工業(yè)4.0時(shí)代下數(shù)據(jù)機(jī)床故障診斷的思考

1、工業(yè)4.0時(shí)代下數(shù)控機(jī)床故障診斷的思考摘要：“工業(yè)4.0是以信息物理系統(tǒng)(CyberPhysicalSystem,CPS)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命，它推動(dòng)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)入關(guān)鍵階段。本文首先對(duì)工業(yè)4.0和數(shù)控機(jī)床故障診斷智能化發(fā)展需求進(jìn)行了基本概述，分析了數(shù)控機(jī)床故障診斷特點(diǎn)，論述了基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷的技術(shù)基礎(chǔ)，提出了基于工業(yè)4.0的數(shù)控遠(yuǎn)程故障診斷的基本框架。關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；數(shù)控機(jī)床；遠(yuǎn)程故障診斷1.引言1.1工業(yè)4.0概述2010年德國(guó)聯(lián)邦政府制定的高技術(shù)戰(zhàn)略2020中提出了“工業(yè)4.0戰(zhàn)略，2013年6月在德國(guó)漢諾威國(guó)際

2、工業(yè)博覽會(huì)上德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部首次提出了“工業(yè)4.0的概念。2014年“工業(yè)4.0再次成為德國(guó)漢諾威國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)的中心話題1?！肮I(yè)4.0的核心就是信息物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的融合創(chuàng)新，即工業(yè)4.0等于“互聯(lián)網(wǎng)+制造。在我國(guó)，裝備制造業(yè)是制造業(yè)的脊梁，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，全球需求結(jié)構(gòu)的變化對(duì)我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展造成了較大的沖擊，推動(dòng)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)入關(guān)鍵階段。兩院院士、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事長(zhǎng)路甬祥發(fā)表的網(wǎng)絡(luò)智能制造中國(guó)制造的未來(lái)，中國(guó)工程院院長(zhǎng)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)周濟(jì)報(bào)告的制造業(yè)數(shù)字化智能化與“中國(guó)制造2025均對(duì)中國(guó)制造業(yè)升級(jí)的階段性使命做出了詳細(xì)的闡述。20

3、14年10月10日，中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在訪問(wèn)德國(guó)期間和德國(guó)總理默克爾，聯(lián)合發(fā)表了中德合作行動(dòng)綱領(lǐng)，重點(diǎn)突出了雙方在制造業(yè)就“工業(yè)4.0計(jì)劃的攜手合作2。隨后頒布的中國(guó)制造20253在推進(jìn)制造過(guò)程智能化方面，明確指出在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車(chē)間，加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人、智能物流管理、增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制。中集集團(tuán)總裁戰(zhàn)略顧問(wèn)、機(jī)械行業(yè)資深分析師鄭賢玲在作數(shù)字液壓：將工程機(jī)械直接帶入4.0時(shí)代的報(bào)告中指出當(dāng)工程機(jī)械步入工業(yè)4.0時(shí)代之后，智能化的工程機(jī)械將會(huì)得到應(yīng)用和普及。智能工程機(jī)械是

4、典型的“互聯(lián)網(wǎng)+”產(chǎn)品，它運(yùn)用工業(yè)4.0的創(chuàng)新技術(shù)，是將智能硬件、嵌入式軟件，以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、通信等移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。智能作業(yè)工程機(jī)器人適合在特殊環(huán)境下作業(yè)，替代人對(duì)工程機(jī)械的直接操作，可以超視距遙控工程機(jī)械或讓其自主或半自主作業(yè)，從而提升工作的精確度和安全性4。1.2數(shù)控機(jī)床故障診斷智能化發(fā)展需求分析數(shù)控機(jī)床5（NumericalControlNC機(jī)床）即數(shù)字控制機(jī)床，是將電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)、液壓與氣動(dòng)技術(shù)和加工工藝集中一體、硬件與軟件高度集成化的綜合性機(jī)電一體化系統(tǒng)，是高技術(shù)、高智能化產(chǎn)品，是機(jī)、電、檢測(cè)、計(jì)算機(jī)、信息處理、通訊技術(shù)的綜合運(yùn)用。工業(yè)4

