面向数控机床刀具系统远程故障诊断平台构建毕业设计.doc

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 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