数控机床远程故障诊断及维修服务系统研究

林颖,彭焕刚,刘其洪,罗金炎,王慧

(华南理工大学机械工程学院,广州510641)

摘要:提出了基于网络的数控机床远程故障诊断及维修服务系统的基础框架,介绍了系统主要功能模块及关键支撑技术。

关键词:故障诊断;维修服务;网络化;远程诊断;数控机床

中图分类号:TH165 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2005)2-165-2

Research of NC M achine Tools Re mote Fault D iagnosis&M ai n tenance Syste m

LI N Y ing ,PENG H uan-gang ,LI U Q -i hong ,LUO Jin -yan ,WANG H u i

(Co llege ofM echanical Eng i n eering ,South Ch i n a Un i v ersity of Techno l o gy ,Guang zhou 510641,Ch i n a)

Abstrac t :A basi c fra m e w ork o f ne t w ork-based N C m ach i ne too ls remo te fau lt d i agnosis &m a i ntenance syste m w as proposed .A nd its m a i n function modu le and key suppo rting techno l ogy w ere i ntroduced .

K eyword s :Fau lt diagnosis ;M a i ntenance ;N et w ork ;R e m ote d i agnos i s ;N C m achi ne too ls

0 引言

数控机床作为一种加工精度高、自动化程度高的机床,具有高效率、高质量、柔性好等特点,适合未来生产加工的需要。但当数控机床出现故障时,一般的技术人员不能快速准确地分析判断出故障的原因,

排除故障,以至于影响生产[1]

。由于数控机床故障诊断及维修工作是一种动态的、多变量的、人为因素起很大作用的开放系统,系统不确定的因素多,逻辑关系复杂,基本事件的发生概率也很难确定,加上数控机床的自动化程度的日益提高,复杂性迅速增加,依靠传统的人工检测方式来进行故障诊断已不能满足现代工业设备安全生产的要求。

随着世界经济的不断发展和基于I nter net 的信息技术更广泛的应用,这就为数控机床维修服务的资源共享、信息交流提供了快捷和自由的途径,也使建立一个基于计算机网络通讯和处理的开放的数控机床远

程故障诊断及维修服务系统成为可能[2]

。1

远程故障诊断及维修服务系统的基础框架

图1 远程故障诊断及维修服务系统的基础框架

远程故障诊断及维修服务系统的基础框架如图1

所示。利用I nter net 技术,将远程故障诊断及维修服务系统的各个主要环节与网络相连接,使分布在不同地域的设备、监控系统、诊断系统和使用者联系起来,在系统、人及它们之间进行设备状况信息、诊断决策信息等的快速传递,动态形成设备的诊断服务网络平台。

在图1中,设备运行现场的实时检测故障诊断单元,根据设备运行特点,利用传感器在线获取NC 运行时各测点参数、设备报警号和PLC 等状态信息,判断设备是否正常运行,一旦出现异常情况,立即发出报警信号,同时启动设备诊断及维护指导服务器,运行系统维修服务单元,对数控机床设备进行故障自动修复。对比较复杂的、难于自动修复的故障,此时用户可打开浏览器,输入远程故障诊断中心的URL 地址就可以访问到故障诊断中心服务站点,提出服务请求。该站点则向用户提供W eb 页面指导用户交互输入待诊断的有关征兆或观测数据,用户提交后系统对输入进行合法性检查,无误后发往服务器,然后将该检测设备接入互联网,通过I nter net 与远程故障诊断及维修服务中心实现双向交互,用户即可在浏览器上看到诊断结果和维修向导。若故障特别复杂,还可由诊断中心的专家进行会诊,并通过I nternet 现场指导,用户按照专家的提示进行检测,直至排除故障。

2 主要功能模块及关键支撑技术211 支持多媒体的全球通信网

支持多媒体的全球通信网如I nter net 、电讯通信网等,是实现远程故障诊断及维修服务的前提,在这个网上可进行相关文档、技术资料、交互式电子技术手册(I ETM -Interact i ve E lectr on i c T echnical M anu -al)[4]

、视频、音频和现场监控信号的可靠、及时传递。远程故障诊断及维修服务离不开网络,它是监测现场和诊断中心交流的媒介。为了提高故障诊断的准确性以及提供快速、超前的技术服务,就必须提高网络的性能即可靠性和容错性、通信协议和通信服务质

量保证等。

212故障诊断方案模型

各类故障诊断的模型大体包括一般故障诊断模型、神经网络诊断模型、基于新型神经网络分类器的故障诊断模型、模糊推理诊断模型、基于模糊推理与规则结合的故障诊断模型及方法、符号定向图(SDG -S i gned D irecte d G r aph)故障诊断模型、功能级故障诊断模型、分布式递阶智能故障诊断模型、自生成基函数模糊神经元故障诊断模型等。将这些故障诊断方案模型集成在一个数据库中,系统根据不同的机床设备采用不同的故障诊断模型,同时还能够根据以往有关故障诊断的数据自动学习建立故障诊断模型。

