專利名稱：一種機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種機床功能部件監(jiān)測系統(tǒng)， 尤其是一種基于“嵌入式信號采集監(jiān)測單元+傳感器信號調(diào)理模塊”硬件架構(gòu)的機床功能 部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)和及其方法。
背景技術(shù)：
機床是整個制造業(yè)的基礎(chǔ)，機床的加工水平直接影響到其他裝備的平質(zhì)和性能， 同時也體現(xiàn)了一個國家工業(yè)的整體水平。我國是一個制造業(yè)大國，但卻不是一個制造業(yè)強 國，其主要原因在于我國的機床整體水平偏低，加工質(zhì)量跟不上，因此提高機床的加工精度 和水平成為振興我國工業(yè)的關(guān)鍵。體現(xiàn)機床水平的一個重要方面是機床加工性能的狀態(tài)監(jiān) 測，獲取機床的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，提取相應(yīng)的特征信息，供加工者參 考，并采取相應(yīng)的措施，以保證機床的加工效率、可靠性和安全性。目前對機床狀態(tài)監(jiān)測的已開展了廣泛的研究，產(chǎn)生了一些技術(shù)。如中國專利 申請文件“一種新型的數(shù)控機床遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)方法”(專利號 CN200710018570. 3,申請日2007.9. 3)其利用現(xiàn)代遠(yuǎn)程測控技術(shù)和故障診斷分析技術(shù)， 結(jié)合數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的特點，建立了一個新型的基于有線和無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 的數(shù)控機床遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)方法。還有“機床監(jiān)控系統(tǒng)”(專利號 CN200510050791.X,申請日2005. 7. 15)其方案是通過監(jiān)控機床的運行作業(yè)信息，對機床 的生產(chǎn)狀況進(jìn)行管理，分析機床的生產(chǎn)效率，間接了解操作者的工作狀況，有效的對機床和 操作人員進(jìn)行管理。另外還有“車間局域網(wǎng)內(nèi)分布式數(shù)控機床的實時監(jiān)控系統(tǒng)”(專利號 CN200310108724. 3)、“基于制造現(xiàn)場的智能化遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)”(專利號03113556. 0) 等相關(guān)技術(shù)。這些技術(shù)有個共同的缺點是側(cè)重機床的某一方面或是電氣故障監(jiān)測，缺乏靈 活性和多樣性，不能滿足數(shù)控機床不同功能部件的監(jiān)測要求，也很難真實反映機床當(dāng)前的 各部分的運行狀態(tài)和滿足機床復(fù)雜多樣化的應(yīng)用需求。機床由主軸系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)四大功能部件組成，為更好地監(jiān) 測機床的運行狀態(tài)，掌握機床的實時信息，有必要開發(fā)面向機床不同功能部件的監(jiān)測系統(tǒng)， 以滿足機床復(fù)雜多樣化的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測 系統(tǒng)及其方法，該監(jiān)測系統(tǒng)是基于“嵌入式監(jiān)測單元+傳感器信號調(diào)理模塊”的硬件架構(gòu)和 “系統(tǒng)引擎+功能組件”軟件架構(gòu)實現(xiàn)一種能夠快速構(gòu)建面向機床不同功能部件的監(jiān)測診斷 系統(tǒng)，其可以通過軟硬件模塊化的靈活配置，實現(xiàn)對機床不同功能部件的監(jiān)測和預(yù)警。