一種機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)，用于企業(yè)對機(jī)床的生產(chǎn)效率及機(jī)床操作人員進(jìn)行管理，能夠連續(xù)監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)行作業(yè)信息，該機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)包含一上位機(jī)監(jiān)控電腦、多個信號采集儀、多條網(wǎng)絡(luò)連接電纜。借由每一臺信號采集儀不間斷記錄生產(chǎn)機(jī)床的運(yùn)行作業(yè)信息，并通過網(wǎng)絡(luò)連接電纜上傳至上位機(jī)監(jiān)控電腦，隨時監(jiān)控每一臺機(jī)床的作業(yè)情況，也相當(dāng)于監(jiān)控了機(jī)床操作人員，方便企業(yè)對機(jī)床的生產(chǎn)效率及機(jī)床操作人員進(jìn)行輕松、有效的管理。
機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)，適用于監(jiān)控多臺機(jī)床的作業(yè)、運(yùn)行過程，該機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)包含一上位機(jī)監(jiān)控電腦，多個安裝在對應(yīng)機(jī)床上的信號采集儀及網(wǎng)絡(luò)連接電纜，其特征在于：該等多臺信號采集儀分別安裝在對應(yīng)多臺該等機(jī)床上，用該等網(wǎng)絡(luò)連接電纜同該上位機(jī)監(jiān)控電腦連接。該等信號采集儀采集機(jī)床操作人員操作該等機(jī)床信息，從該等機(jī)床上采集到的一些基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單處理后儲存起來，當(dāng)該上位機(jī)監(jiān)控電腦查詢時，用該等網(wǎng)絡(luò)連接電纜，將數(shù)據(jù)傳送上去，在該上位機(jī)監(jiān)控電腦上作最后處理，生成較直觀運(yùn)行數(shù)據(jù)或圖形。
基于光纖的光纜外徑只有0.4～3mm的傳感器適合在高精度的機(jī)床加工中使用
傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之廣泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。
檢測技術(shù)與自動化裝置是將自動化、電子、計算機(jī)、控制工程、信息處理、機(jī)械等多種學(xué)科、多種技術(shù)融合為一體并綜合運(yùn)用的符合技術(shù)，廣泛應(yīng)用于交通、電力、冶金、化工、建材等各領(lǐng)域自動化裝備及生產(chǎn)自動化過程。檢測技術(shù)與自動化裝置的研究與應(yīng)用，不僅具有重要的理論意義，符合當(dāng)前及今后相當(dāng)長時期內(nèi)我國科技發(fā)展的戰(zhàn)略，而且緊密結(jié)合國民經(jīng)濟(jì)的實(shí)際情況，對促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造和鐵路技術(shù)裝備的現(xiàn)代化有著重要的意義。
利用由Fraunhofer IPT研究所研發(fā)設(shè)計的間距檢測傳感器，能夠在多個不同的檢測位置同時完成對被加工零件的形狀和位置誤差的納米級精度檢測。這種技術(shù)在航空航天、汽車制造、印刷機(jī)械制造和光學(xué)設(shè)備制造領(lǐng)域中都能夠得到很好的應(yīng)用。
這種檢測技術(shù)適合于那些傳統(tǒng)檢測解決方案因安裝使用空間有限，以及傳統(tǒng)檢測技術(shù)無法滿足檢測精度的場合。這種傳感器的檢測頻率很高，檢測誤差明顯的小于高精度檢測儀，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床和設(shè)備在超精密級范圍內(nèi)的在線檢測，如機(jī)床運(yùn)動軸和導(dǎo)軌移動的監(jiān)控以及傳動軸的監(jiān)控。
Fraunhofer研究所研發(fā)的這種檢測系統(tǒng)基于短波激光干涉原理，主要由兩個相干性激光部件組成。其中的第一個是純光學(xué)的全光纖技術(shù)元件（SLD1），第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）。這種檢測儀器的檢測距離大約為500μm,清晰度達(dá)1nm的檢測范圍約80μm.
