（机械制造及其自动化专业论文）基于状态监测和故障诊断的数控教学平台的研究和设计.pdf

中文摘要 随着计算机技术的迅猛发展和对数控技术需求的不断膨胀，数控机床的功 能日益完善，而同时数控系统的规模变得日益庞大而复杂，这就给数控技术的 教学，特别是故障诊断与维修的教学提出了新的课题。 在制造行业中。数控机床是一种主要的生产设备。制造业信息化对数控机 床的可靠性和无故障运行时间提出了更高的要求。要满足这一要求，一方面延 长平均无故障时间m t b f ，另一方面缩短排除故障修理时间m t t r 。 目前，数控机床故障诊断与维修的教学在数控教学中所占比重很小，而且 不系统，本文针对此现状提出了基于状态监测和故障诊断的数控教学平台。 本文以状态监测技术、开放式数控系统为支柱，搭建了基于状态监测和故 障诊断的数控教学平台。一方面，此平台被设计为对数控机床进行在线监测， 以此来实现基于状态监测技术的教学实验。另一方面，所有熏要控制信号被设 计为基于平台的中转方式，通过特殊的u o 控制硬件，由上层软件对这些信号实 施控制和测最，以此实现了数控机床信号控制的设置和排除实验。最后，在此 平台上设计了考试和自动评分。 本文研究和设计了基于状态监测和故障诊断的数控教学平台，实现了状态 监测技术和电气故障诊断与维修的实训教学，使学生真正掌握这些技术。把前 沿技术引入教学，提高了教学的层次、质量。 关键词：状态监测、开放式数控、故障诊断、m t t r 、m t b f a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt h ec o n t i n u o u si n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t so ft h et e c h n o l o g yo fc n c t h ef u n c t i o n so fn u m e r i c a lc o n t r o l l e d m a c h i n ea r ep r o g r e s s i v e a tt h es a m et i m e ，t h ec n c s y s t e mb e c o m e sm a s s i v ea n d c o m p l i c a t e d t h e r e f o r e ，n e wp r o b l e m si nc n ct e c h n o l o g yt e a c h i n g ，e s p e c i a l l yt h e t e a c h i n go ff a u l td i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e ，h a v eb e e np u tf o r w a r d n u m e r i e a lc o n t r o l l e dm a c h i n et o o li st h em a i ne q u i p m e n ti nm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi n f o r m a t i o n i z i o nr e q u i r e st h eh i g h e rr e l i a b i l i t ya n d m a i n t a i n a b i l i t yo ft h e m t os a t i s l yt h e s er e q u i r e m e n t s ，e i t h e rm t b f ( m e a nt i m e b e t w e e nf a i l u r e s ) i sl e n g t h e n e do rm t t r ( m e a nt i m et or e p a i r ) i ss h o r t e n e d a tp r e s e n t ，t h et e a c h i n go f f a u l td i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c eo c c u p i e sav e r yl i t t l e p r o p o r t i o ni nc n ct e a c h i n g ，a n di sn o ts y s t e m i c t h u s ，ac n ct e a c h i n gp l a t f o r m b a s e do ns t a t u sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n df a u l td i a g n o s i sh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp a p e r w i t hab a c k b o n eu s i n gs t u t u sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n do p e nc n cs y s t e m ，a t e a c h i n gp l a t f o r mo fe n c b a s e do ns t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sh a