213基于多媒体技术的故障诊断知识库

这是系统中最重要的部分,知识库主要包括:数控指令库、设备状态的历史数据库、设备特征数据库、专家系统知识库等。数据库中的信息来自于用户方、设备生产部门、技术中心等。这些信息先经过分类处理,由技术中心的工作人员保存到信息库中。

数控指令库用来存储可以实现一定功能的数控指令集合。每个数控指令集合都对应着一种单独的动作(如换刀动作),远程技术中心的工作人员通过数控机床在执行这些数控指令的工作状态来推断出故障的原因。

设备状态的历史数据库保存着CNC运行时各测点参数的历史纪录,它是各种诊断模块必需的数据之一,也是很多监测模块需要访问的数据源。当系统运行时实时的测点数据定期被接收,加入到历史数据库中。远程技术中心通过网络获得数控机床执行特定程序时的工作状态采样数据,将这些数据与设备状态的历史数据库中的标准数据进行对比,通过分析软件判断出数控机床出现故障的部件,为提出故障解决方案找准方向。

设备特征数据库描述了关于数控机床结构特征的各种数据,它包括输入输出设备、NC装置、伺服单元、驱动装置、PLC和机床本体的参数等。所有这些参数,是根据数控机床生产厂家提供的信息,保存在结构数据库中,供诊断使用。

专家系统数据库是数控机床远程故障诊断数据库开发的重要技术组成之一,其内容复杂,主要内容包括:具体的故障现象、对该现象的分析、可能的原因、具体排除步骤等。另外还对实际工作中的一些事项进行了介绍,如:具体工作步骤、参数值的设定。通过分析对故障原因进行解释,并针对不同的原因给出了排除故障的方法,对故障排除过程中可能遇到的疑难进行了解答。远程技术中心的工作人员对数据库访问方式分为浏览和查找。浏览方式的特点是在一张表中列出各种故障现象,当前的故障分析紧随其后。用户在故障现象表和故障可能的原因中选择,找到对应的故障现象以及可能的原因和解决方案。至于查找方式,则是通过用户输入关键字由系统自动找到故障并分析原因以及排除方法。

故障诊断知识库的内容将根据设备的故障状况的变化而不断丰富和更新,使故障诊断系统具有记忆能力。知识库是故障诊断系统的基础,故障诊断系统的知识更新采用人工更新与系统自动更新相结合的方式。

214多媒体信息的集成技术

监测现场必须通过网络向诊断中心提供多种形式的故障信息,包括声音、图像或者是静态的照片等。这些多媒体信息必须以尽可能高的压缩比进行压缩和传送,来缓解带宽的压力。多媒体信息的集成主要就是指对视频信号和音频信号进行压缩和编码后,利用控制信息将其与数字数据复用到一个比特流中形成流媒体,以实现多媒体信息在网络上的传输[3]。

215开放式故障诊断专家系统

传统的专家系统是封闭或者半封闭的,由设计者构造和更新,设计者必须为每一种设备设计一个专家系统,而这样的专家系统并不具备良好的适应性。其实设计者应当更多地考虑如何设计一个专家系统的框架,而将专家系统的诊断知识库交由广大用户共同建造和维护,这样才能保证知识库内容具有广阔的覆盖面和较快的更新速度。

216交互式电子技术手册(I ETM)

交互式电子技术手册(I ET M)的内容主要包括产品的设计、图纸、使用、维修等数据,它通过采用标准化和先进的多媒体技术,实现了更贴近用户、操作非常方便的用户接口。I ETM可以将机床设备所需的有关故障查找与维修方面的全部技术信息集合到数据库中,为用户智能化地提供故障诊断和查找程序,使维修人员在任何需要的时间、地点获得充分的信息支持。通过I ET M可以有效提高故障诊断速度,减少维修人员的工作量,改善维修方法和过程。同时系统能够根据实际情况,及时更新I ETM的内容,消除其中很少使用或者已经不再使用的内容。

217维修知识库与维修向导技术

维修知识库与维修向导技术,是系统关键技术之一,它可以实现辅助故障诊断,诊断故障模块更多地考虑结构化问题的分析与判断。

针对那些用户可以自行修理的故障,系统自动生成相应的维修工艺,指导用户进行维修操作。维修向导能实时提供该专业的所有知识点、可能出现的故障及修理工具和方法,并伴有多媒体的维修示范讲解,图文并茂、生动明晰。

同时,系统在对故障的统计、归类分析的基础

(下转第179页)

