基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)的框架研究

1、基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)的框架研究萬宏強(qiáng)12姚敏茹1(1西安工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,710032(2西北工業(yè)大學(xué),710072摘要本文分析了數(shù)控機(jī)床設(shè)備故障診斷中目前存在的問題,探討了設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向,并論述了數(shù)控機(jī)床設(shè)備的遠(yuǎn)程故障檢測診斷技術(shù)及其實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測故障診斷1.引言隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)率的提高,對機(jī)床設(shè)備的需求愈來愈向自動化、數(shù)控化、高精度等方面發(fā)展。以數(shù)控機(jī)床設(shè)備為主體的生產(chǎn)車間及生產(chǎn)廠大量出現(xiàn),為我國機(jī)械加工技術(shù)的提高提供了良好的基礎(chǔ)條件。但由于數(shù)控機(jī)床設(shè)備是集機(jī)、電、液、氣、計算機(jī)技術(shù)于一體的高技術(shù)含量的設(shè)備,其運行過程中不可避免地

2、存在各種故障,而使用廠家又不可能都有技術(shù)力量及時發(fā)現(xiàn)故障原因并有效排除,致使數(shù)控機(jī)床設(shè)備正常運行受到影響,生產(chǎn)效率降低,尤其是進(jìn)口設(shè)備影響會更大,甚至長期不能修復(fù)。如何保證數(shù)控機(jī)床設(shè)備的正常運行,怎樣及時發(fā)現(xiàn)故障,甚至提前發(fā)現(xiàn)故障的征兆,都是亟待解決的問題。設(shè)備故障診斷的研究和應(yīng)用,對控制修復(fù)、故障排除、故障預(yù)防都有十分重要的意義。國外對此非常重視,早在20世紀(jì)60年代就已開始研究,某些技術(shù)已應(yīng)用于實際工程,我國對設(shè)備故障診斷的研究起步較晚。因此,積極開展設(shè)備故障診斷的理論和方法的研究,并開發(fā)用于工程的故障診斷系統(tǒng)非常必要。2.數(shù)控機(jī)床設(shè)備故障診斷技術(shù)2.1概述數(shù)控機(jī)床設(shè)備故障診斷技術(shù)包括兩個

3、層次:故障監(jiān)測與故障診斷,通常合在一起統(tǒng)稱故障監(jiān)測和診斷(FDD 。設(shè)備故障診斷采用兩種途徑:從上至下或從下至上。從上至下就是對整臺設(shè)備從大系統(tǒng)到子系統(tǒng)按層次進(jìn)行診斷,如與典型的設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,與正常工況下的設(shè)備運行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。從下至上就是針對現(xiàn)場的局部設(shè)備和個別元部件進(jìn)行診斷,如潤滑油液的成分、刀具的溫升、磨損等。故障監(jiān)測是采集數(shù)控機(jī)床設(shè)備運行參數(shù)的異常數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)可確定數(shù)控機(jī)床設(shè)備是否已出現(xiàn)故障或?qū)⒁龉收?。非正常工況可能出現(xiàn)在整個運行期間,也可能只在某種特定條件下產(chǎn)生。故障診斷比故障檢測更重要,其難度也更大,可采用的方法也更多,最常用的方法是將運行數(shù)據(jù)與正常運行數(shù)

4、據(jù)庫進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,就應(yīng)分析原因,盡快找出判處故障的方案,這就要求用于確診和預(yù)測故障的數(shù)據(jù)據(jù)庫必須完善。2.2故障診斷的發(fā)展方向目前,我國的數(shù)控機(jī)床設(shè)備的運行依然靠的是人工檢查和維護(hù),一般地,只對數(shù)控機(jī)床設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù),而維修是依照定期的小修、中修、大修的程序進(jìn)行,這樣容易造成過度維修和事后維修。要改變此種弊端,就必須加強(qiáng)對設(shè)備的監(jiān)視診斷。設(shè)備的監(jiān)視診斷技術(shù)的發(fā)展包括三個歷程,一是簡單檢測階段,主要用傳感器和指示儀表箱檢測顯示信號,由人進(jìn)行讀數(shù)判斷;二是智能檢測階段,主要用具有一定分析能力的故障診斷儀和后處理器完成監(jiān)控和分析,但故障診斷依然要靠人類專家進(jìn)行;三是計算機(jī)輔助和人

5、工智能監(jiān)控階段,這是設(shè)備的監(jiān)視診斷技術(shù)的主要發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求其故障診斷技術(shù)的相應(yīng)提高,這就必須研究如何實現(xiàn)監(jiān)視診斷的自動化和智能化,以數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和診斷是一個很好的途徑。建立基于因特網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與設(shè)備故障診斷系統(tǒng)是確保系統(tǒng)可靠性的重要技術(shù)。通過包括各種傳感器、采樣保持電路、隔離放大裝置和轉(zhuǎn)換器等的現(xiàn)43精密制造與自動化場數(shù)據(jù)采集器把采集到的信息數(shù)據(jù)經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器處理后,傳給控制中心計算機(jī),經(jīng)計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)異常的工況或變壞的運行特性,完全可能發(fā)現(xiàn)故障。目前計算機(jī)技術(shù)已十分成熟,故數(shù)控機(jī)床設(shè)備故障自動診斷在技術(shù)上是可行的。由于故障診斷涉及到多學(xué)科的應(yīng)用,包