sb e e n c r e a t e d b a s e do nt h eo n - l i n em o n i t o r e df u n c t i o n ，t h et e a c h i n go fs t a t u sm o n i t o r i n g t e c h n o l o g yc r t lb er e a l i z e do i lt h i sp l a t f o r m o nt h eo t h e rh a n d ，a l lt h et y p i c a ls i g n a l s c a nb ec o n t r o l l e da n dm e a s u r e db yt h eu p p e rs o f t w a r et h r o u g ht h eh a r d w a r eo ft h e s p e c i a li op o r t s t h u s ，t h ee x p e r i m e n t so ft h es e t t i n g so ft h en u m e d c a lc o n t r o l l e d m a c h i n es i g n a l sa n dt h eo b v i a t i n go f t h em a l f u n c t i o nc a l lb ed o n eo nt h i sp l a t f o r m a t t h es a m et i m e ，t h es y s t e r no f e x a m i n a t i o n sa n da u t o m a t i cg r a d i n gh a sb e e nd e s i g n e d i nt h i sp a p e r , ac n ct e a c h i n gp l a t f o r mb a s e do ns t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i sh a sb e e ns t u d i e da n dd e s i g n e d ，a n dp r a c t i c et e a c h i n go fs t a t u sm o n i t o r i n g t o g e t h e rw i t he l e c t r i c f 8 u l td i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c eh a v eb e e nr e a l i z e dt o o 。a sa r e s u l t ，s t u d e n t sc a nm a s t e rt h e s et e c h n o l o g i e sa u t h e n t i c a l l y b yt h ew a y o f i n t r o d u c i n ga d v a n c e dt e c h n o l o g i e si n t ot e a c h i n g ，t h el e v e la n dq u a l i t yo ft e a c h i n g h a v eb e e ne n h a n c e d k e yw o r d s ：s t a t u sm o n i t o r i n g 、o p e n c n c 、f a u l td i a g n o s i s 、m t t r 、m t b f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗本鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 每幸妇l 司签字r 期：矽。y 年月矽闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤空盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 韩匆司 签字f 期：加雄i2 ，月p 同 导师签名 签字同期2 舻，乙月纱闩 第一章绪论 1 1 机床数控技术简介 第一章绪论 1 1 1 机床数控原理 数字控带1 ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数 字化的信息实现机床控制的一种方法。数字控制机床( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n et 0 0 1 ) 是采用了数字控制技术的机床，简称数控阿c ) 机床。数控机床是 一种装有数控系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码，或者其它编码 指令规定的程序。数控系统是一种控制系统，它能自动完成信息的输入、编码、 运算。从而控制机床的运动和加工过程。 数控机床是近代发展起来的具有广阔发展前景的新型自动化机床，是高度 机电一体化的产品。 机床的数字控制是由数控系统完成的。数控系统包括数控装置、伺服驱动 装置、可编程控制器和检测装置。 数控装置是用于机床数字控制的特殊用途的电子计算机，它能接收零件图 纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令及切 削用量。 