CN102478825A - 数控机床远程监测与故障诊断系统实现方法 - Google Patents

Abstract

数控机床远程监测与故障诊断系统实现方法，属于数控机床系统、信息处理、网络技术、工业控制技术领域，涉及数字控制技术、远程测控、故障诊断、网络通讯、自动控制和信号处理，主要是利用现代远程测控技术和故障诊断分析技术，结合数控机床状态监测和故障诊断的特点，建立了一个新型的基于有线和无线互联网络的数控机床远程监测与故障诊断系统实现方法。

Description

数控机床远程监测与故障诊断系统实现方法

技术领域

 本发明属于数控机床系统、信息处理、网络技术、工业控制技术领域，涉及数字控制技术、远程测控、故障诊断、网络通讯、自动控制和信号处理，主要是利用现代远程测控技术和故障诊断分析技术，结合数控机床状态监测和故障诊断的特点，建立了一个数控机床远程监测与故障诊断系统实现方法。

背景技术

数控机床是一种集机、电、液于一身的现代机电设备。数控技术本身的复杂性，工艺的多样性和加工零件的复杂性，使数控系统的规格、品种繁多，性能差异极大，控制参数复杂，调试操作繁琐，因此，一旦数控机床发生故障，对其进行故障诊断和维修将是一项专业性很强的工作，很多时候必须依靠数控机床生产厂家的支持才能解决。这样就导致故障机床经常得不到及时的维修，延长了故障停机时间，降低了数控机床的生产效率。另一方面，这也使得一些数控系统生产厂家的技术人员疲于奔命，从而增加了企业售后服务成本。

    随着计算机网络技术的飞速发展，以及制造行业中先进制造技术的广泛推广，很多企业已经建立了自己的制造信息化网络平台，实现了计算机和各种生产设备的联网。现在，大多数的数控系统生产厂家在白己生产的数控系统中集成了智能化网络接口，支持数控系统与企业局域网，或者全球互联网的联接，这就为使用网络来对数控机床进行远程状态监测和故障诊断奠定了基础。

    本系统采用先进的远程测控技术和故障检测／分析／处理技术，以互联网和无线网络为基础，实现新一代的机电产品生产企业售后服务体系。生产企业通过本项目完成的远程状态诊断终端和故障处理中心，可以“足不出户”就在线、实时获得其售出产品的电气、机械运行状态、早期潜在故障和已发故障信息，从而指导产品使用企业维修人员快速维修，或者派遣针对性极强的少量专业售后服务人员完成故障处理和维修工作。对于产品生产企业，采用这种新的售后服务方式，可以大大减少售后维修服务的工作量和产生的费用，大火提高售后服务反应速度，并大幅度降低产品维修时间，这对于产品生产企业提高售后服务质量和效率，扩大企业知名度具有非常重要的意义；而对丁二使用产品的企业，这种新型的方式将有效实现预检、预测，从而有效避免严重故障的出现，同时大大降低故障处理和设备维修的时间，大幅度降低了设备停机检修、维修的时间，实现了连续、在线的设备状态检测，对于尽量减少停机、停工来处理故障的问题带米崭新的解决方法。

发明内容

基于有线和无线互联网络的数控机床远程监测与故障诊断系统主要分为以下二个部分：一是数控机床状态监测和故障预处理终端，主要完成数控机床现场的状态监测和故障信息预处理功能，安置在数控机床上；二是远程故障诊断中心，主要实现专家系统故障分析和诊断的功能，安置在数控机床厂家的服务器上。以下结合附图l予以说明。

    附图1中左边部分为数控机床现场的结构，用于状态监测和故障诊断的核心部件是数控机床状态监测和故障预处理终端，该终端通过电气适配接口(包含信号调理部分)与振动传感器(加速度传感器)、压

力传感器、温度传感器、电压与电流传感器等连接，这些传感器直接安装在数控机床主要部位(如主轴／进给轴及轴承，电机，液压传动部件，传动箱等)，直接在线检测这些部位的关键信息；同时通过数控系统智能通讯接口，获得数控系统各种电气状态数据和出现的故障代码，综合进行各种数据的预处理，并利用状态分析和故障处理技术，形成状态数据和故障数据包，并在出现故障或潜在故障的时候，利用网络将该数据包发送到数控机床生产厂家的远程故障诊断中心，完成远程状态监测和故障诊断终端的功能。

    附图1中右边部分为位于数控机床厂家的远程故障诊断中心，该平台通过INTERNET或无线网络在线获得各台数控机床状态监测终端的状态数据和故障代码包，转存入每台数控机床的工作数据库，同时利用专家系统故障诊断库，进行故障分析，并可以采用虚拟专家远程会诊的方式，判断故障内容，并提供处理建议或方法，指导数控机床使用单位技术维修人员或本厂售后维修人员进行数控机床的维修。  

