現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷

1、現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷周祖德，陳幼平等。武漢：華中理工大學出版社，1999, 61刖b以電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)和新材料技術(shù)為核心 的新一代工程科技的迅猛發(fā)展，給人類描繪了一幅未來信息社會的壯麗圖最。 這些新技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛滲透、應用與衍牛，正在使制造業(yè)的面貌發(fā)牛翻 天覆地的變化。微電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、智能診斷技術(shù)與機電一體 化技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是計算機的廣泛應用，形成了機械制造系統(tǒng)的許多新 觀念。由系統(tǒng)論、信息論和控制論所形成的系統(tǒng)科學與方法論對機械制造系統(tǒng) 產(chǎn)生愈來愈大的影響，由此產(chǎn)生了現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的概念。現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)具有控制規(guī)模大、自

2、動化程度高和柔性化強的特點。由 于制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復雜，價格越來越昂貴，因此，各種故障造成的停機 損失已成為一種不堪忍受的負擔。為此，要求嚴密監(jiān)視加工工況和正確預報故 障以便及時準備備件和制定合理的維修計劃，最大限度地減少停機維修時間， 提高昂貴設(shè)備的利用率，同時在設(shè)備發(fā)生故障或異常后能及時準確地進行診 斷，確定故障部位及原因，并提供維護決策與建議，以便采取有效的措施，迅 速排除故障。由于上述原因，現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的監(jiān)控與診斷技術(shù)得以迅速發(fā) 展。機械制造過程的監(jiān)控與故障診斷的目的是對機械制造過程中產(chǎn)生的各種信 息進行獲取、傳輸、處理、分析和應用，其技術(shù)包括對各種物理量如聲、光、 電、力、力

3、矩、振動、功率等等用先進的傳感器接收，進行信息傳輸和處理， 并根據(jù)分析處理結(jié)論來對生產(chǎn)設(shè)備的工況及產(chǎn)品進行監(jiān)測，同時采用人工智能 技術(shù)對其發(fā)展趨勢進行預測并對其所發(fā)生的故障進行診斷和報警。第一章緒論為確保設(shè)備的正常運行及加工產(chǎn)品的質(zhì)量，必須對設(shè)備的運行過程的狀態(tài) 進行監(jiān)控。通過監(jiān)測到一系列機、電、液、氣等狀態(tài)變量來分析和判斷設(shè)備的 狀態(tài)及故障或異常情況，進而找出故障的具體位置，預測故障的發(fā)展和潛在的 危險，以及加工質(zhì)量的變化趨勢，并由此確定應采取的相應措施和對策。 柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（fms）是為適應中小批量生產(chǎn)的自動化而發(fā)展起來的。 fms通常由cnc （計算機數(shù)控）加工中心機床、運輸

4、存儲系統(tǒng)、中央控制計算 機系統(tǒng)三大部分組成，其主要特點是“柔性”，即制造系統(tǒng)完成不同加工任務的 能力。柔性評價了系統(tǒng)為加工多種工件可被重新調(diào)整的能力，也平價為完成這 些加工生產(chǎn)任務，重新布置和調(diào)整系統(tǒng)所花的費用。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的尺寸、柔 性程度的不同，柔性制造系統(tǒng)可分為柔性制造單元（fmc）、柔性制造系統(tǒng) （fms）、柔性自動線（fml）三種基本型式。面向環(huán)境設(shè)計（design forenvironment）綠色設(shè)計（green design）1.3故障診斷技術(shù)的分類由于現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)各種設(shè)備運行的狀態(tài)千差萬別，且其服役的條件和 環(huán)境乂各不相同，因此故障診斷技術(shù)的分類方法自然就很多。目前，主要

5、按診 斷目的、診斷對象和被診斷參數(shù)三種方式進行分類。1.3.1根據(jù)診斷目的分類：一般說來，根據(jù)診斷目的，可以劃分為如下五種類型，即：定期診斷和連續(xù)診斷 直接診斷和間接診斷根據(jù)診斷目的分類 功能診斷和運行診斷在線診斷和離線診斷 常規(guī)診斷和特殊診斷定期診斷：顧名思義，就是每隔一定時間，對正在服役的系統(tǒng)或設(shè)備進行 一次常規(guī)的檢查和診斷。連續(xù)診斷，采用測試儀器儀表和計算機信號處理系統(tǒng) 對一個系統(tǒng)或設(shè)備的運行狀態(tài)進行連續(xù)的監(jiān)視和檢測。這兩種方法的選用與被 診斷對象的重要程度、故障影響的嚴重程度、運行中系統(tǒng)或設(shè)備的性能下降的 快慢程度以及故障發(fā)生或發(fā)展的可預測性等因素有關(guān)。顯而易見，一個系統(tǒng)或 設(shè)備如果十

