（机械制造及其自动化专业论文）基于gprs的数控机床远程故障监测系统.pdf

g p r s b a s e dr e m o t ef a u l tm o n i t o r i n gs y s t e mf o rc n cm a c h i n et o o l s b y w a n gx i a o b i n g b e ( t h r e eg o r g e su n i v e r s i t y ) 2 0 0 2 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry us h ur o n ga s s o c i a t ep r o f e s s o rw u m i n gl i a n g m a y , 2 0 1 1 52m 4 58咖8iiii_y j 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：；乙3 、亵 日期：训年月舄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：；乙、卜畏 导师签名。荨l 红蓐 日期：加f f 年6 月8 日 日期：川年+ 乡月7 日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景l 1 2 国内外数控机床故障监测研究现状1 1 2 1 数控机床主要故障概述1 1 2 2 数控机床故障监测研究方法及研究现状一6 1 3 研究目的lo 1 4 主要研究内容10 1 5 拟解决的关键性问题1 0 第2 章系统总体方案设计及故障信号的采集与处理1 1 2 1 基于g p r s 的远程监测与服务系统的基本原理1 1 2 2g p r s 无线通讯的构建一1 2 2 2 1 数据传输网络的选择1 2 2 2 2g p r s 数据传输网络的通信原理及协议1 3 2 3 数控机床主要故障信号的采集方法1 6 2 4 机床监测数据的分析与处理方法2 1 2 5 本章小结2 4 第3 章数控机床故障信号的传输与接收2 5 3 1g p r s 模块与电脑连接的软件参数配置2 5 3 2g p r s 数据传输的实现2 5 3 3 网络搭建方式的选择3 l 3 4 上位机软件的通讯3 3 3 4 1 软件简介3 3 基于g p r s 的数控机床远程故障监测系统 3 4 2 组态王软件的通讯过程3 4 3 5 本章小结3 6 第4 章数控机床故障信号监测应用开发实例3 7 4 1 数控轧辊磨床结构及控制系统的技术特点3 7 4 2 数控轧辊磨床主要故障分析及检测方法3 9 4 3 数据的上位处理4 0 4 4 数控轧辊磨床故障监测软硬件及其测试4 2 4 4 1 初始化程序4 2 4 4 2 数控机床故障监测的界面设计4 3 4 4 3 组态王与a c c e s s 数据库的连接4 5 4 4 4a c c e s s 数据库与组态王历史报表的连接4 7 4 5 本章小结4 8 第5 章结论与展望5 0 参考文献5 l 致 谢5 5 附录：攻读硕士学位期间所发表的论文5 6 硕士学位论文 摘要 基于g p r s 网络的远程监测系统利用其数据双向传输的性能，可方便地实现 对各类电气设备进行远程监测和信息采集。它与以往远程监测系统相比，具有系 统组网灵活、便捷、覆盖范围广、数据传输可靠性高、通讯反应时间快等优点， 并且随着g p r s 移动通讯网络的升级和数据业务的拓宽，其支持数据传送能力增 强，因此基于g p r s 的远程故障监测系统具有较大的研究意义和应用价值。 基于g p r s 的数控机床远程故障监测是在基于网络的数控机床故障监测的基 础上发展起来的一种新的故障监测方式。与基于网络的数控机床故障监测相比， 它具有组网灵活、费用低廉、不受空间和地域的限制等多种优点，因此受到越来 越多的用户青睐。 本文根据数控机床的结构特点，在分析数控机床故障远程监测的国内外发展 现状以及g p r s 传输方式的优势的基础上，首先对数控机床的故障远程监测系统进 行了总体方案设计，包括监测系统主要的监测要求、数控机床监测的方案以及 g p r s 的通讯原理、通讯协议选择和通讯链路确定。然后，分析了数控机床软硬件 组成、故障主要类型、故障信号的采集以及监测数据的分析与处理方法。进而研 究了故障信号的传输和接收方法，包括g p r s 数据通讯传输的基本原理以及亿唐公 司的g p r s 模块m d 6 0 9 g 的配置方法、网络的搭建方式以及上位机组态王软件的 通讯方式和数据传输方式。