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L a b VI E W 实现数控机 床试验 波形 的采集 分析术 口郝越邦 口邬铎 口任启迪 口赵鑫 口孙名佳 沈 阳机床股份有限公司 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘 要 介 绍 了数控机床 试验 系统 的硬 件和软 件 ， 阐述 了利 用 L a b V I E W 及其 附加 软件工具 包 S o u n d a n d V i b r a t i o n T o o l k i t 和 S Q L‰ l k j t 对数控机床试验波形进行 实时数据采集、 监控以及 对 离线数据的精 密分析 和处理。试验表 明， 该 系 统 达 到 了预期 效果 。 关键词 L a b V I E W数控机床 实验波形 采集分析 中图分类号 T H1 3 3 ． 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 4 9 9 8 2 0 1 3 0 4 - 0 0 2 8 0 3 数 控 机 床 在 运 行 中 出 现 不 平 衡 是 一 种 典 型 故 障 ， 数 控 机 床 一 旦 发 生 不 平 衡 故 障 ， 就 会 产 生 振 动 ， 轻 者 造 成 轴 承 损 坏 ． 严 重 时 还 能 造 成 重 大 质 量 及 安 全 事 故 。 为 此 ， 开 发 了 数 控 机 床 试 验 系 统 ， 该 系 统 可 以监 控 机 床 运 行 情 况 ， 进 行 数 据 采 集 并 保 存 数 据 、 离 线 分 析 ， 达 到 对 设 备 故 障 监 控 诊 断 的 功 能 ．用 户 可 用 该 试 验 系 统 进 行 数 控 机 床 动 特 性 、 动 响 应 、 动 强 度 和 稳 定 性 的 分 析 以 及 动 平 衡 试 验 。 通 过 试 验 研 究 及 理 论 计 算 ， 得 出数 控 机 床 不 平 衡 机 理 ，并 在 实 验 室 进 行 模 拟 ，结 合 现 场 测 试 数 据 ， 寻 找 不 平 衡 判 别 的 特 征 量 ， 为 在 线 诊 断 及 离 线 精 密 诊 断 数 控 机 床 故 障 提 供 有 效 的 技 术 支 持 。 1 系统 总体 结构 该 试 验 系 统 通 过 传 感 器 检 测 数 控 机 床 运 行 时 产 生 的 状 态 信 号 ， 由对 应 的 数 据 采 集 卡 将 数 据 采 集 到 工 控 机 中 ， 选 取 需 要 的 数 据 进 行 显 示 、 分 析 ， 然 后 保 存 到 数 据 库 中 。完 成 实 时 监 控 、 数 据 采 集 之 后 ， 还 可 以 进 行 一 系 列 离 线 时 、 频 域 数 据 的分 析 ． 并 打 印 出 相 关 数 据 和 分 析 结 果 ， 系 统 具 体 结 构 如 图 1所 示 。 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 编号 2 O 1 2 C B 7 2 4 3 O 5 收稿 日期 2 0 1 3年 t 月 好 的 稳 定 性 ， 相 比双 电 机 式 动 力 刀 架 ． 此 类 刀 架 更 具 优 势 ， 完 全 可 以 替 代 前 者 ， 应 当成 为 我 国 机 床 行 业 今 后 的 大 力 发 展 的 对 象 。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘春时， 宋威， 马仕龙． 轴向刀架动力模块的传动方案研 究 [ J ] ． 机 械设计与制造， 2 0 1 0 1 2 ． [ 2 ] 王家兴， 马仕龙， 动力 刀架 的发展趋势和应用分析 [ J ] ． 机 械工程师。 2 0 1 0 f 1 2 ． [ 3 ] 赵 尚福 ， 郭智春． 单 伺服 动力 刀架关键 技术研究 [ J ] ． 机 械工 程师 ， 2 0 1 2 6 ． [ 4 ] 范力曼， 刘建功． 