6、括設(shè)備的故障處理、故障診斷理論和方法(力學(xué)、數(shù)學(xué)、振動和機(jī)械工程、傳感器與檢測技術(shù)、信號分析與數(shù)據(jù)處理、自動控制、系統(tǒng)辨識、人工智能和計算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域,既有理論問題,又有實際工程問題,故有一定的難度。遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)具有的功能:現(xiàn)場監(jiān)測診斷服務(wù)器及其前處理器實現(xiàn)診斷信息提取、存儲、備份,信息加工等,遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實現(xiàn)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸,遠(yuǎn)程診斷中心實現(xiàn)信息的接收、分析診斷、信息回傳等。這里所使用的主要技術(shù)包括監(jiān)測信息的提取、數(shù)據(jù)據(jù)壓縮編碼及解碼、數(shù)據(jù)的傳輸以及故障診斷技術(shù)等。3.數(shù)控機(jī)床設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)成和實現(xiàn)本系統(tǒng)由四層構(gòu)成,即現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站、監(jiān)測診斷服務(wù)器和遠(yuǎn)程網(wǎng)

7、絡(luò)服務(wù)器。數(shù)控機(jī)床設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1 。圖13.1現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多路信號采集卡和相應(yīng)的調(diào)理電路組成,其主要包括各種傳感器和采集卡(如振動信號并行采集卡、溫度信號采集卡、轉(zhuǎn)速采集卡等,采樣保持電路、隔離放大裝置和轉(zhuǎn)換器等。在數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部位根據(jù)需要安裝不同的高精度傳感器,在線獲取振動、溫度、轉(zhuǎn)速等設(shè)備運行狀態(tài)信息。對振動信號,可采用加速度傳感器拾取。對溫度信號,可用溫度信號采集卡采集。電流、電壓信號可經(jīng)轉(zhuǎn)換后接入。3.2現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站用單片機(jī)平行等速采樣法對各種信號進(jìn)行采樣處理,用工控機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的綜合和判斷報警。針對不同工作狀態(tài),可以

8、對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理,正常運行時,系統(tǒng)每隔一定的時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次保存和發(fā)送,作為設(shè)備的正常運行記錄,異常警報時,系統(tǒng)自動保存警報前后一段時間的運行數(shù)據(jù),發(fā)出警報信息并顯示異常的具體部位和幅值,還可根據(jù)情況給出簡單的處理方案,為分析故障提供科學(xué)依據(jù),技術(shù)人員分析并供現(xiàn)場操作工參考是否停止工作?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器是該系統(tǒng)的核心部件,系統(tǒng)直接面向操作人員進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)視,監(jiān)測的實時性和顯示的直觀性是該系統(tǒng)的兩個重要指標(biāo)。其軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分:信號獲取模塊,信號處理模塊,數(shù)據(jù)管理模塊和通訊模塊。信號獲取模塊針對不同的信號特點,分開進(jìn)行設(shè)計,信號處理模塊可對信號進(jìn)行動態(tài)特性分析(Bode 圖,時域分析

9、(自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、頻域分析(FF T 變換、小波變換、譜分析等,也可進(jìn)行各種趨勢分析和預(yù)報;數(shù)據(jù)管理模塊根據(jù)不同對象的故障機(jī)理研究、模式試驗和計算機(jī)仿真等方法,優(yōu)選出設(shè)備的運行參數(shù),建立功能完善的故障庫,并可進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取、圖表的生成及存儲、打印、修改、口令設(shè)置等;通訊模塊實現(xiàn)和監(jiān)測診斷服務(wù)器之間的信息傳輸,包括信息的上傳和信息的接收。3.3監(jiān)測診斷服務(wù)器監(jiān)測診斷服務(wù)器是一個智能診斷決策系統(tǒng)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站傳來的信息,在這里經(jīng)進(jìn)一步的處理,針對異常信息,在數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)知識庫中檢索匹配的解決方案,并利用邏輯推理和數(shù)字分析相結(jié)合的方式,結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜抑R和設(shè)備歷史檔案進(jìn)行分析