最后，研究了基于g p r s 的数控轧辊磨床远程故障监测 系统的具体实现过程，该数控轧辊磨床控制系统为西门子的8 4 0 d 8 1 0 d 数控系统 在分析数控轧辊磨床的常见故障类型和西门子8 4 0 d 8 1 0 d 数控系统的技术特点 后，对故障信号的采集和处理方法进行了研究，用s 7 2 0 0 设计了p l c 的初始化程 序、用组态王软件设计了故障监测界面及其组成、功能、操作方法，同时实现了 组态王与p l c 、组态王与a c c e s s 数据库之间的数据传输和调用。 关键词：远程监测：g p r s ：数控机床：故障信号 _ j 基于g p r s 的数控机床远程故障监测系统 曼曼鼍曼皇曼量曼量i i i 皇曼量曼曼皇曼皇曼曼量曼量量曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量苎尝曼曼蔓曼蔓曼曼曼皇皇曼皇皇量量兰皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 a bs t r a c t b a s e do ng p r sn e t w o r k ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mu s i n g i t s t w o - w a y t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ec a ne a s i l ym o n i t o rv a r i o u se l e c t r i c a le q u i p m e n t sa n dg e t i n f o r m a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ep a s tr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m s ，t h i ss y s t e mh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s f l e x i b l en e t w o r k i n g ，c o n v e n i e n t ，w i d er a n g eo fd a t a t r a n s m i s s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , f a s tr e s p o n s et i m e ，a n d s oo n a l s oi th a sg r e a t s i g n i f i c a n c ea n dv a l u eo f r e s e a r c hi nc n cm a c h i n et o o ls y s t e mw i t hu p g r a d eg p r si n t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，d a t as e r v i c e se x p a n da n dd a t at r a n s f e r c a p a b i l i t i e s g p r s b a s e dr e m o t ef a u l tm o n i t o r i n gf o rc n cm a c h i n et o o l sd e v e l o p e da san e w f a u l td e t e c t i o nm e t h o d c o m p a r e dw i t ht h ec n cm a c h i n et o o l sb a s e do nn e t w o r kf a u l t m o n i t o r i n g ，i t h a st h e a d v a n t a g e so fn e t w o r kf l e x i b i l i t y , l o wc o s t ，s p a c ea n d g e o g r a p h i c a lc o n s t r a i n t s ，e t c ，s oi tg e t sm o r ea n dm o r e u s e r s a ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s0 fc n cm a c h i n et o o l s ，o nt h eb a s i so fi t s d e v e l o p m e n ts t a t u so fr e m o t em o n i t o r i n ga th o m ea n da b r o a d ，u n d e r s t