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的該種機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，包括上位機以及通過網(wǎng)絡(luò)連接的多個嵌入式 監(jiān)測裝置；所述嵌入式監(jiān)測裝置包括背板總線以及與背板總線連接的嵌入式信號采集監(jiān)測模塊、信號調(diào)理模塊和電源模塊，所述信號調(diào)理模塊的信號輸入端連接有多個安裝在機床 上的傳感器；所述嵌入式信號采集監(jiān)測模塊包括相互連接的FPGA處理器和DSP處理器，所 述FPGA處理器連接有AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、IO接口和計數(shù)器，所述DSP處理器通過網(wǎng)絡(luò)硬件 協(xié)議棧芯片連接有網(wǎng)絡(luò)物理層芯片，所述網(wǎng)絡(luò)物理層芯片連接有RJ45網(wǎng)口，所述RJ45網(wǎng)口 通過網(wǎng)線與上位機連接，所述DSP處理器還連接有SDRAM和FLASH ；DSP處理器與背板總線 連接；所述信號調(diào)理模塊包括信號調(diào)理電路以及與其連接的多個傳感器適配模塊；所述多 個傳感器適配模塊分別連接傳感器。上述傳感器適配模塊選用渦流傳感器激勵I(lǐng)C模塊；所述信號調(diào)理電路包括多路 并行連接在調(diào)理電路總線接口上的信號隔離放大濾波電路，所述信號隔離放大濾波電路由 信號隔離放大器、可編程增益放大器以及可編程截止頻率濾波器依次連接構(gòu)成，所述信號 隔離放大器的信號輸入端連接渦流傳感器激勵I(lǐng)C模塊的信號輸出端；所述調(diào)理電路總線 接口連接到背板總線上。上述上位機上安裝有可重構(gòu)監(jiān)測平臺，所述可重構(gòu)監(jiān)測平臺包括系統(tǒng)引擎以及與 系統(tǒng)引擎連接的功能組件和配置文件；所述系統(tǒng)引擎負(fù)責(zé)組件的管理與數(shù)據(jù)流的管理工 作，其根據(jù)配置文件動態(tài)加載功能組件重構(gòu)上層監(jiān)測軟件平臺，并將相應(yīng)的功能部件監(jiān)測 子程序在線下載到嵌入式監(jiān)測裝置中；所述功能組件包括監(jiān)測模塊管理組件、數(shù)據(jù)庫管理 組件、數(shù)據(jù)分析及故障診斷組件和實時信息顯示組件；所述功能部件監(jiān)測子程序是保存在 上位機中的對應(yīng)機床各功能部件的對應(yīng)監(jiān)測程序。上述嵌入式監(jiān)測裝置的傳感器包括有電流傳感器、振動位移傳感器、振動加速度 傳感器、振動速度傳感器、聲發(fā)射傳感器、光電傳感器或溫度傳感器。本發(fā)明還提出一種基于上述系統(tǒng)的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測方法，具體包括以下 步驟1)將多個嵌入式監(jiān)測裝置的各傳感器安裝在待監(jiān)測機床相應(yīng)的各個功能部件 上；2)初始化系統(tǒng)，在上位機上的可重構(gòu)監(jiān)測平臺上動態(tài)加載各個功能組件，形成監(jiān) 測系統(tǒng)；并且下載上位機中的功能部件監(jiān)測子程序至嵌入式監(jiān)測裝置中；其中動態(tài)加載各 個功能組件為采用讀取現(xiàn)有配置文件加載方式或者直接選取功能組件進(jìn)行加載。3)啟動機床，使各傳感器的輸出信號通過信號調(diào)理模塊的調(diào)理后傳送給嵌入式信 號采集監(jiān)測模塊進(jìn)行信號處理；4)嵌入式信號采集監(jiān)測模塊將信號處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機中的可重構(gòu) 監(jiān)測平臺，可重構(gòu)監(jiān)測平臺中的功能組件對信號進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果進(jìn)行存儲和顯示。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明設(shè)計了傳感器信號調(diào)理模塊可更換的模塊化、嵌入式信號采集監(jiān)測裝置。 該系統(tǒng)主要應(yīng)用于國產(chǎn)高檔數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測，通過軟硬件模塊化的靈活配置，實現(xiàn)對機 床不同功能部件的監(jiān)測和預(yù)警，因而它不僅可以為機床操作者及企業(yè)管理者提供機床運行 的真實信息，方便操作者了解機床當(dāng)前的加工狀態(tài)，并針對相應(yīng)的情況做及時有效的處理， 以保證加工過程安全穩(wěn)定的進(jìn)行，而且在機床發(fā)生故障時，能夠及時的鎖定故障出現(xiàn)位置 及原因，以利于機床操作者及時對故障進(jìn)行處理，把故障對生產(chǎn)加工的影響降到最小。


