CN104391480B - 一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，属于故障诊断技术领域。本发明中的温度传感器与测温单元相连，测温单元通过RS485通信将多路温度传感器采集的多路温度信号发送至32位处理器主控板；多路振动传感器和多路噪声传感器均与数据采集卡相连，数据采集卡通过总线接口技术将采集的多路振动信号和多路噪声信号送至32位处理器主控板；故障诊断系统包括人机交互界面和监控主程序各模块，故障检测系统与人机交互界面相连接，故障维修人员和技术员通过人机交互界面进行人机互动。本发明通过将采集到的数据分析与处理后送到故障诊断系统中，分析出诊断结果，并进行人机交互，从而提高数控系统运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于数控机床故障诊断技术领域，更具体地说，涉及一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统。
背景技术
数控机床在中国发展迅速，它的精度高、经济性能好，在生产领域得到了越来越广泛的应用。数控机床主要由机床本体和数控系统两大部分组成，是一个十分复杂的系统，涉及到多个应用领域，具有技术密集和知识密集的特点，而在精密数控机床、高性能专业化数控机床、复合功能数控机床等高档数控机床的可靠性和精度保持性等方面我国与国外存在较大差距，故障预警与诊断技术的应用几乎是空白。
随着网络化、数字化进程的加快，产品制造环境发生了根本性的变化，制造企业的生产能力、产品质量和对市场需求的快速反应能力，要求设备制造商不仅要技术创新、开发新产品和提高产品质量，而且还要对产品的生产过程提供全生命周期的技术支持，以减少发生故障后给用户带来的经济损失。这一发展趋势带动了设备制造商从制造型向制造服务型转变，促使设备制造商在产品中加入必要的监测、诊断及维护功能，这从市场的角度对故障预警与诊断技术的研究和实用性提出了迫切的要求；而且高档数控机床的故障预警与诊断技术是一项具有自主知识产权、高技术、高附加值、产业关联度大的基础共性技术，将之研究成果应用到国产高档数控机床与基础制造装备上，可以提高所研制数控装置运行的可靠性和运行精度，减少数控机床故障发生率，简化维护过程，提高数控机床系统的整体性能，为拓展国产高档数控机床及基础制造设备的国内市场，提高国际竞争力创造极其有利的条件。
现有数控机床控制系统不能满足日益增加的设备在线诊断与远程维护的需要，传统控制器在技术上无法跟上先进的故障诊断技术的发展，缺乏设备运行状态监控，故障诊断功能无法实现在线对大量监测数据的采集处理与分析诊断，没有远程数据通讯功能。所以研究总线式的嵌入式智能监控技术、在线监测与故障诊断技术及远程监测技术，形成新型智能故障监控与诊断系统的结构具有重要意义。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中数控机床故障监测与诊断技术的不足，提供了一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统。采用本发明的技术方案，能够实现集数据的采集、分析、显示、故障诊断、数据存储和通讯一体，形成集成化、网络化、多信息源的综合诊断系统。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
其一，本发明的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，包括故障检测系统和故障诊断系统，所述的故障检测系统包括多路温度传感器、多路振动传感器、多路噪声传感器、测温单元、数据采集卡和32位处理器主控板，其中：所述的多路温度传感器分散安装在数控机床上不同的测温部分，温度传感器与测温单元相连，该测温单元对多路温度传感器的信号进行采样处理、存储，所述的测温单元通过RS485通信将多路温度传感器采集的多路温度信号发送至32位处理器主控板；所述的多路振动传感器分散安装在数控机床伺服电机的转子上，所述的多路噪声传感器分散安装在数控机床的加工刀具上，上述的多路振动传感器和多路噪声传感器均与数据采集卡相连，数据采集卡实时采用多路振动信号和多路噪声信号，所述的数据采集卡通过总线接口技术将采集的多路振动信号和多路噪声信号送至32位处理器主控板；
所述的故障诊断系统包括人机交互界面和监控主程序各模块，该监控主程序各模块包括知识库、推理程序、知识库管理系统、知识获取机制、解释机制和动态综合数据库，上述的故障检测系统与人机交互界面相连接，故障维修人员和技术员通过人机交互界面进行人机互动。