6、分重要，一旦發(fā)生故障可能造成嚴重影響，且其故障的發(fā)生或發(fā)展 又很難預測，無疑就需要采用連續(xù)監(jiān)控診斷。直接診斷是直接根據(jù)關(guān)鍵零部件的狀態(tài)信息來確定加工系統(tǒng)或設(shè)備所處的 狀態(tài)，例如軸承的間隙，刀具的磨損，軸或葉片的裂紋等。直接診斷具有迅速 可靠的特點，但有時因受到機械結(jié)構(gòu)或工作條件的限制而無法實現(xiàn)。間接診斷 是通過加工系統(tǒng)或設(shè)備運行中的二次信息來間接判斷關(guān)鍵水泥或關(guān)鍵零部件的 狀態(tài)變化和故障情況，例如通過潤滑油的油溫來反映主軸承的運行狀態(tài)。功能診斷是指加工系統(tǒng)和設(shè)備的功能是否正常。一般來說對于一臺新安裝 的設(shè)備或剛剛維修過的設(shè)備及部件，首先需要判斷其運行工況和功能是否正 常，需對其主要功能進行檢測

7、，并根據(jù)檢測信息與判斷結(jié)果對其進行調(diào)整。運 行診斷則是對正在運行中的加工系統(tǒng)或機械設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié) 果，對其可能發(fā)生的故障和故障的發(fā)展趨勢進行早期診斷。在線診斷是指對現(xiàn)場正在運行中的加工系統(tǒng)或機械設(shè)備進行自動的適時診 斷，以便及時地找出故障并提出維修決策，使加工系統(tǒng)或機械設(shè)備始終處于一 種最佳運行狀態(tài)。離線診斷則通過現(xiàn)場測試設(shè)備或故障記錄儀器將現(xiàn)場測量的 狀態(tài)信號記錄下來，然后結(jié)合診斷對彖的歷史檔案以及其它相關(guān)信息在實驗室 作進一步的分析診斷，以確認加工系統(tǒng)或設(shè)備的故障部位或故障趨勢。常規(guī)診斷就是指加工系統(tǒng)或設(shè)備在正常服役條件下進行的診斷，我們說的 診斷一般都屬于這種類型。但也有一

8、些診斷，需要在特殊工況下進行，需要創(chuàng) 造特殊的服役條件來獲取信號，如動力機組的啟動和停機過程需要通過轉(zhuǎn)子的 幾個臨界轉(zhuǎn)速，采集在啟動和停機過程屮的振動信號來診斷故障，而這些振動 信號在常規(guī)診斷中是采集不到的，因此需要特殊診斷。1. 3. 2根據(jù)檢測和診斷的信號分類根據(jù)檢測和診斷的信號不同，從而派生出各種不同的診斷方法，出現(xiàn)了利 用現(xiàn)代振動聲學、熱學、光學、力學、電學等理論以及現(xiàn)代測試技術(shù)，信號處 理識別技術(shù)，計算機技術(shù)的不會方法與手段而實現(xiàn)的各種監(jiān)控和診斷技術(shù)。聲振診斷，利用機械設(shè)備發(fā)出的振動和聲音信息進行故障診斷，是目前最 常用的診斷手段。由于進行振動及其引起的聲波在不同程度上反映出的機械特

9、 性和它們所處的工作狀態(tài)，往往含有豐富的故障信息。過去往往只是人們的主 觀感覺，即聽覺和觸覺來感受這種振動和聲咅，從其差異中憑經(jīng)驗來判斷可能 產(chǎn)生的故障，這就是最簡單的聲振故障診斷方法。近年來，隨著非電測量技 術(shù)、信號處理判斷技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，將聲振監(jiān)測和診斷技術(shù)推向了 一個新的水平。一般說來，我們將利用振動測量和噪聲測量及它們的分析結(jié)果 來識別機械設(shè)備的故障診斷方法統(tǒng)稱為聲振診斷。有時又將這一診斷技術(shù)分開 闡述為振動診斷技術(shù)和聲音診斷技術(shù)。無損診斷，利用無損探測技術(shù)來發(fā)現(xiàn)機械設(shè)備主要零部件的裂紋、腐蝕、 機械性能超差等變化，以及零部件等正常設(shè)置受破壞或內(nèi)部零件損壞等故障起 因，并根據(jù)