10、,做出進(jìn)一步的診斷。監(jiān)測診斷服務(wù)器包括數(shù)據(jù)通訊、知識庫管理、數(shù)據(jù)庫管理、推理機(jī)、工況分析和診斷等功能。各個任務(wù)模塊相互聯(lián)系、相互制約、共同服務(wù)于故障檢測和診斷這一中心事件。其中數(shù)據(jù)通訊完成和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換,知識庫(下轉(zhuǎn)第9頁先在床身結(jié)構(gòu)設(shè)計時對其結(jié)構(gòu)、筋板等進(jìn)行了合理安排使其具有較高的剛性;另外對立柱設(shè)計采用框型結(jié)構(gòu),使其具有很高的結(jié)構(gòu)剛性,保證在加工過程中的變形量很小。在其它各個零部件設(shè)計中也都充分注意了盡量加強(qiáng)機(jī)床的剛性。所以本機(jī)床的整體剛性達(dá)到了較高的水平。機(jī)床采用了最新型的SIEM ENS840D五軸二聯(lián)動CNC系統(tǒng),控制分度頭的分度和工作臺、拖板磨頭、修

11、整器二個軸的進(jìn)給,配合數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的PLC程序控制器進(jìn)行機(jī)床的全自動磨削循環(huán)和砂輪自動修整。同時運用SIEM ENS840D這一開放式的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了專用軟件的二次開發(fā),建立復(fù)雜曲面的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行軟件編程,通過數(shù)控系統(tǒng)控制,實現(xiàn)復(fù)雜曲面砂輪的自動修整和工件的磨削。本項目的軟件開發(fā)通過SIEM ENS840D自帶的MMC103OEM開發(fā)環(huán)境來完成,主要是實現(xiàn)用戶界面設(shè)定工作,同時在用戶程序與數(shù)控系統(tǒng)之間起一個橋梁作用,可以根據(jù)特定的需要設(shè)計適合的界面,把用戶自己開發(fā)的程序嵌入系統(tǒng)中。(上接第35頁管理便于用戶對知識庫的日常維護(hù)和管理,數(shù)據(jù)庫管理提供給用戶設(shè)備運行的正常和異常數(shù)據(jù),用戶也可以對

12、數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù),推理機(jī)根據(jù)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行推理,并結(jié)合工況分析和診斷模塊進(jìn)行故障診斷。3.4遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是一個廣泛的故障診斷處理系統(tǒng),包括數(shù)控機(jī)床設(shè)備總裝廠售后服務(wù)中心服務(wù)器、配件提供企業(yè)技術(shù)服務(wù)中心服務(wù)器、同型號數(shù)控機(jī)床設(shè)備使用企業(yè)技術(shù)中心服務(wù)器、地域網(wǎng)絡(luò)診斷中心服務(wù)器和上級部門技術(shù)服務(wù)中心服務(wù)器等。在監(jiān)測診斷服務(wù)器的基礎(chǔ)上,通過國際互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸,使得異地專家系統(tǒng)尤其是數(shù)控機(jī)床設(shè)備總裝廠技術(shù)人員能參與本地設(shè)備的診斷與處理,便于實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床設(shè)備的及時異地協(xié)同診斷,以彌補(bǔ)單個診斷系統(tǒng)在領(lǐng)域知識上的不足,以提高數(shù)控機(jī)床設(shè)備故障診斷的可靠性和智能化水平。4數(shù)控機(jī)

13、床設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的運行模式現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站支持日常的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和常見的故障診斷,當(dāng)出現(xiàn)不能解決的故障時,請求監(jiān)測診斷服務(wù)器的診斷中心專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷,診斷結(jié)果回傳至現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作站,更重大的故障發(fā)生時,監(jiān)測診斷服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的專家系統(tǒng)及領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行多方會診,并把新的診斷規(guī)則通過互聯(lián)網(wǎng)下傳,更新監(jiān)測診斷服務(wù)器的診斷中心專家系統(tǒng),保證設(shè)備故障的及時解決。診斷中心可充分利用互聯(lián)網(wǎng)和開放式專家系統(tǒng),實現(xiàn)診斷的自學(xué)習(xí)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器也可根據(jù)實際情況,及時下傳新的信息給用戶端,使用戶端及時獲取新的資源,高效率的完成系統(tǒng)及設(shè)備的維修服務(wù)任務(wù)。5結(jié)束語對數(shù)控機(jī)床

14、設(shè)備安全周期可靠性的要求迫使維修方式從傳統(tǒng)的維修方式轉(zhuǎn)到預(yù)報及主動維修的方式,以避免設(shè)備出現(xiàn)大的故障,建立基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)是解決問題的行之有效方法。目前,數(shù)控機(jī)床設(shè)備智能診斷系統(tǒng)的應(yīng)用還存在一定的困難,其中還有值得討論和有待解決的技術(shù)問題,這包括故障診斷技術(shù)本身要解決的問題及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)軟件技術(shù)的問題。但是,借助于Internet及其應(yīng)用技術(shù),準(zhǔn)確、及時、有效的實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷是可以實現(xiàn)的。ABSTRACT&KEYWORDSNO.42004A kind of PCB NC42axisDrilling2Milling MachineAbstract:PCB NC42

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