趙中敏

（江蘇海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 江蘇連云港222069）

大型數(shù)控機床系統(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，存在引入維修損壞的風險。與以上兩種維修策略不同，視情維修(CBM, condition based maintenance)是面向設(shè)備實際狀態(tài)和發(fā)展趨勢的，根據(jù)對設(shè)備當前和將來狀態(tài)的正確和可靠的預(yù)測來安排維修活動。因此對設(shè)備當前狀態(tài)的描述，以及對下一時段狀態(tài)和故障的預(yù)測是實現(xiàn)視情維修的根本，這也正是狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測技術(shù)要著力解決的問題。狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測技術(shù)使得設(shè)備維護人員可以預(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、沖擊、變形等因素對機床的進給系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，導(dǎo)致絲杠、導(dǎo)軌、軸承、聯(lián)軸器、齒輪、蝸輪蝸桿等機械部件產(chǎn)生各種故障，由此引起數(shù)控機床的運動誤差、部件磨損甚至意外停機等問題。因此，在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷領(lǐng)域內(nèi)，正確評價大型數(shù)控機床當前的狀態(tài)，預(yù)測機床運行狀態(tài)的發(fā)展趨勢，為機床維護提供指導(dǎo)依據(jù)是一個亟待解決的問題。

1 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測的組成及功能

通過在線檢測設(shè)備運行狀態(tài)，參照設(shè)備正常的狀態(tài)參數(shù)標準，結(jié)合歷史維修知識庫，對設(shè)備的運行狀態(tài)進行分析，并對故障可能發(fā)生的情況進行預(yù)測，從而作為制定設(shè)備合理維修計劃的依據(jù)。通過對運行狀態(tài)進行監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)了故障，則立即進行診斷，確定故障部位和故障類型，提出維修建議，進而下達維修任務(wù)和組織實施。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）設(shè)備層：由作業(yè)車間中數(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)備層的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行濾波、整形、放大等處理后，提交給信息處理層。該層主要包括各類傳感器、信息采集終端、直接數(shù)字控制（Direct Numerical Control，DNC），以及其他智能設(shè)備等。

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

（4）數(shù)據(jù)層：由維修數(shù)據(jù)庫、狀態(tài)知識庫和設(shè)備信息庫等相關(guān)數(shù)據(jù)庫及知識庫構(gòu)成。維修數(shù)據(jù)庫存儲維修內(nèi)容、維修操作、維修計劃、維修事件等相關(guān)數(shù)據(jù)信息；狀態(tài)知識庫存儲設(shè)備在不同工況下運行的狀態(tài)參考值、允許值和故障閾值等。

（5）應(yīng)用層：由在線監(jiān)控模塊、故障診斷模塊、故障預(yù)測模塊和維修管理模塊組成。在線監(jiān)控模塊實時獲取設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在對其進行處理后，進行數(shù)據(jù)融合，向用戶顯示設(shè)備運行狀態(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)控數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行特征提取，并對特征值進行融合，進而通過各種特征分類器進行分類，在進行數(shù)據(jù)的決策層融合后進行故障診斷，并輸出故障結(jié)果；故障預(yù)測模塊根據(jù)相關(guān)模型和算法對設(shè)備運行狀態(tài)特征進行故障預(yù)測，并對可能的故障部件、故障原因、故障類型等進行分析；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、維修計劃管理、維修事件管理、維修控制等。

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

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有明顯的界限，存在著數(shù)據(jù)信息的交叉反饋。國外對上述各模塊中應(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)測和預(yù)測推理算法等)進行了大量的研究，同時也進行了大量的工程實踐。

圖1 數(shù)控機床的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測的結(jié)構(gòu)體系

2 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測的工作流程

數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測系統(tǒng)包括兩種工作流程：（1）設(shè)備運行狀態(tài)信息采集和故障診斷、預(yù)測流程；（2）設(shè)備維修管理流程，如圖2所示。具體操作可劃分為四個階段。

2.1 設(shè)備可監(jiān)測的運行狀態(tài)信息分析

（1）設(shè)備運行狀態(tài)實時采集與監(jiān)控，通過對設(shè)備可監(jiān)測的運行狀態(tài)信息進行分析，選擇最佳的狀態(tài)監(jiān)測方法，確定所需的儀器和設(shè)備，進行設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

（2）由于設(shè)備運行狀態(tài)的輸出大都為非線性，同時受溫度、電源波動、噪聲和振動等環(huán)境因素的影響，使得所采集的數(shù)據(jù)不能準確地反映測量值，容易出現(xiàn)測量準確度不高、穩(wěn)定性差等問題。因此，需要對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，剔除錯誤數(shù)據(jù)或偏差數(shù)據(jù)。

（3）對多源同類傳感器進行一次數(shù)據(jù)融合，然后對異類傳感器進行二次數(shù)據(jù)融合，以提高獲取狀態(tài)信息的準確性。同時，根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)輸出設(shè)備的運行狀態(tài)信息。

