數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)研究

1、文章編號:1001-2265(200603-0066-04 收稿日期:2005-09-273基金項目:受廣東技術(shù)師范學(xué)院青年科研項目資助作者簡介:羅永順(1973,男,廣東人,廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電系講師,主要的研究方向是數(shù)控技術(shù)和智能故障診斷,(E -mail lysselft o m.co m 。數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)研究3羅永順,李玉忠(廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電系,廣州510635摘要:數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)可以實時監(jiān)測數(shù)控機(jī)床的運行情況。在數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時,進(jìn)行初步診斷,并將故障信息經(jīng)internet 上傳至廠家診斷中心。借助于小波技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù),系統(tǒng)體現(xiàn)出功能

2、強(qiáng)大,實時性高的特點。論文主要對這些關(guān)鍵技術(shù)在系統(tǒng)中的使用及優(yōu)化處理作了具體分析。關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程故障診斷;小波技術(shù);數(shù)據(jù)庫中圖分類號:TG659文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AKey Technology s Research on Re m ote Fault D i a gnosis Syste m of NC M ach i n eLUO Yong 2shun,L I Yu 2zhong(College of Guangdong Polytechnical Nor mal University,Guangzhou 510635,China Abstract:The re mote fault diagnos

3、is syste m of NC machine can ins pect the machine s acti on .W hen fault hap 2pened,the syste m diagnosed machine and sent the diagnosing result t o manufact ory s diagnose center by inter 2net .Based on wavelet 、neural net w ork,the syste m has much ability and the capability of real ti m e is very

4、 high .This paper analyses the using and op ti m izing of these technol ogies .Key words:re mote fault diagnosis;wavelt technol ogy;database0引言誤診率高、維修時間長一直是數(shù)控機(jī)床故障診斷和維修的瓶頸問題。若能迅速、準(zhǔn)確地找出故障的源頭,將能很好地解決這個問題。借助于遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)解決這個問題是目前在故障診斷領(lǐng)域中最有效的方法。在遠(yuǎn)程故障診斷中,若只是單純地將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)上傳,由廠家的診斷中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析,將使它的工作量變得非常龐大,進(jìn)而影

5、響診斷的效率。在用戶的診斷系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)庫,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理可以解決以上問題。高效的數(shù)據(jù)處理及存儲成為數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外,借助于I nternet ,數(shù)據(jù)的傳送將更為迅速、高效。這就為系統(tǒng)成功運行提供了保障。數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)中的傳感器檢測到數(shù)控機(jī)床(用戶端運行狀態(tài)的特征信息和其它故障現(xiàn)象,并實時進(jìn)行處理。若發(fā)生故障將借助于互聯(lián)網(wǎng)將故障信息及時傳送到機(jī)床生產(chǎn)廠家的診斷中心,經(jīng)過專家系統(tǒng)的推理和診斷得出維修建議。系統(tǒng)再通過internet 將診斷結(jié)果和維修建議傳回給用戶,并調(diào)派指導(dǎo)維修人員進(jìn)行維修。這樣便大大地提高了診斷的速度和準(zhǔn)確率。1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能本系統(tǒng)的結(jié)

6、構(gòu)如圖1所示。由圖1可知,按部件功能可將系統(tǒng)分成四部分:在線監(jiān)測系統(tǒng),故障狀態(tài)信息系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)和廠家診斷中心。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1在線監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)(包括若干傳感器和信號調(diào)理電路和信息處理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要功能是:由傳感器檢測機(jī)床運行狀態(tài)的特征信號(包括溫度信號、振動信號等,并將信號送至信號調(diào)理電路進(jìn)行放大和變換。然后經(jīng)A /D 卡將處理過的信號轉(zhuǎn)換并輸入到信息處理系統(tǒng)。再由信息處理系統(tǒng)中的DSP 處理器完成濾波、信號分析等工作,最后將信號歸類整理后,送入故障狀態(tài)信息系統(tǒng)。此外,其它的音頻、視頻信號經(jīng)過預(yù)處理后,也輸入故障狀態(tài)信息系統(tǒng)。1.2故障信息系統(tǒng)故障信息系統(tǒng)的

