面向数控机床刀具系统的远程故障诊断平台构建学士学位论文

毕业设计（论文）开题报告题目面向数控机床刀具系统的远程故障诊断平台构建学生姓名**学号2010**班级专业机械设计制造及其自动化（主要包括课题的研究背景、国内外研究现状，所要进行的主要工作和所采用的方法、手段，以及预期达到的结果）一.研究背景近年来，随着高性能CNC机床、FMS以及CIMS的广泛应用，机械加工的效率、加工质量有了明显的提高，同时对全自动化生产也提出了更高的要求，发展趋势也由以前的一位工人师傅掌管一台机床到一个车间只需要一位工人师傅看管，这就要求数控机床能够自动监测刀具状态，及时了解正在使用的刀具磨损情况，从刀具寿命、磨损量、刀具破裂等形式的刀具故障对刀具工作状态进行监控，并在刀具磨损达到设定磨损量时报警。工业统计表明，刀具失效是引起机床故障的首要因素，由此引起的停机时间占数控机床总停机时间的1/5～1/3。切削加工中，刀具在不同的加工条件下，其状态是不断变化的，如果刀具磨损不能及时发现，将导致整个加工过程的中断，引起工件报废，甚至整个系统的停止。研究表明，数控机床配备刀具监测系统后可减少75％的故障停机时间，提高生产率（10～60）％，提高机床利用率50％以上。美国Kennamtal公司的研究表明，配备刀具监控系统的数控系统，能够节约加工费用达30％[1,4]。在传统模式下对其进行故障诊断日趋困难，表现出成本高昂、效率低下等诸多不足。远程化、协同化、智能化已成为现代故障诊断领域研究的一个重要发展方向和必然趋势。国内外研究现状从20世纪50年代起,各国都开始刀具状态监测技术的研究工作。过去几十年中,国外在刀具磨损和破损方面做了大量研究工作。德国亚探大学的Klocke,F.Reuber,M.Kratz,H.等人将球头统刀磨损情况与工件表面情况联合考虑,并且进行实验,应用小波分析提取信号特征参数,最后实现了刀具状态的可靠识别。日本Makino公司研制的刀具破损监测仪通过声发射信号识别刀具磨损状态,监测刀具破损面积范围可达0.005-50平方毫米,监测刀具破损面积精度达到0.001平方毫米,故障报警响应时间为0.01毫秒。该型设备表明刀具状态监测系统向高精度、高响应时间方向发展。以上刀具状态监测系统实例表明现代国外刀具监测系统已具有刀具磨损的监测、刀具损坏检测、刀具损坏保护、刀具寿命的延长、刀具性能统计等功能。目前国外刀具监测系统正向着综合性多功能性方向发展。我国于20世纪70年代末开始刀具磨损状态监测技术的研究,近年来也在努力追赶世界先进水平。西北工业大学的张柯等人研制了基于声发射技术的刀具破损监测仪。该监测仪由声发射传感器、信号放大电路、信号调理电路、逻辑运算元件、输入输出接口及显示部件组成。其特点在于以MCS-96系列单片机为核心,用声发射信号上升斜率及包含最大峰值电压前若干采样点的均值电压作为特征值量来判断刀具磨损的程度。对于刀具破损则釆用模拟电路处理,利用峰值检波后的电压值作为特征量。南京航空航天大学的章建釆用统削力和刀具振动两种信号,用时段比值监测策略和硬件比较监测方法判断刀具的磨损、破损情况,取得了较好的实验结果。哈尔滨工业大学王志勇等人釆用声发射信号的幅值和脉宽两个参数来检测铣刀的破损,主要是利用了这两个参数的逻辑“与”进行最后判断。北京航空航天大学的孙刚等人采用力信号的一阶自适应自回归时间序列和简单的二阶差分方法跟踪铣刀破损,该方法将时间序列和系统分析结合在了一起,形成了独到的建模工具,并且运用在实际监控系统中获得了成功。三.课题研究内容和关键技术服务器对数据进行小波分析，并和数据库中的标准特征相比较并确定设备当前状态。确定设备状态后，服务器将当前数据存入服务器以供以后查阅同时还将设备状态信息和故障信息返回工控机。服务器程序主要分为六个模块：故障预警、特征数据库、设备诊断、状态监视、参数控制和数据存储打印。特征数据库存储着设备各部分正常和不同级别故障的特征数据。服务器将采集到的数据进行处理后得到特征数据，同时将处理后的数据传送到故障诊断模块。故障诊断模块将实时特征数据和数据库里相对应的数据进行比较，得出结论后将比较结果传给显示模块。显示模块实时显示设备的运行状态和各种参数，以达到监视的效果。如果有故障征兆，故障诊断模块还会将诊断结果传给预警模块，预警模块就会发出声光报警，并自动切换到该台设备的监控台上，同时显示出诊断信息和推荐的处理方式。服务器处理的数据同时还存入数据库以供以后研究。参数控制模块可以改变采集装置和信号处理程序的参数，以便适应不同工作环境。工控机程序主要用来进行实时数据采集和显示来自服务器的数据，以便于在现对设备进行调试。四.