伺 服电机 自动转位 刀架 的应用及 电机 的 2 0 1 3 ／ 4 振 动加速度信号 数控信 号 S MB1 1 0 NI P CI 4 4 72 8通道 同步 A ， D采集卡 P C I P R O F I B U S j 工控机 P CB 信号 调 理 器 前 置 放 大 器 接 线 盒 ∽ 口 l 一 8 P CI I N I PC I 4472 l I 芒 I匝 量 l A ， D 采 集 卡 { L 二 ▲图 1 系统总体结构 1 ． I硬 件 概 述 I 主 体 设 备 数 控 机 床 和 西 门 子 数 控 系 统 ● SI NUM ERI K 8 4 0 D 。 2 信 号 检 测 设 备 振 动 加 速 度 传 感 器 ， 振 动 位 移 传 感 器 ， 主 轴 转 速 传 感 器 ， 电 涡 流 传 感 器 ， 声 音 传 感 器 ， 信 号 调 理 器 ， 其 它 相 关 附 件 。 3 数 据 采 集 单 元 美 国 NI公 司 的 动 态 信 号 采 集 卡 NI P CI 4 4 7 2和 E 系 列 多 功 能 数 据 采 集 卡 NI P C I [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 一- - - - - - 匹配计算 [ J ] ． 宁夏机械， 2 0 0 3 3 ． 孙月海， 张策． 直 齿圆柱齿轮传 动系统振动的动力 学模型 [ J ] ， 机械工程学报， 2 0 0 0 8 ． 韩晓娟． 齿轮传 动系统刚度 的确定方法 [ J ] ． 力学与实践 ， 1 9 9 8 4 ． Eb r a h i mi M，Wh a l l e y R． An a l y s i s ， Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f S t i f f n e s s i n Ma c h i n e T 0 o l D ri v e s [ J ] ．C o m p u t e r＆ I n d u s t ri a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 0 ， 3 8 1 9 31 0 5 ． 扈静 ， 袁中凡． 基于 S I MU L I N K的二阶 、 三阶系统建 模与仿 真[ J ] ． 中国测试技 术， 2 0 0 4 2 ． △ 编 辑 日 月 机 域 制 造 5 1 卷第 5 8 4 期 a 蠢 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 71 E 及 其 相 关 附 件 ， 声 发 射 传 感 器 ， AE前 置 放 大 器 ， 2通 道 P C I - 2声 发 射 采 集 卡 。 4工 控 机 一 台 C P U P I V一 2 ． 4 G ／ 内 存1 G／ 硬 盘 1 2 0 G／ 4 PCI ／ I PC- 61 0。 1 ． 1 ． 1信 号 采 集 源 本 试 验 系 统 由 常 规 物 理 量 监 测 诊 断 和 声 发 射 信 号 处 理 两 个 子 系 统 组 成 ， 它 们 各 自独 立 ， 自成 体 系 。 前 者 需 要 采 集 的 信 号 分 别 为 振 动 加 速 度 信 号 ， 振 动 位 移 信 号 ， 数 控 信 号 ， 主 轴 转 速 信 号 ， 声 音 信 号 ， 转 速 脉 冲 信 号 ， 声 发 射 信 号 。 后 者 由 于 是 单 独 的 一 套 。 它 的 硬 件 和 应 用 软 件 已 成 商 品 化 ， 通 过 集 成 、 安 装 调 试 后 即 可 投 入 使 用 ， 不 需 要 进 行 开 发 。 因 此 试 验 系 统 的余 下 部 分 不 涉 及 后 者 的 子 系 统 ， 而 仅 需 研 究 前 者 的 子 系 统 。 1 ． 1 ． 2信 号 预 处 理 和 信 号 传 输 1 振 动 加 速 度 信 号 振 动 加 速 度 传 感 器 检 测 机 床 产 生 的 信 号 ， 并 通 过 N1 公 司 的 S MB1 0 0传 送 到 动 态 信 号 采 集 卡 NI P C I 4 4 7 2上 。 