賈 勇，陳曉飛，翟 旭

(1.新疆工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830023；2.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，烏魯木齊 830023)

0 引言

數(shù)控機床是一個由機、電、液組成的一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機電系統(tǒng)，相比較于傳統(tǒng)機床，數(shù)控機床的機電系統(tǒng)自動化性能更好[1]。因為數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)點可能會引起同一個故障，因此數(shù)控機床發(fā)生故障時，機床故障監(jiān)測診斷結(jié)果往往都是錯誤的。近年來，數(shù)控機床領(lǐng)域的發(fā)展越來越好，帶來的經(jīng)濟效益越來越高，如果數(shù)控機床因為故障停止工作，引發(fā)的后果很難彌補，所以解決以上問題是數(shù)控機床領(lǐng)域的重中之重[2-3]。設(shè)備故障診斷技術(shù)是認識和掌握設(shè)備運行過程的狀態(tài)，判斷其整體或局部的正?；虍惓?，及早發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并預(yù)測故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。機器故障診斷技術(shù)屬于信息技術(shù)范疇，是利用被診斷對象提供的各種有用信息，對其進行分析處理，以獲取設(shè)備狀態(tài)的特征參數(shù)，從而作出正確的診斷結(jié)論。利用實時檢測到的狀態(tài)信息便可及早發(fā)現(xiàn)加工誤差，并盡快進行修正，從而達到降低產(chǎn)品廢品率，節(jié)約企業(yè)成本的目的。

目前我國數(shù)控機床領(lǐng)域故障監(jiān)測診斷功能單一并且故障診斷結(jié)果準確率低，NI CompactRIO(本文題目和下文簡稱為CRIO)是美國NI公司最新研究出基于計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)進行故障監(jiān)測，其工作原理是根據(jù)監(jiān)測和采集數(shù)控機床的運行參數(shù)，利用遠程上位機對數(shù)控機床的加工狀態(tài)進行合理的分析和診斷，加大數(shù)據(jù)分析的精度以便達到提高機床的故障診斷能力的目的，減少故障對數(shù)控機械工業(yè)帶來不必要的損失[4-5]。

綜上所述，本文提出基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)?；贑RIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的硬件平臺是由可重復(fù)配置的IO/FPGA核底板、數(shù)據(jù)處理器、模塊、接口組成的嵌入式系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)處理器采集數(shù)據(jù)信息，通過核底板進行分析和離線處理，完成數(shù)控機床故障監(jiān)測診斷操作，工作人員可以訪問硬件平臺的任意模塊，完成相應(yīng)的需求。

1 基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)總體框架設(shè)計

基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)由數(shù)控機床在線監(jiān)測模塊和遠程設(shè)備管理及故障診斷模塊組成，數(shù)控機床在線監(jiān)測模塊是放置在數(shù)控機床的工作車間內(nèi)，完成32通道的機床運行數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，并對機械運行過程進行實時的監(jiān)測；遠程設(shè)備管理及故障診斷模塊主要完成的工作任務(wù)一方面是將數(shù)控機床數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程計算機內(nèi)，為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)，另一方面是根據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)完成機床故障診斷操作[6]。具體的系統(tǒng)總框架如圖1所示。

圖1 基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)總體框架

2 基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的硬件區(qū)域由NTI CRIO驅(qū)動器、新型伺服電動機、采集卡、傳感器以及PC上位機組成[7]。在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的區(qū)域組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 多參數(shù)在線監(jiān)測模塊

多參數(shù)在線監(jiān)測模塊的工作原理是采用多線程編程，解決數(shù)據(jù)硬件區(qū)域的數(shù)據(jù)采集卡出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的故障問題。主要面向的對象是較大數(shù)據(jù)量的信息點，避免多參數(shù)在線監(jiān)測模塊在數(shù)據(jù)緩存時，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。多參數(shù)在線監(jiān)測模塊由非分頁環(huán)形內(nèi)存池、用戶緩存區(qū)數(shù)據(jù)采集板卡組成[8-9]。非分頁環(huán)形內(nèi)存池是多參數(shù)在線監(jiān)測模塊內(nèi)部唯一一個獨立的區(qū)域，用來存儲在線監(jiān)測模塊采集到數(shù)控機床的數(shù)據(jù)，為了防止數(shù)據(jù)中斷，在每一次的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后系統(tǒng)會自動生成一個指針，讀取數(shù)據(jù)空間。如果內(nèi)存池的存儲空間滿了，那么內(nèi)存池1中的最后一次數(shù)據(jù)會映射到重新開啟的另一個內(nèi)存池中，完成數(shù)據(jù)的存儲，具體的多參數(shù)在線監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多參數(shù)在線監(jiān)測模塊