预期效果(l)实时监测刀具状态,刀具不可靠时,加工系统对刀具磨损量进行补偿或更换刀具;(2)降低废品率和工件加工成本,提高工件加工质量;(3)减少设备的停机时间,提高设备利用率和生产率,延长刀具使用寿命;(4)防止机床事故,最大限度地保证机床加工系统的安全性;指导教师签字时间2014年摘要数控机床刀具磨损监测对于提高数控机床利用率，减小由于刀具破损而造成的经济损失具有重要意义。有针对性地回顾了国内外各种分析刀具磨损信号方法的研究工作，详细叙述了功率谱分析法、小波变换、人工神经网络以及多传感器信息融合技术的实现形式。通过比较各种数据处理方法的优缺点，提出基于混合智能多传感器信息融合技术是数控机床刀具磨损监测实验数据处理的未来发展的主要方向。以数控机床刀具故障诊断系统构建与测试方法研究为目标，进行了刀具磨损实验。采用振动传感器、声发射传感器对切削过程中不同磨损程度刀具的信号进行检测、分析和故障诊断。以LabVIEW10.0为开发平台，开发了一套包括数据采集模块、信号分析模块、故障诊断模块的数控机床故障诊断实验系统。关键词：数控机床；刀具磨损监测；数据处理;LabVIEW;声发射;振动AbstractCNCtoolwearmonitoringwouldbeagreatsignificanceforimprovingtheusagerateofCNCandreducingtheeconomiclossesduetothetoolbreakage.Therecentresearchprogressonthesignalanalyzingwasreviewed.Someimportantdataprocessmethodsweredetaileddescribed，suchaspowerspectrumanalysis，wavelettransform，artificialneuralnetworkandintelligentsensorfusiontechnology.Bycomparingtheirfeatures，theintelligentsensorfusiontechnologywasintroducedtobepopularindataprocessingmethodforCNCtoolwearmonitoring.TobuildfaultdiagnosissystemofCNCmachinetoolsandgettestmethod，toolwearexperimentsarecarriedout．Signalsforcuttingtoolwithdifferentwearingdegreesinmillingprocessaredetectedandanalyzedthroughvibrationsensorsandacousticemissionsensorsonthemillingtools．UsingLabVIEW8．6asdevelopmentplatform，afaultdiagnosisexperimentalsystemofCNCmachinetoolsisdeveloped，includingdataacquisitionmodule，signalanalysismoduleandfaultdiagnosismoduleKeywords：CNC；Toolwearmonitoring；Dataprocessingmethod;LabVIEW;vibration目录TOC\o"1-4"\h\u28872第1章绪论 ④为了提供网页浏览器访问，必须在配置服务器时增加一步:利用菜单中的工具>>web发布工具将网页发布出去。如下图，Web发布工具允许用户输入一个Vl的名称，并自动生成一个HTML文件。当然，要将这个HTML文件保存在“Web服务器配置”所指定的根目录中。在发布的Vl中包含了数个subVI，这些SubVI的前面板窗口在需要时也可以打开，那么只需要再将SubVI的前面板的属性设定为执行中打开即可。这样，就可以在客户端打开这些SubVI的前面板[21]。图5-9Web服务器图5-10Web发布工具图5-11发布工具（2）图5-12远程界面第6章实验数据分析5.1刀具损坏形式及标准刀具损坏是机械加工过程中的一个必然现象，刀具损坏的形式主要有:刀具磨损和刀具破损。5.1.1刀具磨损刀具磨损主要取决于工件材料、刀具材料的机械物理性能和切削条件。用不同的刀具材料切削不同的工件材料时，刀具磨损状况各有不同。刀具磨损按其发生的部位分为下面三种类型:(l)前刀面磨损(月牙洼磨损)切削塑性材料，当切削速度高、进给量较大时，切屑与前刀面在高温、高压、高速下接触，产生剧烈摩擦，磨损开始发生在前刀面上距刀刃一定距离处，并逐渐向前、后扩大，形成月牙洼。前刀面磨损以月牙洼最大深度KT表示。(2)后刀面磨损这是在薄切屑、切削速度较低，或者切削高硬度及脆性较大的材料时所发生的磨损情况。这时，前刀面的接触长度较小，所以磨损集中发生在刀刃及刀刃附近的后刀面上。