伺服系统由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，是数控系统的执行部分。 它和机床上的执行部件以及机械传动部件组成数控机床的进给系统，并根据数 控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进绘速度、方向和位移量。每个 进给运动的执行部件都有一套伺服系统。伺服系统有开环、闭环和半闭环之分， 在闭环和半闭环伺服系统中，还需要有检测装置反映执行部件的实际位移量。 伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令带动机床各坐标轴运动，同时能 提供足够的功率和扭矩。伺服驱动装置按其工作原理可分为两种控制方式：关 断控制和调节控制。关断控制是将指令值与实测值在关断电路的出较器中进行 墨= 兰堑堡 比较，相等后发出信号，控制结束。这种方式用于点位控制。调节控制是数控 装置发出运动的指令信号，伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号。检测装置将 位移的实际值检测出来，反馈给数控装景中调节电路比较器，有差值就发出信 号，不断比较指令值与反馈的实测值，不断地发出信号，直到差值为零，运动 结束。这种方式用于连续轨迹控制。 可编程控制器用于开关量控制，如主轴的启停、刀具更换和冷却液开关等 信号。 检测装置用在调节控制中，检测运动的实际值，并反馈给数控装置，从而 实现差值控制。从理论上讲，它的检测精度决定了数控机床的加工精度。 1 1 2 数控机床及加工特点 近代，大工业生产大量采用了刚性自动化。在汽车工业、拖拉机以及轻工 业消费品生产方面，采用了大量的组合机床自动线、流水线，在标准件生产中 采用了凸轮控制的专用机床和自动机床。这类机床适合于大批量生产，但是建 立制造过程很难，所以更换产品，修改工艺要较长的时间和比较多的费用。 由于产品多样化和产品更新，解决单件，小批量生产自动化迫在眉睫。航 空、字航、造船、电子等工业对解决复杂型零件加工和高精度零件加工要求越 来越高。这就使刚性自动化不能满足要求，柔性加工和柔性自动他也就迅速发 展起来。 数控机床是现在普遍使用的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动 化程度。数控机床是实现柔性自动化最熏要的装置，是发展柔性生产的基础。 数控机床在下藤一些零件的加工中，更能显示出它的优越性。它们是：批量 小而又多次生产的零件：几何形状复杂的零件；在加工过程中必须进行多 种加工的零件；切削余量大的零件；必须控制公差( 即公差带范围小) 的零 件；工艺设计会变化的零件，加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零 件；需全部检测的零件，等等。 数控机床的优点： 1 提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。 采用最佳切削参数和最佳走刀战线能缩短加工时间，从而提高生产率。 第一章绪论 2 稳定产品质量。采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。 它是按照程序自动加工不需要人工干预，而且加工精度还可以利用软件进行较 正及补偿，因此， 可以获得比机床本身精度还要离的加工精度及重复精度。 3 有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新品种的 零件。能够完成很多普通机床难以完成，或者根本不能加工的复杂型面的零件 的加工。 4 可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心，可以自动换刀。 次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。 5 提高经济效益。可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品， 加速资金周转，提高经济效益。 6 不需要专用夹具。采用普遂的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省 了专用夹具设计制造和存放的费用。 7 。大大地减轻了工人的劳动强度。 数控机床是具有广泛的通用性而又具有很高自动化程度的机床。它的控制 系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度， 以及刀具相对工件的运动轨迹。数控机床是计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) ，柔性制造系统 f m s ) ，计算机集成制造系统( c t m s ) 以及d n c 等柔性加 工和柔性制造系统的基础。 1 1 3 数控机床发展介绍 近十几年来，各种新兴学科、交叉学科异军突起，对工业生产过程产生 深远的影响。随着传感器技术、通讯技术和计算机技术的迅速发展，将备学科 的理论与技术引入机械领域，使机械加工过程及其设备结构和特性都发生了重 大的变革。数控机床就是这样一种技术含量很高的机电一体化设备，自第二次 世界大战以后问世以来，以其与酱通机床相比卓越的性能，特别是生产实现了 高效、高精度及加工自动化，成为机床行业的主力军。 