7、工作流程見圖2,它主要完成如下工作:定時接收從信息采集子系統(tǒng)輸出的信息(包括特征信號和音視頻信息,并存入數(shù)據(jù)庫。運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法分析所接收的數(shù)據(jù)。對機(jī)床運行狀態(tài)作出初步評估。針對不同的狀態(tài),系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作。本系統(tǒng)在機(jī)床運行正常時,只保存當(dāng)前一段時期的數(shù)據(jù)。運行偏離正常功能,則發(fā)出警告,并提示對機(jī)床參數(shù)的修改意見。機(jī)床功能失效時,則需要提示操作者停機(jī)檢查,并將檢查結(jié)果填入故障情況登記表(系統(tǒng)提示頁面。 圖2故障信息系統(tǒng)工作流程1.3網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。數(shù)據(jù)處理模塊將機(jī)床運行狀態(tài)的特征量和故障情況登記表,按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議打成數(shù)據(jù)包。通過數(shù)據(jù)傳輸模塊,按照相應(yīng)的網(wǎng)

8、絡(luò)協(xié)議,經(jīng)I nternet 將數(shù)據(jù)包傳送到數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家的故障診斷中心。廠家診斷中心對故障進(jìn)行診斷,并發(fā)回診斷意見。再由數(shù)據(jù)傳送模塊將診斷意見解包,送顯示器顯示。1.4廠家診斷中心主要由數(shù)據(jù)處理和傳送模塊、用戶管理模塊、專家系統(tǒng)和專家會診模塊組成。由用戶發(fā)出的故障信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊經(jīng)解包處理后,送專家系統(tǒng)進(jìn)行推理判斷得出診斷結(jié)果。如果故障較復(fù)雜,專家系統(tǒng)不能歸納出結(jié)果,就要通過專家會診模塊,預(yù)約專家進(jìn)行人工診斷,然后再將診斷結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊打包,經(jīng)數(shù)據(jù)傳送模塊送出。與此同時,傳送到診斷中心的數(shù)據(jù)經(jīng)整理后保存到專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。用戶管理模塊既負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的用戶注冊,用戶驗證等工作,又負(fù)責(zé)通

9、知調(diào)派維修人員上門維修并提供維修用具的清單。2關(guān)鍵技術(shù)分析在整個系統(tǒng)中,運用了小波技術(shù)提取檢測信號的特征值;使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成模式識別,和信息的歸類;網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是使用I nternet 的必要手段。另外,專家系統(tǒng)的推理判斷得出最終結(jié)果。這些技術(shù)的使用從本質(zhì)上提高了機(jī)床故障診斷智能化的程度。而且在診斷效果方面,則大大縮短了故障維修的時間,提高了診斷效率。下面就其中的幾項技術(shù)做一個探討。2.1小波技術(shù)從根本上說,小波技術(shù)就是用具有零均值,在時域和頻域內(nèi)能量局部化的函數(shù)來表示信號。使用小波技術(shù)進(jìn)行小波分析是在所謂的時間-尺度平面上反映非平穩(wěn)信號于時間t 時刻信號的幅值或能量。小波分析的主要方法是對

10、信號進(jìn)行小波變換。小波變換以不同的尺度(分辨率來觀察信號,將信號分解到不同的頻帶中,既看到了信號的全貌,又看到了信號的細(xì)節(jié),具有多分辨率的能力。其實質(zhì)是以基函數(shù)r (t =A e1-2(t -e-j (t -的形式將信號x (t 分解為不同頻帶信號1。正是基于小波的這一特點,在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的運行狀態(tài)監(jiān)測中,使用小波變換提取故障信息特征。在小波變換中,基函數(shù)的選擇是個關(guān)鍵問題。數(shù)控機(jī)床故障診斷與預(yù)報系統(tǒng)中小波變換主要應(yīng)用于機(jī)械部分的振動沖擊信號特征的提取。因此,選用La 2p lace 小波作為基小波。Lap lace 小波也稱單邊衰減振蕩函數(shù),對齒輪、滾動軸承等因缺陷產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械