圖1是本發(fā)明一種機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測方法及裝置技術(shù)方案圖；圖2是本發(fā)明模塊化的可重構(gòu)監(jiān)測裝置總體方案圖；圖3是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式信號監(jiān)測模塊總體架構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明可重構(gòu)監(jiān)測平臺軟件總體方案圖；圖5是本發(fā)明信號調(diào)理模塊的原理圖；圖6是本發(fā)明電源模塊的原理圖；圖7是本發(fā)明背板總線結(jié)構(gòu)圖；圖8是本發(fā)明功能部件監(jiān)測子程序流程圖；圖9是本發(fā)明可重構(gòu)平臺軟件架構(gòu)和虛擬總線結(jié)構(gòu)；圖10是本發(fā)明可重構(gòu)平臺軟件的工作流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)包括上位機以及通過網(wǎng)絡(luò)連接的多個嵌 入式監(jiān)測裝置。其中嵌入式監(jiān)測裝置包括背板總線以及與背板總線連接的嵌入式信號采集 監(jiān)測模塊、信號調(diào)理模塊和電源模塊。信號調(diào)理模塊的信號輸入端連接有多個安裝在機床 上的傳感器，包括有電流傳感器、振動位移傳感器、振動加速度傳感器、振動速度傳感器、聲 發(fā)射傳感器、光電傳感器和溫度傳感器，這些傳感器分別安裝于機床的主軸、刀具、進(jìn)給等 系統(tǒng)中。嵌入式信號采集監(jiān)測模塊包括相互連接的FPGA處理器和DSP處理器，F(xiàn)PGA處理器 連接有AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、IO接口和計數(shù)器，所述DSP處理器通過網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)議棧芯片連接 有網(wǎng)絡(luò)物理層芯片，網(wǎng)絡(luò)物理層芯片連接有RJ45網(wǎng)口，RJ45網(wǎng)口通過網(wǎng)線與上位機連接， DSP處理器還連接有SDRAM和FLASH ；DSP處理器與背板總線連接。信號調(diào)理模塊包括信號 調(diào)理電路以及與其連接的多個傳感器適配模塊。多個傳感器適配模塊分別連接傳感器。信 號調(diào)理電路包括多路并行連接在調(diào)理電路總線接口上的信號隔離放大濾波電路，信號隔離 放大濾波電路由信號隔離放大器、可編程增益放大器以及可編程截止頻率濾波器依次連接 構(gòu)成，信號隔離放大器的信號輸入端連接傳感器適配模塊的信號輸出端。調(diào)理電路總線接 口連接到背板總線上。在本發(fā)明的較佳實施例中，傳感器適配模塊選用渦流傳感器激勵I(lǐng)C 模塊和ICP加速度傳感器適配模塊。以上是本發(fā)明的硬件部分，本發(fā)明在上位機上還需要設(shè)置軟件部分在上位機上 安裝有可重構(gòu)監(jiān)測平臺，該可重構(gòu)監(jiān)測平臺包括系統(tǒng)引擎以及與系統(tǒng)引擎連接的功能組件 和配置文件。其中系統(tǒng)引擎負(fù)責(zé)組件的管理與數(shù)據(jù)流的管理工作，其根據(jù)配置文件動態(tài)加 載功能組件重構(gòu)上層監(jiān)測軟件平臺，并將相應(yīng)的功能部件監(jiān)測子程序在線下載到嵌入式監(jiān) 測裝置中。功能組件包括監(jiān)測模塊管理組件、數(shù)據(jù)庫管理組件、數(shù)據(jù)分析及故障診斷組件和 實時信息顯示組件。功能部件監(jiān)測子程序是保存在上位機中的對應(yīng)機床各功能部件的對應(yīng) 監(jiān)測程序?；谏鲜鱿到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測方法，具體包括以下 步驟1)將多個嵌入式監(jiān)測裝置的各傳感器安裝在待監(jiān)測機床相應(yīng)的各個功能部件 上；
2)初始化系統(tǒng)，在上位機上的可重構(gòu)監(jiān)測平臺上動態(tài)加載各個功能組件，形成監(jiān) 測系統(tǒng)；并且下載上位機中的功能部件監(jiān)測子程序至嵌入式監(jiān)測裝置中；其中動態(tài)加載各 個功能組件為采用讀取現(xiàn)有配置文件加載方式或者直接選取功能組件進(jìn)行加載。3)啟動機床，使各傳感器的輸出信號通過信號調(diào)理模塊的調(diào)理后傳送給嵌入式信 號采集監(jiān)測模塊進(jìn)行信號處理；4)嵌入式信號采集監(jiān)測模塊將信號處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機中的可重構(gòu) 監(jiān)測平臺，可重構(gòu)監(jiān)測平臺中的功能組件對信號進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果進(jìn)行存儲和顯示。