5、.0理念的提出，對(duì)數(shù)控機(jī)床維修理論、維修技術(shù)及手段帶來(lái)了新的變化和沖擊，尤其針對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵核心技術(shù)仍掌握在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家手里，國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床存在應(yīng)用與維護(hù)水平整體較低、不能實(shí)現(xiàn)面向整條生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程診斷、不能滿(mǎn)足軍工產(chǎn)品生產(chǎn)的保密要求等問(wèn)題，將控制技術(shù)系統(tǒng)性、自診斷技術(shù)智能性與傳統(tǒng)電氣維修技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床電氣維修由經(jīng)驗(yàn)維修到智能維修的轉(zhuǎn)變是當(dāng)前對(duì)數(shù)控機(jī)床故障診斷研究的一項(xiàng)重大課題。2.數(shù)控機(jī)床故障特點(diǎn)CNC機(jī)床由輸入/輸出設(shè)備（I/O接口和設(shè)備）、數(shù)控裝置（CNC裝置）、伺服系統(tǒng)、可編程控制器、檢測(cè)反饋裝置、輔助裝置和機(jī)床本體（機(jī)械部分）等部分組成6，如圖1所示：

6、圖1數(shù)控機(jī)床主要組成結(jié)構(gòu)由數(shù)控機(jī)床的組成框圖看出，數(shù)控機(jī)床各組成部分之間存在著緊密的聯(lián)系，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其故障具有復(fù)雜性、特殊性和多層次性，這也是數(shù)控機(jī)床敏感部件出現(xiàn)故障后造成經(jīng)濟(jì)損失較大、維護(hù)費(fèi)用較高、維修時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)的原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)械加工行業(yè)每年因設(shè)備突發(fā)故障造成的零件質(zhì)量事故損失占總量的30%，數(shù)控機(jī)床的故障多發(fā)生在電氣系統(tǒng)（27.74%）或刀架（18.41%），CNC系統(tǒng)（10.0%），卡盤(pán)、夾具等機(jī)床附件（10.02%），電源（7.39%），伺服單元（6.35%）等部位7。2.1電氣系統(tǒng)故障數(shù)控機(jī)床的電氣系統(tǒng)即通常所指的強(qiáng)電部分，包括按鈕、開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、繼電器、電

7、磁閥、傳感元件等，分散于電控柜和機(jī)床本體的各部位。電氣系統(tǒng)常見(jiàn)故障分為硬件故障和軟件故障兩類(lèi)。硬件故障形成的原因主要有數(shù)控機(jī)床的電器元件老化、工作環(huán)境惡劣、電路過(guò)壓過(guò)流等。軟件故障形成的原因主要有操作者誤操作，為RAM供電的電池電壓不足；信號(hào)干擾；軟件死循環(huán)；用戶(hù)程序出錯(cuò)等。2.2系統(tǒng)控制板故障系統(tǒng)控制板主要由主CPU、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、插補(bǔ)電路、各功能接口電路以及相應(yīng)的外圍邏輯電路組成。系統(tǒng)控制板故障主要有程序數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)保存、輸入/輸出端口接觸不良、線路斷路等。2.3輸入/輸出接口板故障輸入/輸出接口板包括各軸的位置控制電路和機(jī)床接口部分等。其故障原因包括插件接觸不良、外部短路以及竄

8、入高壓將元件相應(yīng)的電路板燒壞等。2.4機(jī)床電源部分故障機(jī)床電源部分故障的原因主要有電纜破壞造成斷路、電網(wǎng)供電質(zhì)量差、沒(méi)有獨(dú)立的配電箱、電器元件布局不合理，沒(méi)有相互隔離等。3.基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)想故障診斷的實(shí)質(zhì)是在診斷對(duì)象出現(xiàn)故障的前提下，通過(guò)來(lái)自外界或系統(tǒng)本身的信息輸入，經(jīng)過(guò)處理，判斷出故障種類(lèi)，定為故障部位（元部件），進(jìn)而估計(jì)出故障可能時(shí)間、嚴(yán)重程度、故障原因等，甚至還可以提供評(píng)價(jià)、決策以及進(jìn)行維修的建議8。作為典型的互聯(lián)網(wǎng)+科技產(chǎn)品，數(shù)控機(jī)床天生具有數(shù)字化和信息化，具備實(shí)現(xiàn)4.0的最好基礎(chǔ)性技術(shù)。3.1數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷研究基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷研究基礎(chǔ)包含以

