專利名稱：一種用于數控系統可靠性測試的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于數控系統可靠性測試的試驗裝置，該裝置由數據采集系統、數據存貯系統和數據訪問與展示系統組成，對有限樣本的受試數控系統開展無替換模式的定時截尾無間斷連續運行試驗，進行長時間批量化運行試驗過程監控，采集運行數據、故障數據和維護數據等，根據所獲得數據進行故障模式、影響及危害度分析(FMECA)、計算平均故障間隔時間(MTBF)、平均修復時間(MTTR)等數據。
背景技術：
數控系統和數控機床的可靠性水平，對于數控裝備正常運行和數控生產廠商提高產品競爭力有著至關重要的作用。數控系統可靠性試驗測試是在可靠性工程理論指導下，按國家相關標準和規范，結合數控機床應用特點，通過實際試驗測試獲取反映數控系統可靠性水平的平均故障間隔時間MTBF、故障信息以及運行狀態等數據。為了充分測試和試驗對比，除正常空載條件下的運行外，在實驗室模擬實際工作環境，對數控系統進行加載條件下的測試。數控系統質量及可靠性是一個綜合性的技術和學科，涉及的技術領域相當廣泛，數控系統技術涉及機械、電氣、光學、氣動、液動等多學科技術及多種元器件、配套件及材料，同時受設計、制作、配套、管理、貯運及使用諸多條件等因素影響，其失效模式、機理及分布特性、指標確定等方面，即不同于純電子產品，又有別于機械產品。對于大多數的測試平臺都是按照各公司或廠家自身的特點而設計，具有很強的專用性，沒有共通的測試平臺。同時測試設備大多只能單獨對數控系統的硬件功能或單獨對數控系統的軟硬件集成后的綜合功能進行測試。針對數十臺不同廠家、不同型號的數控系統性能測試，考慮到數控系統高可靠、小樣本、運行時間長等特點，為這些受試數控系統所開展的無替換模式的定時截尾試驗搭建實驗室測試平臺，進行長時間批量化運行試驗過程監控，采集運行數據、故障數據和維護數據等，保證該系統冗余性和可靠性。
發明內容
本發明的目的在于建立一種用于數控系統可靠性測試的試驗裝置，針對數控系統高可靠、小樣本、運行時間長等特點，保證對不同的數控系統建立統一的實驗環境進行無替換模式的定時截尾無間斷連續運行試驗，用以對比和評價各數控系統性能。本發明為搭建一個測試平臺，該平臺可對有限樣本的數控系統進行無替換模式的定時截尾無間斷連續運行試驗，滿足長時間批量化運行試驗過程監控，采集運行數據、故障數據和維護數據等要求，獲取2萬小時及以上同等運行環境條件下準確、可比的數控系統現場運行數據，并建立典型數控系統實測數據庫。本發明采用的技術方案為一種用于數控系統可靠性測試的試驗裝置，該裝置包括數據采集系統、數據存貯系統和數據訪問與展示系統，其中
所述的數據采集系統，針對被測的數控系統，對不同系列的數控系統都配有相應的攝像頭用以監控其運行狀態；同時針對每臺被測系統配有數據采集裝置，采集數據包括總電源、NC電源、系統PLC控制開關、電壓測量和溫濕度測量值；所述的數據存貯系統，滿足可存儲2萬小時及以上的監控數據和采集數據的要求，并有冗余功能以保證采集數據不間斷、可靠；所述的數據訪問與展示系統，建立網絡服務器，用戶通過網絡可采訪系統，查詢數控系統工作狀態；包括監控狀態和數據。進一步的，該裝置能夠進行長時間批量化運行試驗過程監控，采集運行數據、故障數據和維修數據要求，可連續無間斷對數控系統進行試驗過程的監控；可連續無間斷采集數控系統運行狀態數據、故障數據和維修數據。本發明測試平臺有以下優點1、該測試平臺為冗余的測試平臺，當平臺中某一裝置出現故障時，備用裝置立即啟動，轉換時間〈=0.1秒；2、該測試平臺可以通過網絡進行遠程控制和監控，減少由于集中的批量的運行數控系統而造成的噪聲對人的損害；3、被測數控系統出現故障以及環境參數超限等情況下，能夠提供聲光報警，并具有聲光報警自動取消和人工取消兩種功能，存儲報警、報警取消記錄。