IPT是為手機(jī)用戶提供多媒體信息留言的應(yīng)用程序。它的主要作用是在需要快速響應(yīng)，協(xié)同工作的時候，發(fā)送方用戶可以通過IPT系統(tǒng)，使用語音、文字、信息等多種方式與他人或者系統(tǒng)快速進(jìn)行溝通。IPT具備新消息提示設(shè)置，對方狀態(tài)顯示，可通過接收短信息等方式提醒接收方用戶，接收者可以在方便或網(wǎng)絡(luò)暢通的時候接收、查看發(fā)送方發(fā)出的信息記錄，保證使用者事無疏漏，提升溝通效率。
Fraunhofer IPT研究所研發(fā)的這個系統(tǒng)是基于激光短相干的工作原理，其主要部件為兩個相干性激光部件單元，其中的第一個是純光學(xué)的全光纖技術(shù)元件（SLD1），第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）這種傳感器用光波電纜（LWL）連接，電纜的外徑尺寸為0.4~3mm.對于剛性要求較高的傳感器，可以將其安裝在CFK或鎳鈦復(fù)合材料的金屬殼中。
最后，將兩種信號在Michelson干涉器中進(jìn)行解碼。微型傳感器和檢測裝置集式在一起而檢測結(jié)果的最終評判裝置無需安裝在檢測現(xiàn)場。另外，這種檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還允許在一個檢測評判單元中使用多個檢測傳感器。利用光纖轉(zhuǎn)換開關(guān)可以快捷方便地在各個傳感器之間進(jìn)行切換。
由此在Michelson干涉器中而得到的光柵圖將用CCD電荷耦合式攝像機(jī)進(jìn)行解碼，利用計算機(jī)進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。檢測間距和檢測范圍取決于傳感器信號（焦距）和折光鏡的角度以及其與激光射束之間的間距。與其他的檢測系統(tǒng)相比較，這種檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它沒有類似于線性調(diào)節(jié)器或壓電發(fā)生器之類的區(qū)別檔位的機(jī)械零部件。
CCD電荷耦合式攝像機(jī)的特性解碼
CCD,英文全稱：Charge-coupled Device,中文全稱：電荷耦合元件?？梢苑Q為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD的加工工藝有兩種，一種是TTL工藝，一種是CMOS工藝，前者是毫安級的耗電量，而后者是微安級的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS工藝下的CCD.CCD廣泛用于工業(yè)，醫(yī)療、民用產(chǎn)品。
當(dāng)被測物體進(jìn)入到檢查范圍之內(nèi)后，將會產(chǎn)生一個由CCD電荷耦合式攝像機(jī)解碼的固有特征干涉光樣本。利用干涉信號的橫向位置在CCD芯片中對被測物體的間距進(jìn)行補(bǔ)償，并把間距調(diào)節(jié)量換算成圖像的像素點(diǎn)數(shù)。
想要經(jīng)濟(jì)地處理能源和資源問題，機(jī)床和設(shè)備就必須在連續(xù)的使用過程中被監(jiān)控。為此，一種易于集成的傳感器技術(shù)便成為及時進(jìn)行機(jī)床和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，避免停機(jī)故障和改善生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。
高精度的生產(chǎn)過程監(jiān)控需要直接來自生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)作為保障，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該由那些安裝在機(jī)床設(shè)備上的傳感器來提供。而負(fù)責(zé)這種檢測監(jiān)控任務(wù)的傳感器大多數(shù)都是光纖傳感器，即有著極高檢測精度得微型化光纖傳感器，使其能夠方便得集成在機(jī)床、設(shè)備和檢測儀器中，能夠很好得完成監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。
基于光纖的光纜外徑只有0.4～3mm的傳感器適合在高精度的機(jī)床加工中使用
利用由Fraunhofer IPT研究所研發(fā)設(shè)計的間距檢測傳感器，能夠在多個不同的檢測位置同時完成對被加工零件的形狀和位置誤差的納米級精度檢測。這種技術(shù)在航空航天、汽車制造、印刷機(jī)械制造和光學(xué)設(shè)備制造領(lǐng)域中都能夠得到很好的應(yīng)用。
這種檢測技術(shù)適合于那些傳統(tǒng)檢測解決方案因安裝使用空間有限，以及傳統(tǒng)檢測技術(shù)無法滿足檢測精度的場合。這種傳感器的檢測頻率很高，檢測誤差明顯的小于高精度檢測儀，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床和設(shè)備在超精密級范圍內(nèi)的在線檢測，如機(jī)床運(yùn)動軸和導(dǎo)軌移動的監(jiān)控以及傳動軸的監(jiān)控。
Fraunhofer研究所研發(fā)的這種檢測系統(tǒng)基于短波激光干涉原理，主要由兩個相干性激光部件組成。其中的第一個是純光學(xué)的全光纖技術(shù)元件（SLD1），第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）。這種檢測儀器的檢測距離大約為500μm,清晰度達(dá)1nm的檢測范圍約80μm.
