基于网络的数控机床设备远程故障诊断技术的框架研究

基于网络的数控机床设备远程故障诊断技术的框架研究
万宏强12　姚敏茹1
(1西安工业学院机电工程学院,710032)(2西北工业大学,710072)
摘　要　本文分析了数控机床设备故障诊断中目前存在的问题,探讨了设备故障诊断技术的发展方向,并论述了数控机床设备的远程故障检测诊断技术及其实现方法。

关键词　数控机床　远程监测　故障诊断
1.引言
随着我国经济的发展和生产率的提高,对机床
设备的需求愈来愈向自动化、数控化、高精度等方面发展。

以数控机床设备为主体的生产车间及生产厂大量出现,为我国机械加工技术的提高提供了良好的基础条件。

但由于数控机床设备是集机、电、液、气、计算机技术于一体的高技术含量的设备,其运行过程中不可避免地存在各种故障,而使用厂家又不可能都有技术力量及时发现故障原因并有效排除,致使数控机床设备正常运行受到影响,生产效率降低,尤其是进口设备影响会更大,甚至长期不能修复。

如何保证数控机床设备的正常运行,怎样及时发现故障,甚至提前发现故障的征兆,都是亟待解决的问题。

设备故障诊断的研究和应用,对控制修复、故障排除、故障预防都有十分重要的意义。

国外对此非常重视,早在20世纪60年代就已开始研究,某些技术已应用于实际工程,我国对设备故障诊断的研究起步较晚。

因此,积极开展设备故障诊断的理论和方法的研究,并开发用于工程的故障诊断系统非常必要。

2.数控机床设备故障诊断技术
2.1　概述
数控机床设备故障诊断技术包括两个层次:故障监测与故障诊断,通常合在一起统称故障监测和诊断(FDD )。

设备故障诊断采用两种途径:从上至下或从下至上。

从上至下就是对整台设备从大系统到子系统按层次进行诊断,如与典型的设备故障数据库中的数据进行比较,与正常工况下的设备运行数据进行比较。

从下至上就是针对现场的局部设备
和个别元部件进行诊断,如润滑油液的成分、刀具的温升、磨损等。

故障监测是采集数控机床设备运行参数的异常数据,根据这些数据可确定数控机床设备是否已出现故障或将要出故障。

非正常工况可能出现在整个运行期间,也可能只在某种特定条件下产生。

故障诊断比故障检测更重要,其难度也更大,可采用的方法也更多,最常用的方法是将运行数据与正常运行数据库进行比较。

如果发现数据出现异常,就应分析原因,尽快找出判处故障的方案,这就要求用于确诊和预测故障的数据据库必须完善。

2.2　故障诊断的发展方向
目前,我国的数控机床设备的运行依然靠的是人工检查和维护,一般地,只对数控机床设备进行日常维护,而维修是依照定期的小修、中修、大修的程序进行,这样容易造成过度维修和事后维修。

要改变此种弊端,就必须加强对设备的监视诊断。

设备的监视诊断技术的发展包括三个历程,一是简单检测阶段,主要用传感器和指示仪表箱检测显示信号,由人进行读数判断;二是智能检测阶段,主要用具有一定分析能力的故障诊断仪和后处理器完成监控和分析,但故障诊断依然要靠人类专家进行;三是计算机辅助和人工智能监控阶段,这是设备的监视诊断技术的主要发展方向。

数控机床生产技术的发展要求其故障诊断技术的相应提高,这就必须研究如何实现监视诊断的自动化和智能化,以数控机床实现远程监测和诊断是一个很好的途径。

建立基于因特网的远程监控与设备故障诊断系统是确保系统可靠性的重要技术。

通过包括各种传感器、采样保持电路、隔离放大装置和转换器等的现
・
43・《精密制造与自动化》
场数据采集器把采集到的信息数据经现场数据采集器处理后,传给控制中心计算机,经计算机对数据进行分析,根据异常的工况或变坏的运行特性,完全可能发现故障。