圖1測試系統拓撲圖；圖2視頻采集系統示意圖；圖3系統拓撲結構圖；圖4網絡傳輸系統結構圖；圖5信號采集系統原理圖；圖6測試箱設備示意圖；圖7數據存儲系統初步方案設計圖；圖8為運行測試循環流程。
具體實施例方式本發明包括數據采集系統、數據訪問與展示系統、數據存貯系統三個模塊如附圖1所示。1、數據采集系統數據采集系統包括視頻采集模塊和狀態數據采集模塊。I)視頻采集模塊視頻采集模塊主要由三部分組成，分別是前端網絡攝像機(IPC)、網絡傳輸系統、視頻管理控制系統。系統結構示意圖和系統拓撲結構圖分別如附圖2、附圖3所示；針對不同廠家每個系列的數控系統，都配有前段網絡攝像機，另配有多個全景監控攝像機，選用支持紅外攝像的半球機，以保證24小時不間斷監控。網絡傳輸系統結構圖如附圖4所示，采用雙核心交換機(支持POE功能)來接入所有的IPC和服務器以及存儲系統，確保了視頻傳輸的安全可靠性。視頻管理控制系統采用Linux操作系統，具有抵抗病毒與非法入侵的能力，支持7*24小時連續工作，具備雙機熱備功能，具備離線配置，快速備份配置文件和系統配置快速恢復機制；支持大容量視頻轉發、大容量視頻存儲點播、幀標記以及業務支撐信息管理功能；具有完善的權限管理能力，多級權限分配機制；存儲支持按照時間分級，支持流存儲和通用文件存儲；內建Web Server，可以支持CLIENT和WEB兩種訪問方式；具備高穩定性，支持防錯冗余配置。2)狀態數據采集模塊狀態數據采集模塊主要包括數控系統運行狀態信號采集和環境信號采集兩個方面。選用EtherCAT工業以太網具有高達100Mb/S的帶寬，數據通信采用標準以太網數據幀，能夠方便地實現與以太網的互聯，具有很好的兼容性，尤其適用于高速的分布式數據采集。基本的原理圖如附圖5所示，將需要采集的信號直接從數控系統的PLC引至EtherCAT模塊。但是在實際的數控系統中，對數控系統進行了處理，將需要采集的數控系統信號通過外加繼電器變成與數控系統信號一一對應的無源觸點，這樣便可以很方便的將信號引至EtherCAT 模塊。為了了解數控系統從開始運行到運行結束整個過程的運行情況，因此就需要對能夠代表數控系統運行狀況的信號進行數據采集。需要采集的數控系統的信號主要包括NC電源、NC準備、24V接通、系統運行脈沖輸出、主軸準備/旋轉、伺服軸(XYZ)準備/旋轉；對于每個廠家不同系列的數控系統都單獨設計、制造了一套測試箱，如附圖6所示。在對數控系統可靠性試驗測試數據采集的過程中，主要用到3類EtherCAT模塊，分別為EL1008、EL2004、EL3064，各模塊的具體工作原理如下EL1008 8通道數字量輸入端子24V DC, 3ms ;它的數字量輸入端子從現場級獲得二進制控制信號，并把數據以電隔離的信號形式傳輸到更高層的自動化單元。ELlOOx系列數字量輸入端子有一個3ms輸入濾波；每個端子可通過一個LED來顯示其狀態。EL2004 :4通道數字量輸出端子24V DC, O. 5A ;它的數字量輸出端子以電隔離的信號形式將自動化控制層傳輸過來的二進制控制信號傳到設備層的執行機構。EL3064 4通道模擬量輸入端子模塊O··· IOV單端，12位模擬量；它的輸入端子模塊用于處理0-10V范圍內的信號。電流被數字化后的分辨率為12位，并在電隔離的狀態下被傳送到上一級自動化設備。在端子模塊EL3064中，4個單端輸入為2線制，并有一個公共的內部接地電位。端子模塊的各個電源觸點互相連接；所有輸入端的基準接地點為OV電源觸點。被測數控系統的信號與并聯冗余的2個“信號集成模塊”相連，通過雙絞線以EtherCAT協議將兩個信號集成模塊串連，并且分別與PLC1-TWINCAT和PLC2-TWINCAT數據采集機相連，形成冗余的兩路信號采集系統。