Fraunhofer IPT研究所研發(fā)的這個系統(tǒng)是基于激光短相干的工作原理，其主要部件為兩個相干性激光部件單元，其中的第一個是純光學(xué)的全光纖技術(shù)元件（SLD1），第二個則是Michelson激光干涉器（SLD2）這種傳感器用光波電纜（LWL）連接，電纜的外徑尺寸為0.4~3mm.對于剛性要求較高的傳感器，可以將其安裝在CFK或鎳鈦復(fù)合材料的金屬殼中。
最后，將兩種信號在Michelson干涉器中進(jìn)行解碼。微型傳感器和檢測裝置集式在一起而檢測結(jié)果的最終評判裝置無需安裝在檢測現(xiàn)場。另外，這種檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還允許在一個檢測評判單元中使用多個檢測傳感器。利用光纖轉(zhuǎn)換開關(guān)可以快捷方便地在各個傳感器之間進(jìn)行切換。
由此在Michelson干涉器中而得到的光柵圖將用CCD電荷耦合式攝像機(jī)進(jìn)行解碼，利用計算機(jī)進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。檢測間距和檢測范圍取決于傳感器信號（焦距）和折光鏡的角度以及其與激光射束之間的間距。與其他的檢測系統(tǒng)相比較，這種檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它沒有類似于線性調(diào)節(jié)器或壓電發(fā)生器之類的區(qū)別檔位的機(jī)械零部件。
在這個系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體零部件的圓度和圓跳動對檢測的精度、噪聲和整個系統(tǒng)的磨損有著重要的影響，源于它們的錯誤信號應(yīng)在生產(chǎn)加工過程中及時的予以識別并排除，其中包括機(jī)床重要的零部件，如輸出軸、轉(zhuǎn)子、主軸、軋輥（支撐輥和工作輥）和導(dǎo)向輥。在這些回轉(zhuǎn)體零件上應(yīng)安裝傳感器，以便采集重要的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，及時地采取必要措施。
在這種檢測方法中，旋轉(zhuǎn)零部件工作時在外力作用下可能產(chǎn)生的變形（可在多個不同的檢測點(diǎn)對旋轉(zhuǎn)零部件在外力作用下的變形進(jìn)行檢測），在生產(chǎn)工作過程中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)零部件表面磨損和形狀磨損（剝離、粘附、表面擠壓碎裂和摩擦）等可以是重要的被檢測參數(shù)。
這種技術(shù)可以直接應(yīng)用于如印刷領(lǐng)域中，在這個領(lǐng)域中，軋輥類零部件的圓度和圓跳動誤差對印刷品的質(zhì)量有著直接的影響。另一個可以直接采用這種檢測技術(shù)的領(lǐng)域是軋輥生產(chǎn)企業(yè)，因為這個領(lǐng)域中需要對生產(chǎn)光導(dǎo)塑料薄膜軋輥表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。
在這種情況下，利用光纖傳導(dǎo)的間距檢測傳感器在多個檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測是非常合適的，因為這些檢測傳感器的安裝所需的空間很?。ㄎ⑿蛡鞲衅鳎?，采用的是非接觸式檢測，不會對被測表面帶來損害，在傳感器和被測物體之間沒有相互作用和影響。
為了能夠演示這種檢測技術(shù)的應(yīng)用情況，專門設(shè)計和制造了一個試驗臺。這個試驗臺的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對其剛性和穩(wěn)定性都有著非常高的要求。在2009年度Stuttgart舉辦的Control 2009展覽會期間，F(xiàn)raunhofer IPT研究所就展示了一個這樣的試驗臺：利用不同的光纖傳感器進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)控。
圖2 對不同的旋轉(zhuǎn)對稱物體進(jìn)行檢測監(jiān)控的臥式床身檢測試驗臺
該試驗臺采用的是臥式床身結(jié)構(gòu)，床身中的主軸由電動機(jī)驅(qū)動，為了能夠?qū)Σ煌男D(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行檢測，床身兩側(cè)都配備了連接用的離合裝置。