目前计算机技术已十分成熟,故数控机床设备故障自动诊断在技术上是可行的。

由于故障诊断涉及到多学科的应用,包括设备的故障处理、故障诊断理论和方法(力学、数学、振动和机械工程)、传感器与检测技术、信号分析与数据处理、自动控制、系统辨识、人工智能和计算机技术等领域,既有理论问题,又有实际工程问题,故有一定的难度。

远程故障诊断系统具有的功能:现场监测诊断服务器及其前处理器实现诊断信息提取、存储、备份,信息加工等,远程网络服务器实现远距离网络传输,远程诊断中心实现信息的接收、分析诊断、信息回传等。

这里所使用的主要技术包括监测信息的提取、数据据压缩编码及解码、数据的传输以及故障诊断技术等。

3.数控机床设备远程故障诊断系统的构成和
实现
本系统由四层构成,即现场数据采集系统、现场数据采集工作站、监测诊断服务器和远程网络服务器。

数控机床设备远程故障诊断系统的构成见图1。

图1
3.1　现场数据采集系统
现场数据采集系统由多路信号采集卡和相应的
调理电路组成,其主要包括各种传感器和采集卡(如振动信号并行采集卡、温度信号采集卡、转速采集卡等),采样保持电路、隔离放大装置和转换器等。

在数控机床的关键部位根据需要安装不同的高精度传感器,在线获取振动、温度、转速等设备运行状态信
息。

对振动信号,可采用加速度传感器拾取。

对温度信号,可用温度信号采集卡采集。

电流、电压信号
可经转换后接入。

3.2　现场数据采集工作站
现场数据采集工作站用单片机平行等速采样法对各种信号进行采样处理,用工控机实现数据信息的综合和判断报警。

针对不同工作状态,可以对数据进行不同处理,正常运行时,系统每隔一定的时间对数据进行一次保存和发送,作为设备的正常运行记录,异常警报时,系统自动保存警报前后一段时间的运行数据,发出警报信息并显示异常的具体部位和幅值,还可根据情况给出简单的处理方案,为分析故障提供科学依据,技术人员分析并供现场操作工参考是否停止工作。

现场数据采集器是该系统的核心部件,系统直接面向操作人员进行现场监视,监测的实时性和显示的直观性是该系统的两个重要指标。

其软件系统主要包括以下几个部分:信号获取模块,信号处理模块,数据管理模块和通讯模块。

信号获取模块针对不同的信号特点,分开进行设计,信号处理模块可对信号进行动态特性分析(Bode 图),时域分析(自相关函数、互相关函数)、频域分析(FF T 变换、小波变换、谱分析)等,也可进行各种趋势分析和预报;数据管理模块根据不同对象的故障机理研究、模式试验和计算机仿真等方法,优选出设备的运行参数,建立功能完善的故障库,并可进行数据的提取、图表的生成及存储、打印、修改、口令设置等;通讯模块实现和监测诊断服务器之间的信息传输,包括信息的上传和信息的接收。

3.3　监测诊断服务器
监测诊断服务器是一个智能诊断决策系统。

现场数据采集工作站传来的信息,在这里经进一步的处理,针对异常信息,在数控机床故障诊断专家系统知识库中检索匹配的解决方案,并利用逻辑推理和
数字分析相结合的方式,结合领域专家知识和设备历史档案进行分析,做出进一步的诊断。

监测诊断服务器包括数据通讯、知识库管理、数据库管理、推理机、工况分析和诊断等功能。

各个任务模块相互联系、相互制约、共同服务于故障检测和诊断这一中心事件。

其中数据通讯完成和现场数据采集工作站及远程网络服务器的数据交换,知识库
(下转第9页)
先在床身结构设计时对其结构、筋板等进行了合理安排使其具有较高的刚性;另外对立柱设计采用框型结构,使其具有很高的结构刚性,保证在加工过程中的变形量很小。