随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的迅猛发展，其成果正在不断地 渗透到机械制造的各个领域中，使自动化技术进一步推广应用予生产实践中； 随着机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越商：而 且随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种也随之增多【”。以上种种原因 第章绪醅 2 稳定产品质量。采用数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。 它是按照程序自动加工不需要人t 干预，而且加工精度还可以利用软件进行较 正及补偿，因此，可以获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。 3 有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变稳序，就可以加工新她种的 零件。能够完成报多普通机床难以完成，或者根本不能加工的复杂型面的零件 的加工。 4 可以实现一机多用。一些数控机床，例如加工中心，可咀自动换刀。 次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房茁秘。 5 提高经济效益。可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品， 加速资金周转，提高经济效益。 6 不需要专用夹具。采用普迸的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省 了专用夹具设计制造和存放的费用。 7 大大地减轻了= _ | 二人的劳动强度。 数控机床是具有广泛的通用性而又具有根高自动化程度的机床。它的控制 系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度， 以及刀具相对工件的运动轨迹。数控机床是计算机辅助设汁与制造( c a d c a m ，柔性制造系统( f m s ) ，计算机集成制造系统( c i m s 以及d n c 等柔性加 工和柔性制造系统的基础。 1 1 3 数控机床发展介绍 近十几年来各种新兴学科、交叉学科异军突起，对工业生产过程产生丁 深远的影响。随着传感器技术、通讯技术和计算机技术的迅速发展，将备学科 的理论与技术引入机械领域，使机械加工过程及其设备结构和特性都发生r 重 大的变革。数控机床就是这样一种技术含量很高的机电体化设备，自第二次 世界大战咀后问世以来，以其与普通机床相比卓越的性能特别是生产实现了 高效、高精度及加工自动化，成为机床行业的主力军。 随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的迅猛发展，其成果正在不断地 渗透到机械制造的各个领域中，使自动化技术进一步推广应用十生产实践中： 随着机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高：而 且随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种也随之增多【”。以上种种原因 且随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种也随之增多【”。阻上种种原因 蔓= 苎堕堡 使得数控机床在生产中得到广泛的应用并不断发展。数控机床己成为现代工业 生产必不可少的设备，发达国家的数控化率己达到8 0 1 2 】。计算机数控技术的 应用，不仅能提高加工精度和质量，而且能完成用普通方法难以实现的复杂型 面的加工，c n c 技术还是柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 和 工厂自动化( f a ) 的技术基础1 3 | o 我国制造业存在的主要差距之一是制造工艺装备落后。我国机床市场容量 已经达4 0 0 多亿元，成为世界最大的机床市场之一。销售额仅落后于美国，成 为第二位。但我国大多数企业仍采用落后的工艺与装备进行生产，优质、高效、 低耗工艺的普及率不足1 0 ，数控机床，精密设备不足5 。 为改变制造工艺装备落后的局面，国家开始推行制造业信息化。国家制造 业信息化工程领导小组提出制造业信息化工程的“七横三纵”的工作框架。“七 横”即三维c a d 系统、e r p 系统、m e s 系统、企业集成系统、区域网络化制造系 统、数控装备和数据库管理系统七大关键技术产品。“三纵”即企业应用示范、 技术服务支撑、应用技术攻关。 虽然数年来我国的数控技术也得到不断的发展，但是由于种种原因，直至 今天，我国的数控领域依然处于比较落后的局面，我们必须对数控技术进一步 加以研究和搽索，使整个现代工业加工的基础领域能有更大的发展【4 j 。 为了改变我国制造业制造工艺装备落后的现状，推行制造业信息化，我们 应该在“七横三纵”的工作框架之内，尽量多做工作。 1 2 数控机床故障诊断 近十几年来，计算机技术的迅猛发展带动各种新兴学科、交叉学科异军突 起，对工业生产过程产生了深远的影响。随赘传感器技术、通讯技术和计算机 技术的迅速发展，将各学科的理论与技术引入机械领域，使机械加工过程及其 设备结构和特性都发生了重大的变革。数控机床就是这样一种技术含量很高的 机电一体化设备，自第二次世界大战以后阀世以来，以其与普通机床相比卓越 的性能，特别是生产实现了高效、高精度及加工自动化，成为机床行业的主力 军。