綜上所述，本發(fā)明的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)以及可重構(gòu)監(jiān)測方法，第一層 是傳感器層，針對數(shù)控機床不同的功能部件的監(jiān)測要求選擇相應(yīng)的傳感器，譬如監(jiān)測主軸 振動要選擇電渦流位移傳感器，監(jiān)測刀具振動選擇加速度傳感器；第二層是嵌入式數(shù)據(jù)監(jiān) 測裝置層，主要負(fù)責(zé)傳感器信號的獲取，數(shù)據(jù)處理，故障預(yù)警和數(shù)據(jù)上傳等；第三層是上位 機可重構(gòu)監(jiān)測軟件層，這一層主要負(fù)責(zé)監(jiān)測程序下載，實時數(shù)據(jù)上傳，數(shù)據(jù)分析處理、顯示 和存儲、特定功能監(jiān)測(顫振，動平衡等)等功能。各層之間的連接是這樣實現(xiàn)的第一層 和第二層，即傳感器層和嵌入式數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置層是通過傳感器信號調(diào)理模塊聯(lián)系起來，傳 感器接信號調(diào)理模塊(6路)，信號調(diào)理模塊通過背板總線和嵌入式信號采集監(jiān)測裝置集 成；第二層和第三層，即嵌入式監(jiān)測裝置層和上位機可重構(gòu)軟件平臺層，是通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) 連接，可以實現(xiàn)網(wǎng)上組態(tài)，數(shù)據(jù)上傳和下載等功能。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述根據(jù)圖1，需要設(shè)計和實現(xiàn)嵌入式監(jiān)測裝置和可重構(gòu)的監(jiān)測軟件兩部分。如圖2所 示，該圖描述了嵌入式監(jiān)測裝置總體架構(gòu)。嵌入監(jiān)測裝置由三個部分組成，即信號采集監(jiān)測 板，信號調(diào)理板，電源板，三個部分通過背板自定義總線相互通信。如圖4所示，該圖描述了 可重構(gòu)監(jiān)測軟件總體架構(gòu)?？芍貥?gòu)監(jiān)測軟件主要有以下功能，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，特征監(jiān)測子程序在 線下載，實時數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)分析，狀態(tài)顯示，故障識別及數(shù)據(jù)存儲等功能，各部分功能均是 以組件形式實現(xiàn)，因而本監(jiān)測軟件包括以下功能組件，嵌入式監(jiān)測模塊管理組件、數(shù)據(jù)顯示 組件、數(shù)據(jù)分析組件，特征故障識別組件及數(shù)據(jù)存儲查詢組件等。各個組件通過系統(tǒng)引擎動 態(tài)管理，實現(xiàn)不同的功能需求。根據(jù)圖2提出的嵌入式監(jiān)測裝置設(shè)計方案，需要完成嵌入式信號采集監(jiān)測板，信 號調(diào)理板和電源板的設(shè)計。信號采集監(jiān)測板是嵌入式監(jiān)測裝置的核心，主要實現(xiàn)6通道并 行采集，數(shù)據(jù)分析處理及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，信號調(diào)理板主要負(fù)責(zé)對傳感器信號進(jìn)行隔離、濾 波放大等調(diào)理功能，電源模塊主要負(fù)責(zé)對嵌入式監(jiān)測裝置整個系統(tǒng)供電。如圖3所示，該圖 描述了嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)方案。具體如下，主控芯片DSP和FPGA分別采用TI的 DSP6713和Altera的CycloneII EP2C8Q208，DSP作為主處理器，F(xiàn)PGA作為從處理器，二者之 間通過HPI接口相連。DSP負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)處理同時管理網(wǎng)絡(luò)通信，因此DSP通過EMIF總線 外擴了 2MB FLASH用于存儲程序代碼，64MB SDRAM用于存儲實時數(shù)據(jù)，以及外擴了 W3100A 硬件協(xié)議棧芯片用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。FPGA主要負(fù)責(zé)控制AD，包括AD動作時序，綜合FIFO， 以實現(xiàn)6通道的并行采集，這里AD采用16bit，最高采樣率50KHz高速高精度AD，以滿足系 統(tǒng)對采樣頻率和精度的要求。