加工中心可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
〇引言加工中心作為機(jī)床的典型代表，其可靠性水平的 高低直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量，可靠性是衡量一個(gè)產(chǎn) 品性能的關(guān)鍵指標(biāo)，國(guó)內(nèi)機(jī)床在這方面的表現(xiàn)卻很難 令人滿意，在很大程度上影響并限制了加工質(zhì)量，從而 使用戶在購(gòu)買(mǎi)加工中心時(shí)猶豫不決。欲解決國(guó)產(chǎn)加工 中心的購(gòu)買(mǎi)量和滿意度，通過(guò)不斷的可靠性試驗(yàn)研究 提高其可靠性是其關(guān)鍵所在。可靠性試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與分析的一 種可靠性研究手段。而對(duì)于加工中心這樣復(fù)雜的產(chǎn) 品，一般在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制初期存在的潛在失效和 故障的殘余量較大，這也給產(chǎn)品的可靠性提升提供了 可觀的空間。通過(guò)可靠性試驗(yàn)，確定產(chǎn)品的可靠性特 性值，全面考核產(chǎn)品是否達(dá)到了預(yù)定的可靠性指標(biāo)，同 時(shí)，能夠了解產(chǎn)品在不同的工作環(huán)境條件下的失效規(guī) 律，摸清失效模式和失效機(jī)理，以便采取有效措施，提 高產(chǎn)品的可靠性)1-]。 i加工中心主軸可靠性試驗(yàn)方案系統(tǒng)采取模擬實(shí)際工況的方法對(duì)加工中心進(jìn)行可 靠性加載試驗(yàn)，同時(shí)為了減少可靠性試驗(yàn)的周期，采用 加速試驗(yàn)的方法，即對(duì)加工中心主軸和進(jìn)給軸加載比 實(shí)際載荷大的機(jī)械應(yīng)力，是機(jī)床模擬自身的實(shí)際工作 狀況，加工中心可靠性試驗(yàn)方案如圖1所示。主要包 括主軸加載裝置、進(jìn)給軸加載裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控 制計(jì)算機(jī)，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)裝置在計(jì)算機(jī)的控制下，將模擬載荷施加到主軸的模擬刀具上;通過(guò)力、 加載計(jì)數(shù)器等傳感器，將試驗(yàn)機(jī)床參數(shù)和加載試驗(yàn)數(shù) 據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù) 集系統(tǒng)，由 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理，從而得到相 關(guān)的可靠性數(shù)據(jù);并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)分析軟件建模、擬合、歸納、運(yùn)算，預(yù)測(cè)出機(jī)床的可靠性指標(biāo)，找出發(fā)生故 障的主要原因和模式，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的整體可靠性增長(zhǎng)2加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體 方案設(shè)計(jì)2.1數(shù)據(jù)采集總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)加工中心可靠性試驗(yàn)方案可知，數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)主要作用是采集來(lái)自可靠性試驗(yàn)裝置的各類(lèi)數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和處理，處理完成后的數(shù)據(jù)經(jīng)由相 應(yīng)的接口送人計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步的處理和計(jì)算分析。可 性試驗(yàn)裝 的各類(lèi)數(shù)據(jù) 包括 加載試驗(yàn)數(shù) 據(jù)、進(jìn)給軸(R、S=)軸加載試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，由于這 些加載試驗(yàn)是采取分別進(jìn)行的方式。因此數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)在同一時(shí)間只能采集并處理一個(gè)加載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù) 集系統(tǒng) 體設(shè)計(jì)方主軸加載試驗(yàn)主要采集的數(shù)據(jù)有加載的扭矩和功 率、主軸加載次數(shù)、加載時(shí)間和試驗(yàn)時(shí)間等，其中加載 試驗(yàn)的扭矩和功率可以通過(guò)加工中心上的以太網(wǎng)直接 傳送到計(jì)算機(jī)，因此通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)只 有主軸加載時(shí)間和試驗(yàn)時(shí)間，而這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)在 主軸加載裝置上安裝接觸開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的末端采 集。進(jìn)給軸可靠性試驗(yàn)包括R、S、=三個(gè)軸的加載試 驗(yàn)，而且三軸的試驗(yàn)分別進(jìn)行，主要采集的數(shù)據(jù)包括各 軸的加載力、加載次數(shù)、加載時(shí)間、試驗(yàn)總時(shí)間，其中加 載力通過(guò)在進(jìn)給軸試驗(yàn)裝置上安裝壓力傳感器來(lái)采 集，再通過(guò)壓力變送器轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡能夠接受的量程范圍。而加載次數(shù)、加載時(shí)間、試驗(yàn)總時(shí)間的米集 跟主軸試驗(yàn)類(lèi)似，可以通過(guò)在加載裝置上安裝接觸開(kāi) 關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。