a n d i n gt h e a d v a n t a g e so fg p r st r a n s m i s s i o nm o d e ，o v e r a l ld e s i g no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mw a s f i r s t l yi n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g t h em a i n l ym o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t s ，p r o g r a m sa n d c o m m u n i c a t i o nt h e o r yo fg p r s ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt h ec h o i c e o f c o m m u n i c a t i o nl i n k s t h e n ，t h eg e n e r a ls o f t ：w a r ea n dh a r d w a r eo fc n cm a c h i n et o o l s ， c l a s s i f i c a t i o no ft h em a i nf a u l t ，f a u l ts i g n a la c q u i s i t i o nw e r em a i n l ya n a l y z e d ，a n dt h e a n a l y s i sa n dp r o c e s sm e t h o d so fm o n i t o r i n gd a t e sw e r ea l s oa n a l y z e d f o r t h e r m o r e ， t h et r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o nm e t h o do ft h ef a u l ts i g n a lw e r er e s e a r c h e d ，i n c l u d i n g e t a n g g p r sm o d u l em d 一6 0 9 gc o n f i g u r a t i o n ，t h en e t w o r ka p p r o a c h ，t h e c o m m u n i c a t i o nc o n f i g u r a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o no fs t r u c t u r e sk i n gs o f t w a r e f i n a l l y , i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h ec n cr o l lg r i n d i n gm a c h i n ew e r es t u d i e d ，t h e c n cr o l l g r i n d e rc o n t r o ls y s t e mu s e d s i e m e n s8 4 0 d 810 dc n cs y s t e m a f t e r a n a l y s i s i n go ft h ec o m m o nf a u l tt y p ei nc n cr o l lg r i n d e ra n dc o n t r o ls y s t e mo f s i e m e n s8 4 0 d 810 d ，f a u l ts i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm e t h o d sw e r es t u d e d ， u s i n gs 7 - 2 0 0t od e s i g ni n i t i a l i z a t i o np r o c e d u r e ，u s i n gc o n f i g u r a t i o nk i n gs o f t w a r et o d e s i g nt h em o n i t o r i n gi n t e r f a c ea n di t sc o m p o s i t i o n ，f u n c t i o n s ，m e t h o d so fo p e r a t i o n ， m e a n i n g