在其它各个零部件设计中也都充分注意了尽量加强机床的刚性。

所以本机床的整体刚性达到了较高的水平。

机床采用了最新型的SIEM ENS840D五轴二联动CNC系统,控制分度头的分度和工作台、拖板磨头、修整器二个轴的进给,配合数控系统内置的PLC程序控制器进行机床的全自动磨削循环和砂轮自动修整。

同时运用SIEM ENS840D这一开放式的数控系统进行了专用软件的二次开发,建立复杂曲面的数学模型,并进行软件编程,通过数控系统控制,实现复杂曲面砂轮的自动修整和工件的磨削。

本项目的软件开发通过SIEM ENS840D自带的MMC103OEM开发环境来完成,主要是实现用户界面设定工作,同时在用户程序与数控系统之间起一个桥梁作用,可以根据特定的需要设计适合的界面,把用户自己开发的程序嵌入系统中。

(上接第35页)
管理便于用户对知识库的日常维护和管理,数据库管理提供给用户设备运行的正常和异常数据,用户也可以对数据进行管理和维护,推理机根据设备的运行数据进行推理,并结合工况分析和诊断模块进行故障诊断。

3.4远程网络服务器
远程网络服务器是一个广泛的故障诊断处理系统,包括数控机床设备总装厂售后服务中心服务器、配件提供企业技术服务中心服务器、同型号数控机床设备使用企业技术中心服务器、地域网络诊断中心服务器和上级部门技术服务中心服务器等。

在监测诊断服务器的基础上,通过国际互联网实现数据的远距离传输,使得异地专家系统尤其是数控机床设备总装厂技术人员能参与本地设备的诊断与处理,便于实现对数控机床设备的及时异地协同诊断,以弥补单个诊断系统在领域知识上的不足,以提高数控机床设备故障诊断的可靠性和智能化水平。

4数控机床设备远程故障诊断系统的运行模式
现场数据采集系统、现场数据采集工作站支持日常的设备状态监测和常见的故障诊断,当出现不能解决的故障时,请求监测诊断服务器的诊断中心专家系统进行诊断,诊断结果回传至现场数据采集工作站,更重大的故障发生时,监测诊断服务器通过互联网和远程网络服务器的专家系统及领域专家进行多方会诊,并把新的诊断规则通过互联网下传,更新监测诊断服务器的诊断中心专家系统,保证设备故障的及时解决。

诊断中心可充分利用互联网和开放式专家系统,实现诊断的自学习。

远程网络服务器也可根据实际情况,及时下传新的信息给用户端,使用户端及时获取新的资源,高效率的完成系统及设备的维修服务任务。

5结束语
对数控机床设备安全周期可靠性的要求迫使维修方式从传统的维修方式转到预报及主动维修的方式,以避免设备出现大的故障,建立基于网络的远程故障诊断系统是解决问题的行之有效方法。

目前,数控机床设备智能诊断系统的应用还存在一定的困难,其中还有值得讨论和有待解决的技术问题,这包括故障诊断技术本身要解决的问题及网络技术和计算机软件技术的问题。

但是,借助于Internet及其应用技术,准确、及时、有效的实现数控机床远程故障诊断是可以实现的。

ABSTRACT&KEYWORDS　NO.42004
A kind of PC
B NC42axis
Drilling2Milling Machine
Abstract:PCB NC42axis drilling2milling machine is a kind of mechanical2electeic integrative product,which is NC32axis linkage machine for machine PCB (Printed Circuit Board).The machine tool adopts the advanced linear rolling track,high2precise ball screw and AC servo motor,involving micro2electron,com2 prter,arto control,precise mechanics,and image pro2 cessing.It has high comprehension,tehnology and knowledge,suiable for profile2machining if high2pre2 cise PCB.
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Temp erature Field for H igh2Sp eed Spindle
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