2 振 动 位 移 信 号 振 动 位 移 传 感 器 检 测 机 床 产 生 的 信 号 。经 过 调 理 器 预 处 理 后 ，采 用 差 分 方 式 通 过 NI 公 司 的 S MB1 0 0传 送 到 E 系 列 多 功 能 数 据 采 集 卡 NI PCI 6 071 E 上 。 3数 控 信 号 采 用 “ 一 线 总 线 ” 的 方 式 ， 不 需 要 信 号 调 理 。 通 过 P ROF I B US直 接 连 到 工 控 机 上 。 4主 轴 转 速 信 号 主 轴 转 速 传 感 器 检 测 机 床 产 生 的 信 号 ．经 过 调 理 器 预 处 理 后 ，采 用 差 分 方 式 通 过 NI 公 司 的 S MB1 0 0传 送 到 E 系 列 多 功 能 数 据 采 集 卡 NI PCI 6 07l E 上 。 5 声 音 信 号 声 音 传 感 器 检 测 机 床 产 生 的 信 号 ， 经 过 前 置 放 大 器 预 处 理 后 ． 采 用 差 分 方 式 通 过 NI公 司 的 S MBl 0 0传 送 到 E 系 列 多 功 能 数 据 采 集 卡 NI P C I 6 07l E 上 。 1 ． 1 ． 3信 号 采 集 和 参 数 设 置 振 动 加 速 度 信 号 采 样 频 率 为 1 0 k Hz ， 间 隔 时 间 设 定 为 0 ． 1 s ， 同 步 、 连 续 采 集 。 振 动 位 移 信 号 采 样 频 率 为 1 0 k Hz ， 间 隔 时 间 设 定 为 0 ． 1 s 。 同 步 、 连 续 采 集 。 主 轴 转 速 信 号 采 样 频 率 为 1 0 k Hz ， 间 隔 时 间 设 定 为 0 ． 1 s ， 同 步 、 连 续 采 样 。声 音 信 号 采 样 频 率 为 1 0 k Hz ， 间 隔 时 间 设 定 为 O ． 1 s ， 同步 、 连 续 采 样 。 1 ． 2软 件 概 述 操 作 系 统 选 用 Wi n d o ws 2 0 0 0 S e r v e r ，数 据 库 选 用 S QL S e r v e r 2 0 0 0软 件 ，界 面 开 发 平 台 选 择 支 持 3 2位 操 作 系 统 的 L a b VI EW 专 业 开 发 版 及 其S o u n d a n d Vi b r a t i o n T o o l k i t 和 S OL T 0 o l k i t 附 加 工 具 软 件 包 。 本 系 统 在 与 数 据 库 链 接 时 ，利 用 附 加 工 具 软 件 包 S QL T o o l k i t ， 通 过 S QL T o o l k i t可 以访 问 现 有 大 多数 关 系型 数 据库 ，用 标 准 S QL语 句 实 现对 数 据 库 的查 询 、 机械制造5 1 卷 第5 8 4 期 修 改 、 增 删 等 操 作 。 2 系统 流程 系 统 主 要 流 程 系 统 初 始 参 数 设 置 ， 系 统 自检 ， 数 据 采 集 和 实 时 分 析 ，将 结 果 数 据 保 存 到 数 据 库 及 进 行 离 线 分 析 。 具 体 结 构 如 图 2所 示 。 3系统功 能模块 说明 试 验 系 统 总 体 功 能 模 块 主 要 由实 时 监 测 和 离 线 分 析 两 个 功 能 模 块 组 成 。 3． 1 实 时 监 测 模 块 该 功 能 模 块 是 在 实 现 系 统 自检 后 监 测 数 控 机 床 运 行 状 态 的 关 键 模 块 ， 它 可 细 分 为 总 貌 图 、 多 值 棒 图 、 时 域 图 、 趋 势 图 、 数 据 采 集 及 数 据 处 理 子 模 块 。 1 总 貌 图 对 由 每 个 采 样 通 道 采 集 来 的 数 据 进 行 分 析 后 ，在 界 面 上 显 示 各 采 样 通 道 一 个 时 间 段 的 有 效 值 数 值 显 示 各 测 点 有 效 值 ， 每 1 s 变 化 1次 。