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1、石家庄铁道大学毕业设计基于虚拟仪器的数控机床检测系统的开发The Development of Detecting NC Machine Tool System Based on Virtual Instrument届届 机械工程机械工程 学院学院专专 业业 机械工程及自动化机械工程及自动化学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 完成日期完成日期 20112011 年年 6 6 月月 4 4 日日毕业设计成绩单毕业设计成绩单学生姓名学号班级专业机械工程及自动化毕业设计（论文）题目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发指导教师姓名指导教师职称教授评 定 成 绩指导教 师得分评阅人得分答辩小
2、组组长得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业设计任务书毕业设计任务书题 目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发学生姓名学号班级专业机械工程及自动化承担指导任务单位石家庄铁道大学导师 姓名导师 职称教授一、主要内容 开发基于虚拟仪器的数控机床检测系统：以微机为基础，以 LabVIEW 软件为核心，通过数 据采集卡、信号调理板，加之必要的传感器，开发数控机床检测系统。二、基本要求 1测试参数及各参数范围的确定； 2. 有关传感器、信号调理设备、数据采集卡的选型； 3关键参数测试方法的确定； 4. 虚拟仪器软件的设计编程； 5. 软件使用说明书的编写。三、主要技术指标（或研究方法） 本课题用 L
3、abVIEW 编程，对数控机床液压系统、气动系统、振动系统的运行参数信号进行 采集、显示、分析处理及存储，通过频谱分析判断数控机床运行状态。液压系统主要参数有温 度、压力、流量、振动；气动系统主要参数包括气动装置压力、液压马达转速。本系统通过实 现波形保存和波形回放方便操作者重复观看波形和数据，便利判断故障及产生原因。四、应收集的资料及参考文献 LabVIEW8.2 基础教程 测试技术与虚拟仪器 数控机床构造 机械故障诊断 数控机床故障诊断与维修 数控机床的常见故障与排除方法五、进度计划 第 1 周 - 第 3 周 调研、查资料、外文翻译、确定研究方法和技术路线，熟悉软件 第 4 周 - 第
4、8 周 总体方案设计、系统分析、关键技术研究 第 9 周 - 第 11 周 软件设计、调试、系统优化 第 12 周 - 第 13 周 论文撰写，准备答辩教研室主任签字时 间 年 月 日毕业设计开题报告题 目基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发学生姓名学号班级专业机械工程及自动化一、课题的目的和意义数控机床是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动化控制的一类机床。它具加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应性强、经济效益高等优点，是现代制造业中的关键设备。但由于该设备运转的连续性以及结构的复杂性, 势必会出现大量的振动、可靠性等问题, 机床损坏事故也时有发生, 给国家、企业带来巨
5、大的损失。因此数控机床的维修与检测越来越被企业所重视。在现代测量中，虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。基于虚拟仪器（Virtul Instrument）的数控机床检测系统可大大提高数控机床的维修效率。虚拟仪器技术的开发与应用源于1986年美国NI公司设计的LabVIEW,它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。VI 与传统仪器的比较具有软件开发与维护费用低，技术更新周期短等优点。其最主要的区别是VI 的功能由用户自己定义，而传统仪器的功能都是由厂商预先定义好的。 二、国内外研究现状（一）现代数控机床的发展趋势：（1）高精度化：随着现代科学技术
6、的高速发展，尤其是精密行业的出现，对精密加工技术提出新的要求。发展新型超精密加工机床，完善精密技术是当今数控机床的发展趋势。现代普通级数控机床的加工精度已提高到正负 5 微米。 （2）高速化：数控机床高速化可充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率，降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。（3）高自动化：数控机床的高自动化并向着 FMC、FMS 集成方向发展（4）控制智能化：数控机床智能化主要体现在自适应控制技术，专家系统技术，故障自诊断、自修复技术，智能化交流伺服驱动技术，模式识别技术。（5）工序和功能复合化（6）高可靠性（7）网络化（8）开放式体系结构 （9）加工过程绿色化：随着
7、日趋严格的环境与资源约束, 制造加工的绿色化越来越重要, 而中国的资源、环境问题尤为突出。因此, 近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现, 并在不断发展当中。在 21 世纪, 绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展, 占领更多的世界市场。（二）数控机床检测诊断的国内外研究现状与发展：数控机床的故障诊断技术与传统机床有着较大的区别, 需采用更为先进的故障诊断技术, 及时在线监测和诊断数控机床的故障。目前数控机床的诊断技术有以下几种：1.通讯诊断 ：用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。2. 自修复系统 ：当诊断软件发现数控机床在运行中某一