嵌入式信號采集板較為核心的是網(wǎng)絡(luò)通信部分，W3100A硬件 協(xié)議棧封裝了標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，它和物理層芯片RTL8021BL之間通過標(biāo)準(zhǔn)的MAC接口相 連，并通過一級網(wǎng)絡(luò)濾波器PE68515連接到網(wǎng)口 RJ45上，從而形成標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信功能。如圖5所示，該圖描述了傳感器信號調(diào)理模塊基本原理，本發(fā)明信號調(diào)理模塊主要分為三類 電渦流信號調(diào)理模塊，ICP加速度信號調(diào)理模塊及通用信號調(diào)理模塊。三類主要區(qū)別在于 傳感器適配模塊不同，三類傳感器調(diào)理模塊具體實施如下，第一級傳感器適配模塊，它需要 供給+/-15V電壓，傳感器信號經(jīng)前置器后變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，該電壓信號經(jīng)過第二級信 號隔離AD202JY，經(jīng)過第三級信號可編程放大器PGA204，經(jīng)過第四級低通濾波TLC14，最后 經(jīng)過第五級阻抗匹配電路0PA134之后，轉(zhuǎn)換成比較干凈和易于識別的電壓信號，然后通過 背板總線傳送到信號采集板，進(jìn)而完成傳感器信號在采集之前的前置調(diào)理過程。如圖6所 示，該圖描述了嵌入式監(jiān)測裝置電源模塊的原理圖，具體實施方法如下，通過AC-DC電源將 220V市電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的直流電源，并且通過三路獨立電源分別為隔離前電路，電渦流 位移傳感器調(diào)理電路，ICP加速度信號調(diào)理電路供電，實現(xiàn)電源隔離，防止信號間耦合干擾。背板總線包括電源總線，調(diào)理板總線和采集監(jiān)測板總線三部分，圖7描述了背板 總線各部分的關(guān)系圖。電源板通過電源總線為調(diào)理板和采集監(jiān)測板提供所需的工作電壓， 以供調(diào)理板和采集監(jiān)測板正常工作。調(diào)理板通過調(diào)理背板總線將傳感器的模擬信號供給采 集監(jiān)測板的AD，以供采集監(jiān)測板進(jìn)行信號采集和后續(xù)處理。采集監(jiān)測板通過采集監(jiān)測背板 總線提供給調(diào)理板工作所需的低通濾波截止頻率。總之，背板總線是嵌入式監(jiān)測裝置各板 卡相互通信的樞紐，也是實現(xiàn)嵌入式監(jiān)測裝置可重構(gòu)的關(guān)鍵，所以背板總線在嵌入式監(jiān)測 裝置中起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)圖4提出的可重構(gòu)監(jiān)測軟件設(shè)計方案，可重構(gòu)監(jiān)測裝置上需要運行監(jiān)測程 序。如圖8所示，該圖描述了監(jiān)測程序的基本流程，具體實施方法如下，監(jiān)測裝置在啟動后 首先初始化系統(tǒng)包括DSP、SDRAM及網(wǎng)絡(luò)，初始化完成后，DSP通過自舉從FLASH中加載功能 監(jiān)測程序，監(jiān)測程序采用多線程技術(shù)，主要有監(jiān)測線程和通信線程兩個線程，監(jiān)測線程主要 完成組態(tài)數(shù)據(jù)獲取，傳感器信號采集、處理等功能，通信線程主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包組織及和上位 機間的通信，兩個線程間通過信號量實現(xiàn)同步和通信。如圖9所示，為可重構(gòu)監(jiān)測平臺的整體構(gòu)架和它的數(shù)據(jù)流虛擬總線，以及組件要 實現(xiàn)的接口。每個組件擁有兩個接口(DataSender和DataReader接口)，其中DataSender 接口負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)送入虛擬總線，DataReader負(fù)責(zé)讀取虛擬總線中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)引擎訪問這 兩個接口把組件連接到虛擬總線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)間的交互使用了虛擬總線技術(shù)，實 現(xiàn)了多組件的連接與數(shù)據(jù)共享。虛擬總線是可重構(gòu)監(jiān)測平臺各個功能組件的裝配總線，它 是連接各個功能組件，傳遞數(shù)據(jù)和消息的公共通路。