w h i l e ，c o n f i g u r a t i o nk i n g w i t hp l c ，t h ec o n f i g u r a t i o nk i n gw i t ha c c e s s d a t a b a s e sd a t et r a n s f e ra n dc a l l sw e r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ；g p r s ；c n cm a c h i n e ；f a u l ts i g n a 硕士学位论文 插图索引 图1 1 早期远程监测模式7 图1 2 近代远程监测模式7 图1 3 现代远程监测模式图8 图2 1 数据传输图1 1 图2 2g s m 短信传输方案简图1 2 图2 3g p r s 通信工作原理简图1 3 图2 4 基于g p r s 网络数据传输工作原理图1 4 图2 5t c p i p 原理图1 4 图2 6u d p 协议传输数据格式1 5 图3 1m d 6 0 9 g 与电脑连接的配置图2 5 图3 2 硬件配置2 6 图3 3m d 6 0 9 g 原理图2 6 图3 4 多用户的g p r s 传输图2 7 图3 5 系统结构图2 8 图3 6m s e r v e r 和d c c 之间的消息格式图2 8 图3 7d c c 和r e s e r v e r 的连接流程3 1 图3 8 单机a d s l 接入3 2 图3 9a d s l + l a n 接入3 2 图3 1 0 专线( 固定i p ) 接入3 2 图3 1 1 专线+ l a n 3 2 图3 1 2 组态王、p l c 、s q l 数据数据库交换3 4 图3 1 3 组态王软件g r p s 通讯流程3 5 图4 1 轧辊磨床的结构图一3 7 图4 2c n c 电气结构图3 8 图4 3 无线串口通上的显示图4 1 图4 4 映射端口号图41 基于g p r s 的数控机床远程故障监测系统 图4 5 初始化程序1 。4 3 图4 6 初始化程序2 4 3 图4 7 初始化程序3 ：4 3 图4 8 故障报警界面4 4 图4 9 历史报表界面4 4 图4 1 0 连接数据库界面4 5 图4 1 1 记录体框图4 6 图4 1 2 时间命令语言图4 6 图4 1 3 数据源驱动程序图一4 7 图4 1 4 数据库图：4 7 图4 1 5 控件属性对话框4 8 i v 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章一绪论 数控机床是集机械制造技术和计算机、液压、气动、传感检测、信息处理、 光机电等技术于一体的机电一体化产品，具有高效率、高质量、柔性好等特点， 适合现代制造要求。由于数控机床是机电一体化的高技术产品，因此一方面提高 了生产效率和产品质量，另一方面又给设备的维护带来了困难。数控机床是各企 业加工线上的关键生产设备，如果因为操作不当等发生故障，而维修又跟不上， 它的长时间停机将给生产带来巨大的损失。为了将这种损失减少到最低，一方面 必须提高生产设备的可靠性，另一方面可以通过尽量缩短设备故障诊断和维修时 间来实现。生产设备的可靠性不论有多高，其发生故障都是不可避免的，因此用 户最关心的还是在设备出现故障征兆信号时如何提前进行诊断以及发生故障之后 如何及时进行维修等，这就要求设备制造企业对其所生产的设备及售出产品能够 提供快捷的服务和技术支持，并能对产品的故障提供及时、灵活的诊断和维修。 随着网络技术的发展，基于网络的故障监测系统解决了上述问题n 1 。但是， 现有的基于网络的远程故障监测技术，如果采用b s ( 浏览器朋艮务器) 传输技术， 则信息传输需要局域网的支持，很多生产设备的现场并不具备布网条件晗3 ；如果 采用m o d e m ( 调制解调) 传输技术，通过电话线将现场的信息传送到监测中心， 又不能满足间断和较高的速率传输条件口吖，。 基于g p r s ( 通用分组无线业务) 技术的远程故障监测是通过g p r s 无线技术 将现场远程控制器和远程技术联系起来，以实现即时反应、资源共享和远程监测。 g p r s 永远在线、按流量计费，从而提供了一种高效率、低成本的无线分组数据 业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输 口1 。基于网络的机械故障监测有很多局限，如对偏远的地方布线不方便、网络堵 塞可能导致数据传输不及时等。而基于g p r s 的故障监测能很好地克服这些缺点， 它不受地域的限制，能通过手机短信、笔记本电脑等工具随时随地接受信号，不 会出现因网络而导致的监测空白区阳_ 们。