附图说明

    附图1为基于有线和无线互联网络的数控机床远程监测与故障诊断系统的结构图。

具体实施方式

    1．下面首先分别介绍两个主要部分的具体实施方式：

    1)数控机床状态监测和故障预处理终端

    数控机床状态监测和故障预处理终端主要完成四个部分的功能，分别为监测功能、与数控系统的信息通讯功能、状态数据及故障数据预处理功能、远程通讯功能。

    第一个功能是针对能反映数控机床运动状态和加工过程状态的主要信号进行监测，监测对象多为主轴、进给轴、液压气动设备等，状态监测的信号主要分为功率、振动、压力、流量和温度等。

●  功率信号监测是通过监测数控机床的输入电压和电流等参数，对加工过程状态进行监测，这些参数反映主轴电机、进给电机、传动部件、切削部位的工作状态，其优点是抗干扰能力强，易于获得。监测的电参数主要有：

    A)主轴电机：电网电压U，电流I_m，计算功率Pm=UI_m；

    B)其它轴进给电机：电网电压U，电流I_x，计算功率Px=UI_x；

●  振动信号的监测是最常用的监测参数，振动信号包含了比较丰富的故障信息。振动信号监测提取的加速度信号a_ij(ij表示j部位i轴)为：

    A)主轴部位，进给轴加速度信号：a_xm，a_ym，a_zm。

B)其它轴传动部位，进给轴加速度信号：a_xx ,a_yx ,a_zx；

●温度、压力和流茸信号可以反映主轴电机、主轴箱在加工过程中的负载、磨损、润滑等变化。漏度、压力和流量等信号监测提取的信号为：

A)主轴部位：主轴电机温度T_m，主轴箱油温T。；

B)进给轴部位：其他进给轴进给电机温度T_x，T_y，T_z…… ；

C)压力部位：气动夹紧装置的气源压力P₁，旋转装置的液压源压力P₂，液压进给传动装置的液压源压力P₃ ；

D)流量部位：液压系统中相关部分流量信号第二个功能是与数控系统或PLC进行通讯，利用数控系统或PLC的实时通讯接口(比较常用的是采用RS232／485接口)获取电气控制系统内部信息和接口工作状态信息，同时获取数控系统或PLC内部产生的故障信息；

第三个功能是针对获得的各种参数、数据和信息，综合进行故障分析预处理，在发现可能出现或者已经出现故障的情况下，产生状态数据和故障数据包，如在各监测信号出现超限或者不平稳的状况下，以及数控系统已经报出故障等情况下。信号预处理模块针对不同的信号特点，可对信号进行时域分析(无量纲指标、概率密度、自相关函数、互相关函数)、频域分析(功率谱、倒谱)、时频分析(小波变换)以及瞬态分析(Bode图、极坐标图)，也可进行各种趋势分析和预报。

第四个功能是建立与数控机床生产工家远程故障诊断中心的INTFRNET或无线网络联接，有效并可靠地将状态数据和故障数据包传输至远程故障诊断平台的数据服务器。

2)远程故障诊断中心

远程诊断中心是整个远程故障诊断系统的核心，它主要由远程诊断服务程序和诊断专家系统组成。

远程诊断服务程序由网络通讯，故障分析诊断、用户管理、知识库管理以及远程协作管理等模块组成。

其中，网络通讯模块实现了状态监测和故障诊断终端、异地主机与远程诊断中心的信息交流，它是整个远程诊断系统的基石。故障分析、诊断模块可实现在线故障分析、故障诊断、离线信号分析和信息查询等服务。在本系统中，故障分析、诊断模块的核心组成部分是一个建立在基于设备信息的故障诊断专家系统。用户管理模块负责整个系统的用户注册，用广]验证等工作。知识库管理模块的主要功能就是负责知识的添加、整理并满足故障分析、诊断模块对知识的需要。对任何一个专家系统来说，知识的重要性是不言自明的。以往的基于单机的专家系统，其知识主要靠人工先行输入，由于“临床”的机会少，自行积累知识困难，所以其知识相对不足，诊断的可靠性难以得到保证。远程故障诊断系统成功地解决了这个问题，对诊断中心来说．遍布各地的设备，一旦发生故障，都会求诊于诊断中心，大大地增加了其“临床”机会，增加了知识的积累。同时，诊断中心的专家可以随时方便地向知识库中增加自己的知识，对知识库进行整理，使诊断变得更有效。远程协作管理模块的主要作用是为远程咨询诊断提供一个网络平台。当系统辅助诊断不能获得满意的结果或者客户对系统辅助诊断的结果不满意的情况下，远程协作管理模块将设各故障信息、系统辅助诊断获得的结果等发送给预设的专家，并可以根据专家的要求，建立专家与生产现场的通信连接，使得专家能够与现场设备和技术人员之问进行信息的交互，获得更充分的诊断信息。