虛擬總線在物理層并不存在，在形式 上，它實際上是一個具有數(shù)據(jù)傳遞和消息傳遞的應(yīng)用程序。通過系統(tǒng)引擎和虛擬總線技術(shù)， 各組件構(gòu)成一個功能完備的具有特定功能的監(jiān)測診斷系統(tǒng)。如圖10所示，該圖描述了整個 監(jiān)測診斷平臺軟件運行的基本流程，具體實施方法如下，系統(tǒng)首先啟動系統(tǒng)引擎線程，顯示 系統(tǒng)引擎配置界面，然后根據(jù)監(jiān)測任務(wù)的需要，選擇需要的組件從而形成具有特定功能的 監(jiān)測平臺。系統(tǒng)采用多線程機制，每個組件都在自己獨立的線程下工作，某個組件終止運行 不會影響到系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)引擎主要負(fù)責(zé)組件的管理與數(shù)據(jù)流的管理工作。系統(tǒng)中 的組件可以在運行中動態(tài)的加載和卸載，具有很好的柔性。以下給出本發(fā)明的一種具體實施例本實施例以車床車削，刀具顫振的監(jiān)測為例，利用本發(fā)明的方法重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)包 括以下步驟
1)安裝2個加速度傳感器在車刀的切削刃附件相互垂直的面上，然后把傳感器接 入到可重構(gòu)監(jiān)測裝置的ICP加速度傳感器通道上。2)啟動上位機可重構(gòu)監(jiān)測平臺，選擇組件管理功能，然后初始化功能組件庫(可 重構(gòu)平臺識別可用的功能組件，然后把各功能組件和它的功能說明信息顯示在組件管理界 面上)。3)在組件管理界面上選擇振動監(jiān)測組件、顫振分析組件、數(shù)據(jù)存儲組件，然后再把 這幾個模塊加入到可重構(gòu)監(jiān)測平臺，進(jìn)而重構(gòu)出所需要的車床顫振監(jiān)測系統(tǒng)。4)啟動組件，運行振動監(jiān)測組件，顫振分析組件和數(shù)據(jù)存儲組件，并且顯示出他們 的運行界面。5)配置各個組件，下載上位機中的刀具顫振監(jiān)測子程序至嵌入式監(jiān)測裝置中，并 設(shè)置振動監(jiān)測組件的采集參數(shù)、濾波器截止頻率、各通道的通道名稱、工程變換參數(shù)等；顫 振分析組件的數(shù)據(jù)通道、靈敏度等；數(shù)據(jù)存儲組件的存儲間隔等信息。6)啟動振動監(jiān)測組件的數(shù)據(jù)采集功能，獲取傳感器信號；上位機可重構(gòu)監(jiān)測平臺 通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到顫振分析組件和數(shù)據(jù)存儲組件。7)顫振分析組件獲取可重構(gòu)平臺數(shù)據(jù)，并選擇數(shù)據(jù)源和監(jiān)測的通道號，并且開始 顫振監(jiān)測。8)數(shù)據(jù)存儲，打開數(shù)據(jù)存儲組件運行界面，測試數(shù)據(jù)庫連接狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)庫連接 成功就可以開始數(shù)據(jù)存儲。可通過數(shù)據(jù)存儲組件控制數(shù)據(jù)的存儲狀態(tài)。綜上所述，發(fā)明不僅有利于快速構(gòu)建面向機床不同功能部件的監(jiān)測診斷系統(tǒng)，提 高機床加工的可靠性、安全性和加工效率，同時也推動了監(jiān)測診斷技術(shù)在國產(chǎn)機床行業(yè)中 的應(yīng)用和發(fā)展，為提高國產(chǎn)機床的整體性能，振興國家裝備制造業(yè)提供重要的技術(shù)支持。
權(quán)利要求
1.一種機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括上位機以及通過網(wǎng)絡(luò)連接的 多個嵌入式監(jiān)測裝置；所述嵌入式監(jiān)測裝置包括背板總線以及與背板總線連接的嵌入式信 號采集監(jiān)測模塊、信號調(diào)理模塊和電源模塊，所述信號調(diào)理模塊的信號輸入端連接有多個 安裝在機床上的傳感器；所述嵌入式信號采集監(jiān)測模塊包括相互連接的FPGA處理器和DSP 處理器，所述FPGA處理器連接有AD模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、IO接口和計數(shù)器，所述DSP處理器通過 網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)議棧芯片連接有網(wǎng)絡(luò)物理層芯片，所述網(wǎng)絡(luò)物理層芯片連接有RJ45網(wǎng)口，所述 RJ45網(wǎng)口通過網(wǎng)線與上位機連接，所述DSP處理器還連接有SDRAM和FLASH ；DSP處理器 