因此，研究基于g p r s 的数控机床远程 故障监测具有重要的研究意义和较大的应用前景。 1 2 国内外数控机床故障监测研究现状 1 2 1 数控机床主要故障概述 数控机床由两部分组成：( 1 ) 数控机床本体，也就是主轴传动机构、进给传动 基于g p r s 的数控机床远程故障监测系统 量量量曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼量曼皇曼璺i i 皇曼曼皇曼量曼鼍皇量曼! 曼量曼曼曼曼曼曼曼量量曼量曼曼曼曼曼曼置 机构、机床、工作台以及辅助运动单元、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等。 ( 2 ) 数控系统、p l c 控制单元、伺服系统与位置监测装置、机床强电等。其中位 置检测维护的好坏直接影响到机床的运动精度和定位精度，而电气系统的故障监 测在故障监测中占有重要位置。数控机床运行一般要经过磨合期、稳定工作期和 衰退期三个阶段。磨合期由于机械零件的加工表面存在几何形状偏差，比较粗糙， 电气元件受到交变负荷等冲击，故障频率较高，其中电气、液压和电气系统故障 频率大约为9 0 。稳定工作期故障发生率较低。衰退期在机床零件正常寿命之后， 开始迅速磨损和老化，故障发生率逐渐增多n 。 数控机床的机械构成如下u 引：主传动系统，其功能是实现主运动；进给系统， 其功能是实现进给运动；机床基本件，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台 灯，它们是整台机床的基础和框架，其功能是支撑机床本体的其他零部件，并保 证这些零件在工作时固定在基础件上；实现某些部件动作和辅助功能的系统和装 置，如液压、启动、润滑、冷却及防护、排屑等装置；刀库、刀架及自动换刀装 置；自动托盘交换装置；实现工件回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台； 特殊功能装置，如刀具破损检测，精度检测和监控装置等。 数控机床故障按故障发生的部位分：( 1 ) 主机故障。主机指除电气控制部分 外的机床部分如机械、液压、气动、润滑、冷却等。常见的主机故障有自动刀具 交换装置故障，自动工件交换装置故障，液压系统故障，气动管道堵塞、润滑系 统供油中断和冷却液渗漏等。( 2 ) 电气部分故障。电气部分包括强电和弱电两个 部分，弱电部分主要由控制装置和可编程控制器组成。常见故障有硬件故障，如 开关元件、接插件、显示器、运行器、存储器等；软件故障，如程序出错、参数 出错和运算出错等。( 3 ) 驱动装置故障。驱动装置分为主轴驱动装置和进给驱动 装置两种，常见故障有速度控制故障、位置控制故障和过热报警等。( 4 ) 位置检 测装置故障。位置检测装置通常有直线式和旋转式两种，常见的故障有检测故障 和定位超差等“。 按故障性质分：( 1 ) 系统性故障。指在一定的条件下，工作中的数控机床必 须发生的故障。( 2 ) 随机故障。指在相同条件下，只偶然出现一两次的故障。 按故障发生后有无报警分：( 1 ) 有故障显示的报警。在自诊断功能范围之内， 根据自诊断功能提示，较容易找到发生故障原因。( 2 ) 无故障报警显示的故障。 这种故障必须根据故障的现象分析，判断，因此维修难度比较大u 钊。 1 ) 主轴部件故障的一般形式 主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精 度，它的功率大小与回转速度影响加工效率，它的自动变速、准停和换刀影响机 床的自动化程度。因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高回转精 度、刚度、抗振性、耐磨性和低的温升。主轴部件主要有以下几部分组成：主轴 2 硕士学位论文 本体及密封装置，支撑主轴的轴承，配置在主轴内部的刀具自动卡紧及吸屑装置、 主轴的准停装置等。 主轴部件常见的故障有：( 1 ) 主轴密封及主轴润滑不良故障。主轴工作时如 果温度过高，会导致主轴发热，从而影响主轴轴承的正常运转，轻则降低主轴回 转精度，重则烧毁轴承。( 2 ) 自动拉刀装置故障。整个装置未能实现内力的封闭， 使碟簧产生的卡紧力由液压油缸传给拉刀刀杆上的主轴轴承，轻则降低主轴轴承 精度和寿命，重则造成主轴轴承的破损。( 3 ) 主轴停准装置定向不准或错位u 钊。 2 ) 滚珠丝杠螺母副故障的一般形式 滚珠丝杠螺母副是将进给电动机带动的旋转运动，转化为刀架或工作台的直 线往复运动。滚珠丝杠副常见故障有：( 1 ) 噪音。可能是由于轴承盖压合不好、 丝杠支撑轴承破损、电动机与丝杠联轴器松动、丝杠润滑不良及滚珠破损等。( 2 ) 滚珠丝杠运动不灵活。可能是轴向预加负载过大、丝杠与导轨不平行、螺母轴线 与导轨不平行、丝杠弯曲变形、丝杠螺母内有赃物等原因。