2．下面分别介绍主要软、硬件模块配置及功能：

1)数控机床状态监测和故障预处理终端

  A)  硬件配置

  数控机床状态监测和故障预处理终端主要由嵌入式计算机(包含信号多功能采集模块)、信号调理模块、各种传感器(加速度传感器、压力传感器、温度传感器、电压和电流传感器等)、电源模块组成。

    ●嵌入式计算机

    嵌入式计算机可采用多种工业级嵌入式计算机系统，配以信号多功能采集模块完成主控功能。

    ●信号调理模块

    信号调理模块主要完成加速度、压力、温度、电压、电流等传感器输出信号的放大、衰减、隔离、滤波、多路复用、激励、补偿等功能。主要包括以下部分，可以根据具体技术要求进行选择配置。

    测速、锁相倍频、跟踪同步模块

    跟踪滤波模块

    交流、直流分离与低通滤波放大模块

    电荷放大与低通滤波模块

    低通滤波、放大模块

    电流一电压转化模块

    放大模块

    热电偶调理模块

    热电阻调理模块

 ●传感器

主要包括加速度、压力、温度、电压、电流等传感器，根据数控机床具体技术要求选择配置。

  ●电源模块

  主要完成整套终端的不间断供电功能。

  B) 软件配置

状态监测和故障预处理终端软件包括信号采集功能软件模块、NC通讯功能软件模块、状态数据与故障预处理功能软件模块、远程通讯模块四个部分。主要功能包括：

（1）统参数设置功能：设置信号凋理箱的程控滤波、增益等参数；设置触发方式、采样频率、采样长度等参数：设置报警方式、报警门限及报警存盘参数；设置各种数据保存路径、保存时间间隔；设置机械零部件特征参数等设备状态参数；

（2）运动参数监测功能：监测各转动轴转速、轴位移、振动量；

（3）功率参数监测功能：监测各电机电压、电流信号，并合成功率信号；

（4）压力参数监测功能：监测各液压部件压力参数；

（5）温度参数监测功能：监测各点温度传感器输出信号；

（6）运行趋势监测功能：监测各点振动量；

（7）频谱监测功能：监测振动波形、峰峰值、频谱与谱值列表；

（8）数据定时存储功能：当设备正常运行时，系统每5分钟向数据缓存区保存一次振动信号，每5秒保存一次振动特征值。

数据报警存储功能：当设备山现异常时声光报警并把振动量和工艺量分别存储到分析机的报警数据库中。系统可以存储报警前后各5分钟的数据。

起停机监测功能：在设备开机或停机时使用。采样存盘方式分为定转速间隔采样存盘、定时间隔采样存盘和手动采样存盘。

NC／PLC信息监测功能：利用RS232等智能接口获取控制信息和故障代码故障预处理功能：利用各种监测信息，结合数控系统故障代码字典，综合判断设各状态是否正常，如山现潜在故障或真实故障，形成状态数据和故障代码数据包。

远程通讯功能：与远程故障诊断中心进行网络联接，于f=传送状态数据和故障代码数据包，也可以接受远程故障诊断中心指令，进行终端内部参数配置等其它工作。

2)远程故障诊断中心

  A)硬件配置

  远程故障诊断中心硬件包括状态数据和故障信息数据库服务器、远程诊断服务器、数据通讯服务器(包括防火墙)等组成。

  可按具体技术要求进行选择配置。

  B)软件配置

  远程诊断中心软件主要通过获取数控机床状态监测和故障预处理终端发回的状态数据和故障数据包，进行故障分析和判断，并提供建议解决方法，指导维修工作。该软件包括数据库管理功能、智能专家系统诊断功能、远程协作功能、远程通讯功能四部分。

    （1）数据库管理功能

    数据库管理功能主要是完成远程诊断中心软件的相关数据库管理功能，包括检索、排序、编辑等，同时具备自学习的数据库内容补充功能。

    （2）智能专家系统诊断功能

    智能专家系统诊断功能主要是在接收到数摔机床状态监测和故障预处理终端发回的状态数据和故障数据包后，根据数控系统故障字典和机械故障信息字典，利用专家知识库和智能分析系统进行控

