基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究文献综述

文献综述 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究 1前言部分 随着我国经济的迅速发展，精密机床作为工业中的基础装备，在各领域的应 用显得越来越重要。2000年起，我国就把发展新型精密机床和完善其功能作为 工业振兴的目标。温家宝总理曾说过“精密机床的发展水平是一个国家机床化、 现代化的重要标志，代表着一个国家的科学水平、创新能力和综合能力，中国要 成为生产精密机床的大国。”精密机床作为我国机床工具行业完善提高阶段的 重点发展对象之一，正朝着高速、高智能化、功能多元化、网络化的方向发展； 目前情况下，传统的精密机床制造水平因设备陈旧、技术水平落后，缺乏网络化、 高智能化等生产要求，严重影响了生产力的以展；但对于国内大多数企业，传统 的精密机床还是占了很大的比重，由于价格等原因，要更新换代还是存在一定的 难度。 近年来，我国机床行业发展迅速，精密机床已成为我国机床行业中的重要组 成部分和基础设备。作为保证精密机床安全运行，提高生产效率和设备利用率， 减少设备故障的前提条件，基于嵌入式系统的精密机床信息采集和监测技术以其 巨大优势变得越来越重要。精密机床的广泛应用，也促使精密机床的信息采集和 监测技术成为我国重点发展的一块新领域。多数传统精密机床不具备信息采集和 监测的能力，在一定程度上降低了生产效率,使企业信息化和工业自动化得不到 进一步的发展。传统的信息采集和监测技术又存在响应慢、精度低、可靠性差、 效率低、操作繁琐等弊端，已经不能完全适应现代化工业的高速发展。随着现代 工业自动化程度的提高，以及各种机床参数的不同，包含了复杂的环境和状态信 息。只有采用有效的信息采集技术，准确的监测到精密机床运作过程中的各种状 态信息，才能以此为依据，提高整个机床的运作能力和故障处理能力。随着嵌入 式技术的迅猛发展，设计高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便的信息 采集和监测系统成为当务之急。鉴于嵌入式技术具有成本低、体积小、集成度高、 可靠性高等优点，采用基于ARM处理器的嵌入式系统模块与传统精密机床相结合 的方式，能够实现传统精密机床的信息采集和状态监测等操作，从而加快企业信 息化、自动化发展，对提高生产效率和经济效益有着重要的现实意义。而且，随 着先进制造技术领域中，制造质量维护的重心从传统的直接以工件参数为标准转 向以信息采集和监测制造系统状态参数为标准，嵌入式系统的精密机床的信息采 集和监测技术更凸现其重要作用e。 信息采集和监测技术是嵌入式系统的精密机床运作及研究中必不可少的，机 床故障主要通过机床振动、温度和速度等特征表现，需要应用状态监测、信息采 集、信号处理和信息融合等多种技术进行分析；从而为提高加工精度、深化对精 密加工过程的认识提供有力的分析依据o若要实现精密机床在制造过程中的自动 化和智能化控制,对精密机床加工过程的状态监测时十分重要的。因此本文拟进 行的研究不但可以提高加工精度和劳动生产率，而且能有效地提高生产质量，提 高产品精度，提高生产效率和保障生产安全等等，使之更有效的满足了工业的需 求。但在技术方面，仍然存在一些薄弱环节。根据目前国内外精密机床发展的趋 势，结合嵌入式系统的超精密机床在线信息采集和监测技术的研究具有十分重要 的理论和现实意义。 2主题部分 信息采集和监测技术应用领域广泛，早期主要应用于汽车、工程机械关键零 件的高效精密加工；军工、航空航天、能源以及微电子等精密非球面镜零件的超 精密加工等。随着工业生产的飞速发展和精密机床的广泛应用，对精密机床的性 能要求越来越高，尤其是机床加工过程中各种信息的采集和监测技术已成为精密 机床加工中的瓶颈问题。 随着技术的发展，信息采集和监测技术已有了飞跃的发展。70年代前，研究 时一般采用专用计算机和专用操作系统的信息采集和监测技术系统，简称SCADA。 之后，对于机床的信息采集和监测，则主要运用机床串口技术（如标准接口 RS-232）和外接PLC技术。近年来，芯片技术的高速发展，使嵌入式系统掀起了 应用热潮。单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统，起初对精密机 床的信息采集和状态监测主要采用单片机；运用单片机构成形式多样的控制系 统、数据采集系统，从而进行信息采集和状态监测。现在，在研究中所采用的是 性能比更高的ARM系列的嵌入式系统。 就嵌入式系统的优越性及精密机床的重要性，众多学者对基于嵌入式系统的 精密机床信息采集与监测技术进行了进一步的深入研究。 基于嵌入式系统的精密机床信息采集与监测技术的研究，作为我国现今发展 研究的一块新领域，意在通过以ARM微处理器为核心的嵌入式系统模块，外围设 备包括传感器、放大器、滤波器、A/D转换器等，实现对精密机床加工状况的信 息采集及数据处理工作。进而实现对精密机床进行智能化控制、管理以及加工过 程中的设备状态监测。 多年以来，国内外学者在信息采集和监测技术方面做了大量的工作，并在信 息采集方法、检测方法、监测参数的选择、信号处理及模式识别等各领域取得了 显著的成果。早在第一台机床问世起，SIEMENS、FANUC等公司就为解决机床 疑难故障，对机床信息采集和监测技术进行了相应的研究。美国的NAN0PATH 和PRECITEcH SuLTRAPATHTM在开发超精密数控系统时，也视信息采集和状态监 测为重要因素。1999年，孟长虹⑵等学者以某厂实际运行的精密机床主轴轴振作 为状态量，建立数据库采集轴振信号，并以此数据，结合CBM方法分析数据，计算了 机床的可靠度、风险度。由此鉴定评估设备的运行状态是否良好,与此同时优化 设备维修策略。2003年，陈东生，李尚政对精密加工系统综合实时监测技术进行 了深入研究。其论文论述了机床的振动、主轴的位移、刀具温度、刀具切削力、 旋转工件温度场进行监测的原理，重点介绍了监测系统的构成、监测方法、数据 采集、数据分析和应用⑶。2005年，蔡旺等人提出了一种基于DSP芯片的机床数 据采集方法，从而实现了在不影响机床正常工作的情况下，自动实时地采集机床 的重要运行状态参数，并通过企业局域网反馈给ERP系统，达到制造企业信息系 统的网络化集成目的⑷。2009年，王姣，宫政等针对国内很多传统老式数控机床 不能直接进行数据采集和状态监测的缺陷，设计一个基于ARM微处理器和嵌入式 Linux系统的嵌入式平台，实现对老式数控机床的信息采集和状态监测，并阐述利 用该嵌入式平台进行信息采集和状态监测的具体方法吼 信息采集和监测技术的其他相关研究还包括2006年，邹泽明博士⑹对数控集 成平台及其在模具制造中的应用进行的相关研究。主要提出了利用通用数据采集 盒进行数据采集，以通用方式XML进行传递采集所得的数据。在数据采集的基 础上，实现机床状态监测、设备利用率、零件工序级实际工时的计算以及产品进 度跟踪这样一个新的模式理念。同年，济南大学冀玉梅由对基于伺服电流与切削 力关系模型的自适应数控技术的研究中，涉及到对精密铳削机床伺服电机电流信 号的检测方法及信号的处理，分析从加工过程中监测到的非线性。2008年，赵迺 剑在对传感器原理分析的基础上，设计了信号采集预处理模块，对开放式可监控 数控系统进行了研究。将传感器输出的电