(3)前后刀面同时磨损这种磨损介于前两种类型之间，发生的条件(工件材料的硬度、脆性，切削速度和进给量，刀具材料的热硬性等)也介乎其间，且刀具的磨损形式随切削条件不同可以互相转化。5.1.2刀具破损用脆性大的刀具材料制成的刀具进行断续切削(铣削和刨削)，或者加工高硬度的材料，刀具都易产生破损。据统计，硬质合金刀具约有50~60%的损坏属于破损。刀具破损包括刀具塑性破损和刀具脆性破损，常见的崩刃、剥落、裂纹、碎断等属于脆性破损。5.1.3刀具磨损测量基准在加工过程中，必须制定正确的刀具磨损测量基准，才能够测量刀具的磨损状态，从而进行正确判断。生产中可根据下列现象，判断刀具是否己经磨损，从而及时换刀。(1)后刀面的磨损宽度达到一定数值。(2)切屑的颜色或者形状有显著的变化。以切屑的底面变得粗糙来判断刀刃的磨损情况。(3)工件表面粗糙度显著变粗，或尺寸精度超出公差。(4)切削力增大，出现不正常的声响和产生振动。制定测量基准时，主要考虑刀具磨损状态对工件表面光洁度和尺寸精度的影响，且测量方便。目前，国内外研究人员都将后刀面磨损量作为测量刀具磨损量的基准，国际标准1503685一1977统一规定以1/2切削深度处后刀面上测定的磨损宽度VB作为刀具磨钝测量基准。5.2影响刀具磨损的因素5.2.1刀具本身的材料不同的刀具材料可以直接影响刀具的使用寿命。如陶瓷刀具。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬质合金刀具高3～10倍，适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削时，切削温度可高达800～1000℃甚至更高，切削压力也很大。因此，陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果，其磨损机制主要包括磨料磨损、粘结磨损、化学反应、扩散磨损、氧化磨损等。陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关，在高速切削时以高温引起的粘结磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。综合实验数据对刀具磨损的影响可知切削速度的影响。切削速度对刀具寿命有非常大的影响.提高切削速度时,切削温度就上升,而使刀具寿命大大缩短.加工不同种类、硬度的工件,切削速度会有相应的变化。进给量是决定被加工表面质量的关键因素,同时也影响加工时切屑形成的范围和切屑的厚度.在对刀具寿命影响方面,进给量过小,后刀面磨损大,刀具寿命大幅降低;进给量过大,切削温度升高,后刀面磨损也增大,但较之切削速度对刀具寿命的影响要小.切削深度应根据工件的加工余量、形状、机床功率、刚性及刀具的刚性来确定.切削深度变化对刀具寿命影响不大.切削深度过小时,会造成刮擦,只切削工件表面的硬化层,缩短刀具寿命.当工件表面具有硬化的氧化层时,应在机床功率允许范围内选择尽可能大的切削深度,以避免刀尖只切削工件的表面硬化层,造成刀尖的异常磨损甚至破损.5.2.2刀具表面涂抹其他材料在刀具表面上涂一层其他物质，有利于减少刀具的磨损，延长刀具使用寿命。涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。根据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。5.2.3工件的材料工件材料可分为两点。一是本身就拥有较高的物理性能。有些工件的材料具有较高的硬度，如果材料较软的刀具就会对刀具磨损影响很大。再有就是被加工工件进行过热处理。使得工件材料本身的一些性能发生改变，也会影响刀具的磨损。5.2.4切削速度的影响高速切削加工对刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削时，造成刀具损坏的主要原因是在切削力和切削温度作用下因机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等的引起的磨损和破损。因此，对高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐热性、耐磨性、化学稳定性、抗热震性以及抗涂层破裂性能等。在高速切削加工中，与普通切削加工类似，也存在两个摩擦副：前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与已加工表面间的摩擦副。其中，前者影响刀具前刀面的磨损，后者影响刀具后刀面的磨损，前、后刀面的磨损均影响刀具寿命。