设 置 采 样 方 式 手 动 或 自动 ， 其 中 以 手 动 优 先 。 2 多 值 棒 图 以 柱 状 图 形 式 显 示 采 集 到 的 数 据 在 1 s内 约 定 0 ． 1 s的 间 隔 数 据 ，经 过 分 析 处 理 后 ， 显 示 在 不 同 主 频 率 下 的 有 效 值 。 在 图 形 界 面 显 示 每 个 通 道 的有 效 值 ， 显 示 刷 新 时 间 为 1 s 。 多 值 棒 图 仅 分 析 振 动 信 号 和 声 音 信 号 。 3 时 域 图 和 趋 势 图 在 各 个 通 道 采 集 到 的 数 据 在 l s内 约 定 0 ． 1 s的 间 隔 数 据 经 过 分 析 处 理 后 ， 通 过 时 域 图 显 示 出 各 通 道 采 集 数 据 的 实 时 波 形 ．并 实 时 显 示 各 通 道 的 特 征 值 最 大 值 、 最 小 值 、 峰 峰 值 、 有 效 值 等 。 4趋 势 图 主 要 是 实 时 显 示 每 个 采 集 时 段 各 通 道 数 据 的 波 形 趋 势 ． 即 实 时 显 示 各 通 道 每 组 数 据 的 有 效 值 。 其 刷 新 频 率 定 为 l Hz 。 5 数 据 采 集 在 系 统 设 置 完 成 之 后 ， 根 据 数 据 库 2 0 1 3 ／ 4 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 任 意 回 转 面 叶 型 优 化 设 计 研 究 口徐国华 口周正贵 南京航空航天大学 能源与动力学 院南京2 1 0 0 1 6 摘要 基 于修 改量并用 B e z i e r 曲线表达修改量的参数化方法进行 回转面叶型造型 。采用 T C P ／ I P通讯 协议 ， 根据客 户端／ 服务器模 式开发压 气机 回转 面叶型优化 系统所 需网络通讯模块 。结舍精 英保留策略并应用 变空间搜 索等技术对遗 传算法进行 改进 ． 改进后遗传算 法作 为优化设计 系统的数值 最优化模块。将叶型参数化 、 改进后遗传 算法、 网络通讯等模 块与 C F D流场分析模块集成 ，构成回转面叶型优化设计 系统。应用该优化设计 系统对一个超声 回转 面叶型重新优化设 计 ， 优 化 后 叶 型 流 动 损 失 明 显减 少 ， 激 波 结 构 更加 合 理 。 关键词 回转面叶型优化设计 叶型参数化 遗传算法 网络通讯 中图分 类号 T H1 6 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 3 0 4 0 0 3 0 0 4 叶 轮 机 内 部 通 道 内 的 流 动 实 质 上 是 空 间 三 维 性 很 强 的 有 黏 非 定 常 流 动 ． 二 维 平 面 叶 栅 方 法 设 计 的 叶 型 难 以 反 映 流 动 的 三 维 性 ， 用 平 面 叶 型 积 叠 形 成 的 叶 片 性 能 与 预 期 会 有 一 定 差 距 n j 。 根 据 吴 仲 华 提 出 的 三 元 流 动 理 论 ，可 以将 叶 片 通 道 内 流 动 分 解 为 ．s 。 、 ．s 两 类 流 面 流 动 E 2 3 。 但 ．s 流 面 和 ．s 流 面 都 是 三 维 空 间 曲 面 ， 这 种 方 法 实 际 应 用 相 当 复 杂 ， 因 而 通 常 作 以 下 处 理 假 设 流 动 轴 对 称 ， 这 时 S 流 面 为 任 意 回 转 面 ， 因 此 可 收稿 日期 2 0 1 2年 1 1月 中 的 系 统 设 置 信 息 ， 对 所 选 择 通 道 进 行 数 据 采 集 。 采 样 时 每 个 通 道 每 秒 钟 采 集 一 组 数 据 ，每 组 数 据 1 0 2 4个 点 ， 采 样 频 率 为 1 0 O 0 0 Hz ， 采 样 时 间 大 致 为 O ． 1 s 。 6 数 据 处 理 利 用 S QL S e r v e r 2 0 0 0数 据 库 软 件 进 行 相 应 的 数 据 表 结 构 设 计 后 。 