檢測單元和檢測數(shù)據(jù)評判單元的同步，以及主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同步是通過編碼器來實(shí)現(xiàn)的。解碼器的設(shè)置使它能夠根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度的大小產(chǎn)生相應(yīng)的TTL觸發(fā)信號，并把這些觸發(fā)信號發(fā)送到評判單元中，對攝像機(jī)的工作過程進(jìn)行控制。攝像機(jī)所采集的數(shù)據(jù)信息會經(jīng)過分析軟件進(jìn)行處理，每兩個觸發(fā)信號之間對應(yīng)的轉(zhuǎn)角相當(dāng)于0.1.
作為檢測傳感器，有三種可以與光纖開關(guān)耦合使用的光纖光學(xué)傳感器可供選用。利用這種光纖開關(guān)，系統(tǒng)可以在光纖和檢測傳感器之間轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)檢測點(diǎn)位置與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同步。各傳感器利用標(biāo)定面統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)定，從而使其檢測值為固定的反射值。
用于粗糙度檢測的專用傳感器
對于每個回轉(zhuǎn)對稱體的檢測，都必須包括對其偏心、形狀誤差、波形度和粗糙度的檢測。為了能夠?qū)Ρ粶y物體得出有說服力的結(jié)論，需要對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，對每個特征值都要進(jìn)行專門的研究，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中單獨(dú)的對檢測值的特征進(jìn)行監(jiān)控了。
為了實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的過濾，使用了多種濾波器，包括低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器，因為檢測到的數(shù)據(jù)信息來自不同的頻率段。
利用一個非對中安裝的部件可以對信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號的頻率與旋轉(zhuǎn)物體的頻率相同。在這種情況下，圓形零件的圓度狀況就非常容易識別出來了。這種檢測頻率由低通濾波器進(jìn)行過濾，形狀誤差和波形度誤差利用帶通濾波器進(jìn)行過濾，而粗糙度則是利用高通濾波器進(jìn)行過濾。
經(jīng)過過濾的信號（形狀誤差、波形度和粗糙度等）都會按照DIN/ISO 12181-2標(biāo)準(zhǔn)和11562標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行特征值標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過這種監(jiān)控方法可以實(shí)現(xiàn)零部件狀態(tài)的追述。
為了進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的可集成性，F(xiàn)raunhofer IPT研究所計劃進(jìn)一步的縮小傳感器的直徑，并計劃研發(fā)生產(chǎn)專門用于粗糙度檢測的傳感器。通過對傳感器端部的特殊處理，還可以實(shí)現(xiàn)不同角度的檢測。
在這種間距檢測中，也可以使用其他光纖傳感器，如光纖Bragg光柵（FBG）傳感器，以實(shí)現(xiàn)對力、膨脹和溫度的附加檢測。這種檢測技術(shù)已經(jīng)成功的運(yùn)用于市場，出現(xiàn)在工業(yè)企業(yè)的日常檢測中。這種檢測技術(shù)還可以應(yīng)用于建筑物狀態(tài)的監(jiān)控、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備葉片狀態(tài)的監(jiān)控、管道以及油田設(shè)備的監(jiān)控等。
