。
[0003] 目前為止，工具機廠商和用戶對於工具機動態特性的評估，很多工作還是採用圓運動 如球桿儀或者直線運動如雷射幹涉儀的方法實現工具機動態特性的檢測與診斷。這些方法固 然可以評估工具機的運動特性，但存在以下問題：一、測試方法單一，由於工具機動態特性問題 往往是由多種因素耦合而成，單一的檢測方式很難進行誤差分離；二、無法在加工過程中測 試工具機動態特性。這些問題都給工具機動態特性的測試分析帶來了困難。


【發明內容】

[0004] 為了克服上述現有技術的缺點，本發明提供了一種數控工具機動態特性測試分析系 統，便於搭建測試平臺，減小了測試誤差，提高了測試精度。
[0005] 為了達到上述目的，本發明採取的技術方案如下：
[0006] -種數控工具機動態特性測試分析系統，由硬體和軟體兩部分組成，分為四層體系 結構，四層體系為：硬體層、硬體管理層（PC)、工具機測試分析層（PC)、資料庫層（工作站）， 硬體層和硬體管理層（PC)輸入連接，硬體管理層（PC)的輸出和工具機測試分析層（PC)輸入 連接，工具機測試分析層（PC)輸出和資料庫層（工作站）輸入連接，硬體層屬於硬體部分，硬 件管理層（PC)、工具機測試分析層（PC)、資料庫層（工作站）屬於軟體部分。
[0007] 硬體層負責採集工具機信號，由1VPP採集模塊，TTL採集模塊，模擬量採集模塊， Endat採集模塊分別與控制模塊、發送模塊連接而成，控制模塊、發送模塊同步採集或異步 採集1VPP、TTL、Endat和模擬量類型的工具機內置傳感器信號和外置傳感器信號，各採集模 塊具有主控方式和從動方式兩種工作方式。
[0008] 所述1VPP採集模塊是指測試儀中用於採集1VPP信號的功能模塊，同時採集1-8 通道1VPP信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採樣頻率為300Hz，具有48位浮點技數精度， 其中整數36位，小數12位，具有兩種工作方式，主控工作方式與從動工作方式；
[0009] 所述TTL採集模塊是指測試儀中用於採集TTL信號的功能模塊，同時採集1-8通 道TTL信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採樣頻率為500Hz，具有兩種工作方式，主控工作 方式與從動工作方式；
[0010] 所述Endat採集模塊是指測試儀中用於採集Endat信號的功能模塊，同時採集1-8 通道Endat信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採樣頻率為500Hz，具有兩種工作方式，主控 工作方式與從動工作方式；
[0011] 所述模擬量採集模塊是指測試儀中用於採集模擬量信號的功能模塊，同時採集 1-8通道模擬量信號，最高採樣頻率為1MHz，最低採樣頻率為500Hz，具有16位AD轉換精 度，具有硬體抗混疊濾波與軟體中值濾波功能，具有兩種工作方式，主控工作方式與從動工 作方式；
[0012] 所述發送模塊是指測試儀中將各採集模塊採集數據發送至計算機中的模塊，發送 模塊提供了乙太網線、USB線、無線裝置和ExpressCard連接方式實現測試儀與計算機之間 的通信，發送模塊提供了 DMA方式與軟體方式兩種發送方式；
[0013] 所述主動工作方式是指採集模塊不收外部控制，獨立完成採集工作的工作方式； 從動工作方式是指採集模塊統一接受控制模塊的控制，同時完成採集工作的工作方式；同 步採集方式是指1VPP採集模塊，TTL採集模塊，模擬量採集模塊，Endat採集模塊全部工作 在從動模式下，由控制模塊統一控制進行採集，以達到對工具機各種信號同步採集的工作方 式。
[0014] 硬體管理層（PC)運行於測試現場的計算機中，用於統一管理下層硬體，調用下層 硬體功能，獲取下層採樣數據並提供給工具機測試分析層，硬體管理層是指計算機軟體中用 於統一管理測試儀硬體，調用測試系驅動功能，實現測試儀硬體驅動的加載與釋放、各功能 模塊的開啟、檢測、採集、關閉的部分。