在 T C G1 6数 控 机 床 运 行 时 实 时 采 集 各 个 通 道 的 原 始 数 据 并 经 转 换 后 导 人 数 据 库 中 保 存 ， 在 采 样 监 测 的 同 时 进 行 实 时 分 析 ， 将 其 得 到 的 特 征 数 据 录 入 数 据 库 。 3． 2离 线 分 析 模 块 1 时 域 分 析 。 模 块 分 为 波 形 分 析 和 相 关 分 析 两 部 分 ，波 形 分 析 显 示 所 要 查 询 采 样 通 道 在 各 时 段 的 采 样 数 据 波 形 ． 相 关 分 析 用 以分 析 不 同 通 道 之 间 的 相 互 作 用 及 影 响 。 2 频 域 分 析 。 模 块 分 为 频 谱 、 功 率 谱 、 细 化 谱 、 对 数 谱 和 倒 数 谱 5个 部 分 ，频 域 分 析 可 通 过 对 各 个 通 道 的 原 始 数 据 按 时 间 段 0 ． 1 s 进 行 计 算 与 处 理 ， 显 示 其 对 应 的 幅 值 图 3 小 波 分 析 。对 数 据 进 行 小 波 变 换 后 的 分 析 。 4报 表 打 印 。 选 择 相 关 内 容 ， 打 印 离 线 分 析 后 的 数 据 及 各 种 图 表 。 5 瀑布 图及趋 势分 析 。 是 指 以采样 组号 为 轴 、 2 0 1 3 ／ 4 以 用 任 意 回转 面 方 法 进 行 叶 型 设 计 。 近 年 来 随 着 计 算 流 体 力 学 技 术 的 快 速 发 展 和 优 化 控 制 理 论 的 成 熟 ， 将 优 化 控 制 技 术 与 流 场 正 问 题 计 算 相 结 合 ， 自动 进 行 叶 型 优 化 设 计 成 为 可 能 。 自动 优 化 设 计 的 本 质 是 由 数 学 过 程 替 代 设 计 人 员 经 验 ，控 制 设 计 参数 修 改方 向 ， 使 设计 过 程 更精 确 、 严 密 ， 不 但 可 以降低 设计 成本 ， 而且提 高设 计效 率 。国内外 不 少学 者 在 叶 型 优 化 设 计 方 面 做 了 很 多 有 意 义 的 研 究 ] ， UF L Ko l l e r将 正 态 分 布 随 机 搜 索 技 术 与 叶 型 流 场 分 析 、 ≯、 p 声 ； ； 频 率 为 Y 轴 、 幅 值 为 Z轴 把 一 段 时 间 内采 样 的 数 据 显 示 出 来 ， 利 用 S QL语 句 查 询 所 需 的 数 据 ， 显 示 出 波 形 的 变 化 曲 线 ， 分 析 得 出其 中 各 个 通 道 的 信 号 变 化 规 律 ， 从 而 可 以 找 出 其 物 理 上 的 原 因 ．分 析 出对 于 数 控 机 床 平 衡 运 行 有 用 的 数 据 规 律 。 4 结束语 该 数 控 机 床 试 验 波 形 采 集 分 析 系 统 经 过 试 运 行 ． 由 各 项 试 验 数 据 表 明 。 该 系 统 已 达 到 预 期 效 果 ， 可 实 现 女 口 下 功 信 色 。 1 建 立 了 运 行 稳 定 可 靠 的 数 据 采 集 系 统 ； 2 通 过 完 善 的 数 据 库 系 统 ，提 供 了 理 论 分 析 所 需 的 监 测 数 据 3利 用 界 面 友 好 、运 行 稳 定 的 软 件 系 统 所 提 供 的 数 据 分 析 方 法 ， 增 强 了 数 控 机 床 运 行 时 的 平 衡 性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 石博强， 赵德永 ， 李畅 ， 等． L a b v I E w6 ． i 编程技术实用教 程[ M] ． 北京 中国铁道出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 刘君华， 贾惠芹， 丁晖， 等． 虚拟仪器图形化编程语言『 M] ． 西安 西 安电子科技大学出版社 ． 2 0 0 1 ． 编 辑 禾 禾 机械制造s 1 卷 第5 8 4期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m