11、轉(zhuǎn)子碰摩的故障提取有效2。在數(shù)控機(jī)床故障診斷與預(yù)報系統(tǒng)中,利用Lap lace 小波的單邊衰減特性,提取轉(zhuǎn)軸、軸承、齒輪及床身的固有頻率及阻尼參數(shù),從而得到數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件發(fā)生磨損或損壞時產(chǎn)生的沖擊振動特性參數(shù)。這些代表機(jī)械部件受到?jīng)_擊時的狀態(tài)特征的特性參數(shù)被輸入故障狀態(tài)信息系統(tǒng)。2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是結(jié)合了現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)和認(rèn)知科學(xué)應(yīng)用于人類信息處理研究上。它具有良好的容錯性、層次性、可塑性、聯(lián)想記憶和并行處理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于故障診斷主要有以下三方面:信號的預(yù)處理、模式識別和專家系統(tǒng)中的知識獲取、表示及利用的知識處理。本系統(tǒng)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于專家系統(tǒng)中的知識獲取和表示與利用的知識處

12、理,可以使用的有:Hopfied 網(wǎng)、Ha mm ing網(wǎng)、感知網(wǎng)、自組織特征映射網(wǎng)(K ononen網(wǎng)等。根據(jù)系統(tǒng)故障源的特點,故障信號的特征及適用的推理機(jī)制,本系統(tǒng)適用自組織特征映射(K ononen網(wǎng)。此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是具有自組織特征映射能力的自學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),可以對樣本進(jìn)行分類。相比于其它神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它沒有隱含層,只有輸入層和輸出層。系統(tǒng)中使用自組織(K ononen網(wǎng)主要是用于界定機(jī)床的狀態(tài)及以一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器的形式成為專家系統(tǒng)的知識庫。2.3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計本系統(tǒng)使用了20多個傳感器,因此傳感器采集到的數(shù)據(jù)量很大,合理有效地儲存、管理這些數(shù)據(jù)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的重要功能。在故障診斷系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)庫的制

13、定可以采用M I M OS A協(xié)議,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用M i2 cr os oft S QL Server2000數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)3。參照CR I S2. 1(Co mmon Relati onal I nf or mati on Sche ma Ver2.1標(biāo)準(zhǔn),將本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫定義為五個層次:數(shù)據(jù)庫定義層、測點結(jié)構(gòu)層、測量信息層、診斷信息層和發(fā)布信息層。數(shù)據(jù)庫定義層確立了企業(yè)以及數(shù)據(jù)庫在全球范圍的唯一合法地位。測點結(jié)構(gòu)層記錄了機(jī)床上傳感器的具體放置位置、類型及各傳感器之間的關(guān)系。測量信息層記載了采集機(jī)床狀態(tài)信息,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的狀態(tài)特征數(shù)據(jù)和機(jī)床其它信息,如P LC、NC接口的信息等。診斷信息層記錄

14、了故障發(fā)生時的機(jī)床狀態(tài)及故障診斷結(jié)果。發(fā)布信息層保存了系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)送和接收過的所有信息。系統(tǒng)所用的基本數(shù)據(jù)見表1。按照CR I S2.1協(xié)議建立的數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化,為系統(tǒng)中各單元之間的數(shù)據(jù)流通掃清障礙。表1系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)表層次表名內(nèi)容描述數(shù)據(jù)庫定義site用戶企業(yè)名稱及描述site2database企業(yè)數(shù)據(jù)庫地址及其描述測點結(jié)構(gòu)層meas2l ocati on機(jī)床上測點位置meas2positi on2relati on機(jī)床上測點間關(guān)系sens2type傳感器類型sens2parameter傳感器的特性參數(shù)sens2relati on傳感器間的關(guān)系meas2alar m2range定