[0015] 工具機測試分析層（PC)以雙緩存多線程工作方式運行，獲取硬體管理層（PC)中暫 存數據進一步加工處理，為用戶提供了 Π 界面以及軸心軌跡測試、多信息融合測試、虛擬 傳動鏈測試、標準軌跡測試、監測分析、傳動間隙測試的多種測試分析方法，綜合評估工具機 動態性能，同時提供了遠程協助功能；
[0016] 所述雙緩存多線程工作方式是指工具機測試分析模塊中使用雙緩存模式組織數據， 利用多線程機制來處理採集，顯示，存儲三個過程，採集線程、顯示線程和存儲線程同步進 行，實現了對工具機信息的實時採集，實時顯示與實時存儲，最高運行時間可達48小時；
[0017] 所述軸心軌跡測試是指軟體中測試工具機主軸軸心軌跡的測試方法，該模塊提供了 兩點法和三點法兩種測試方法，其中三點法通過分離軸心軌跡信號中的圓度誤差和主軸偏 心來獲取精度更高的軸心軌跡曲線；
[0018] 所述標準軌跡測試是指軟體中同過圓運動，菱形運動，往復直線運動等軌跡測試 工具機進給系統動態性能的測試方法，顯示軌跡曲線的同時提供工具機反向間隙，伺服不匹配， 比例不匹配，圓度誤差等參數以指導調整工具機參數；
[0019] 所述虛擬傳動鏈分析是指軟體中測試工具機電子齒輪傳動系統的測試方法，通過機 床各軸位置信息計算傳動係數來評估工具機電子齒輪傳動特性；
[0020] 所述加工狀態監測是指軟體中長時間監測測試工具機各軸位置，速度，加速度，電 流，位置差，速度差等參數的測試方法，並在測試值超出上限閥值時進行故障預警；
[0021] 所述傳動間隙測試是指軟體中分析工具機絲槓間隙的測試方法，可以在時間域和位 置域兩種尺度上分析工具機直線進給軸的傳動間隙；
[0022] 所述遠程協助是指軟體中用於提供專家支持的模塊，由遠程傳輸模塊，遠程控制 模塊和遠程診斷模塊組成，遠程傳輸模塊允許使用者通過Internet遠程傳輸實驗數據，圖 片，視頻，音頻以共享檢測結果並通過Internet尋求技術支持，遠程控制模塊允許用戶通 過遠程控制手段進行遠程實驗，遠程診斷模塊允許使用者將測試結果尋求專家系統幫助。
[0023] 資料庫層（工作站）用於存儲和提供所有軟體使用者歷次採樣數據與分析結果。
[0024] 本發明提供了多種測試方法，使用者可以對工具機主軸進行軸心軌跡，對工具機進給 系統進行標準軌跡測試，對工具機傳動系統進行虛擬傳動鏈測試，對工具機加工過程進行檢測， 分析工具機模態參數，利用多種手段綜合評估工具機動態特性。
[0025] 本發明不僅可以使用外置傳感器獲取工具機運動信息，還可以利用內置傳感器獲取 工具機運動信息，獲取方法多樣化，便於搭建測試平臺，多種傳感器聯合測試，減小了測試誤 差，提1? 了測試精度。
[0026] 本發明可以在工具機加工工程中測試工具機動態特性，測試結果更加精確可靠。
[0027] 本發明提供了用於遠程協助的模塊，使用者即使沒用深厚的專業知識也可以對機 床動態特性進行分析測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明系統結構圖。
[0029] 圖2為硬體結構圖。
[0030] 圖3為內置傳感器連接圖。
[0031] 圖4為工具機測試分析模塊結構圖。

【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖對本發明進行詳細描述。
[0033] 參照圖1，一種數控工具機動態特性測試分析系統，由硬體和軟體兩部分組成，分為 四層體系結構，四層體系為：硬體層、硬體管理層（PC)、工具機測試分析層（PC)、資料庫層（工 作站），硬體層和硬體管理層（PC)輸入連接，硬體管理層（PC)的輸出和工具機測試分析層 (PC)輸入連接，工具機測試分析層（PC)輸出和資料庫層（工作站）輸入連接，硬體層屬於硬 件部分，硬體管理層（PC)、工具機測試分析層（PC)、資料庫層（工作站）屬於軟體部分。