8、模块有故障时，系统在 CRT 上显示的同时，自动寻找备用模块并接上。3. 人工智能专家故障诊断系统 4. 人工神经元网络(ANN)诊断常用诊断方法：1.直观法（望闻问切）2.CNC 系统的自诊断功能 3.数据和状态检查：CNC 系统的自诊断不但能在 CRT 上显示故障报警信息，而且还能以多页“诊断地址”和“诊断数据”的形式提供机床参数和状态信息。4.报警指示灯显示故障：除 CRT 软报警外，还有许多“硬件”报警指示灯，分布在电源、主轴驱动、伺服驱动 I/O 装置上，由此可判断故障的原因。5.备板置换法（替代法）：用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板。虚拟仪器是计算机技术与仪器技术深层次结合产
9、生的全新概念的仪器, 是计算机资源和仪器硬件与用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。它充分利用了计算机的存储和计算功能, 通过软件实现对输入信号的分析处理。基于虚拟技术的检测已经广泛应用到数控机床故障的检测与诊断中。部分学校与研究单位已开始研究远程在线监测。利用虚拟仪器技术构建的数控机床故障诊断系统主要完成信号的采集与控制、信号的分析与处理、监测报警、结果的表达输出。具体功能如下：1. 信号的采集与控制功能。利用平台提供的据采集 VI, 使用 NI 数据采集卡 PCI6221 进行信号采集。2. 信号的分析与处理功能。对信号参数进行分析、处理,得出所需结果, 并对其进行存储
10、。3. 监测报警功能。通过对数据的分析, 确定并显示测点的报捷值, 及时提醒现场进行分析与相应的处理。4. 结果的表达输出功能。采用波形图或显示型控件等多种方式来显示所需的参数输出各种波形和分析结果。基于 LabVIEW 的数控机床监测诊断系统的开发, 充分发挥了虚拟仪器技术的优势, 实现了数据采集、分析、实时显示、存储、诊断等功能, 体现了在低成本下开发基于虚拟仪器的测试系统的可行性和实用性, 给对象设备的维护、维修、保养带来很大的方便, 大大提高了数控机床在线监测诊断的水平, 准确、及时、有效地实现对数控机床故障诊断, 为今后数控机床的监测与诊断提供了先进的分析工具。三、研究内容及拟采用的
11、方法和手段研究内容：该课题为设计并实现一个基于虚拟仪器的数控机床检测系统开发。开发基于虚拟仪器的数控机床检测系统：以微机为基础，以 LabVIEW 软件为核心，通过数据采集卡、信号调理板，加之必要的传感器，开发数控机床检测系统。研究方法：数控机床常见故障主要包括液压故障和气动系统故障两类。常见的液压故障包括液压系统压力不足或过高、振动和噪声、油温过高。气动系统主要检测气动装置是否具有合适的工作压力和运动速度。通过以上分析，我们将对数控机床的液压、气动控制的各方面参数进行检测。（1）数控机床各有关测试参数及各参数范围的确定。（2）有关传感器、信号调理设备、数据采集卡的选型。（3）通过 LabVI
12、EW 编写程序图框实现对数控机床各方面性能的检测。（4）创建 LabVIEW 菜单，可使用户快捷方便的对机床性能进行检测。关键技术：LabVIEW 软件的编程及菜单栏的创建四、预期成果通过查阅资料和自己的学习，在老师的指导下，完成检测系统，力争实现其对数控机床液压、气动控制等性能的检测。五、工作进度计划第 1-2 周：调研、查资料、熟悉软件；（论文综述，会使用 LabVIEW 软件）第 3 周：外文翻译、确定研究方法和技术路线第 4-6 周：总体方案设计、系统分析第 7-8 周：关键技术研究（LabVIEW 菜单、及编程）第 9-10 周：软件设计（LabVIEW 编程）第 11 周：调试、系
13、统优化（通过调试系统看是否能满足预期结果）第 12-13 周：论文撰写，准备答辩六、参考文献1 杨云强测试技术与虚拟仪器M北京：机械工业出版社，20102 林宋，田建君现代数控机床M北京：化学工业出版社，20033 朱文艺，陆全龙数控机床故障诊断与维修M北京：科学出版社，20064 张发启现代测试技术及应用M北京：西安电子科技大学出版社，20055 机床故障诊断与检修丛书编委会机床液压系统常见故障诊断与检修M北京：机械工业出版社，20066 陈循介目前世界机床工业形势、市场需求和发展趋势J北京：精密制造及自动化，20047 鲁方霞，邓朝晖数控机床的发展趋势及国内发展现状D湖南：湖南大学机械与工
14、程学院，20068 魏相华，张士文，赵继敏虚拟仪器的发展及前景J南京：工业控制计算机，20119 穆吉祥数控机床的常见故障与排除方法J北京：中国科技信息，200610 田辉鹏，郭庆伟基于LabVIEW的数据管理在数控机床故障诊断系统中的应用J合肥：计算机与信息技术，2008指导教师签字时间年 月 日摘 要数控化加工是机械行业朝高质量，高精度，高成品率高效率发展的趋势。我国的数控行业也正以高速发展的势头紧追世界先进的水平。但是由于许多无法避免的因素影响，数控机床会出现各种各样的故障，以致降低或失去其预定功能，甚至造成严重事故。这时如果我们能及时发现并排除故障就显得尤为重要。由于计算机软件技术的不
15、断进步，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。运用虚拟仪器技术能够达到共享硬件和软件资源，方便地利用计算机的强大功能，进行信号分析、数据处理、存储以及图形化显示等。本文设计了基于虚拟仪器的数控机床故障诊断系统，利用NI CompactDAQ、数据采集设备、NI SCXI 信号调理系统和各种传感器，用图形化编程语言LabVIEW对数控机床的液压系统、气动系统、振动信号实时故障检测。液压装置测试系统通过对压力、温度、振动信号的采集和分析可以判断液压装置的工作状态；气动测试系统通过对压力、速度信号的采集处理可以推断气动系统的工作状态。使用开发的虚拟仪器技术开发平台，通过对信号数据采集，时域、频域分析判断机床是否正常工作及故障发生原因。经仿真测试，该系统大大提高了数控机床故障诊断准确度和效率，而且界面操作简单，扩展性好，易于开发。关键词：数控机床 故障检测 虚拟仪器 AbstractCNC machining is the tendency of machinery industry whi