数控机床在机床类型中所占的比例逐年增加，以数控机床为基础的备类加 工中心、柔性生产线蓬勃发展，数控机床成为现代制造业的技术基础。然而数 控机床本身又是一个复杂的系统，一旦机床出现了故障，要使故障源充分暴露 4 蔓二兰塑笙 或者使故障定位，需要维修人员具有较高的业务水平和丰富的经验，这就给故 障的及时排除带来了许多困难，因此，对数控机床故障诊断技术的研究提上e 程 s l 。 数控机床是典型的机电一体化设备，它集机、电、液于一1 身，在现代机电 设备中非常具有代表性，具有技术密集和知识密集的特点，数控系统旦发生 故障，由于其技术先进、结构复杂、检查工作量大、涉及的技术领域多以及故 障的层次传擢性，现场工作人员或技术人员一般无力解决，通常需要求助于异 地厂家的技术人员及相关专家，而异地厂家的技术人员及相关专家对设各进行 诊断必须了解相关设备现场信息。在现有条件下，异地厂家的技术人员及相关 专家必须亲临现场，这大大增加各方面的经济负担和人员负担，同时，也不能 使故障得至n 及时的捧除。一个通常的做法就是建立现场状态监测和故障诊断系 统，以辅助现场工作人员进行故障诊断。这些状态监测系统通常用备种手段采 集现场各种信号，再采用各类复杂的诊断推理方法、算法进行信号分析，帮助 现场工作人员进行故障诊断。但对这些状态监测系统来说，关键不是算法的优 劣，而是这些系统知识的贫乏，尤其是对数控系统这样的高精尖设备来说，目 前很难进行系统的故障实验，而在运行期间系统的故障次数少且不完备，难以 从单台设备上学到更多的知识。在我国，大部分的领域专家都集中于高校或科 研机构里，而企业中的技术人员相对较少。这样，由于地域、行业及企业闻的 相互限制，彼此之间联系松散，使得实际技术力量显得严重不足，同时又有相 当大的潜力没有得到充分利用。当设备求诊时，由于地域限制，专家或生产厂 家技术人员就会奔波于全国各地。 基于以上分析，主要问题在于 l 、现场工作人员或技术人员一般无力解决数控机床故障，甚至于无从下手； 2 、目前很难进行系统的故障实验； 3 、专家或生产厂家技术人员奔波于全国各地，效率低下。 那么这些问题国内外学术和技术人员是怎么对待和解决的昵，下面让我们 来了解一下。 1 3 提高数控机床故障诊断技术的必要性 机床故障诊断技术是建立在机械工程、测试技术、信号处理、计算机应用 第一章绪论 技术、人工智能等众多理论基础上的新兴综合性科学技术咧，能为企业带来巨 大的经济效益，然而却经常被人们所忽视，显然这是不正确的。据目本统计， 采用故障诊断技术后，每年设备费用可减少2 5 5 0 【7 】。英国对2 0 0 0 家工厂调 查的结果表明，采用故障诊断技术后，每年设备维修费用可节约3 亿英镑，全 英国工业维修费用可节约7 5 亿英镑，美国帕克鲁( p e k r u l ) 公司的调查资料表 明，投入2 0 万美元的设备诊断费，年获利可达1 2 6 万美元1 8 1 。可见，在市场 经济竞争日益激烈条件下。机床故障诊断技术对企业降低维修费用，提高经济 效益，增强企业自身竞争力，有着必要性和深远的重要意义。 无论是哪一台数控设备都是，一种自动控制设备，这就要求它在实时控制的 每一时刻都准确无误地工作。任何部分的故障与失效，都会使机床工作不正常， 轻贝i j 停机造成生产停顿，重则造成重大损失。因面对数控机床这样原理复杂、 结构精密的装置，正常工作很重要，所以进行维修就显得十分必要。尤其对引 进的c n c 机床，大多花费了几十万到上百万美元。在许多行业中，这些设备均 处于比较关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较 大的经济损失。因此，数控故障诊断技术不仅是保障正常运行的前提，对数控 技术的发展和完善也起到了巨大的推动作用，目前它已经成为一个热点的学术 研究方向。在传统的维修方法中，主要依靠人工查找故障来源，费时费力。据 统计，工业现场中，8 0 的时间用来查找所出现的故障原因，而只有2 0 的时 间来解决故障嗍。 由于数控机床的结构组成的特点及其故障分布特殊性，对数控机床故障诊 断技术提出了新的要求。然而e l 前国内外尚朱有非常成熟的系统，原因主要是”o j 1 1 1 【1 2 l 数控机床结构复杂，集机电、数控、液压、气动于一体，它可按功能和 组成划分为子系统部件和零件等多个层次，而且各层次之间相互影响，关系复 杂；故障原因以及故障与故障原因之向的关系复杂。对于这些设备的故障情况， 同一类型的故障往往可能表现出多种症状，而一种症状又可能对应多种故障类 型。 我国平均每年数控机床国内市场需求量为1 5 万台左右，其中国产数控机 床的市场占有率不足3 0 ，大部分靠从国外进口。在故障诊断维修过程中，需 要翻阅大量的外文技术资料，对维修人员的外文阅读能力要求离。大部分中小 企业并不配备专门的机床维修人员，在出现不可解决的故障之后需聘请机床生 产厂家的维修专家，费用高，耗时长。可见，以微处理器为基础，大规模集成 电路为标志的数控机床，由于其结构上的复杂层次关系与故障之间的关联性等 蔓二兰丝笙 特点，对维修理论、技术和手段提出了新的要求。如何在很短的时间内，运用 合理的设计思想对其进行故障定位，以满足诊断实时性的要求成为极具挑战性 的工作之一。 综合以上分析，上节提出的三个问题是急需解决的，为了解决这些闷题， 本文提出了基于状态监测和故障诊断的数控教学平台。 基于状态监测和故障诊断的数控教学平台以开放式数控系统、状态监测技 术、自动控制技术作为三个支柱，实现了在线监测，实现了故障实验。实现了 在线监测，就可以进行数控机床传动部分故障诊断与维修的实训教学。实现了 故障实验。