加工中心可靠性試驗的數據采集系統設計
〇引言加工中心作為機床的典型代表，其可靠性水平的 高低直接影響產品的加工質量，可靠性是衡量一個產 品性能的關鍵指標，國內機床在這方面的表現卻很難 令人滿意，在很大程度上影響并限制了加工質量，從而 使用戶在購買加工中心時猶豫不決。欲解決國產加工 中心的購買量和滿意度，通過不斷的可靠性試驗研究 提高其可靠性是其關鍵所在。可靠性試驗是實現可靠性設計、評價與分析的一 種可靠性研究手段。而對于加工中心這樣復雜的產 品，一般在產品的設計和研制初期存在的潛在失效和 故障的殘余量較大，這也給產品的可靠性提升提供了 可觀的空間。通過可靠性試驗，確定產品的可靠性特 性值，全面考核產品是否達到了預定的可靠性指標，同 時，能夠了解產品在不同的工作環境條件下的失效規 律，摸清失效模式和失效機理，以便采取有效措施，提 高產品的可靠性)1-]。 i加工中心主軸可靠性試驗方案系統采取模擬實際工況的方法對加工中心進行可 靠性加載試驗，同時為了減少可靠性試驗的周期，采用 加速試驗的方法，即對加工中心主軸和進給軸加載比 實際載荷大的機械應力，是機床模擬自身的實際工作 狀況，加工中心可靠性試驗方案如圖1所示。主要包 括主軸加載裝置、進給軸加載裝置、數據采集系統和控 制計算機，進行可靠性試驗時，試驗裝置在計算機的控制下，將模擬載荷施加到主軸的模擬刀具上;通過力、 加載計數器等傳感器，將試驗機床參數和加載試驗數 據傳輸到數據 集系統，由 數據的轉換和傳輸到計算機進行進一步的數據分析和處理，從而得到相 關的可靠性數據;并將這些數據通過分析軟件建模、擬合、歸納、運算，預測出機床的可靠性指標，找出發生故 障的主要原因和模式，實現進給系統的整體可靠性增長2加工中心可靠性試驗數據采集系統的總體 方案設計2.1數據采集總體設計方案根據加工中心可靠性試驗方案可知，數據采集系 統主要作用是采集來自可靠性試驗裝置的各類數據， 并進行相應的轉換和處理，處理完成后的數據經由相 應的接口送人計算機作進一步的處理和計算分析。可 性試驗裝 的各類數據 包括 加載試驗數 據、進給軸(R、S=)軸加載試驗時的數據信息，由于這 些加載試驗是采取分別進行的方式。因此數據采集系 統在同一時間只能采集并處理一個加載試驗的數據。 數據 集系統 體設計方主軸加載試驗主要采集的數據有加載的扭矩和功 率、主軸加載次數、加載時間和試驗時間等，其中加載 試驗的扭矩和功率可以通過加工中心上的以太網直接 傳送到計算機，因此通過數據采集系統采集的數據只 有主軸加載時間和試驗時間，而這些數據可以通過在 主軸加載裝置上安裝接觸開關來實現數據的末端采 集。進給軸可靠性試驗包括R、S、=三個軸的加載試 驗，而且三軸的試驗分別進行，主要采集的數據包括各 軸的加載力、加載次數、加載時間、試驗總時間，其中加 載力通過在進給軸試驗裝置上安裝壓力傳感器來采 集，再通過壓力變送器轉換為數據采集卡能夠接受的量程范圍。而加載次數、加載時間、試驗總時間的米集 跟主軸試驗類似，可以通過在加載裝置上安裝接觸開 關來實現數據的采集。另外，進給軸的加載力還可以 由計算機通過數據采集卡輸出模擬量，再由氣動控制 系統的電氣比例閥控制氣缸的輸出力來實現。2.2系統數據采集卡的選擇根據以上分析，此數據采集卡應該包括模擬量的 輸人，如加載力的模擬量并完成模數轉換，數字量的輸 人，如采集接觸開關輸出的數字量，還包括模擬量的輸 出，用來控制電氣比例閥電壓，從而控制進給軸的加載 力。同時采集卡還需要完成跟上位計算機的通訊。因 此，鑒于數據采集卡的這些功能，系統選擇研華公司的 USB數據采集卡USB4704來實現數據的采集和處理。USBR704是一款研華公司的USB總線多功能數據采集卡。其先進的電路設計使得它具有更高的質量 和更多的功能。主要包括五種最常用的測量和控制功 能# 14位A/D轉換、D/A轉換、數字量輸人、數字量輸 出及計數器/定時器功能。主要特點# 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轉換 器，采樣數率可達48 kHz;每個通道的增益可編程;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路數字量輸人/輸出；1 路可編程觸發器/定時器。另外，此數據采集卡采用 USB接口，即插即用，與上位計算機實現通訊十分方 便。3加工中心可靠性試驗數據采集系統硬件設計3:模擬量輸入通道設計在進行進給軸可靠性加載試驗時，加載力通過在 進給軸試驗裝置上安裝壓力傳感器來采集，壓力傳感 器采用的是環形壓力稱重器HNDJ-SS-10KN，適用于 各種軸向測力場合，雙剪切測量方式，可承受拉、壓力。 輸出對稱性好，結構緊湊，安裝方便，高精度、穩定性 好。試驗時，安裝在進給裝置的氣缸活塞桿上來測量 進給軸的加載力。它的測量范圍是〇~1〇kN，需要10 ~30V的激勵電壓。因此，系統采用JF-300高精度稱 重變送器來實現對壓力傳感器的激勵，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數字量輸入和模擬量輸出通道設計數字量輸人通道主要包括主軸加載試驗用接觸開 關和進給軸加載用接觸開關，接觸開關的主要作用是 記錄加載試驗的次數，計算機接收到加載次數之后，通 過一定的運算，可以獲得試驗過程中的加載總時間和 試驗總時間。接觸開關選用的是三線制形式，4個接 觸開關與USB4704的連線如圖5所示。另外，數據采集系統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加工中心數據采集系統的實現加工中心可靠性試驗的數據采集系統主要完成接 收來自傳感器的采集數據，并把這些數據轉換為計算機 能夠識別的數據形式，利用USB接口將轉換后的數據送 人計算機進行進一步的分析與運算處理，同時機床試驗 時的扭矩、功率等參數通過以太網直接傳送到計算機。 組裝連線完成后的數據采集系統如圖6所示。 4結論本文在分析加工中心可靠性試驗必要性的基礎 上，通過對加工中心可靠性試驗裝置的總體方案設計， 明確了加工中心可靠性試驗數據采集系統的作用，進 而對加工中心可靠性試驗的數據采集系統進行方案設 計。通過對數據采集系統所用元器件的選擇，完成了 加工中 可 性試驗數據 集系統的模擬量輸 通 設計、數字量輸人通道設計以及模擬量輸出通道設計， 并在此基礎上通過設備的組裝、連線，最終實現了加工 中心可靠性試驗數據采集系統設計。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！