觀察圖3可知，多參數(shù)在線監(jiān)測模塊為了提高報警被發(fā)覺的效果，采用兩級聲光報警模式對32通道的數(shù)控機械進行在線監(jiān)測，當監(jiān)測模塊監(jiān)測的數(shù)據(jù)值大于設(shè)定標準值時，存儲實時的數(shù)據(jù)信息發(fā)出聲光警報并對當前運行的數(shù)控機械的工作狀態(tài)進行鎖死，不允許繼續(xù)工作，存儲的數(shù)據(jù)為數(shù)控機械故障分析提供有效的數(shù)據(jù)。因為數(shù)控機械涉及到的結(jié)構(gòu)較多，為此基于CRIO的在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)提取出代表的數(shù)控性能，分別為機械運行的加速度、速度、壓力、濃度、PH值及電渦流，通過對以上結(jié)構(gòu)點數(shù)據(jù)參數(shù)進行特殊記錄，為機械故障監(jiān)測診斷過程奠定基礎(chǔ)[10-11]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制模塊

基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的硬件區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)控制模塊的工作任務(wù)是實現(xiàn)管理機械設(shè)備各個終端性能診斷數(shù)據(jù)的傳輸操作[12-13]。CRIO系統(tǒng)可以根據(jù)機械生產(chǎn)不同產(chǎn)品的規(guī)格，實時設(shè)定不同標準的服務(wù)器內(nèi)核，設(shè)置相對合理的并發(fā)機械數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)控制模塊一方面可以隨時對在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的任意設(shè)備終端進行斷開和閉合的操作，用于危險時，斷開操作，避免大的損失；另一方面對于網(wǎng)絡(luò)控制模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，在運輸過程中都會進行二次加密操作，保證機械參數(shù)信息的安全性[14-15]。

2.3 設(shè)備管理模塊

數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的設(shè)備管理模塊主要負責(zé)完成后臺機械管理人員對機械運行監(jiān)測信息的管理以及數(shù)控機械的管理。機械信息點數(shù)據(jù)存儲的方法是交叉樹存儲法，設(shè)定6個根節(jié)點，根據(jù)根節(jié)點的屬性設(shè)置若干個分支，構(gòu)成一個樹狀，依次對數(shù)控機械運行監(jiān)測信息點進行分級管理，在管理過程中，設(shè)備管理模塊可以對機械數(shù)據(jù)點進行刪除和增加，完善各個數(shù)控機械的分析參數(shù)。

2.4 故障診斷模塊

基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)硬件區(qū)域的核心模塊是故障診斷模塊，故障診斷模塊的工作是通過隨機共振技術(shù)和現(xiàn)代信號處理技術(shù)實現(xiàn)的。隨機共振技術(shù)通數(shù)控機械共振操作將機械運行過程中的噪音進行百倍放大，解決數(shù)控機械故障診斷特征信號微弱的問題，提高特征數(shù)據(jù)的真實可靠性，有利于故障診斷模塊的工作；現(xiàn)代信號處理技術(shù)通過信號預(yù)處理、信號時域和信號頻域分析以及其信號的時頻分析完成數(shù)控機械故障信號的采集和分析。診斷工作人員會根據(jù)以上的分析結(jié)果數(shù)據(jù)得出診斷報告，經(jīng)過二次核實，將報告?zhèn)鞯骄S修部門進行維修處理。

3 基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件區(qū)域的控制語言選擇圖形化編程語言java，圖形化編程語言能夠突破計算機編程語言的局限性，提高編程結(jié)果的可變性，更好地完成在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件區(qū)域的調(diào)用。具體的監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件區(qū)域結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計框圖

3.1 溫度信號采集程序

數(shù)控機械在運行生產(chǎn)過程中由于工作強度和外界環(huán)境的干擾，機械設(shè)備各個結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生切削熱，影響數(shù)控機械的產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量并減少機械設(shè)備的使用壽命，所以軟件區(qū)域設(shè)計了溫度信號采集程序，目的是實時監(jiān)測數(shù)控機械的溫度。采集機械溫度傳感器的輸出信號，通過串口通信的方式完成機械溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集。圖5為軟件區(qū)域溫度信號采集程序的框圖，程序調(diào)用控制機械溫度信號和模塊之間的相互傳遞。

圖5 溫度信號采集程序

3.2 數(shù)據(jù)采集存儲程序的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集存儲程序是軟件區(qū)域的重要調(diào)用程序，實現(xiàn)方法采用疊層式順序調(diào)用方法，此方法是將各個結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)參數(shù)進行順序存儲，完成數(shù)控機械結(jié)構(gòu)點幀與幀之間數(shù)據(jù)的運輸，數(shù)據(jù)采集存儲程序?qū)崿F(xiàn)模擬圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲子程序操作模擬圖

選用格拉布斯準則對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，確定樣本，估算標準偏差，計算公式為：

(1)

通過概率論進行計算，計算公式為：

(2)