與背板總線連接；所述信號調(diào)理模塊包括信號調(diào)理電路以及與其連接的多個傳感器適配模 塊；所述多個傳感器適配模塊分別連接傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器適 配模塊選用渦流傳感器激勵I(lǐng)C模塊；所述信號調(diào)理電路包括多路并行連接在調(diào)理電路總 線接口上的信號隔離放大濾波電路，所述信號隔離放大濾波電路由信號隔離放大器、可編 程增益放大器以及可編程截止頻率濾波器依次連接構(gòu)成，所述信號隔離放大器的信號輸入 端連接渦流傳感器激勵I(lǐng)C模塊的信號輸出端；所述調(diào)理電路總線接口連接到背板總線上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述上位機上 安裝有可重構(gòu)監(jiān)測平臺，所述可重構(gòu)監(jiān)測平臺包括系統(tǒng)引擎以及與系統(tǒng)引擎連接的功能組 件和配置文件；所述系統(tǒng)引擎負(fù)責(zé)組件的管理與數(shù)據(jù)流的管理工作，其根據(jù)配置文件動態(tài) 加載功能組件重構(gòu)上層監(jiān)測軟件平臺，并將相應(yīng)的功能部件監(jiān)測子程序在線下載到嵌入式 監(jiān)測裝置中；所述功能組件包括監(jiān)測模塊管理組件、數(shù)據(jù)庫管理組件、數(shù)據(jù)分析及故障診斷 組件和實時信息顯示組件；所述功能部件監(jiān)測子程序是保存在上位機中的對應(yīng)機床各功能 部件的對應(yīng)監(jiān)測程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述嵌入式監(jiān) 測裝置的傳感器包括有電流傳感器、振動位移傳感器、振動加速度傳感器、振動速度傳感 器、聲發(fā)射傳感器、光電傳感器或溫度傳感器。
5.一種基于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測方法，其特征在于，包括 以下步驟1)將多個嵌入式監(jiān)測裝置的各傳感器安裝在待監(jiān)測機床相應(yīng)的各個功能部件上；2)初始化系統(tǒng)，在上位機上的可重構(gòu)監(jiān)測平臺上動態(tài)加載各個功能組件，形成監(jiān)測系 統(tǒng)；并且下載上位機中的功能部件監(jiān)測子程序至嵌入式監(jiān)測裝置中；3)啟動機床，使各傳感器的輸出信號通過信號調(diào)理模塊的調(diào)理后傳送給嵌入式信號采 集監(jiān)測模塊進(jìn)行信號處理；4)嵌入式信號采集監(jiān)測模塊將信號處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機中的可重構(gòu)監(jiān)測 平臺，可重構(gòu)監(jiān)測平臺中的功能組件對信號進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果進(jìn)行存儲和顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測方法，其特征在于，步驟2)中，動態(tài) 加載各個功能組件為采用讀取現(xiàn)有配置文件加載方式或者直接選取功能組件進(jìn)行加載。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)及其方法。該系統(tǒng)基于“嵌入式監(jiān)測單元+傳感器信號調(diào)理模塊”硬件架構(gòu)的機床功能部件可重構(gòu)監(jiān)測硬件裝置和基于“系統(tǒng)引擎+功能組件”軟件架構(gòu)的可重構(gòu)監(jiān)測軟件平臺。根據(jù)機床不同功能部件的監(jiān)測要求，選擇傳感器并更換相應(yīng)的信號調(diào)理模塊重構(gòu)監(jiān)測硬件裝置，可重構(gòu)監(jiān)測軟件平臺上通過動態(tài)加載功能組件，并將相應(yīng)的功能部件監(jiān)測子程序在線下載到模塊化嵌入式監(jiān)測裝置，以實現(xiàn)對機床不同功能部件的監(jiān)測。本發(fā)明不僅有利于快速構(gòu)建面向機床不同功能部件的監(jiān)測診斷系統(tǒng)，提高機床加工的可靠性、安全性和加工效率，同時也推動了監(jiān)測診斷技術(shù)在國產(chǎn)機床行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。
文檔編號G05B19/414GK102073304SQ20111000961
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者劉恒, 景敏卿, 李猛, 李玉成 申請人:西安交通大學(xué)