[0034] 參照圖2,硬體層負責採集工具機信號，硬體層由1VPP採集模塊，TTL採集模塊，模 擬量採集模塊，Endat採集模塊分別與控制模塊、發送模塊連接而成，控制模塊、發送模塊和 計算機連接，同步採集或異步採集1VPP、TTL、Endat和模擬量類型的工具機內置傳感器信號 和外置傳感器信號，各採集模塊具有主控方式和從動方式兩種工作方式，1VPP採集模塊是 指測試儀中用於採集1VPP信號的功能模塊，同時採集1-8通道1VPP信號，最高採樣頻率為 10kHz，最低採樣頻率為300Hz，具有48位浮點技數精度，其中整數36位，小數12位，具有兩 種工作方式，主控工作方式與從動工作方式；TTL採集模塊是指測試儀中用於採集TTL信號 的功能模塊，同時採集1-8通道TTL信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採樣頻率為500Hz， 具有兩種工作方式，主控工作方式與從動工作方式；Endat採集模塊是指測試儀中用於採 集Endat信號的功能模塊，同時採集1-8通道Endat信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採 樣頻率為500Hz，具有兩種工作方式，主控工作方式與從動工作方式；模擬量採集模塊是指 測試儀中用於採集模擬量信號的功能模塊，同時採集1-8通道模擬量信號，最高採樣頻率 為1MHz，最低採樣頻率為500Hz，具有16位AD轉換精度，具有硬體抗混疊濾波與軟體中值 濾波功能，具有兩種工作方式，主控工作方式與從動工作方式；發送模塊是指測試儀中將各 採集模塊採集數據發送至計算機中的模塊，發送模塊提供了乙太網線、USB線、無線裝置和 ExpressCard連接方式實現測試儀與計算機之間的通信，發送模塊提供了 DMA方式與軟體 方式兩種發送方式；主動工作方式是指採集模塊不收外部控制，獨立完成採集工作的工作 方式；從動工作方式是指採集模塊統一接受控制模塊的控制，同時完成採集工作的工作方 式；同步採集方式是指1VPP採集模塊，TTL採集模塊，模擬量採集模塊，Endat採集模塊全 部工作在從動模式下，由控制模塊統一控制進行採集，以達到對工具機各種信號同步採集的 工作方式。
[0035] 本發明不僅可以使用外置傳感器獲取工具機運動信息，還可以利用內置傳感器獲取 工具機運動信息，獲取方法多樣化，便於搭建測試平臺，多種傳感器聯合測試，減小了測試誤 差，提1? 了測試精度。
[0036] 硬體管理層（PC)運行於測試現場的計算機中，用於統一管理下層硬體，調用下層 硬體功能，獲取下層採樣數據並提供給工具機測試分析層，硬體管理層是指計算機軟體中用 於統一管理測試儀硬體，調用測試系驅動功能，實現測試儀硬體驅動的加載與釋放、各功能 模塊的開啟、檢測、採集、關閉的部分。
[0037] 如圖3所示，工具機測試分析層採集連接內置傳感器時的接線示意圖，工具機內置信 號通過使用三通接口的方式引出兩路信號，一路返回驅動器，另一路採集入測試儀中。
[0038] 工具機測試分析層（PC)以雙緩存多線程工作方式運行，獲取硬體管理層（PC)中暫 存數據進一步加工處理，為用戶提供了 Π 界面以及軸心軌跡測試、多信息融合測試、虛擬 傳動鏈測試、標準軌跡測試、監測分析、傳動間隙測試的多種測試分析方法，綜合評估工具機 動態性能，同時提供了遠程協助功能。
[0039] 所述雙緩存多線程工作方式是指工具機測試分析模塊中使用雙緩存模式組織數據， 利用多線程機制來處理採集，顯示，存儲三個過程，採集線程、顯示線程和存儲線程同步進 行，實現了對工具機信息的實時採集，實時顯示與實時存儲，最高運行時間可達48小時。
[0040] 所述軸心軌跡測試是指軟體中測試工具機主軸軸心軌跡的測試方法，該模塊提供了 兩點法和三點法兩種測試方法，其中三點法通過分離軸心軌跡信號中的圓度誤差和主軸偏 心來獲取精度更高的軸心軌跡曲線。