PLC1-TWINCAT和PLC2-TWINCAT以I分鐘的采集周期實現數據信號的采集，采集得到的數據通過計算機網絡存貯于數據存儲系統中。對于環境信號的采集，需要另外增加一個溫濕度變送器，當變送器周圍的溫度、濕度發生變化時，采集模塊會將采集到的溫度、濕度的變化情況實時的顯示出來。2、數據存儲系統(IPSAN)數據存儲系統設計，系統設計采用IPSAN進行集中存儲，并采用通用文件系統存儲，支持歸檔管理。考慮到冗余安全因素，選用經計算容量的1. 2倍的總容量來支持視頻采集模塊和狀態采集模塊的數據存儲。IPSAN存儲系統運用了 RAID5+熱備、磁盤容量強制匹配、分布式元數據存儲等技術，使得存儲系統具有節能、數據存儲安全性高等優點。如附圖7所示，包含3個模塊數據存儲模塊、數據備份模塊及數據管理模塊，各模塊的基本原理分別如下I)數據存儲模塊該模塊包含2臺數據庫服務器，2臺存儲交換機以及6套磁盤陣列。數據庫服務器從數據采集處取得數據，通過雙機熱備份的方式與雙存儲交換機交叉連接，將數據存入磁盤陣列，以保證數據存儲的安全可靠性；2)數據備份模塊該模塊包含外部存儲介質和I臺PC機。PC機通過網絡交換機連接到數據庫服務器，然后再通過數據庫服務器將磁盤陣列中的數據導入外部存儲介質，導入完成后，可將外部存儲介質與數據庫服務器斷開，單獨存儲，以防磁盤陣列出現故障后數據丟失；3)數據管理模塊該模塊包含2臺PC機。PC機可通過網絡交換機連接到數據庫服務器，并通過數據庫服務器調用存儲在磁盤陣列中的數據，以完成故障數據的查看、分析等操作；3、數據訪問與展示系統該系統包括網絡展示模塊和視頻顯示模塊。I)網絡展示模塊網絡展示模塊包含I臺Web服務器，I臺應用服務器，I臺認證服務器以及一個帶VPN的防火墻。外部用戶通過Internet申請訪問數據時，首先通過帶VPN的防火墻，之后經認證服務器認證后，最后由應用服務器處理訪問申請。Web服務器提供網絡連接支持。2)視頻顯示模塊視頻顯示模塊采用液晶屏拼接顯示方案，通過VMX專業圖像拼接控制器進行視頻顯示的控制。VMX專業圖像拼接控制器具有數據運算能力強大、邊緣屏蔽技術、RGB和Video窗口可任意漫游、疊加、縮放并支持單屏分割及多屏拼接等功能，可保證顯示系統清晰、流暢的完成視頻展示功能。本發明采用測試方法對受試系統進行綜合應力實驗，綜合應力包括溫度、濕度、電應力和工作應力等。溫度和濕度應力采用試驗現場的自然環境條件，試驗過程中做實時監測和記錄。試驗剖面見附圖8，試驗過程如下試驗開始，對數控系統施加電應力，整個循環內保持通電。通電后對數控系統進行按鍵測試。在(T360S內，完成按鍵測試。360s后對數控系統進行空載測試。不加任何負載，從360s到365s，5s內主軸轉速由零加速到正轉的額定轉速，在額定轉速下運行300s，從665s到675s，IOs內主軸轉速由額定轉速減速到零，再由零加速到反轉的額定轉速，在額定轉速下運行300s，從975s到980s，5s內主軸轉速由額定轉速減速到零。980s后對數控系統進行主軸加速測試。從980s到990s，IOs內主軸轉速由零加速到正轉極速的90%，在該速度下運行5s。995s后對數控系統進行主軸極速測試。從995s到1000s，5s內主軸轉速由正轉極速的90%加速到正轉極速，在極速下運行5s，從1005s到1010s，5s內主軸轉速由極速減速到極速的90%。IOlOs后對數控系統進行主軸減速測試。在90%極速下運行5s，從1015s到1025s，IOs內主軸轉速由極速的90%減速到零。1025s后對數控系統進行主軸加速測試。從1025s到1035s，IOs內主軸轉速由零加速到反轉極速的90%，在該速度下運行5s。1040s后對數控系統進行主軸極速測試。從1040s到1045s，5s內主軸轉速由反轉極速的90%加速到反轉極速，在極速下運行5s，從1050s到1055s，5s內主軸轉速由極速減速到極速的90%。