面向數(shù)控機床刀具系統(tǒng)的遠程故障診斷平臺構(gòu)建學(xué)士學(xué)位論文

畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目面向數(shù)控機床刀具系統(tǒng)的遠程故障診斷平臺構(gòu)建學(xué)生姓名**學(xué)號2010**班級專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化（主要包括課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，所要進行的主要工作和所采用的方法、手段，以及預(yù)期達到的結(jié)果）一.研究背景近年來，隨著高性能CNC機床、FMS以及CIMS的廣泛應(yīng)用，機械加工的效率、加工質(zhì)量有了明顯的提高，同時對全自動化生產(chǎn)也提出了更高的要求，發(fā)展趨勢也由以前的一位工人師傅掌管一臺機床到一個車間只需要一位工人師傅看管，這就要求數(shù)控機床能夠自動監(jiān)測刀具狀態(tài)，及時了解正在使用的刀具磨損情況，從刀具壽命、磨損量、刀具破裂等形式的刀具故障對刀具工作狀態(tài)進行監(jiān)控，并在刀具磨損達到設(shè)定磨損量時報警。工業(yè)統(tǒng)計表明，刀具失效是引起機床故障的首要因素，由此引起的停機時間占數(shù)控機床總停機時間的1/5～1/3。切削加工中，刀具在不同的加工條件下，其狀態(tài)是不斷變化的，如果刀具磨損不能及時發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致整個加工過程的中斷，引起工件報廢，甚至整個系統(tǒng)的停止。研究表明，數(shù)控機床配備刀具監(jiān)測系統(tǒng)后可減少75％的故障停機時間，提高生產(chǎn)率（10～60）％，提高機床利用率50％以上。美國Kennamtal公司的研究表明，配備刀具監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠節(jié)約加工費用達30％[1,4]。在傳統(tǒng)模式下對其進行故障診斷日趨困難，表現(xiàn)出成本高昂、效率低下等諸多不足。遠程化、協(xié)同化、智能化已成為現(xiàn)代故障診斷領(lǐng)域研究的一個重要發(fā)展方向和必然趨勢。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從20世紀50年代起,各國都開始刀具狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究工作。過去幾十年中,國外在刀具磨損和破損方面做了大量研究工作。德國亞探大學(xué)的Klocke,F.Reuber,M.Kratz,H.等人將球頭統(tǒng)刀磨損情況與工件表面情況聯(lián)合考慮,并且進行實驗,應(yīng)用小波分析提取信號特征參數(shù),最后實現(xiàn)了刀具狀態(tài)的可靠識別。日本Makino公司研制的刀具破損監(jiān)測儀通過聲發(fā)射信號識別刀具磨損狀態(tài),監(jiān)測刀具破損面積范圍可達0.005-50平方毫米,監(jiān)測刀具破損面積精度達到0.001平方毫米,故障報警響應(yīng)時間為0.01毫秒。該型設(shè)備表明刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)向高精度、高響應(yīng)時間方向發(fā)展。以上刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實例表明現(xiàn)代國外刀具監(jiān)測系統(tǒng)已具有刀具磨損的監(jiān)測、刀具損壞檢測、刀具損壞保護、刀具壽命的延長、刀具性能統(tǒng)計等功能。目前國外刀具監(jiān)測系統(tǒng)正向著綜合性多功能性方向發(fā)展。我國于20世紀70年代末開始刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究,近年來也在努力追趕世界先進水平。西北工業(yè)大學(xué)的張柯等人研制了基于聲發(fā)射技術(shù)的刀具破損監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀由聲發(fā)射傳感器、信號放大電路、信號調(diào)理電路、邏輯運算元件、輸入輸出接口及顯示部件組成。其特點在于以MCS-96系列單片機為核心,用聲發(fā)射信號上升斜率及包含最大峰值電壓前若干采樣點的均值電壓作為特征值量來判斷刀具磨損的程度。對于刀具破損則釆用模擬電路處理,利用峰值檢波后的電壓值作為特征量。南京航空航天大學(xué)的章建釆用統(tǒng)削力和刀具振動兩種信號,用時段比值監(jiān)測策略和硬件比較監(jiān)測方法判斷刀具的磨損、破損情況,取得了較好的實驗結(jié)果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)王志勇等人釆用聲發(fā)射信號的幅值和脈寬兩個參數(shù)來檢測銑刀的破損,主要是利用了這兩個參數(shù)的邏輯“與”進行最后判斷。北京航空航天大學(xué)的孫剛等人采用力信號的一階自適應(yīng)自回歸時間序列和簡單的二階差分方法跟蹤銑刀破損,該方法將時間序列和系統(tǒng)分析結(jié)合在了一起,形成了獨到的建模工具,并且運用在實際監(jiān)控系統(tǒng)中獲得了成功。三.課題研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行小波分析，并和數(shù)據(jù)庫中的標準特征相比較并確定設(shè)備當前狀態(tài)。確定設(shè)備狀態(tài)后，服務(wù)器將當前數(shù)據(jù)存入服務(wù)器以供以后查閱同時還將設(shè)備狀態(tài)信息和故障信息返回工控機。服務(wù)器程序主要分為六個模塊：故障預(yù)警、特征數(shù)據(jù)庫、設(shè)備診斷、狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)控制和數(shù)據(jù)存儲打印。特征數(shù)據(jù)庫存儲著設(shè)備各部分正常和不同級別故障的特征數(shù)據(jù)。服務(wù)器將采集到的數(shù)據(jù)進行處理后得到特征數(shù)據(jù)，同時將處理后的數(shù)據(jù)傳送到故障診斷模塊。故障診斷模塊將實時特征數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫里相對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行比較，得出結(jié)論后將比較結(jié)果傳給顯示模塊。