10、損傷的種類、形狀、大小、產(chǎn)生部位、應力水平、應力方向等信 息，來預測損傷或缺陷的發(fā)展趨勢，以便及時地采取措施，排除隱患。無損診 斷技術(shù)又包含冃視一光學檢測診斷，射線探傷診斷，超聲探傷檢測診斷以及利 用鐵磁材料的磁性變化而形成的磁性探測診斷和渦流探測、聲發(fā)射探測診斷 等。溫度診斷是故障診斷中最早進入實用階段的技術(shù)。起源于手模測溫和主觀 判斷。隨著測溫技術(shù)、計算機智能技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，測溫技術(shù)不斷 更新，診斷原理不斷完善，應用范圉不斷擴大。冃前，紅外、光纖、激光等測 溫新技術(shù)止不斷擴大應用，從而使溫度診斷不僅用于查找機械的各種熱故障， 而且還可以彌補射線、超聲、渦流等無損檢測方法的不足。一

11、般說來，溫度診 斷乂分為被動式和主動式兩大類。被動式溫度診斷是通過機械零部件或流體自 身的熱量來獲取故障信息的，從而可廣泛應用于靜態(tài)或運行中機件的診斷，是 fi前溫度診斷屮運用的主要方法。而主動式溫度診斷則是通過人為地給被測對 象注入一定的熱量后，再獲取其故障信息，一般只適用于靜態(tài)機件的故障診 斷。污染診斷是以機械設(shè)備在工作過程中或故障形成過程中所產(chǎn)牛的固體、液 體和氣體污染物為檢測對象，以多種污染物的數(shù)量、成份、大小、形態(tài)為檢測 參數(shù)，并依據(jù)檢測參數(shù)的變化來判斷機械所處故障狀態(tài)的一種診斷技術(shù)。fi前 主耍有油液污染監(jiān)測診斷和氣體監(jiān)測診斷。前者是通過對系統(tǒng)中循環(huán)流動的油 液污染狀況進行監(jiān)測，以

12、獲取進行運行狀態(tài)的有關(guān)信息，與醫(yī)學診斷中驗血所 起的作用頗為類似。后者是通過對電氣系統(tǒng)故障形成過程中產(chǎn)牛的溶解氣體、 密封性故障形成過程中產(chǎn)生的漏失氣體或液體、以及發(fā)動機或煙道排放的廢氣 等所產(chǎn)生污染性物質(zhì)、數(shù)量和成份進行監(jiān)測分析來判斷機械設(shè)備的運行狀態(tài)。交叉診斷：一個復雜的現(xiàn)代制造系統(tǒng)往往由多個子系統(tǒng)組成，每一個子系 統(tǒng)又由多臺機、電、液設(shè)備組成，這就使一個復雜的系統(tǒng)故障具有很強的不確 定性，增加了故障診斷的復雜性和困難程度。一般說來，對于一個牛產(chǎn)系統(tǒng)， 如果只是想發(fā)現(xiàn)有無故障，只要根據(jù)診斷對象可能產(chǎn)生的故障，選擇一種最好 的檢測儀器和最佳的檢測方法，就可能獲得故障信息。但如果要想全面地了解

13、 故障的類型、性質(zhì)、產(chǎn)生部位和可能發(fā)展的趨勢以及決定要采取的維修策略， 就必須從不同的角度，釆用不同的方法去捕捉不同的故障現(xiàn)象，并根據(jù)不同的 故障現(xiàn)象可能反映出的故障進行交叉判斷，它們的交叉點就可能是需要確定的 故障，這就是交叉診斷。如同一種機械故障可能表現(xiàn)多種征兆（故障現(xiàn)象），如 軸承的滾道或某個彈子碎裂，也就可能表現(xiàn)振動現(xiàn)象的明顯變異或軸承座溫度 的升高等等。這就是說，對于同一種故障可用或需耍用不同的方法去診斷，因 為是從不同診斷信號，不同的方面進行診斷的，因此乂稱為綜合診斷。1.3.3根據(jù)診斷的對象分類從工程的角度岀發(fā)，按診斷的直接對象過去往往分成兩種類型，即離散型 生產(chǎn)系統(tǒng)的診斷和連續(xù)

14、型生產(chǎn)系統(tǒng)的診斷。而離散型生產(chǎn)系統(tǒng)的診斷乂可分為 三類，即機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)診斷，其中機械系統(tǒng)的診斷乂根 據(jù)不同的機械類型分成四類，即機械零部件、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)類、往復結(jié)構(gòu)類和靜止 結(jié)構(gòu)類診斷。連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)分為工藝流程類和連續(xù)生產(chǎn)過程類兩類診斷。連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)診斷：連續(xù)生產(chǎn)過程與離散生產(chǎn)過程有著不同的特點。一般 來說，連續(xù)生產(chǎn)過程產(chǎn)品穩(wěn)定，基本上屬于大批大量生產(chǎn)，其信息相對比較單 純，但生產(chǎn)機理較復雜，數(shù)學模型難以精確描述。例如以四大加工參數(shù)（溫 度、壓力、流量、液壓）的控制為特點的石油化工企業(yè)，以及包括其它化工、 金屬、動力、食品等一切生產(chǎn)人工制品的工業(yè)，它們的連續(xù)生產(chǎn)過程的故障診 斷