一方面给数控机床故障诊断提供第一手资料，解决“很难进行系统 的故障实验”的问题，另一方面进行数控机床电气部分故障诊断与维修教学和 人员培训，解决“现场工作人员或技术人员一般无力熊决数控机床故障，甚至 于无从下手”的问题。学生毕业，走上工作岗位或现场工作人员受到了培训， 对数控机床结构，传动部分、电气部分故障诊断与维修有了了解，就能够维护 和进行简单维修，对的问题会起到缓解作用。 1 4 论文选题意义及主要完成的工作 1 论文选题意义 由于数控机床在制造业信息化的重要地位，所以要发挥其高效益，那么必 然要保证它的开动率。这就对数控机床提出了稳定性和可靠性的要求，衡量该 要求的指标是平均无故障时间m t b f ，即两次故障间隔的时闻；同时，当设备 出了故障后，要求排除故障的修理时闯m t t r 越短越好，所以餐量上述要求的 指标平均有效度a ： a _ m 豫f ( m t b f + m t t r ) 1 1 3 l 要想提高平均有效度a ，一方面增大平均无故障时间m t b f ，另一方顽降 低排除故障的修理时间m t t r 。 实际生产中存在上述两方面的要求，数控教学就应该满足此要求，但目前 的数控机床故障诊断与维修教学没有实现。 基于上述的原因，本文提出基于状态监测和故障诊断的数控教学平台，一 方面，利用状态监测技术教学，推广普及状态监测技术应用，来增大平均无放 障时间m t b f ；另一方面故障实验可以为故障诊断提供第一手资料，同时也可 以进行人员培训，间接降低排除故障的修理时间m t t r 。 第一章绪论 2 主要完成的工作 1 ) 搭建基于p c + 运动控制器架构的开放式数控系统。 2 ) 搭建基于状态监测和故障诊断的数控教学平台。 3 ) 设计了数控教学平台的故障设置装置，主要内容是把所有重要控制信号 设计为基于平台的中转方式，通过特殊的i 0 控制硬件，由上层软件对 这些信号实施控制和测量，以此实现了数控机床信号控制的设置和排除 实验。 4 ) 编写教学平台软件，设计了两个基本用户，进行了权限管理，基于不同 权限进行不同操作。在教学平台软件中设计了实验和考试功能，以及自 动评分功能。 5 ) 设计了对数控机床进行在线监测系统，实现了对数控机床的在线监测， 同时实现了基于状态监测技术的教学实验。 6 ) 对数控机床进行了故障实验，为数控设备故障诊断与维护提供了科学依 据。 第二章开放式散控系统韵搭建 第二章开放式数控系统的搭建 基于状态监测和故障诊断的数控教学平台是建立在开放式数控系统基础之 上，所以首先要搭建开放式数控系统。 2 1 开放式数控系统 数控技术快速的更新换代很大程度上是因为计算机技术的飞速发展的推动 作用。许多数控系统生产商利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的 新一代数控系统，即模块化、可重构、可扩充的软硬件数控系统。开放式体系 结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络 化方向大大发展。 9 0 年代开始一些发达国家针对c n c 所面临的问题和开放式数控发展的必 然趋势，以设计生产开放式数控系统作为目标，相继推出了各自的开放式体系 结构规范，这其中有美国的n c , c 和o m a c 计划，欧盟的o s a c a 计划，日本的o s e c 计 划等1 14 1 。 在这个发展过程中，开放式数控系统大致经历了三个阶段：l 在专用系统中 简单地嵌入一些p c 技术；2 运动控制器以p c 扩展卡的形式插入到p c 机扩展槽： 3 完全采用以通用p c 为硬件平台的全软件型数控系统。从开放式数控系统目前的 研究成果来看，全软件型数控虽然提供了一种高度开放的体系结构，但由于操 作系统实时性、标准统一性及系统稳定性等一系列问题，其系统实现技术还处 于研究和实验阶段。相对全软件型数控系统而言，p c + 数控功能板型是目前比较 现实而有效的实现开放式数控系统的途径。 p c 机主要处理非实时部分，实时控制由插入p c 机扩展槽中的运动控制板来 承担。这种方法能够借助所插入控制板的可编程能力，实现对系统核心的部分 定制，并且由于控制板所采用的专用数控技术已非常成熟和性能稳定，因此这 样架构出来的数控系统既具有前端p c 机的柔性，又具有原来专用c n c 系统的稳定 性和可靠性。 第= 章开放式数控系统的接建 2 2p c 1 0 4 概述 p c 1 0 4 嵌入式计算机是上世纪8 0 年代末出现的一种新型的工控机，采用 层叠式结构；因其总线之间互连使用了1 0 4 个信号线，因此嵌入式计算机又称 为p c 1 0 4 。其与p c a t 等完全兼容，芯片大多采用i n t e l ，a m d 公司的3 8 6 ， 4 8 6 ，5 8 6 等。为适用于嵌入式控制应用，标准p c 体系结构的硬件必须减少体积、 降低功耗，提高集成度。p c 1 0 4 标准满足以上要求，它提供与p c 总线在体系 结构、硬件和软件上的完全兼容，而且结构紧凑的栈接式模块很适合嵌入式应 用的独特要求。由于使用c 姗s 器件，p c 1 0 4 模块功耗低，不存在散热问题， 工作温度范围宽( 0 - 7 0c ) ；结构坚圃。非常紧凑，所占面积只有9 0 r a m 9 6 r m ， 超小的体积使安装和携带都很方便，减少了产品部件豹数量；由模块构成的系 统，直接叠装，无须机箱和底板。已有的p c 1 0 4 模块为构造嵌入式系统提供 了种类繁多的构件，它的高集成度和可模块化的结构适用于数控系统的构建。 2 3 运动控制器 2 3 1 运动控制器概述 运动控制器是用来实现预定运动轨迹目标的装置。