15、義測點的正常工作環(huán)境極限(續(xù)表層次表名內(nèi)容描述測量信息meas2event記錄相關(guān)測量事件的基本信息mach2data記錄經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的機(jī)床狀態(tài)信息else2data記錄機(jī)床其它狀態(tài)信息conclusi on記錄用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析后的結(jié)果mach2assess記錄初步評估后的機(jī)床運行狀態(tài)p re2signal記錄各測點的原始采集信號診斷信息fau2data記錄發(fā)生故障時機(jī)床狀態(tài)情況fau2result記錄經(jīng)初步診斷后結(jié)果發(fā)布信息sys2outcome記錄遠(yuǎn)程傳送的機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)sys2receive記錄通過internet接收的處理意見3系統(tǒng)工作過程設(shè)計數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計目的是能

16、夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)控機(jī)床各部件的溫度、振動、速度等物理量;提供數(shù)據(jù)處理軟件,簡單評估機(jī)床運行狀態(tài);在需要的時候?qū)C(jī)床部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過internet傳送到廠家診斷中心。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的這些功能,需要完成以下的設(shè)計任務(wù)。3.1信號采集經(jīng)過對數(shù)控機(jī)床故障的細(xì)致分析后,將數(shù)控機(jī)床的故障按照其出現(xiàn)的頻率分為高發(fā)故障、常見故障和偶發(fā)故障,并依此將故障歸類。然后按這三種類別界定數(shù)控機(jī)床上發(fā)生故障的部件及其損壞時的故障特征參數(shù),并大致確定需安裝傳感器的類型及特性參數(shù)。從而計算出傳感器類型、在數(shù)控機(jī)床上的放置位置和數(shù)量。經(jīng)過這樣細(xì)致地設(shè)計后,系統(tǒng)采集的信號是全面的、準(zhǔn)確的。3.2信號的調(diào)理它主要是對傳感器檢測到的信

17、號進(jìn)行放大、隔離、濾波等處理。在設(shè)計系統(tǒng)調(diào)理電路的過程中,關(guān)鍵要解決調(diào)理電路的多樣性及合理安排采樣間隔。系統(tǒng)中每個調(diào)理電路采用的設(shè)計原則是:放大器的增益控制實時性高。隔離電路的抗振性好。濾波器的濾波范圍要準(zhǔn)確。此外還考慮了另外兩個方面:傳感器的輸出信號與調(diào)理電路輸入端接口匹配。根據(jù)采集信號的性質(zhì)和使用特點確定濾波器的頻帶和濾波方式。3.3數(shù)據(jù)處理經(jīng)過調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號被輸入到故障信息系統(tǒng)。如前所述,系統(tǒng)提供兩種信號特征提取算法:小波技術(shù)和快速傅里葉法。前者用于機(jī)床振動信號特征的提取,后者用于其它類型信號(如溫度、速度等特征的提取。在使用這兩種算法設(shè)計程序時,要考慮優(yōu)化算法。優(yōu)化算法的使用既

18、可以縮短處理時間,還可以提高精度。3.4初步評估經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,得到了機(jī)床沖擊信號的固有頻率、阻尼參數(shù)等特征參數(shù)。這些故障參數(shù)的形式不同,在輸入神經(jīng)系統(tǒng)前,要先通過定義的方式完成輸入量的統(tǒng)一。然后進(jìn)行神經(jīng)系統(tǒng)的計算、歸類,包括建模、學(xué)習(xí)函數(shù)的使用,歸類等計算工作,得到機(jī)床是否正常運行的結(jié)論。3.5故障提示頁面設(shè)計使用C+語言編寫提示頁面,要求頁面友好,互動性好。頁面設(shè)計分為兩個部分:一是設(shè)計人機(jī)對話的頁面,讓操作者將觀察到的機(jī)床狀態(tài)輸入提示框中。二是從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出監(jiān)測系統(tǒng)中的測量數(shù)據(jù)。頁面全面提供數(shù)控機(jī)床上所有的故障參數(shù)。3.6數(shù)據(jù)的上傳當(dāng)機(jī)床發(fā)生故障后,要將故障數(shù)據(jù)上傳。由于系統(tǒng)不是遠(yuǎn)程監(jiān)控