( 3 ) 滚珠丝杠运行精 度不良。丝杠间隙增大、反向间隙过大导致丝杠上下窜动u 副。 3 ) 导轨副，刀库及换刀装置故障的一般形式 对导轨的要求是高速进给时不振动，低速进给时不爬行，有高的灵敏度，能 在重负荷下长期连续工作，耐磨性高，精度保持性好等。主要故障表现有：( 1 ) 导轨研伤，可能是由于导轨局部单位面积负荷过大引起的。( 2 ) 导轨上移动部件 运动不良，可能是由于导轨面研伤，导轨镶条与导轨间隙太小引起的。( 3 ) 加工 面在接合处不平，可能原因是导轨直线度太差，工作台塞铁松动或弯曲、机床水 平度差等。 刀库及换刀装置机构复杂，在工作中频繁运动，所以故障率比较高。如刀库 运动故障，定位误差过大，机械手夹持刀柄不稳定甚至产生抖动，机械手运动误 差大等。刀库与换刀机械手常见故障有：( 1 ) 刀库中刀套不能夹紧刀具。( 2 ) 刀 库不能旋转。( 3 ) 刀具从机械手中脱离。( 4 ) 刀具交换时掉刀。可能是换刀时主 轴箱没有回到换刀点或机械手抓刀时没到位。( 5 ) 换刀速度过快或过慢。可能原 因是气压太高或太低以及换刀气阀节流开口太大或太小u 引。 4 ) 液压与气动系统故障的一般形式 液压系统常见的故障有：( 1 ) 液压系统外漏。排除此类故障通常的方法是提 高几何精度，降低表面粗糙度和加强密封等。另外，元件接合面间、液压控制阀、 液压缸等的漏油是由于密封装置因设计、加工、装配、调整时不正确导致的，故 严格检查各处密封装置，更换破损密封件很重要。( 2 ) 液压系统压力提不高或建 立不起压力。此类故障可能的主要原因是系统压力油路和回油路短接，或有较严 重的泄露，也可能是液压泵本身根本无压力油输入液压系统或压力不足，或者是 电动机方向反转或功率不足以及溢流阀失灵等因素。( 3 ) 噪音和振动。原因多为 基于g p r s 的数控机床远程故障监测系统 各种液压元件的间隙因磨损增大，导致高低压油路互通，引起压力波动，油量不 足，发出噪音，各液压元件精度不高，密封不严，产生漏气或油压中混入空气形 成空穴现象；工作液压不清洁，有杂质混入液压元件，使元件内零件运动不灵活 产生噪声以及电动机与液压泵连接产生松动，碰撞，不同轴等造成振动：电动机 由于动平衡不良或轴承损坏等产生振动。( 4 ) 油温过高。主要是液压系统在工作 时及工作过程中大量的油液由压力阀溢回油箱，从而使压力变成热能。油温升高 超过一定限度，将会给数控机床的正常工作带来极为恶劣的影响。如机床热变形 而破坏数控机床的精度影响加工质量，使油的物理性能恶化，油液变差，产生氧 化物杂质堵塞液压元件间的配合间隙或缝隙，甚至会使热膨胀系数不同的相对运 动件之间配合间隙变小而卡住，从而丧失正常工作能力；也可能是配合间隙增大 及油的粘度降低致使泄露增加，从而降低工作速度，造成工作速度不稳定，降低 工作压力面影响切屑力和夹紧力等。 气动系统在数控机床中主要用于主轴锥孔的吹气，自动吹屑清理定位基准面， 安全防护门的开关。有些加工中心依靠气液转换装置实现机械手的动作和主轴松 刀。 5 ) 伺服系统的故障的一般形式 数控机床的驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统。前者是控 制机床各坐标的进给运动，后者是控制机床主轴旋转运动。进给驱动系统和主轴 驱动系统，从电气控制原理来分都可以分为直流和交流驱动。 主轴伺服系统故障的表现形式：一是在c r t 或操作面板上显示报警内容或报 警信息，二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障，三 是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有：( 1 ) 外界干 扰。由于电磁干扰，屏蔽盒接地措施不良等原因，主轴转速指令信号或反馈信号 受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。( 2 ) 过载。切削用量过大， 频繁正，反转等均可引起过载报警。表现为电机过热，主轴驱动装置显示过载电 流报警。( 3 ) 主轴定位抖动。主要出现在刀具交换，精蹬退刀及齿轮换挡等场合。 ( 4 ) 主轴转速与进给不匹配。当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现 停止进给，而主轴继续运转的故障。( 5 ) 转速偏离指令值。电机过载，c n c 系统 输出的主轴转速模拟量没有达到与转速指令对应的值，测速装置有故障或速度反 馈信号断线，主轴驱动装置故障等。( 6 ) 主轴噪音异常及振动。首先区别异常噪 音及振动发生在主轴机械部分还是电器驱动部分。在减速过程中发生，一般由驱 动装置造成的。