般来说，运动控制器 控制电机驱动器，电机驱动器控制电机，电机控制执行机构，这样就可以实现 预定运动轨迹目标了。可以说，只要有伺服电机应用的场台就离不开运动控制 器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发 了生机 15 1 。 数字信号处理器d s p 为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器 件f p g a 的飞速发展必然带动运动控制技术的发展，它形成了广义上的数控装 置。采用“p c + 运动控制器”的开放式数控系统( 见图2 1 ) ，不仅具有信息处 理自g 力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大 程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其称 为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三次工业革命，并预测其应用将和 现在的p l c 一样普遍“。 第二章开放式数控系统的搭建 图2 1p c + 运动控制器结构开放式数控系统 2 3 2 运动控制器应用 第一步：需求分析 1 根据要开发设备的工作特点，确定运动控制器性能、需求； 2 确定要控制的电机轴数和电机工作模式： 2 确定控制环，位置检测、反馈模式； 3 确定输入输出开关擞的数量。 第二步：选择运动控制器、伺服系统 1 根据需求分析、匹配情况选择运动控制器； 2 根据设备工作过程的静、动载荷情况，分别计算所需的最大扭矩和驱动功率。 而后，在考虑安全系数和安装空间的条件下，选定各轴电机、驱动器 3 选择是否采用光电编码器或光栅尺 4 确定输入输出接口。 第三步：连接运动控制器、驱动器、电机与设备 1 ) 按照接线端子排列说明和驱动器控卷4 信号接线说明，将控制器与驱动器闻的 控制信号线、编码器反馈信号线妥善连接。 2 ) 将操作面板的开关、指示灯与运动控制器接线端子排上的通用数字i 0 端子 相连。 3 ) 应用调试环境程序中的动态响应测试功能，测试、分析设备各轴的动态响应 特性，选择合理的控制参数。 第四步：应用软件开发 1 1 兰三童墅垫苎墼篓墨竺塑苎鍪 1 ) 设计各轴工作过程控制流程图。根据用户所选的应用软件开发语言如 v i s u a lb a s i c ，选择合适操作系统环境的相应动态连接库d l l ，掌握运 动控制器命令函数的调用方法。 2 ) 编写设备控制的应用程序。 2 3 3 目前的运动控制器产品情况 目前，市场上有很多公司在制造销售或代理销售多轴运动控制卡系列产品 及其配套的控制器、电机、编码器和检测设备，除了以下表t 中所列出的公司与 产品外，国内外还有很多，如：g e f a n u c 德国m o v t e c 、台湾a n r o t e k 、北京泛华， 还有三菱电机、o m r o n 、富士、东芝等机电公司也在开发制造同类产品。相比 之下，美国的p m a c 、g a l i l 应用比较广泛。 2 4 多轴运动控制卡的原理及其开放性 美国d e l t at a u 公司的p m a c ( p r o g r a mm u l t i p l ea x i sc o n t r o l l e r ) 多轴运动 控制器是当今世界上功能最强，可靠性最高的轴控制器。控制器的功能包括： 多轴插补计算、用户辅助p l c 编程以及模拟量数据采集处理。控制卡的硬件核心 为m o t o r o l a 的d s p 。 p m a c 控制卡的软件功能更加灵活和开放，每个控制卡最多可控制3 2 轴， d s p 的时钟频率为2 0 4 0 6 0 8 0 1 2 0 m h z 可选，伺服周期为5 5i ss 每轴，可控 制各种电机及接收各种反馈，控制卡具有直线圆弧快速定位三次样条和p v t 共5 种插补计算特性，具有s 曲线加减速特性，p i d 伺服环闭合调整功能，内置先进 的p i d 伺服算法，固定程序缓冲区为2 5 6 字节，并且具有旋转运动缓冲区可用于 大量程序的边下载边执行。用户无须编写轴的插补程序，只需直接调用相关插 补指令即可。 ， p m a c 最大的特点是它提供给用户的优越、特殊的开放性能7 。： 2 4 1 硬件结构的开放性 ( 1 ) 与各种伺服系统的匹配 通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，便可以与各种模拟或数字的交、 直流有刷、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动相连，构成数控系统 的驱动部分。 ( 2 ) 与各种检测元件的匹配 墨三兰盐垫垫墼整墨堡塑塑塞 p m a c 可以和各种市西上流行的机床检测元件进行匹配，包括测速发电机、 光电编码器、光栅、旋转变压器等。 ( 3 ) 与p c 机的通讯方式 p m a c 有三种可选的与上位p c 机的通讯应用手段，包括总线( b u s ) 和串 ( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) ，以及新推出的u s b 接口和m a c r o 光缆接口通讯形式，总线 形式包括i s a 总线p c i 总线v m e 总线和p c 1 0 4 嵌入式微机。 ( 4 ) 与众不同的硬件平台的匹配 p m a c 有三种类型，分别在三种不同总线( p c x t 和a t ，v m e ，s t d ) 上 运行，由此提供了多平台的支持特性，同时也使同一控制软件可以在不同的硬 件平台上运行 2 4 2 软件结构的开放性 ( i ) 人机界面的对外开放 p m a c 提供了w i b l d o w s 平台下的驱动程序p c o m m , 可以在高级编程语亩 如v c + + ，v b ，d e l p h i 等编程环境下调用这些动态链接库，实现w i n d o w s 环境下的人 机界面。 ( 2 ) 数控功能的对外开放性 p m a c 提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆弧插补、样条曲线插 补、增量或绝对方式运行等，可在这些基本指令基础上定制用户自己的b 代码、 m 代码数控功能。 ( 3 ) 控制系统定制的对外开放性 p m a c 通过各种方式如i 变量和e n e o d e rc o n v e r s i o nt a b l e 等来实现对整个 控制系统的定制，使其方便的与实际机床进行匹配。 、正是由于p m a c 优秀的处理功能和优越的开放性能，使其刚推出之日起，就 受到了国内备家厂商的熏视，并在其上进行了研究和开发。 2 4 3p m a 0 的开发工具 p m a c 的系统软件p e w i n ( p m a c e x e c u t i v ef o rw i n d o w s ) 是设备自 带的功能强大的开发工具，能对系统进行控制和测试，创建和管理p m a c 应用系 统，提供用户终端界面，设置系统参数，编写系统运动程序。它是基于w i n d o w s 操作系统的可执行程序，它能够方便地配置、控制、调试p m a c 系统。p e w i n 充分利用了w i n d o w s 窗口操作环境的优点，功能十分强大。系统运动程序编写所 采用的是一种特定的机器语言，同时也兼容数控机床语言和g 代码。如代码x 1 0 0 ， 第二章开放式数控螽统的耩建 表示命令工作台在x 方向运动1 0 0 个单位单位可以由用户自行设定。但是p e w i n 仅仅是为用户提供了一个编制p m a c 应用软件的方法和示例，它的设计思想也主 要是面向普通的应用场合，因此在一个具体的应用中使用p e w i n 这个具有强大 兼容性的软件没有必要也不切实际，p e w i n 的许多功能可能都用不上。可见， 对于某一特殊的应用问题，p e w i n 就会缺少了解决好办法。 p t a l k d t 是d e l t at a u 的3 2 位驱动器p c o m 3 2 的用户界面。p t a l k d t 是用户 用a e t i v e xc o n t r o l 的形式开发的，它的应用可以减轻编写程序的繁重负担。 p t a l k d t 可以灵活地应用于3 2 位版本的v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc 十+ ，d e l p h i 或者 c - h - b u i l d e r 以及任何支持a e t i v e x 控件的开发包。p t a l k d t 提供了同p m a c 的快 速而稳定的通讯，用户可以致力于人机界面的功能开发，而不必再在如何编写 与p m a c “对话”的软件上花费太多心思了，p t a l k d t 为用户的应用程序提供 与p m a c 即时通讯的能力。 p m a c 有四种变量：p ，q ，i ，m 变量，其中p ，q ，m 为用户变量，而i 变量则是初 始化变量，i 变量决定卡的工作特性，它们中的很多被用来正确的配置电机，一一 旦设定，这些变量就会被存在可靠的e p r o m 中，使得p m a c 可以正常运行。例 如i1 3 0 i1 3 5 为l 号电机的p i d 控制参数。p t a l k d t 继承p m a c 的这些功能，在执 行运动程序前也要根据客户的要求对p m a c 的变量进行设置。 2 5 系统搭建 2 5 1 系统结构 在本课题中采用的是p c + 运动控制器架构搭建开放式数控系统。选阁嵌入 式工业p c 1 0 4 计算机，进行非实时部分数据的处理：实时部分选用上文介绍的 多轴运动控制器p m a c ( p r o g r a mm u l t i p l e a x i sc o n t r o l l e r ) 通过嵌入式x p 附加实时控制特征封装在p c 1 0 4 计算机中，成为一个完整的工业级智能化的铣 床控制系统。 伺服系统采用松下伺服电机和驱动器：由于本课题中采用的铣床，所以需 要三套伺服电机和驱动器来实现x 、y 、z 三轴进给：主轴采用的是变频器控制 三相异步电动机实现无级调速。 第二章开放式数控系统的搭建 2 5 2 系统硬件配置及其连接 系统嵌入式工业p c 1 0 4 计算机主控c p u 选用i n t e lp e n t i u m 31 g h z ；系统采 用1 2 英寸高亮t f t 液晶显示屏；h d d 硬盘驱动器；具备4 个串臼，3 个r s 一2 3 2 和 个r s - 4 8 5 ；1 0 0 m 以太网卡；u s b 主类型接口( u s 9 1 1 ) p m a c 多轴运动控制器型号为，基于m o t o r o l a 5 6 3 3 1d s p4 0 m i p s ，对于四轴联 动的运动，平均每轴的伺服周期少于5 5 毫秒。 x 、y 轴选用额定功率为0 7 5 k