优选的，所述的振动传感器为Bently3500振动传感器。所述的噪声传感器为LC-ZS1噪声传感器。
其二，一种在基于专家系统的数控机床故障诊断系统中使用的测温单元。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，其多路温度传感器分散安装在数控机床上不同的测温部分，测温单元通过RS485通信将多路温度传感器采集的多路温度信号发送至32位处理器主控板；多路振动传感器分散安装在数控机床伺服电机的转子上，多路噪声传感器分散安装在数控机床的加工刀具上，数据采集卡通过总线接口技术将采集的多路振动信号和多路噪声信号送至32位处理器主控板，本发明通过总线式的数据采集与处理技术，采集到常见数控机床故障的各种信号，对于变化频率快的振动、噪声信号采用高速数据采集卡采集，为实现智能故障监控与诊断提供了数据基础；
(2)本发明的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，其故障检测系统与人机交互界面相连接，即通过将采集到的数据分析与处理后送到带有专家系统的故障诊断系统中，进行一系列的程序模块调用，分析出诊断结果，并进行人机交互，从而提高数控系统运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统框图；
图2为本发明中故障检测系统框图；
图3为本发明中故障诊断系统框图；
图4为实施例2中测温单元框图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本发明主要研究基于总线的数据采集与处理技术以及故障的智能诊断技术，获得一套带有远程故障诊断功能的数控系统智能诊断模块，实现与数控系统配合使用，从而提高数控系统运行的可靠性。结合图1、图2和图3所示，本实施例的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，包括多传感器实时数据采集的故障检测系统和在对采集数据进行处理与智能化分析的技术上开发一个基于专家系统的故障诊断系统。图1中的传感器包括温度传感器、振动传感器和噪声传感器；信号采集包括温度信号、振动信号、噪声信号的采集，其中：温度信号采集用8051控制器作为测温单元采集处理，振动、噪声信号用数据采集卡采集处理。
其中，故障检测系统包括多路温度传感器、多路振动传感器、多路噪声传感器、测温单元、数据采集卡和32位处理器主控板(如图2所示)，其中：所述的多路温度传感器分散安装在数控机床上不同的测温部分，温度传感器与测温单元相连，该测温单元对多路温度传感器的信号进行采样处理、存储，所述的测温单元通过RS485通信将多路温度传感器采集的多路温度信号发送至32位处理器主控板；所述的多路振动传感器分散安装在数控机床伺服电机的转子上，所述的多路噪声传感器分散安装在数控机床的加工刀具上，上述的多路振动传感器和多路噪声传感器均与数据采集卡相连，数据采集卡实时采用多路振动信号和多路噪声信号，所述的数据采集卡通过总线接口技术将采集的多路振动信号和多路噪声信号送至32位处理器主控板。本实施例中的温度传感器为红外线辐射温度传感器RT300，RT300是红外线非接触型的固定焦点式辐射温度传感器，体积小，重量轻。振动传感器选用Bently3500振动传感器。噪声传感器选用LC-ZS1噪声传感器，该LC-ZS1噪声传感器体积小，重量轻，安装灵活，其声频测量范围覆盖了人耳所能听到的全部频率(20～20KHz)。本实施例中选用特定合适的传感器，对于实现信号采集的准确性和可靠性具有关键作用。
如图3所示，本实施例中的故障诊断系统包括人机交互界面和监控主程序各模块，该监控主程序各模块包括知识库、推理程序、知识库管理系统、知识获取机制、解释机制和动态综合数据库，监控主程序将它们联系起来，形成一个有机整体，从而实现对系统全部管理功能。故障检测系统与人机交互界面相连接，故障维修人员和技术员通过人机交互界面进行人机互动。
采用本实施例的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，其具体使用步骤如下：
步骤一：系统开始运行时，首先要对系统进行初始化设置；多路温度传感器的温度信号经由测温单元处理后的数据通过RS485传到32位处理器主控板上，同时多路振动传感器的振动信号和噪声传感器的噪声信号经由数据采集卡采集并传送至32位处理器主控板上；