[0041] 所述標準軌跡測試是指軟體中同過圓運動，菱形運動，往復直線運動等軌跡測試 工具機進給系統動態性能的測試方法，顯示軌跡曲線的同時提供工具機反向間隙，伺服不匹配， 比例不匹配，圓度誤差等參數以指導調整工具機參數。
[0042] 所述虛擬傳動鏈分析是指軟體中測試工具機電子齒輪傳動系統的測試方法，通過機 床各軸位置信息計算傳動係數來評估工具機電子齒輪傳動特性。
[0043] 所述加工狀態監測是指軟體中長時間監測測試工具機各軸位置，速度，加速度，電 流，位置差，速度差等參數的測試方法，並在測試值超出上限閥值時進行故障預警。
[0044] 所述傳動間隙測試是指軟體中分析工具機絲槓間隙的測試方法，可以在時間域和位 置域兩種尺度上分析工具機直線進給軸的傳動間隙。
[0045] 所述遠程協助是指軟體中用於提供專家支持的模塊，由遠程傳輸模塊，遠程控制 模塊和遠程診斷模塊組成，遠程傳輸模塊允許使用者通過Internet遠程傳輸實驗數據，圖 片，視頻，音頻以共享檢測結果並通過Internet尋求技術支持，遠程控制模塊允許用戶通 過遠程控制手段進行遠程實驗，遠程診斷模塊允許使用者將測試結果尋求專家系統幫助。
[0046] 如圖4所示，工具機測試分析分下包含軸心軌跡測試，多信息融合測試，虛擬傳動鏈 測試，標準軌跡測試，監測分析，傳動間隙測試等多種測試分析方法。每種此時方法下面都 有獨立的試驗方式，所有的實驗都分為實驗設置，數據採集，數據分析，生成報表4步進行， 數據分析步驟中還可以使用遠程診斷模塊尋求專家幫助。實驗設置是指實驗模塊中用於設 置採樣時間，採樣頻率等採集參數以及設置測試儀物理通道與傳感器的對應關係的模塊， 主要完成工具機測試的準備工作，是啟動測試儀採集的前置條件。
[〇〇47] 資料庫層（工作站）用於存儲和提供所有軟體使用者歷次採樣數據與分析結果。
【權利要求】
1. 一種數控工具機動態特性測試分析系統，由硬體和軟體兩部分組成，分為四層體系結 構，其特徵在於，四層體系為：硬體層、硬體管理層（PC)、工具機測試分析層（PC)、資料庫層 (工作站），硬體層和硬體管理層（PC)輸入連接，硬體管理層（PC)的輸出和工具機測試分析 層（PC)輸入連接，工具機測試分析層（PC)輸出和資料庫層（工作站）輸入連接，硬體層屬於 硬體部分，硬體管理層（PC)、工具機測試分析層（PC)、資料庫層（工作站）屬於軟體部分。
2. 根據權利要求1所述的一種數控工具機動態特性測試分析系統，其特徵在於：所述硬 件層負責採集工具機信號，由1VPP採集模塊，TTL採集模塊，模擬量採集模塊，Endat採集模塊 分別與控制模塊、發送模塊連接而成，控制模塊、發送模塊同步採集或異步採集1VPP、TTL、 Endat和模擬量類型的工具機內置傳感器信號和外置傳感器信號，各採集模塊具有主控方式 和從動方式兩種工作方式。 所述1VPP採集模塊是指測試儀中用於採集1VPP信號的功能模塊，同時採集1-8通道 1VPP信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採樣頻率為300Hz，具有48位浮點技數精度，其中整 數36位，小數12位，具有兩種工作方式，主控工作方式與從動工作方式； 所述TTL採集模塊是指測試儀中用於採集TTL信號的功能模塊，同時採集1-8通道TTL 信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採樣頻率為500Hz，具有兩種工作方式，主控工作方式與 從動工作方式； 所述Endat採集模塊是指測試儀中用於採集Endat信號的功能模塊，同時採集1-8通 道Endat信號，最高採樣頻率為10kHz，最低採樣頻率為500Hz，具有兩種工作方式，主控工 作方式與從動工作方式； 