制系统、电气和机械部分的综合故障定位和分析。

    ①控制系统和电气部分的综合故障定位与分析

    控制系统和电气部分的综合故障定位与分析主要针对数控机床状态监测和故障预处理终端发回的状态数据和故障数据包中NC和PLc发送的数控机床控制系统和电气状态信息、故障代码，以及功率信号信息、液压部件反馈信号信息和温度信息进行分析，故障类型主要包括以下几个方面：

    ◇系统供电问题；

    ◇操作代码问题；

    ◇运动或加工参数设置问题：

    ◇位移传感器反馈问题；

    ◇伺服控制系统问题；

    ◇主轴报警问题；

    ◇断线报警问题；

    ◇串行通讯问题；

    ◇系统过热问题；

    ◇主轴速度波动问题

  ②机械部分综合故障定位和分析利用振动信号，结合其他传感器反馈信号，应用传统的时域或频域分析方法，并结合现代小波分析方法，主要分析设备故障诊断中的平稳和非平稳信号。通过对它们的综合使用，可以有效捕捉到振动信号中包含的故障信息。这些功能包括：

    ◇波形分析(时基图分析)

    ◇统计特征分析(包括均值、方差、偏斜度、峭度和概率密度分析)

    ◇相关分析(包括自相关和互相关函数分析)

    ◇回归分析

    ◇频谱分析(包括幅值谱、功率谱，相位谱)

    ◇ 高精度幅值频谱和功率频谱

    ◇倒频谱分析；

    ◇ 高精度对数功率频谱；

    ◇三维Wigner图分析；

    ◇时域细化分；

    ◇选频细化分析；

    ◇聚类分析；

    ◇原始轴心轨迹、提纯轴心轨迹；

    ◇轴心位置分析；

    ◇双通道、四通道波形和频谱分析；

    ◇图表剪贴、打印；

    ◇设备振动特征量趋势分析；

  ◇小波分析；

  ◇小波包分析；

  ◇小波包自回归谱分析；

  ◇与跟踪滤波模块结合，测量转速、选频振幅和相位；

  ◇振型圆分析，计算不平衡相位；

  ◇进行影响系数和没有影响系数时的振动平衡重量；

  ◇估算加重后的残余振动；

   智能自动诊断模块具有自学习功能，随着在现场的进一步使用，系统将提高故障识别的准确率。

③远程协作功能

远程协作功能首先是在以上故障诊断、定位和分析工作完成后，远程故障诊断中心将把诊断结果和建议维修方法远程反馈给数控机床使用单位；同时也可以在目前智能专家诊断系统无法进行故障定位的时候，远程联络相关专家，形成“虚拟会诊”模式，进一步进行故障诊断、定位和分析工作。

④远程通讯功能

远程通讯功能主要是利用INTERNET或无线网络，实现远程故障诊断中心与数控机床状态监测和故障预处理终端，或者其它相关诊断中心的网络联接功能。

Claims (1)

1.数控机床远程监测与故障诊断系统实现方法，其特征在于，利用现代远程测控技术和故障诊断分析技术，结合数控机床状态监测和故障诊断的特点，建立了一个新型的基于有线和无线互联网络的数控机床远程状态监测和故障诊断系统实现方法；基于有线和无线互联网络的数控机床远程状态监测和故障诊断系统主要分为以下二个部分：一是数控机床状态监测和故障预处理终端，主要完成数控机床现场的状态监测和故障信息预处理功能，安置在数控机床上；二是远程故障诊断中心，主要实现专家系统故障分析和诊断的功能，安置在数控机床厂家的服务器上；用于状态监测和故障诊断的核心部件是数控机床状态监测和故障预处理终端，该终端通过电气适配接口(包含信号调理部分)与振动传感器(加速度传感器)、压力传感器、温度传感器、电压与电流传感器等连接，这些传感器直接安装在数控机床主要部位(如主轴／进给轴及轴承，电机，液压传动部件，传动箱等)，直接在线检测这些部位的关键信息；同时通过数控系统智能通讯接口，获得数控系统各种电气状态数据和出现的故障代码，综合进行各种数据的预处理，并利用状态分析和故障处理技术，形成状态数据和故障数据包，并在出现故障或潜在故障的时候，利用网络将该数据包发送到数控机床生产厂家的远程故障诊断中心，完成远程状态监测和故障诊断终端的功能；该中心平台通过INTERNET或无线网络在线获得各台数控机床状态监测终端的状态数据和故障代码包，转存入每台数控机床的工作数据库，同时利用专家系统故障诊断库，进行故障分析，并可以采用虚拟专家远程会诊的方式，判断故障内容，并提供处理建议或方法，指导数控机床使用单位技术维修人员或本厂售后维修人员进行数控机床的维修。

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