适当的预紧可提高轴承的支承刚度、旋转精度、寿命、阻尼和降低噪音。但预紧力过大,反而会使轴承工作时温升过高,大大降低轴承的使用寿命。预紧可采用轴向、径向定位预紧和定压预紧等方法。定位预紧对支承系统轴向刚度增加较明显。通常滚子轴承的刚度大于球轴承的刚度。我们在不改变轴承类型,即也不改变其它零部件尺寸的前提下进行改进。采用调整轴承内外圈垫片的厚度这种轴向定位预紧的方法。通过测量起动摩擦力矩,我们把预紧力由原设计的500N提高到700N,从而提高了后支承的刚度。112提高头架、尾架的回转精度

(1)测量。用自制的一些量具测量出滚动轴承7220AC/P5的内、外圈跳动量值,并标记出最高点。选内、外圈跳动量值都相近的轴承配成一组,分组测量计算出需调整的高度差值,配磨好再进行调整。

(2)定向装配。把两个滚动轴承外圈最高点放在同一方向上,并在与动静压轴承的角偏位一致的方向上进行安装,两个滚动轴承的内、外圈最高点成180b方向安装。

通过上述方法安装后的主轴,后支承利用轴承外圈的跳动量来减小前支承主轴在轴承中偏心对前支承油膜不均匀性的影响,并通过选择合适的供油压力使主轴的轴线与DYNA STAT动静压轴承的轴线尽量平行,以使轴的旋转更加稳定,提高轴的回转精度。使用时将DYNA STAT动静压轴承的供油压力由原来的1M Pa提高到2M Pa时,使用效果较好。

2结论

经过我们改造后的磨床,其产品加工精度明显提高了。如:用改造后的磨床加工上柴D6114曲轴各轴径,其圆度、圆柱度值在01002mm~01004mm的范围内,满足了曲轴产品的形状精度要求,比机床原出厂精度有了明显的提高。机床改造后性能一直较稳定。此次改进我们没有提高机床各零部件本身的精度,也没有对机床做大的改进,所需的费用很低。

参考文献

【1】陈宏钧1实用机械加工工艺手册1机械工业出版社, 20031

【2】杨可桢1机械设计基础1高等教育出版社,19961【3】D ona l d E.Bently1涡动现象的根除)))SFC M如何提高旋转机械的稳定性,摘自www1bently1co m1cn1

作者简介:曲力戈(1973~),讲师,现在辽东学院从事机械教学工作。电话:0415-*******,E-m a i:l qu-li ge@sohu1co m。

收稿时间:2003-12-09

(上接第166页)

上,建立故障现象与原因之间的关系,通过决策树的方式支持故障诊断。具有自学习功能的数控机床维修管理信息系统,将成功的维修案例记录到系统中,系统能提取相关信息,对决策树进行扩充,实现知识的积累。系统面向零件主题组织机床零备件更换的工艺,并将操作复杂、拆/装工艺要求高的操作过程保存为影像资料,便于以后的机床维修或维修操作培训参考。

218远程信息服务

远程信息服务包括远程培训和远程咨询服务。用户在任何时候任何地方都可以登陆到系统,查阅一般性技术难题,自由点播、自主学习和讨论,专家教授随时可以/走到0身边,在虚拟空间里提供快速的、全方位的技术服务。

219网上交流

使用网络交流技术与工具,在网上进行技术交流以及用户、技术人员相互之间的信息交换。尤其要考虑文化语言的相互沟通,应该充分考虑各国文化背景的异同点,实现语言的自动在线翻译。同时要注意技术语言的标准化、国际化,因为远程服务可能是对异国客户的服务,必须使不同国家对技术语言的理解保持一致,尽可能地利用图形符号来表示,向国际标准转变。3结束语

数控机床远程故障诊断及维修服务系统是一个复杂的网络系统,涉及计算机网络、数控技术、通讯技术、数据库技术、虚拟现实技术、设备故障诊断技术等多方面的细节问题。我国在这方面的研究刚刚起步,本文也仅描述它的基础框架、主要功能及关键支撑技术。随着世界经济一体化的不断发展和基于In-ternet的信息技术更广泛的应用,远程设备故障诊断及远程维修服务系统必将成为企业提高服务水平、加强竞争力的有效方法。

参考文献

【1】雷旭升,张洛平,李继顺,王笑一1数控机床远程故障诊断系统框架及其实现[J]1机械工程师,2002

(4):16~181

【2】周治贵,宋刚,胡德金1CN C机床远程故障诊断服务系统的研究[J]1机床电器,2001(5):19~221【3】李菊欢,林颖,陈忠1基于B/S的远程故障诊断系统[J]1现代制造工程,2001(11):59~601【4】http://www1usa-m il1co m1

作者简介:林颖,女,1953年11月生,广东新会人,副教授。主要研究方向:CAD/C AM、故障诊断。电话:138********,020-********(H),020-******** (O),E-m a i:l mey lin@scu t1edu1cn。

收稿时间:2004-10-08