趙中敏

（江蘇海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院）

摘　要：狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)技術(shù)是數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自主保障的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，首先提出了狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)維修的組成及功能，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床維修系統(tǒng)的功能框圖并分析了其工作流程；接著闡述了故障診斷與預(yù)測(cè)的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)大型數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)，為提高數(shù)控機(jī)床的使用壽命及使用效率，具有重要的推廣價(jià)值；Z后總結(jié)了如何開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障預(yù)測(cè)；工作流程；結(jié)構(gòu)體系

大型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的性能及可靠性決定了其工作壽命以及工作效率，目前的事后維修和計(jì)劃性維修很難預(yù)防災(zāi)難性的故障，而且常常引起不必要的停機(jī)，存在引入維修損壞的風(fēng)險(xiǎn)。與以上兩種維修策 略 不 同 ， 視 情 維 修 (CBM, condition based maintenance)是面向設(shè)備實(shí)際狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)的，根據(jù)對(duì)設(shè)備當(dāng)前和將來(lái)狀態(tài)的正確和可靠的預(yù)測(cè)來(lái)安排維修活動(dòng)。因此對(duì)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的描述，以及對(duì)下一時(shí)段狀態(tài)和故障的預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)視情維修的根本，這也正是狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)技術(shù)要著力解決的問(wèn)題。狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)技術(shù)使得設(shè)備維護(hù)人員可以預(yù)知故障的發(fā)生，從而采取一系列維修或預(yù)防的措施，而不必等到故障真正發(fā)生之后再做出反應(yīng)。

目前，數(shù)控機(jī)床正朝著大型化、高速化、高精度化的方向發(fā)展。在高速、高加速度、大載荷、大位移等非常規(guī)工況下，振動(dòng)、沖擊、變形等因素對(duì)機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，導(dǎo)致絲杠、導(dǎo)軌、軸承、聯(lián)軸器、齒輪、蝸輪蝸桿等機(jī)械部件產(chǎn)生各種故障，由此引起數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差、部件磨損甚至意外停機(jī)等問(wèn)題。因此，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域內(nèi)，正確評(píng)價(jià)大型數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的狀態(tài)，預(yù)測(cè)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，為機(jī)床維護(hù)提供指導(dǎo)依據(jù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1、數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)的組成及功能

通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，參照設(shè)備正常的狀態(tài)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合歷史維修知識(shí)庫(kù)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，并對(duì)故障可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而作為制定設(shè)備合理維修計(jì)劃的依據(jù)。通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)了故障，則立即進(jìn)行診斷，確定故障部位和故障類(lèi)型，提出維修建議，進(jìn)而下達(dá)維修任務(wù)和組織實(shí)施。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）設(shè)備層：由作業(yè)車(chē)間中數(shù)控加工設(shè)備構(gòu)成。

（2）信息采集層：其主要作用是采集設(shè)備層的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、整形、放大等處理后，提交給信息處理層。該層主要包括各類(lèi)傳感器、信息采集終端、直接數(shù)字控制（DirectNumerical Control，DNC），以及其他智能設(shè)備等。

（3）信息處理層：該層的功能是對(duì)信息采集層提交的信息進(jìn)行識(shí)別、轉(zhuǎn)化、分類(lèi)、融合、特征提取、特征融合等，為應(yīng)用層的功能實(shí)現(xiàn)提供支撐。

（4）數(shù)據(jù)層：由維修數(shù)據(jù)庫(kù)、狀態(tài)知識(shí)庫(kù)和設(shè)備信息庫(kù)等相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及知識(shí)庫(kù)構(gòu)成。維修數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)維修內(nèi)容、維修操作、維修計(jì)劃、維修事件等相關(guān)數(shù)據(jù)信息；狀態(tài)知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)備在不同工況下運(yùn)行的狀態(tài)參考值、允許值和故障閾值等。