另外，進(jìn)給軸的加載力還可以 由計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬量，再由氣動(dòng)控制 系統(tǒng)的電氣比例閥控制氣缸的輸出力來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的選擇根據(jù)以上分析，此數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)該包括模擬量的 輸人，如加載力的模擬量并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字量的輸 人，如采集接觸開(kāi)關(guān)輸出的數(shù)字量，還包括模擬量的輸 出，用來(lái)控制電氣比例閥電壓，從而控制進(jìn)給軸的加載 力。同時(shí)采集卡還需要完成跟上位計(jì)算機(jī)的通訊。因 此，鑒于數(shù)據(jù)采集卡的這些功能，系統(tǒng)選擇研華公司的 USB數(shù)據(jù)采集卡USB4704來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。USBR704是一款研華公司的USB總線多功能數(shù)據(jù)采集卡。其先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得它具有更高的質(zhì)量 和更多的功能。主要包括五種最常用的測(cè)量和控制功 能# 14位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸人、數(shù)字量輸 出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。主要特點(diǎn)# 8路單端或4路 差分模擬量輸人，或組合方式輸人；14位A/D轉(zhuǎn)換 器，采樣數(shù)率可達(dá)48 kHz;每個(gè)通道的增益可編程;單 端或差分輸人自由組合(卡上512 Bytes采樣FIFO緩 沖器;2路12位模擬量輸出；8路數(shù)字量輸人/輸出；1 路可編程觸發(fā)器/定時(shí)器。另外，此數(shù)據(jù)采集卡采用 USB接口，即插即用，與上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊十分方 便。3加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3:模擬量輸入通道設(shè)計(jì)在進(jìn)行進(jìn)給軸可靠性加載試驗(yàn)時(shí)，加載力通過(guò)在 進(jìn)給軸試驗(yàn)裝置上安裝壓力傳感器來(lái)采集，壓力傳感 器采用的是環(huán)形壓力稱(chēng)重器HNDJ-SS-10KN，適用于 各種軸向測(cè)力場(chǎng)合，雙剪切測(cè)量方式，可承受拉、壓力。 輸出對(duì)稱(chēng)性好，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，高精度、穩(wěn)定性 好。試驗(yàn)時(shí)，安裝在進(jìn)給裝置的氣缸活塞桿上來(lái)測(cè)量 進(jìn)給軸的加載力。它的測(cè)量范圍是〇~1〇kN，需要10 ~30V的激勵(lì)電壓。因此，系統(tǒng)采用JF-300高精度稱(chēng) 重變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器的激勵(lì)，變送器輸出電 壓范圍為0?10V。具體連接如圖4所示（以Z軸加載 為例）。3.2數(shù)字量輸入和模擬量輸出通道設(shè)計(jì)數(shù)字量輸人通道主要包括主軸加載試驗(yàn)用接觸開(kāi) 關(guān)和進(jìn)給軸加載用接觸開(kāi)關(guān)，接觸開(kāi)關(guān)的主要作用是 記錄加載試驗(yàn)的次數(shù)，計(jì)算機(jī)接收到加載次數(shù)之后，通 過(guò)一定的運(yùn)算，可以獲得試驗(yàn)過(guò)程中的加載總時(shí)間和 試驗(yàn)總時(shí)間。接觸開(kāi)關(guān)選用的是三線制形式，4個(gè)接 觸開(kāi)關(guān)與USB4704的連線如圖5所示。另外，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括模擬量輸出通道，該輸 出通道為電氣比例閥提供一定大小的電壓，從而控制 進(jìn)給軸氣缸的加載力大小。電氣比例閥與USB4704 的連線如 5 。3.3加工中心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)加工中心可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成接 收來(lái)自傳感器的采集數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī) 能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，利用USB接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送 人計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析與運(yùn)算處理，同時(shí)機(jī)床試驗(yàn) 時(shí)的扭矩、功率等參數(shù)通過(guò)以太網(wǎng)直接傳送到計(jì)算機(jī)。 組裝連線完成后的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖6所示。 4結(jié)論本文在分析加工中心可靠性試驗(yàn)必要性的基礎(chǔ) 上，通過(guò)對(duì)加工中心可靠性試驗(yàn)裝置的總體方案設(shè)計(jì)， 明確了加工中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用，進(jìn) 而對(duì)加工中心可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè) 計(jì)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用元器件的選擇，完成了 加工中 可 性試驗(yàn)數(shù)據(jù) 集系統(tǒng)的模擬量輸 通 設(shè)計(jì)、數(shù)字量輸人通道設(shè)計(jì)以及模擬量輸出通道設(shè)計(jì)， 并在此基礎(chǔ)上通過(guò)設(shè)備的組裝、連線，最終實(shí)現(xiàn)了加工 中心可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來(lái)自網(wǎng)絡(luò)僅供學(xué)習(xí)參考，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明！