但与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，切削过程中产生的热量更多向刀具传递，因此其磨损机理与普通切削有很大区别。速切削时，应根据加工方法和加工要求确定合理的刀具磨损寿命（极限）。影响高速切削刀具磨损寿命的因素较多，如工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何形状、切削用量、冷却液、振动等对刀具磨损寿命都有显著影响，其影响规律与具体切削条件有关，应通过切削试验来确定各相关因素对刀具磨损寿命的影响效应。第7章结论与展望7.1总结本文主要以DHL200为实验平台，进行了实验。采用声发射，振动，两种途径进行车刀的磨损实验，并相应开发出一套具有实时信号采集、多传感器信号融合、历史信号分析、故障诊断的数控机床故障诊断系统。本文得出成果及结论总结如下：（1）在收集大量资料的基础上进行了数控机床的故障模拟实验。文中主要介绍了刀具磨损试验。实验得出，声发射、振动是研究刀具磨损状态的很好的手段。声发射覆盖高频，振动对应低频，更加确保整个监测过程的准确性。（2）以LabVIEW10.0为平台，开发了一套具有实时数据采集、历史信号分析、故障诊断功能的数控机床故障诊断系统。（3）实现了数控机床故障诊断的网络化远程传输技术，替代现在常用的网络化传输的方法，并进行了比较和实现方式的说明。可以更好的满足需要远程监测的用户的需求，实现对机械设备进行远程信号的采集和状态监测，软件上利用LabVIEW作为编程语言，简单易学，缩短了开发时间，而且设计的操作界面美观，使用者易于操作。基于虚拟仪器的辅助教学系统设计使得单片机的教学过程变得简单，理论教学和实践教学均可在课堂进行，无需转换教学地点，也不受实验场地时间安排冲突的限制。7.2展望近二十年来我国机械设备状态监测与故障诊断系统经历了从离线系统到在线系统、从事后维修到预防维修，从人工诊断到智能诊断的发展历程，新一代的故障诊断系统（包括软件系统和硬件系统）的研制，也是故障诊断技术的发展趋势之一。限于知识、时间和一些客观的实验条件，本课题的研究并未做到尽善尽美，还可从以下方面展开进一步的探讨：（1）研究更多类型监测信号实现故障状态监测的可行性，将多个监测信号进行自动合理选择，提高故障状态监测的可靠性和准确性。（2）提供更多的信号分析的方法。如小波分析的方法可以有更多选择。参考文献[1].陈侃,基于多模型决策融合的刀具磨损状态监测系统关键技术研究,西南交通大学研究生学位论文,2012[2].刘飞，智能机床发展现状与技术体系框架，机械工程学报，2013.[3].曹伟青,傅攀,谢绣娴.B样条模糊神经网络在刀具磨损监测中的应用.工具技术,2005,(12):66一68[4].B.M.Kramer.AComprehensiveToolWearModel.AnnalsofCIPP.Vol135,NO.1[5].李岩，机械制造领域测量技术的发展研究机械工程学报,2010[6].刘红奇，小波包分析技术在电流刀具磨损监测系统中的应用，华中科技大学，2010；[7].冯艳,罗良玲,夏林.基于LabvIEW的刀具磨损在线监控系统.制造技术与机床,2008,(12):17一20；[8].刘敦焰.基于切削参数与刀具状态的车削力及功率建模硕士学位论文.上海交通大学,2006；[9].DimlaE,Dimla.SensorsignalsfortoolwearmonitoringinmetaleuttingoPerationSareviewofmethods.IntemationalJoumalofMaehineTOols&Manufaeture,2000,40(8):1073-1098[10].BenlllardSiek.FusionofHardandSoftComPutingTeehniquesinIndireet,OnlineToolWarMonitoring.IEEEtransaetionsonsystems,man,andcyberneticsPartC,apPlieationsandreviews,2004,32(2):80-90；[11].H.M.Ertune,K.A.Loparo.Adeeisionfusionalgorithmfortoolweareonditionmonitoringindrilling.InternationalJournalofMachineTOolsandManufaetuxe,2007,41(9):1347-1362[12].M.A.Mannan,Ashraf.A.Kassim,MaJing.APPlieationofimageandsoundanalysisteehniquestomonitortheeonditionofcuttingtools.Patten