（5）應(yīng)用層：由在線(xiàn)監(jiān)控模塊、故障診斷模塊、故障預(yù)測(cè)模塊和維修管理模塊組成。在線(xiàn)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在對(duì)其進(jìn)行處理后，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，向用戶(hù)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并將融合后的數(shù)據(jù)提交給故障診斷模塊；故障診斷模塊在監(jiān)控模塊提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行特征提取，并對(duì)特征值進(jìn)行融合，進(jìn)而通過(guò)各種特征分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的決策層融合后進(jìn)行故障診斷，并輸出故障結(jié)果；故障預(yù)測(cè)模塊根據(jù)相關(guān)模型和算法對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，并對(duì)可能的故障部件、故障原因、故障類(lèi)型等進(jìn)行分析；維修管理模塊主要處理與設(shè)備維修相關(guān)的操作管理，包括維修內(nèi)容管理、維修計(jì)劃管理、維修事件管理、維修控制等。

（6）用戶(hù)層：該層的用戶(hù)分為系統(tǒng)管理員、操作人員和維修人員三類(lèi)。

需要指出的是，上述體系結(jié)構(gòu)中的各功能模塊之間并沒(méi)有明顯的界限，存在著數(shù)據(jù)信息的交叉反饋。國(guó)外對(duì)上述各模塊中應(yīng)用的一般技術(shù)(如傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等)和方法(如系統(tǒng)框架模型、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)推理算法等)進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)也進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐。 

2 、數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)的工作流程

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)包括兩種工作流程：

（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息采集和故障診斷、預(yù)測(cè)流程；

（2）設(shè)備維修管?流程，如圖2所示。

具體操作可劃分為四個(gè)階段。

2.1 設(shè)備可監(jiān)測(cè)的運(yùn)行狀態(tài)信息分析

（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，通過(guò)對(duì)設(shè)備可監(jiān)測(cè)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行分析，選擇Z佳的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，確定所需的儀器和設(shè)備，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

（2）由于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的輸出大都為非線(xiàn)性，同時(shí)受溫度、電源波動(dòng)、噪聲和振動(dòng)等環(huán)境因素的影響，使得所采集的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地反映測(cè)量值，容易出現(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度不高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。因此，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或偏差數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)多源同類(lèi)傳感器進(jìn)行一次數(shù)據(jù)融合，然后對(duì)異類(lèi)傳感器進(jìn)行二次數(shù)據(jù)融合，以提高獲取狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性。同時(shí)，根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)輸出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。

2.2 基于融合后的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行故障診斷

（1）由于實(shí)時(shí)采集的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)量相當(dāng)巨大，為了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和診斷，需要根據(jù)融合后的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，提取設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵特征，構(gòu)建設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征向量。

（2）根據(jù)信息融合理論進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征融合。

（3）構(gòu)造特征分類(lèi)器，進(jìn)行決策層融合。同時(shí)，參考設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參考值、允許值和故障閾值，進(jìn)行故障診斷，并輸出診斷結(jié)果。如果診斷結(jié)果是有故障，則進(jìn)行故障報(bào)警，并輸出故障信息，同時(shí)進(jìn)入維修管理；如果診斷結(jié)果是無(wú)故障，則進(jìn)入故障預(yù)測(cè)階段。

2.3 故障預(yù)測(cè)

雖然故障診斷的結(jié)果是未發(fā)生故障，但設(shè)備存在發(fā)生故障的可能性。故障預(yù)測(cè)的目的就是分析這種可能性的大小，并做出是否需要進(jìn)行維修的判斷。預(yù)測(cè)的方法有基于模型的方法、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法和基于統(tǒng)計(jì)的方法三種。經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)后，如果判定為不必進(jìn)行維修，則返回設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控；如果判定為需要進(jìn)行維修，則進(jìn)入維修管理。

2.4 維修管理

（1）如果設(shè)備需要進(jìn)行維修，則查詢(xún)相關(guān)維修數(shù)據(jù)庫(kù)，制定維修計(jì)劃。

（2）對(duì)維修計(jì)劃進(jìn)行費(fèi)用分析，并生成維修任務(wù)。該步驟由相關(guān)人員組織實(shí)施。

（3）對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行控制，維修任務(wù)完成后，把相關(guān)維修信息輸入維修數(shù)據(jù)庫(kù)。