15、，一般都包含實時監(jiān)控與診斷、決策支持、質(zhì)量管理和智能監(jiān)督控制。因 此，連續(xù)生產(chǎn)過程的故障診斷系統(tǒng)具有規(guī)模大、實時性強、控制與診斷一體化 的特點。占控系統(tǒng)診斷：現(xiàn)代制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)一般都是一個遞階結(jié)構(gòu)的分級控 制系統(tǒng)，每一級都有不同的職能和硬、軟件結(jié)構(gòu)，其支撐環(huán)境是網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù) 庫。最基本的單元是計算機數(shù)控系統(tǒng)（cnc）和可編程邏輯控制器（plc）。電 控系統(tǒng)是現(xiàn)代制造系統(tǒng)的大腦和指揮中心，電控系統(tǒng)的失靈或故障可能引起全 線崩潰或嚴重事故。因此，現(xiàn)代制造系統(tǒng)的電控系統(tǒng)都有很嚴格的監(jiān)控和診 斷，其內(nèi)容主要包括硬件的監(jiān)控和診斷、軟件診斷，其方式往往包括自診斷和 人工智能的監(jiān)控和診斷兩種。前者是在系統(tǒng)

16、的設(shè)計之初就已從硬件和軟件兩方 面作了周密的考慮，后者則需根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能以及整個加工系統(tǒng)的配置和 機械液壓等多個部分的協(xié)調(diào)配合等綜合因素來確定。液壓系統(tǒng)診斷：液壓系統(tǒng)中的許多故障與機械電氣系統(tǒng)中的故障不同，其 最大特點是其故障具有擴散性，即系統(tǒng)中某一元件發(fā)牛了故障，往往會導致一 系列元件發(fā)生故障。如濾清器發(fā)生破損后，通常會引起泵。閥和執(zhí)行元件的損 壞。因此，如何對液壓系統(tǒng)進行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，對保證液壓 系統(tǒng)使用的可靠性具有特殊的重要性。根據(jù)液壓系統(tǒng)的特點，已形成多種專用 的故障診斷方法，而其中最有效的方法是以分析診斷對象的邏輯關(guān)系、系統(tǒng)參 數(shù)以及系統(tǒng)熱力學過程為基礎(chǔ)的診斷方法

17、。典型機械零件診斷：齒輪類、軸承類零件是機械設(shè)備中廣泛使用的重要零 件，這些零部件的損傷和失效常常會導致傳動系統(tǒng)和整機的故障，甚至會引起 安全事故?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)中，耍求齒輪既能在高速、重載、特殊介質(zhì)等惡劣的 條件下工作，乂要求齒輪裝置具有高平穩(wěn)性、高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊等良好的工 作性能，因此對齒輪運轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)控和診斷也就顯得特別重要。滾動軸承是機 械加工應用最多的最容易損壞的零件之一，其工作狀態(tài)的正常與否亦直接有效 整機的可靠性，因此，滾動軸承的故障診斷是現(xiàn)代制造系統(tǒng)中監(jiān)控和診斷的另 一重要對象。除此之外，在機械系統(tǒng)中，像轉(zhuǎn)子、軸承、葉輪、風機等旋轉(zhuǎn)類機械，內(nèi) 燃機壓氣機、活塞及連桿類等往復式機

18、械，以及金屬結(jié)構(gòu)、框架、橋梁等靜止 結(jié)構(gòu)也都是診斷的直接對象。第三章現(xiàn)代制造系統(tǒng)的故障分析故障分析：指為了確認與判斷潛在故障與實際故障，探索故障發(fā)生的原因 與機理，故障的發(fā)生概率與故障后果，為研究故障診斷與故障預防對策等而對 制造系統(tǒng)（或設(shè)備）進行邏輯分析與系統(tǒng)調(diào)查的技術(shù)活動。故障分析的目的：在于預防與清除故障，以提高制造系統(tǒng)（或設(shè)備）的可 靠性與安全性。故障分析的著眼點：對迄今視為偶發(fā)事件、不可避免事件、不可知事件等 進行剖析，盡可能使之變?yōu)楸厝皇录?、可避免事件，并通過可靠性管理來控制 故障的發(fā)生。故障分析的方法：一般來說，故障分析的方法往往是綜合運用質(zhì)量管理、 統(tǒng)計、物理、化學、機械、電工等的計測分析方法。例如：用于故障信息處 理、故障原因估計的方法有：排列圖法，直方圖法，因果分析圖，檢驗估計， 方差分析，回歸分析，多元分析，等等；用于調(diào)查強制劣化及破