步骤二：步骤一中传送至32位处理器主控板上的数据送到带有故障诊断系统的PC机上，故障诊断系统对简单的信号做报警处理，对复杂的信号通过软件调用各模块，并将它们联系起来，形成一个有机整体，从而实现对系统全部管理功能，并得出诊断结果；
步骤三：步骤二中得出的诊断结果返回到人机交互界面，故障维护人员和技术员根据人机界面上的诊断结果做出相应的整改与维护措施，从而实现整个数控机床故障诊断的过程。
本实施例对温度、振动、噪声进行实时监控，温度信号由温度传感器并经变送器送A/D转换模块，振动信号与噪声信号由数据采集卡采集，采集到的温度、振动、噪声信号供主处理器处理，以便在出现问题的时候及时处理，保证零件加工的高精度性。本实施例能够对加工过程进行状态监视，提供发生故障情况下的状态信息，本实施例通过安装各种传感器采集信息，然后对这些传感器信号的处理提取特征，最后结合智能专家系统和神经网络推理进行故障诊断，集数据的采集、分析、显示、故障诊断、数据存储和通讯一体，形成集成化、网络化、多信息源的综合诊断系统，完成各种机械设备运行信息的实时分析，并记录存储处理结果，为机械设备建立完善的运行记录，从而为预知维修提供服务。
实施例2
本实施例的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统基本同实施例1，不同之处在于温度传感器和测温单元不同。采用本实施例中温度信号采集方式，是为了提高温度采集的精确度，以提供整诊断系统的可靠性和稳定性。
关于温度信号采集方面，传统的Pt1000温度信号处理电路采用普通电桥电路或四线制恒流源驱动电路。其中，普通电桥电路的主要缺陷有：①由于普通电桥电路中的AD转换器的参考电压是独立的高精度参考电压源，所以AD转换器输出的数字量与Pt1000阻值呈非线性关系；②普通电桥电路为了实现高精度温度测量必须使用高精度参考电压源，而高精度参考电压源价格高，且其电压值受环境温度的影响较大，所以普通电桥电路不利于在恶劣的现场环境下(强电磁干扰)使用；③普通电桥电路只能使用两线制Pt1000，所以测量精度受导线电阻影响较大。四线制恒流源驱动电路精度最高，但本身存在难以克服缺陷：①四线制的恒流源电路其AD转换器输出的数字量与Pt1000阻值呈非线性关系；②恒流源驱动电路为了实现高精度温度测量必须使用高精度参考电压源，而高精度参考电压源价格高；③四线制恒流源电路需要四根导线，相对成本较高。
针对于数控机床对高精度温度检测的要求，本实施例采用新型温度信号采集电路，结合了四线制恒流源驱动电路的优点，克服了普通电桥电路及四线制恒流源电路的缺陷，提出了基于双运放恒流源的三线制测温电路(如图4所示)，对提高温度检测精度具有重要的意义，数控机床中的温度检测精度得到保证是实现监控的关键要素，也是现有技术中要解决的关键难题。
如图4所示，本实施例中的测温单元包括温度传感器、双运放恒流源电路、2.5V稳压电路和信号放大电路，其中：所述的2.5V稳压电路的输出端与双运放恒流源电路的输入端相连，所述的双运放恒流源电路的输出端与信号放大电路的输入端相连，所述的温度传感器的输出端与信号放大电路的输入端相连，所述的信号放大电路的输出端与AD转换模块的输入端相连。本实施例中的温度传感器为三线制的PT1000，所述的2.5V稳压电路包括限流电阻R0和TL431，所述的双运放恒流源电路包括运算放大器A1、运算放大器A2、加法器电阻R1、加法器电阻R2、加法器电阻R3、加法器电阻R4和参考电阻Rref，所述的信号放大电路包括运算放大器A3、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4和电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10。现结合图4详细说明如下：
三线制的PT1000的三线分别为正端、负端1、负端2，三线制的PT1000的正端通过信号放大电路的电阻R9、电阻R10串联接到运算放大器A3的输出端，且正端接地；三线制的PT1000的负端1通过电阻R6接信号放大电路中运算放大器A3的“+”端并通过滤波电容C2接地，运算放大器A3的“+”端通过滤波电容C3接地；三线制的PT1000的负端2通过信号放大电路的电阻R5、电阻R7接运算放大器A3的“-”端，且负端2通过滤波电容C1接地，运算放大器A3的“-”端通过滤波电容C4与电阻R8、电阻R10先串联后并联后接运算放大器A3的输出端。2.5V稳压电路的12V通过限流电阻R0接TL431的一、三端，TL431的二端接地，此处TL431的一端、二端、三端即为图4中的1端、2端、3端，所用的TL431有3个引脚端口，1端为Uref端口，它是输出电压Vref的设定端，2端为阳极A，3端为阴极K；2.5V稳压电路的输出Vref通过加法器电阻R2接运算放大器A1的“+”端，运算放大器A1的“+”端通过加法器电阻R1接运算放大器A2的输出端，运算放大器A1的“-”端通过加法器电阻R3接地并通过加法器电阻R4接其输出端，运算放大器A1的输出端通过参考电阻Rref接运算放大器A2的“+”端，运算放大器A2的“+”端接信号放大电路中电阻R5和电阻R7公共端，运算放大器A2的“-”端接运算放大器A2的输出端；所述的信号放大电路的运算放大器A3的输出端接Vo接AD转换模块进行AD转换。