3、數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)體系

針對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，選擇不同的傳感器對(duì)各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。 

1）數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)可以通過(guò)軟件直接讀取，系統(tǒng)故障代碼顯示各種報(bào)警信息。

2）導(dǎo)軌副

X向、Y向和 Z向?qū)к壊捎没瑒?dòng)導(dǎo)軌，機(jī)油潤(rùn)滑，在滑動(dòng)體上安裝三向振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)導(dǎo)軌的變形及磨損。

3）絲杠副

由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件的性能及精度變化主要反映在振動(dòng)頻率及幅值的變化上，在 X 向、Y 向及 Z 向滾珠絲杠副的絲母座上分別安裝 1 個(gè)三向振動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)絲杠由于磨損、偏心、絲杠滾道表面缺陷、滾珠缺陷等導(dǎo)致的振動(dòng)及沖擊脈沖。絲杠兩側(cè)的支撐端分別安裝 1 個(gè)單向振動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)由于絲杠彎曲、前后支架不同心、軸承故障等導(dǎo)致的振動(dòng)形態(tài)變化。為提高故障預(yù)警和診斷的精度，在絲母座及兩個(gè)軸承座上分別安裝 1 個(gè)貼片式溫度傳感器，監(jiān)測(cè)性能變化導(dǎo)致的溫度增加。

4）主軸系統(tǒng)

主軸系統(tǒng)由電機(jī)、齒輪箱和主軸構(gòu)成。在主軸前端安裝聲發(fā)射傳感器和振動(dòng)傳感器，在齒輪箱上安裝振動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)主軸的運(yùn)動(dòng)精度、軸承狀態(tài)及齒輪嚙合狀態(tài)。

5）伺服系統(tǒng)

采用3個(gè)電流傳感器分別監(jiān)測(cè)主軸電機(jī)和2個(gè)給電機(jī)的實(shí)際負(fù)載狀況及功率變化，通過(guò)切削力實(shí)驗(yàn)，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)一步分析處理，可以建立電流與負(fù)載力之間的映射關(guān)系。驅(qū)動(dòng)器故障由其內(nèi)部報(bào)警代碼提供解決方案。

6）潤(rùn)滑系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓力及流量分別采用壓力傳感器和流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，油箱機(jī)油溫度和液位高度采用溫度傳感器和液位傳感器獲取，防止異常狀況和漏油的發(fā)生。

7）電氣控制系統(tǒng)

采用可編程控制器 （ programmable logiccontroller ,PLC）直讀技術(shù)獲取 PLC 點(diǎn)位信息，構(gòu)成狀態(tài)矩陣，并采用圖形化方式將電氣原理圖進(jìn)行對(duì)照輸出，以便快速診斷和維修故障。上述傳感器信號(hào)通過(guò)模/數(shù)(analogue/digital,A/D)采集卡轉(zhuǎn)換后輸入工控機(jī)進(jìn)行分析與計(jì)算，分析獲得的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)，并同時(shí)在設(shè)備的人機(jī)界面 HMI上實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示，以便于操作人員掌握設(shè)備各個(gè)部件的運(yùn)行及狀態(tài)信息。

4、結(jié)語(yǔ)

雖然各種數(shù)控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)已逐步得到應(yīng)用，但還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到工程實(shí)用化的程度。目前還僅在部分關(guān)鍵的系統(tǒng)和部件中應(yīng)用。并且對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)尤其是數(shù)控設(shè)備的故障機(jī)理了解還不深入，有些還僅是故障的檢測(cè)，還不具備故障預(yù)測(cè)的能力。此外，何正確有效地預(yù)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，并做出優(yōu)化的維修決策等都需要大量的研究工作。難點(diǎn)工作主要在于如何規(guī)劃特定被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如何有效地選用一些較成熟的技術(shù)用于構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)首要確定需要進(jìn)行研究的關(guān)鍵技術(shù)（如對(duì)于數(shù)控設(shè)備關(guān)注故障機(jī)理的基礎(chǔ)性研究），進(jìn)而開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

來(lái)源：《精密制造與自動(dòng)化》 2020年第2期