在恒转速时发生，可通过观察主轴电机自由停车过程中是否有噪 音和振动来区别，如存在，则主轴机械部分，检查振动周期是否与转速有关；如 无关，一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好， 测速装置是否良好。( 7 ) 主轴电机不转。检查c n c 系统是否有速度控制信号输出， 4 硕士学位论文 检查使能信号是否接通，主轴驱动装置故障，主轴电动机故障。交流主轴驱动系 统的故障i 其中变频控制的故障有两种情况：一种是电源电压过高，一种是降速 过快。欠电压主要包括两方面，电源方面一种是电压第一额定值电压的1 0 ，一 种是缺相。主电路方面主要是整流器件损坏。过电流主要有两种，一种是非短路 性过电流，引起原因是电机严重过载或电机加速过快，一种是短路性电流。 进给伺服系统的故障形式：( 1 ) 超程。( 2 ) 过载。( 3 ) 窜动。主要原因有： 测速信号不稳定，速度控制信号不稳定或受干扰，接线端子接触不良等。( 4 ) 爬 行。一般是由于进给传动链的润滑状态不良，伺服系统增益过低及外加负载过大 等因素。尤其是伺服电机与滚珠丝杠连接用的联轴器由于连接松动或本身缺陷， 造成滚珠丝杠转动与伺服电机不同步，忽快忽慢，产生爬行现象。( 5 ) 振动。一 般分析机床振动周期是否与进给速度有关。( 6 ) 伺服电机不转。除了速度控制信 号外，还有使能控制信号，检查速度控制信号是否输出，信号是否接通。( 7 ) 位 置误差。当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就产生位置误差过大报警。 ( 8 ) 漂移。当指令值为零时，坐标轴仍移动，从而造成位置误差。通过漂移补偿 和驱动单元上的零速调整可以消除。( 9 ) 回参考点故障。可通过数控系统的c r t 来监控。 6 ) p l c 故障的一般形式 在数控机床中，除了对各种坐标轴的位置进行连续控制外，还需要对诸如主 轴正转和反转、动和停止、刀库及换刀机械手控制、夹紧松开、工台交换、气液 压、冷却和润滑等辅助动作进行顺序控制。顺序控制的信息主要是i 0 控制，如 控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件、继电器、接触器和电磁 阀等输出元件；同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理 等。 p l c 、c n c 和机床三者之间的信息交换包括如下四部分：( 1 ) 机床至p l c 上。 机床侧的开关量信号通过i o 单元接口输入至p l c 中，除极少数信号外，绝大多 数信号的含义及所占用p l c 的地址均由p l c 程序设计者自行定义。( 2 ) p l c 至 机床。p l c 控制机床的信号通过p l c 的开关量输出接口送到机床，所有开关量输 出信号的含义及所占用p l c 的地址均可由p l c 程序设计者自行定义。( 3 ) c n c 至p l c 。c n c 送至p l c 信息可由c n c 直接送人p l c 的寄存器中，所有c n c 送 至p l c 的信号含义和地址均由c n c 确定，p l c 编程者只可使用，不可改变和增 删。( 4 ) p l c 至c n c 。p l c 送至c n c 的信号也由开关量信号或寄存器完成，所 有p l c 送到c n c 的信号地址与含义由c n c 厂家确定，p l c 编程者只可使用，不 可改变和增删。 数控机床p l c 的功能：( 1 ) 机床操作面板控制。( 2 ) 机床外部开关输入信号 控制。( 3 ) 输出信号控制。( 4 ) 伺服控制。( 5 ) 报警处理控制。( 6 ) 软盘驱动装 基于g p r s 的数控机床远程故障监测系统 置控制。( 7 ) 转换控制。 当数控机床出现有关p l c 方面的故障时，一般有三种表现形式：( 1 ) 故障可 通过c n c 报警直接找到故障原因。( 2 ) 故障虽有c n c 故障显示，但不能反映故 障的真正原因。( 3 ) 故障没有任何提示。数控机床p l c 故障特点：1 与p l c 有关 的故障首先确认p l c 的运行状态判断是自动运行方式还是停止方式。2 在p l c 正 常运行情况下，分析与p l c 相关的故障时，应先定位不正常的输出结果，定位了 不正常的结果即故障查找的开始。3 大多数有关p l c 的外围接口信号故障。4 硬 件故障多于软件故障叫。 1 2 2 数控机床故障监测研究方法及研究现状 早期的故障监测主要是利用个人经验、人的感官和简单测试仪表进行故障监 测，以维护设备的正常运行，这种监测诊断的主要特点是效率低、对人的经验要 求高等缺点。