2.2 基于融合后的設(shè)備運行狀態(tài)信息進行故障診斷

（1）由于實時采集的設(shè)備運行狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)量相當巨大，為了對設(shè)備運行狀態(tài)進行分析和診斷，需要根據(jù)融合后的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，提取設(shè)備運行的關(guān)鍵特征，構(gòu)建設(shè)備運行狀態(tài)的特征向量。

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

（3）構(gòu)造特征分類器，進行決策層融合。同時，參考設(shè)備運行狀態(tài)參考值、允許值和故障閾值，進行故障診斷，并輸出診斷結(jié)果。如果診斷結(jié)果是有故障，則進行故障報警，并輸出故障信息，同時進入維修管理；如果診斷結(jié)果是無故障，則進入故障預(yù)測階段。

2.3 故障預(yù)測

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)測的目的就是分析這種可能性的大小，并做出是否需要進行維修的判斷。預(yù)測的方法有基于模型的方法、大數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法和基于統(tǒng)計的方法三種。經(jīng)過預(yù)測后，如果判定為不必進行維修，則返回設(shè)備運行狀態(tài)實時采集與監(jiān)控；如果判定為需要進行維修，則進入維修管理。

2.4 維修管理

（1）如果設(shè)備需要進行維修，則查詢相關(guān)維修數(shù)據(jù)庫，制定維修計劃。

（2）對維修計劃進行費用分析，并生成維修任務(wù)。該步驟由相關(guān)人員組織實施。

（3）對維修任務(wù)進行控制，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。

圖2 數(shù)控機床的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測工作流程

3 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測的結(jié)構(gòu)體系

針對監(jiān)測對象的特點，選擇不同的傳感器對各個部件的運行狀態(tài)進行監(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)運行參數(shù)可以通過軟件直接讀取，系統(tǒng)故障代碼顯示各種報警信息。

2）導(dǎo)軌副

X向、Y向和Z向?qū)к壊捎没瑒訉?dǎo)軌，機油潤滑，在滑動體上安裝三向振動傳感器監(jiān)測導(dǎo)軌的變形及磨損。

3）絲杠副

由于設(shè)備運動部件的性能及精度變化主要反映在振動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個三向振動傳感器，監(jiān)測絲杠由于磨損、偏心、絲杠滾道表面缺陷、滾珠缺陷等導(dǎo)致的振動及沖擊脈沖。絲杠兩側(cè)的支撐端分別安裝1個單向振動傳感器，監(jiān)測由于絲杠彎曲、前后支架不同心、軸承故障等導(dǎo)致的振動形態(tài)變化。為提高故障預(yù)警和診斷的精度，在絲母座及兩個軸承座上分別安裝1個貼片式溫度傳感器，監(jiān)測性能變化導(dǎo)致的溫度增加。

4）主軸系統(tǒng)

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

5）伺服系統(tǒng)

采用3個電流傳感器分別監(jiān)測主軸電機和2個進給電機的實際負載狀況及功率變化，通過切削力實驗，對電流信號進一步分析處理，可以建立電流與負載力之間的映射關(guān)系。驅(qū)動器故障由其內(nèi)部報警代碼提供解決方案。

6）潤滑系統(tǒng)監(jiān)測

潤滑系統(tǒng)的壓力及流量分別采用壓力傳感器和流量傳感器實時監(jiān)測，油箱機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 logic controller ,PLC）直讀技術(shù)獲取PLC點位信息，構(gòu)成狀態(tài)矩陣，并采用圖形化方式將電氣原理圖進行對照輸出，以便快速診斷和維修故障。

上述傳感器信號通過模／數(shù)(analogue/digital,A/D)采集卡轉(zhuǎn)換后輸入工控機進行分析與計算，分析獲得的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲，并同時在設(shè)備的人機界面 HMI上實時滾動顯示，以便于操作人員掌握設(shè)備各個部件的運行及狀態(tài)信息。

圖3 數(shù)控機床的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測結(jié)構(gòu)體系

4 結(jié)語

雖然各種數(shù)控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)已逐步得到應(yīng)用，但還遠沒有達到工程實用化的程度。目前還僅在部分關(guān)鍵的系統(tǒng)和部件中應(yīng)用。并且對大多數(shù)系統(tǒng)尤其是數(shù)控設(shè)備的故障機理了解還不深入，有些還僅是故障的檢測，還不具備故障預(yù)測的能力。此外，如何正確有效地預(yù)測系統(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。難點工作主要在于如何規(guī)劃特定被監(jiān)測系統(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)測與故障預(yù)測系統(tǒng)。應(yīng)首要確定需要進行研究的關(guān)鍵技術(shù)（如對于數(shù)控設(shè)備應(yīng)關(guān)注故障機理的基礎(chǔ)性研究），進而開發(fā)出適合我國國情的狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)測系統(tǒng)。