19、系統(tǒng),只需傳送用戶填好的頁面數(shù)據(jù)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳主要是通過郵件的形式。4技術(shù)特點分析4.1可用于復(fù)雜的故障診斷數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的主要功能是實時檢測、實時處理、機(jī)床狀態(tài)定性及故障信息的上傳。之所以說可用于復(fù)雜的故障診斷,共有3個原因。其一是系統(tǒng)使用多種傳感器,全面地檢查機(jī)床中易發(fā)生故障的位置。通過這樣全面、準(zhǔn)確地使用傳感器,保證了故障檢測的全面性,為復(fù)雜故障的診斷提供了必要的數(shù)據(jù)。其二是高效的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)的使用大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力,使診斷結(jié)果的得出更為迅速、準(zhǔn)確?？焖俑盗⑷~方法(FFT用于時域-頻域的信號處理,在本系統(tǒng)中用于解決轉(zhuǎn)速信號、轉(zhuǎn)矩信號的處理,得到特征量。Lap

20、 lace小波技術(shù)在處理振動沖擊信號時,直接得出了部件的固有頻率及阻尼參數(shù)。這些有效的特征參數(shù)可以成為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量進(jìn)行分析、歸類。通過使用這些數(shù)據(jù)處理分析技術(shù),可使故障診斷結(jié)果更為準(zhǔn)確。同時由于優(yōu)化了計算過程,使系統(tǒng)的運算更為迅速。其三是DSP處理器的使用提高了運算精度、縮短了運算時間。DSP處理器是目前工業(yè)領(lǐng)域中所使用的性能較好的數(shù)據(jù)處理器,它所提供的專為處理數(shù)據(jù)服務(wù)的專用功能為工業(yè)領(lǐng)域中龐大的數(shù)據(jù)處理提供了更為便捷的工具。因此數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障與診斷系統(tǒng)所具有的硬件和軟件在面對采集數(shù)據(jù)量大、關(guān)系復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床的故障診斷中將更能顯示其優(yōu)越性。4.2數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化,數(shù)據(jù)管理規(guī)范化本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)

21、庫是參照CR I S2.1標(biāo)準(zhǔn)制定的。CR I S2.1標(biāo)準(zhǔn)是由I S O國際標(biāo)準(zhǔn)I S O13373-1所推薦的M I M OS A協(xié)議發(fā)布的3。CR I S2.1標(biāo)準(zhǔn)的使用,一方面統(tǒng)一了數(shù)控機(jī)床故障信息數(shù)據(jù)的格式,便于與其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈接。另一方面,由于使用了數(shù)據(jù)庫的分層管理,數(shù)據(jù)的分類及其之間的關(guān)系更為清晰。對數(shù)據(jù)的使用和操作更加方便。由于數(shù)控機(jī)床正常運行時檢測到的數(shù)據(jù)對故障診斷的意義不大,但不斷增加的數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)庫負(fù)擔(dān)加重。本系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床的具體情況選擇了一個合適的數(shù)據(jù)篩取方法,忽略系統(tǒng)認(rèn)為“正常”的數(shù)據(jù),保留“出問題”的數(shù)據(jù)和最近期間的數(shù)據(jù)。這樣建立的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量少,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單。若將來機(jī)床改造或升級造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變,所需數(shù)據(jù)量發(fā)生變化時,也可以很快地更新數(shù)據(jù)庫。4.3使用I nternet,實現(xiàn)實時診斷在一般的監(jiān)測系統(tǒng)