随着科技的进步和工业的发展，机械设备结构日益复杂，为了追求 更高的效率，设备规模也越来越大，一旦出现故障，造成的经济损失和社会损失 也越来越严重。以新日铁2 0 世纪不同年代建造的热轧生产线为例，如果以5 0 年 代的生产线因故障停产造成的损失为1 0 0 ，那么6 0 年代的生产线停产损失为 2 2 0 ，7 0 年代的则更高达3 5 0 。1 9 7 9 年3 月美国三里岛核电站堆芯严重损坏， 导致几十亿美元的经济损失，放射性污染引起民众的抗议n 7 1 。 为了避免故障和事故造成的损失，出现了定期预防性维修方式，在故障发生 前就进行检修或零件更换，这种维修方式最早用在飞机上，后来在汽车、机车、 化工系统，钢铁企业等迅速普及。与事后维修相比，预防性维修是一大进步，但 是也存在一定问题，如检修周期的确定不合理、维修有一定的盲目性等。 美国1 9 6 1 年开始因阿波罗计划而进行了一系列设备故障研究，在1 9 6 7 年成 立了美国机械故障预防小组，1 9 7 1 年正式进行故障机理、故障预报和故障诊断方 面的研究。英国在1 9 7 0 年前后开始研究故障诊断技术。日本在1 9 7 1 年前后，以 新日铁为代表的一些企业开始了自己的故障诊断研究n 8 。1 9 】。 随着故障监测技术的发展和应用，在许多方面取得了显著的效益。国内的故 障监测研究大概分为三个阶段，2 0 世纪8 0 年代初期以前为第一个发展阶段，以 引进吸收国外先进理论和技术为主，开发简单的监测诊断仪器。整个8 0 年代为第 二个发展阶段，在此研究基础上，自主开发了适合中国国情的故障监测技术。8 0 年代后期至今处于第三个发展阶段，开始出现符合我国特点的比较系统的故障诊 断理论，大型设备故障诊断与监测技术已经在实际应用中显示出明显的效益，智 能诊断技术得到日益重视，网络化状态监测与故障诊断系统的研究方兴未艾盟0 。2 引。 以西安交通大学屈梁生教授、华中理工大学杨叔子教授等为代表的一批学者 在故障诊断研究领域取得了一系列成果，相继出现了维数在故障分析型中的应用、 6 硕十学位论文 故障征兆的自动获取、基于因特网的远程诊断、机械故障突发故障分析、大型电 力机组分布式监测诊断等。 设备的远程监控与诊断技术模式是与通信技术的发展密不可分的，伴随着通 信技术的发展，出现了三种远程监测模式乜4 。2 引。 1 ) 早期远程监测模式 早期的远程监测模式如图1 1 所示，这种模式的最大缺点是远程诊断工程师 无法直观地了解现场生产与设备状况，完全凭现场人员的记录资料进行分析推 理，监测结论在很大程度上受现场人员的主观因素和知识水平影响，可靠性不高： 另外这种模式无法实现实时和在线监控。 图1 1 早期远程监测模式 2 ) 近代远程监测模式 近代远程监测模式如图1 2 所示，这种模式较前一种模式有了很大进步，远 程诊断工程师可以较为直观地了解现场生产与设备状况，诊断结果受现场人员的 主观因素和知识水平影响减小，可靠性大为提高；另外这种模式还可以实现实时 和在线监控与诊断。但是，由于模拟信号远距离传输后会产生较大失真，影响了 诊断结果的准确性。因此这种远程监测模式的有效距离有限。 图1 2 近代远程监测模式 3 ) 现代远程监测模式 现代远程监测模式如图1 3 所示，它是随着通信、计算机和网络技术发展而 产生的，并逐渐成为主要的远程监测模式。其最显著特点是现场的采样设备将各 种传感器获取的设备状态信息转变为数字信号后，通过网络传送给远程诊断工程 师。远程诊断工程师再利用计算机和现代数字信号处理技术对收到的数字信号进 7 基于g p r s 的数控机床远程故障监测系统 行分析处理，对设备状态进行评估，给出监测结论并将结果返回给现场人员。 图1 3 现代远程监测模式 现场监测设备完成现场设备的数据采集和监测控制，可以实现智能控制和模 糊控制，还可以有p i d ( 比例积分微分) 控制，使得控制功能能方便实现：同时， 设备运行状态通过以太网的t c p ( 传输控制协议) 或u d p ( 用户数据包协议) 传 送给监控设备进行处理，将这些数据存入数据库中。远程监测设备可以进行简单 的故障监测和分析，把结果告诉现场监测设备，或通过因特网技术直接控制调整 现场设备。还可以拥有故障诊断数据库进行知识的学习，解决更复杂的现场问题。 其关键是要考虑原有网络技术和控制技术的特点，还要考虑现有系统的新特性。 比如数据传输的可靠性和准确性，还有某些设备的实时性要求，必须保证其优先 级，另外，协议的简单化可实现少延迟、快速投递；网络数据库的链接和更新不 仅是动态的、实时的，而且要有高的编程效率和很好的兼容性，真正达到数据畅 通无阻m 。3 4 3 。 g p r s 即通用分组无线业务是一种基于g s m 的新型移动分组数据承载业务， 其数据传输率可达1 1 5 k b p s 。由于目前g s m 移动电话用户占到了全球4 5