图4中的r1、r2、r3为三线制的PT1000导线等效电阻，C1、C2、C3、C4为0.01μF滤波电容，运算放大器A1、运算放大器A2为低噪声、低失调、高开环增益双极性运算放大器OP07，运算放大器A1与加法器电阻R1、R2、R3、R4构成加法器，A2为电压跟随器，Rref为参考电阻，A3为OP07的更新换代产品OP77，它是一种更精密、超低失调电压、低噪声、低漂移的运算放大器，运算放大器A3与电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10构成信号放大电路。Vref为2.5V，参考电阻Rref两端电势分别为Va、Vb，I为流过三线制的PT1000的电流，为了尽量减少Pt1000自发热对测量结果的影响，要保证I<0.5mA，Vc为PT1000负端1的电势，Vd为R5和R7公共端的电势，R5＝1K，R6＝R7＝200K，Rt为三线制的PT1000电阻阻值。R7>>R5，由图3可得，当R1＝R2＝R3＝R4时：
Va＝Vref+Vb……………………………(1)
则：
I＝(Va-Vb)/Rref＝Vref/Rref………(2)
Vref＝2.5V，为保证I<0.5mA，取Rref＝6.25K。当R7>>R5，有：
Vd＝(R5+r2+r3+Rt)I…………………(3)
Vc＝(r3+Rt)I……………………………(4)
根据理想运算放大器的“虚短”和“虚断”概念有：
取R7＝R8，r1＝r2＝r3，根据式(3)、(4)、(5)得：
令K为放大倍数，R5为PT100在0度时对应的阻值，大小为1K，ΔT为铂电阻随温度的变化值，则(6)式可写为：
Vo＝K*ΔT*I………………………………(7)
采用Vref、GND作为AD转换模块的Vref+和Vref-，AD转换模块配置为单极性则有：
其中：N为AD转换模块2的位数，所以AD转换模块结果在放大单元增益K及Rref电阻值恒定的情况下，仅与铂电阻随温度的变化值ΔT有关，且与铂电阻随温度的变化值ΔT成线性关系，采用同一个电压给恒流源及AD转换模块作参考电压，降低了对硬件电路的苛刻要求，显著提高了温度检测的精度。
本实施例中数控机床测温的范围一般为0-70℃，查Pt1000分度表Pt1000阻值与温度对应关系的标准表可知，70℃条件下，Pt1000的阻值为：1270.751Ω，ΔT＝0.270751K，Rref＝6.25K，令：
则推出K≤23.08，合理配置R9、R10阻值取K＝23，Pt1000的温度系数为TCR＝3.85Ω/℃，设Δt为AD值变动1时的温度变化值(分辨率)，取AD转换的20位，即N＝20，令ADout＝1，则：
Δt＝ΔT/TCR＝6250/(220*23*3.85)＝6.7*10-5℃<0.0001℃。
若AD配置为双极性，则：Δt’＝2Δt＝1.35*10-4℃<0.0002℃。若取AD转换的16位，即N＝16，令ADout＝1，则Δt＝ΔT/TCR＝6250/(216*23*3.85)＝0.00107℃≈0.001℃，若AD配置为双极性则Δt’＝2Δt＝0.00214≈0.002℃，根据以上申请人对AD配置为双极性，取N＝16。
根据以上分析，本实施例基于双运放恒流源的三线制测温电路具有以下优点：①分辨率高，对AD转换的24位只取16位，测量分辨率便高达0.002℃；②大大减小了PT1000引线电阻对测量精度的影响，由(6)式知当r1＝r2＝r3时，AD采样电压Vo与引线电阻无关；③AD转换输出的数字量ADout与Pt1000阻值成线性关系，由(7)式知ADout只与铂电阻随温度的变化值ΔT有关；④不需使用高精度的参考电压源，式(8)可知，AD转换输出的数字量ADout跟参考电压的精度无关，只要提供普通的供电电压即可；⑤PT1000自发热小，在保证高分辨率的情况下，尽量增大Rref，使PT1000不发热流过的电流小于0.5mA，此外为了防止R1，R2，R3，R4这4个电阻失配，而影响恒流源的稳定性，所以实际中，对大量同一批次的精密电阻进行筛选，选出其中阻值接近的4个电阻；⑥在现实应用中，该电路温度测量精度可达0.02℃，受外界环境的影响小，适合在恶劣的环境下进行长期稳定的测量。本实施例采用的测温单元克服了长距离引线导线电阻的影响，保证测量的高精度和稳定性，本发明针对于数控机床对高精度温度检测的要求对测温单元进行了创新设计，使得温度信号检测具有良好的实时性和较高的精度，为实现故障诊断系统的准确性提供了技术保障。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，包括故障检测系统和故障诊断系统，其特征在于：