1055s后對數控系統進行主軸減速測試。在反轉90%極速下運行5s，從1060s到1070s, IOs內主軸轉速由反轉極速的90%減速到零。1070s后對數控系統進行XY面內的直線插補運動測試。從1070s到1670s，600s內X、Y兩軸，同時從原點開始，在額定轉速下分別同時運動至各自行程的90%處，然后再原路返回。1670s后對數控系統進行XZ面內的直線插補運動測試。從1670s到2270s，600s內X、Z兩軸，同時從原點開始，在額定轉速下分別同時運動至各自行程的90%處，然后再原路返回。2270s后對數控系統進行YZ面內的直線插補運動測試。從2270s到2870s，600s內Y、Z兩軸，同時從原點開始，在額定轉速下分別同時運動至各自行程的90%處，然后再原路返回。2870s后對數控系統進行XY面內的圓弧插補運動測試。從2870s到3470s，600s內X、Y兩軸在額定轉速下，在XY平面內做順時針及逆時針圓弧插補運動各一周。3470s后對數控系統進行ZX面內的圓弧插補運動測試。從3470s到4070s，600s內z、x兩軸在額定轉速下，在ZX平面內做順時針及逆時針圓弧插補運動各一周。4070s后對數控系統進行YZ面內的圓弧插補運動測試。從4070s到4670s，600s內Y、Z兩軸在額定轉速下，在YZ平面內做順時針及逆時針圓弧插補運動各一周。4670s后對數控系統進行負載測試。在額定負載情況下，從4670s到5270s，600s內X、Y兩軸做直線插補運動；從5270s到5870s，600s內X、Z兩軸做直線插補運動；從5870s到6470s，600s內Y、Z兩軸做直線插補運動；從6470s到7070s，600s內X、Y兩軸做圓弧插補運動;從7070s到7670s，600s內Z、X兩軸做圓弧插補運動;從7670s到8270s，600s內Y、Z兩軸做圓弧插補運動。試驗不斷循環直至30000臺時測試結束。本發明未詳細闡述的部分屬于本領域公知技術。
權利要求
1.一種用于數控系統可靠性測試的試驗裝置，其特征在于該裝置包括數據采集系統、數據訪問與展示系統和數據存貯系統，其中 所述的數據采集系統，針對被測的數控系統，對不同系列的數控系統都配有相應的攝像頭用以監控其運行狀態；同時針對每臺被測系統配有數據采集裝置，采集數據包括總電源、NC電源、系統PLC控制開關、電壓測量和溫濕度測量值； 所述的數據存貯系統，滿足可存儲2萬小時及以上的監控數據和采集數據的要求，并有冗余功能以保證采集數據不間斷、可靠； 所述的數據訪問與展示系統，建立網絡服務器，用戶通過網絡可采訪系統，查詢數控系統工作狀態；包括監控狀態和數據。
2.根據權利要求1所述的一種用于數控系統可靠性測試的試驗裝置，其特征在于該裝置能夠進行長時間批量化運行試驗過程監控，采集運行數據、故障數據和維修數據要求，可連續無間斷對數控系統進行試驗過程的監控；可連續無間斷采集數控系統運行狀態數據、故障數據和維修數據。
全文摘要
本發明為一種用于數控系統可靠性測試的試驗裝置，該裝置包括數據采集系統、數據存貯系統、數據訪問與展示系統，開展對有限樣本的數控系統(包括主軸電機和進給電機)無替換模式的定時截尾試驗，進行長時間批量化運行試驗過程監控，采集運行數據、故障數據和維護數據等。對于獲取在同等運行環境條件下準確、可比的數控系統現場運行數據，本發明可達到超過2萬小時及以上連續工作運行時間的要求，并將現場運行數據存儲在數控系統可靠性管理數據庫中用以對數控系統可靠性和性能進行分析。
文檔編號G05B19/406GK103019155SQ20121054642
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月15日 優先權日2012年12月15日
發明者彭翀, 藍力沄, 劉強, 高連生, 夏繼強, 郇極 申請人:北京航空航天大學