基于labview的数控机床主轴能耗状态监测系统设计开题报告
2020-06-14 16:23:42
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
1课题背景及意义
机械制造系统能效评价是对机械制造系统能量消耗状态和能量消耗过程及其能量效率的系统评价，它是机械制造系统降低能量消耗、提高能量效率的基础，其研究正在国际上兴起。首先，对机械制造系统能效评价的特点进行了分析，提出了能量消耗状态及其能效评价的多能量源特性和层次分布特性、能量消耗过程及瞬态能量效率的复杂多变性和产品全生命周期过程特性四个特点[1]。
车间能耗的计算和估计是进行能力管理的基础，但中小企业难以对数控机床的能耗进行在线监测。这必然将阻碍车间能量的管理。同时，对研究数控机床节能减排的可持续发展有一定的影响。从20世纪90年代开始，我国就着手对能耗监测进行技术性建设，陆续出台了一些管理性规定。为了适应节能形势发展的新变化，能耗监测的内涵也正在逐步延伸。实践表明，建立有效的能耗监测管控体系，对于提高能效、推进节能减排作用明显[2]。
主轴箱是机床的重要组成部分，而轴承又是对主轴箱的性能有很大影响的部件。因此，对主轴箱轴承有许多特殊的要求，其中主要包括轴承转速、精度、承载能力、间隙调整、刚度、抗震性、噪音、温升及使用寿命等[3]。滚动轴承作为支承件，只有正确安装调整后才能得到好的性能，一台机床性能的好坏，在很大程度上取决于主轴组件。如果轴承安装不得当，会出现精度差、刚度低、温升过高或出现噪音及异常声现象，因此在主轴像装配完以后，只有进行试车测试能保证其性能。
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
3.要解决的问题及方案介绍
随着绿色制造的深入研究，机床能效的研究逐渐成为该领域的一个研究重点，但在研究的过程中，机床功率等信息难以采集，机床能耗等信息的采集和处理的方法有很大的改进空间。本文以南京工业大学机床厂SKMC-3000型数控磨床为研究对象，以磨削过程中的机床能耗采集为研究重点，基于LabVIEW系统建立数控车床多通道能耗采集系统。
对系统的软件进行设计，通过LabVIEW软件模块功能结构、数据采集程序设计、数据格式转换程序设计和主界面设计，建立了软件系统。最后通过改变切削三要素对机床的瞬时功率进行测量，并根据实验数据计算得出本台架的实验精度。
3.1数控机床能耗多通道采集实验台架设计
根据数据采集原理，通过Labview软件设计数控机床能耗多通道采集实验台架的搭建，完成基于USB接口的Labview数据采集与传输系统的硬件电路和软件程序的设计。
图3.1数字信号处理系统
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设被采集的信号为连续时间信号x(t)，采样脉冲为p(t)，从采样脉冲对x(t)信号周期性的取得离散抽样值，该值被称采样信号，其中n=0，1#8230;。这个过程就叫做采样过程。其中具体的过程如图3.2所示。
图3.2采样过程信号图 |
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3.1.2实验台架硬件设计
数据采集是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础[19]。系统硬件结构如图3.3所示。
图3.3实验台架硬件模块结构图
系统硬件主要包括：工业计算机、数据采集卡NIUSB-6343、功率传感器RS-2131-44、电压传感器RS-1331-44D1、电流传感器JLB-10VD2Y2、电源滤波器及24V供电电源等。数据采集卡采样NI公司推出的X系列NIUSB-6343多功能数据采集卡，该采集卡可以通过USB接口直接和计算机连接。
本实验台架主要由LabVIEW采集系统组成，因此，硬件模块主要组成部分为LabVIEW硬件模块，其中包括功率传感器、电压传感器、电流传感器及NI采集卡等。
3.2实验台架软件系统设计
测试系统要实现的任务可以分为:信号采集与控制、信号分析与处理以及测试结果的表达与输出三大功能模块。在传统的测试方式中，这三个模块均由仪器的生产厂家定义和制造，只能面对相对固定的对象，灵活性差、开发效率低。
随着计算机与测试仪器的结合，除了数据采集设备和部分必要的信号调理设备外，测试系统的其它任务都正在逐渐地移植到了计算机上，促进了计算机测试系统的发展。它的研究前沿之一为虚拟仪器技术。
本机床能耗的数据采集系统主要是通过Labview软件实现的，其主要功能有：采集系统进行参数设置，包括采样通道数设置、模拟量输出范围和采样频率等；采样数据进行波形图显示；数据的处理。
3.3取得的预期效果
本实验首先简单介绍采集信号的原理，基于该原理设计数控机床能耗多通道采集系统。进行总体结构的设计，然后进行硬件结构设计，及硬件的选择和布局，特别对硬件接口做出了详细的定义。对于LabVIEW具体介绍了程序的设计流程及结构图。然后LabVIEW用于设计虚拟仪器的方法进行简单介绍，具有普遍适用性，根据实际情况对本系统的软件进行详细设计，通过LabVIEW系统，建立了软件系统，从而能够对数控机床的能耗进行采集。
由于现在许多生产的采集产品所采集的信号类型比较单一，且在分析机床能耗时，且只能采集一路信号，当针对多种复杂的现场情况需要采集的物理量时，该采集系统就难以满足需求，所以本文需要通过实验台搭建以及基于Labview的机床能耗采集系统设计，从而使得机床能耗采集更方便、快捷。
而本课题通过运用电流、电压、功率采集器和NI采集卡等硬件的线路连接，由USB口传输至计算机，使实验台搭建化繁为简。