所述的故障检测系统包括多路温度传感器、多路振动传感器、多路噪声传感器、测温单元、数据采集卡和32位处理器主控板，其中：所述的多路温度传感器分散安装在数控机床上不同的测温部分，温度传感器与测温单元相连，该测温单元对多路温度传感器的信号进行采样处理、存储，所述的测温单元通过RS485通信将多路温度传感器采集的多路温度信号发送至32位处理器主控板；所述的多路振动传感器分散安装在数控机床伺服电机的转子上，所述的多路噪声传感器分散安装在数控机床的加工刀具上，上述的多路振动传感器和多路噪声传感器均与数据采集卡相连，数据采集卡实时采用多路振动信号和多路噪声信号，所述的数据采集卡通过总线接口技术将采集的多路振动信号和多路噪声信号送至32位处理器主控板；
所述的故障诊断系统包括人机交互界面和监控主程序各模块，该监控主程序各模块包括知识库、推理程序、知识库管理系统、知识获取机制、解释机制和动态综合数据库，上述的故障检测系统与人机交互界面相连接，故障维修人员和技术员通过人机交互界面进行人机互动；
所述的测温单元包括温度传感器、双运放恒流源电路、2.5V稳压电路和信号放大电路，其中：所述的2.5V稳压电路的输出端与双运放恒流源电路的输入端相连，所述的双运放恒流源电路的输出端与信号放大电路的输入端相连，所述的温度传感器的输出端与信号放大电路的输入端相连，所述的信号放大电路的输出端与AD转换模块的输入端相连；
所述的温度传感器为三线制的PT1000，所述的2.5V稳压电路包括限流电阻R0和TL431，所述的双运放恒流源电路包括运算放大器A1、运算放大器A2、加法器电阻R1、加法器电阻R2、加法器电阻R3、加法器电阻R4和参考电阻Rref，所述的信号放大电路包括运算放大器A3、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4和电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10；
所述的三线制的PT1000的三线分别为正端、负端1、负端2，三线制的PT1000的正端通过信号放大电路的电阻R9、电阻R10串联接到运算放大器A3的输出端，且正端接地；三线制的PT1000的负端1通过电阻R6接信号放大电路中运算放大器A3的“+”端并通过滤波电容C2接地，运算放大器A3的“+”端通过滤波电容C3接地；三线制的PT1000的负端2通过信号放大电路的电阻R5、电阻R7接运算放大器A3的“-”端，且负端2通过滤波电容C1接地，运算放大器A3的“-”端通过滤波电容C4与电阻R8、电阻R10先串联后并联后接运算放大器A3的输出端；
所述的2.5V稳压电路的12V通过限流电阻R0接TL431的一、三端，TL431的二端接地；2.5V稳压电路的输出Vref通过加法器电阻R2接运算放大器A1的“+”端，运算放大器A1的“+”端通过加法器电阻R1接运算放大器A2的输出端，运算放大器A1的“-”端通过加法器电阻R3接地并通过加法器电阻R4接其输出端，运算放大器A1的输出端通过参考电阻Rref接运算放大器A2的“+”端，运算放大器A2的“+”端接信号放大电路中电阻R5和电阻R7公共端，运算放大器A2的“-”端接运算放大器A2的输出端；所述的信号放大电路的运算放大器A3的输出端接Vo接AD转换模块进行AD转换。
2.根据权利要求1所述的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，其特征在于：所述的振动传感器为Bently3500振动传感器。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统，其特征在于：所述的噪声传感器为LC-ZS1噪声传感器。
4.一种权利要求1的一种基于专家系统的数控机床故障诊断系统中使用的测温单元。
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