所述模擬量採集模塊是指測試儀中用於採集模擬量信號的功能模塊，同時採集1-8通 道模擬量信號，最高採樣頻率為1MHz，最低採樣頻率為500Hz，具有16位AD轉換精度，具 有硬體抗混疊濾波與軟體中值濾波功能，具有兩種工作方式，主控工作方式與從動工作方 式； 所述發送模塊是指測試儀中將各採集模塊採集數據發送至計算機中的模塊，發送模塊 提供了乙太網線、USB線、無線裝置和ExpressCard連接方式實現測試儀與計算機之間的通 信，發送模塊提供了 DMA方式與軟體方式兩種發送方式； 所述主動工作方式是指採集模塊不收外部控制，獨立完成採集工作的工作方式；從動 工作方式是指採集模塊統一接受控制模塊的控制，同時完成採集工作的工作方式；同步採 集方式是指1VPP採集模塊，TTL採集模塊，模擬量採集模塊，Endat採集模塊全部工作在從 動模式下，由控制模塊統一控制進行採集，以達到對工具機各種信號同步採集的工作方式。
3. 根據權利要求1所述的一種數控工具機動態特性測試分析系統，其特徵在於：硬體管 理層（PC)運行於測試現場的計算機中，用於統一管理下層硬體，調用下層硬體功能，獲取 下層採樣數據並提供給工具機測試分析層，硬體管理層是指計算機軟體中用於統一管理測試 儀硬體，調用測試系驅動功能，實現測試儀硬體驅動的加載與釋放、各功能模塊的開啟、檢 測、採集、關閉的部分。
4. 根據權利要求1所述的一種數控工具機動態特性測試分析系統，其特徵在於：工具機測 試分析層（PC)以雙緩存多線程工作方式運行，獲取硬體管理層（PC)中暫存數據進一步加 工處理，為用戶提供了 Π 界面以及軸心軌跡測試、多信息融合測試、虛擬傳動鏈測試、標準 軌跡測試、監測分析、傳動間隙測試的多種測試分析方法，綜合評估工具機動態性能，同時提 供了遠程協助功能； 所述雙緩存多線程工作方式是指工具機測試分析模塊中使用雙緩存模式組織數據，利用 多線程機制來處理採集，顯示，存儲三個過程，採集線程、顯示線程和存儲線程同步進行，實 現了對工具機信息的實時採集，實時顯示與實時存儲，最高運行時間可達48小時； 所述軸心軌跡測試是指軟體中測試工具機主軸軸心軌跡的測試方法，該模塊提供了兩點 法和三點法兩種測試方法，其中三點法通過分離軸心軌跡信號中的圓度誤差和主軸偏心來 獲取精度更高的軸心軌跡曲線； 所述標準軌跡測試是指軟體中同過圓運動，菱形運動，往復直線運動等軌跡測試工具機 進給系統動態性能的測試方法，顯示軌跡曲線的同時提供工具機反向間隙，伺服不匹配，比例 不匹配，圓度誤差等參數以指導調整工具機參數； 所述虛擬傳動鏈分析是指軟體中測試工具機電子齒輪傳動系統的測試方法，通過工具機各 軸位置信息計算傳動係數來評估工具機電子齒輪傳動特性； 所述加工狀態監測是指軟體中長時間監測測試工具機各軸位置，速度，加速度，電流，位 置差，速度差等參數的測試方法，並在測試值超出上限閥值時進行故障預警； 所述傳動間隙測試是指軟體中分析工具機絲槓間隙的測試方法，可以在時間域和位置域 兩種尺度上分析工具機直線進給軸的傳動間隙； 所述遠程協助是指軟體中用於提供專家支持的模塊，由遠程傳輸模塊，遠程控制模塊 和遠程診斷模塊組成，遠程傳輸模塊允許使用者通過Internet遠程傳輸實驗數據，圖片， 視頻，音頻以共享檢測結果並通過Internet尋求技術支持，遠程控制模塊允許用戶通過遠 程控制手段進行遠程實驗，遠程診斷模塊允許使用者將測試結果尋求專家系統幫助。
5.根據權利要求1所述的一種數控工具機動態特性測試分析系統，其特徵在於：資料庫 層（工作站）用於存儲和提供所有軟體使用者歷次採樣數據與分析結果。
【文檔編號】G05B19/406GK104111627SQ201410319907
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月7日 優先權日:2014年7月7日
【發明者】梅雪松, 姜歌東, 沈健, 陶濤, 張東升, 趙飛, 範勝乾, 史建強 申請人:西安交通大學