其中：P為數(shù)控機械各結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)的概率值，若該值小于0.5，即超出標準值要求范圍，表示該結(jié)構(gòu)存在隱形故障。

通過上述公式獲取采樣數(shù)據(jù)，判斷數(shù)控機械的各個結(jié)構(gòu)的性能，本文通過分析機械主軸、工作臺、電柜、液壓系統(tǒng)、油箱液壓、銑削齒輪各個結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)參數(shù)以及狀態(tài)，完成數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷。工作臺的振動頻率、工作一段時間內(nèi)的位移和溫度差，可以體現(xiàn)數(shù)控機械工作的狀態(tài)，如果3類數(shù)據(jù)的標準值不在要求范圍內(nèi)，那么機械就存在一定的隱形故障。對信息進行分析，確定有效數(shù)據(jù)后，將得到的有效數(shù)據(jù)顯示出來。

3.3 數(shù)據(jù)顯示子程序

數(shù)據(jù)顯示子程序的主要任務(wù)是通過NI設(shè)計方法將數(shù)據(jù)采集存儲程序和溫度信號采集程序調(diào)用控制的結(jié)果展示出來。數(shù)據(jù)顯示子程序會執(zhí)行工作人員的調(diào)用命令，完成各個結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的調(diào)用，具有實時性，對于數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷的效率有促進作用，采集的信息利用數(shù)據(jù)采集卡輸送到硬件區(qū)域的數(shù)據(jù)顯卡內(nèi)，完成存儲記錄。

數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖7 數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件流程圖

如圖7所示，數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件編程采用Java編程語言，通過溫度信號采集程序采集溫度信號，通過格拉布斯準則統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并計算各參數(shù)概率值，判斷其是否存在隱形故障，最后通過數(shù)據(jù)顯示子程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控診斷結(jié)果的顯示，完成軟件設(shè)計。

4 實驗研究

為驗證提出的基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的有效性，以基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)及基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)作為實驗對比方法，驗證系統(tǒng)診斷的準確性及診斷過程的準確性。

選用的實驗設(shè)備主要有如下幾個：CRIO、數(shù)據(jù)采集卡、AKD驅(qū)動器、PC上位機、伺服電動機。設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，進行對比實驗，在絲杠螺母上固定傳感器，并將傳感器與CRIO連接，啟動運動控制程序，在保證設(shè)備連接狀況沒有異常的情況下開始工作。同時，使用提出的基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)、傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)以及基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)同時進行檢測，采集數(shù)控機械溫度數(shù)據(jù)。利用LabVIEW軟件將3種系統(tǒng)采集到的結(jié)果寫入顯示面板，得到的實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 溫度采集結(jié)果實驗圖

通過均勻采集法獲得圖像內(nèi)部數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 溫度采集結(jié)果

如圖8及表2所示，可以看出，所提方法采集到的的溫度信息與實際溫度值相差較小，而其他兩個對比方法與實際溫度值存在較大的誤差，實驗結(jié)果表明，所提基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)能夠有效提高溫度采集精度，提升檢測準確性。

數(shù)控機械振動信號采集結(jié)果如圖9所示。

圖9 振動信號采集結(jié)果實驗圖

分析圖9可知，基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的振動信號采集結(jié)果與實際值較為接近，而基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)及基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的采集結(jié)果與實際值偏差較大。由此可以看出，基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)能夠準確監(jiān)測數(shù)控機械的共振信號，提升故障監(jiān)測準確性。

采集過程的穩(wěn)定性如圖10～12所示。

圖10 基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性

圖11 基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性

圖12 基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)穩(wěn)定性

如圖10～12所示，基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的電壓波動一直遵循一定的規(guī)律，而基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)及基于數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)則存在較大波動誤差，本文提出的在線監(jiān)測系統(tǒng)是以計算機自動控制為基礎(chǔ)，將檢測系統(tǒng)安裝在數(shù)控機床上，利用檢測系統(tǒng)提供的檢測程序，實現(xiàn)對零件的自動檢測，使數(shù)控機床既是加工設(shè)備，也是檢測設(shè)備，因此該系統(tǒng)可在線監(jiān)控下實時檢測加工過程中零件的狀態(tài)信息，有效提升了數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文通過分別研究基于CRIO的數(shù)控機械在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域的各個組成模塊和編程程序，作為一種功能強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，CRIO的硬件驅(qū)動和方便的編程設(shè)計為自動測量和儀器控制提供了良好的環(huán)境。其模塊可有效地實現(xiàn)曲線擬合和數(shù)據(jù)分析功能。實驗證明，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析模塊不僅具有友好的人機交互界面和強大的數(shù)據(jù)處理功能，而且能夠快速、實時地完成不同工況下的機床運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析。將該方法運用在實際工程中，能夠快速準確地實現(xiàn)數(shù)控機械監(jiān)測診斷，滿足實際工作的需求。