9、下幾個(gè)方面：（1）數(shù)據(jù)機(jī)床具有故障自診斷功能目前數(shù)控機(jī)床普遍采用PLC進(jìn)行電氣控制，并在系統(tǒng)程序中加入了故障診斷程序，利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)梯形圖信號(hào)跟蹤能判斷故障部位，具有故障自診斷的功能。（2）具備構(gòu)建遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)目前，國(guó)內(nèi)高校對(duì)數(shù)控機(jī)床故障診斷的研究主要集中在三個(gè)方面：加工過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程故障診斷和故障預(yù)報(bào)系統(tǒng)。如北京工業(yè)大學(xué)高立新等提出了“數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程機(jī)械故障診斷和服務(wù)系統(tǒng)”、華中科技大學(xué)曾凌峰、西安科技大學(xué)姚曉睿提出了“基于web遠(yuǎn)程故障服務(wù)系統(tǒng)”、北京航空航天大學(xué)徐成鶯等提出了“基于IE瀏覽器的數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)”、西南交通大學(xué)龍璽宇提出了智能化數(shù)控機(jī)床診斷系統(tǒng)、西南交通大

10、學(xué)趙敏提出了“數(shù)控機(jī)床智能化狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)”。（3）具備信息化管理基礎(chǔ)工業(yè)4.0時(shí)代要求企業(yè)從產(chǎn)品服務(wù)理念轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻?hù)服務(wù)理念，由提供產(chǎn)品升級(jí)到提供服務(wù)，這就要求企業(yè)需擁有進(jìn)行客戶(hù)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有設(shè)備監(jiān)管平臺(tái)。隨著3G、GPS、wifi等技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備后臺(tái)監(jiān)管系統(tǒng)越來(lái)越完善，如辦公OA系統(tǒng)、滴滴打車(chē)APP等等，為數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷信息的實(shí)時(shí)傳輸提供技術(shù)性支撐。3.2基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)基本框架基于工業(yè)4.0數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)是借助無(wú)線通信技術(shù)，采用分層式的控制模式，通過(guò)設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集與分析，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪康??！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”數(shù)

11、控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)基本框架如圖2所示。作站InternetGPRSPRS-晦分析E后臺(tái)設(shè):標(biāo)簽扌丁印機(jī)初始化設(shè)備工醞劇交換機(jī)路由器對(duì)外通信跆器局逹網(wǎng)GPRS圖2基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)基本框架4.小結(jié)高檔數(shù)控機(jī)床的多樣性、異構(gòu)性以及多種高新技術(shù)高度集成的特點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)床的故障預(yù)警和診斷難度大，借助工業(yè)4.0相關(guān)理念，開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷監(jiān)管系統(tǒng)是降低數(shù)控機(jī)床維護(hù)成本、提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率的有效途徑。本文提出了基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)基本框架，未對(duì)該系統(tǒng)下信息管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及故障診斷子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)論述，這將成為下階段研究的內(nèi)容。6參考文獻(xiàn)：1 烏爾里希森德勒(UlrichSendler).工業(yè)4.0:即將來(lái)襲的第四次工業(yè)革命M.機(jī)械工業(yè)出版社，2014.7.2 孟虹.中德合作“工業(yè)4.0”的契合點(diǎn)N.中國(guó)新聞周刊，2014-10-30.中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.中國(guó)制造2025解讀Z.2015-5-19.4 鄭賢玲.數(shù)字液壓：將工程機(jī)械直接帶入工業(yè)4.0時(shí)代J.工程機(jī)械與維修，