顯示模塊實時顯示設(shè)備的運行狀態(tài)和各種參數(shù)，以達到監(jiān)視的效果。如果有故障征兆，故障診斷模塊還會將診斷結(jié)果傳給預(yù)警模塊，預(yù)警模塊就會發(fā)出聲光報警，并自動切換到該臺設(shè)備的監(jiān)控臺上，同時顯示出診斷信息和推薦的處理方式。服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)同時還存入數(shù)據(jù)庫以供以后研究。參數(shù)控制模塊可以改變采集裝置和信號處理程序的參數(shù)，以便適應(yīng)不同工作環(huán)境。工控機程序主要用來進行實時數(shù)據(jù)采集和顯示來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，以便于在現(xiàn)對設(shè)備進行調(diào)試。四.預(yù)期效果(l)實時監(jiān)測刀具狀態(tài),刀具不可靠時,加工系統(tǒng)對刀具磨損量進行補償或更換刀具;(2)降低廢品率和工件加工成本,提高工件加工質(zhì)量;(3)減少設(shè)備的停機時間,提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)率,延長刀具使用壽命;(4)防止機床事故,最大限度地保證機床加工系統(tǒng)的安全性;指導(dǎo)教師簽字時間2014年摘要數(shù)控機床刀具磨損監(jiān)測對于提高數(shù)控機床利用率，減小由于刀具破損而造成的經(jīng)濟損失具有重要意義。有針對性地回顧了國內(nèi)外各種分析刀具磨損信號方法的研究工作，詳細敘述了功率譜分析法、小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及多傳感器信息融合技術(shù)的實現(xiàn)形式。通過比較各種數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)缺點，提出基于混合智能多傳感器信息融合技術(shù)是數(shù)控機床刀具磨損監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)處理的未來發(fā)展的主要方向。以數(shù)控機床刀具故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建與測試方法研究為目標，進行了刀具磨損實驗。采用振動傳感器、聲發(fā)射傳感器對切削過程中不同磨損程度刀具的信號進行檢測、分析和故障診斷。以LabVIEW10.0為開發(fā)平臺，開發(fā)了一套包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號分析模塊、故障診斷模塊的數(shù)控機床故障診斷實驗系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；刀具磨損監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理;LabVIEW;聲發(fā)射;振動AbstractCNCtoolwearmonitoringwouldbeagreatsignificanceforimprovingtheusagerateofCNCandreducingtheeconomiclossesduetothetoolbreakage.Therecentresearchprogressonthesignalanalyzingwasreviewed.Someimportantdataprocessmethodsweredetaileddescribed，suchaspowerspectrumanalysis，wavelettransform，artificialneuralnetworkandintelligentsensorfusiontechnology.Bycomparingtheirfeatures，theintelligentsensorfusiontechnologywasintroducedtobepopularindataprocessingmethodforCNCtoolwearmonitoring.TobuildfaultdiagnosissystemofCNCmachinetoolsandgettestmethod，toolwearexperimentsarecarriedout．Signalsforcuttingtoolwithdifferentwearingdegreesinmillingprocessaredetectedandanalyzedthroughvibrationsensorsandacousticemissionsensorsonthemillingtools．UsingLabVIEW8．6asdevelopmentplatform，afaultdiagnosisexperimentalsystemofCNCmachinetoolsisdeveloped，includingdataacquisitionmodule，signalanalysismoduleandfaultdiagnosismoduleKeywords：CNC；Toolwearmonitoring；Dataprocessingmethod;LabVIEW;vibration目錄TOC\o"1-4"\h\u28872第1章緒論 ④為了提供網(wǎng)頁瀏覽器訪問，必須在配置服務(wù)器時增加一步:利用菜單中的工具>>web發(fā)布工具將網(wǎng)頁發(fā)布出去。如下圖，Web發(fā)布工具允許用戶輸入一個Vl的名稱，并自動生成一個HTML文件。當然，要將這個HTML文件保存在“Web服務(wù)器配置”所指定的根目錄中。在發(fā)布的Vl中包含了數(shù)個subVI，這些SubVI的前面板窗口在需要時也可以打開，那么只需要再將SubVI的前面板的屬性設(shè)定為執(zhí)行中打開即可。這樣，就可以在客戶端打開這些SubVI的前面板[21]。圖5-9Web服務(wù)器圖5-10Web發(fā)布工具圖5-11發(fā)布工具（2）圖5-12遠程界面第6章實驗數(shù)據(jù)分析5.1刀具損壞形式及標準刀具損壞是機械加工過程中的一個必然現(xiàn)象，刀具損壞的形式主要有:刀具磨損和刀具破損。5.1.1刀具磨損刀具磨損主要取決于工件材料、刀具材料的機械物理性能和切削條件。用不同的刀具材料切削不同的工件材料時，刀具磨損狀況各有不同。刀具磨損按其發(fā)生的部位分為下面三種類型:(l)前刀面磨損(月牙洼磨損)切削塑性材料，當切削速度高、進給量較大時，切屑與前刀面在高溫、高壓、高速下接觸，產(chǎn)生劇烈摩擦，磨損開始發(fā)生在前刀面上距刀刃一定距離處，并逐漸向前、后擴大，形成月牙洼。前刀面磨損以月牙洼最大深度KT表示。(2)后刀面磨損這是在薄切屑、切削速度較低，或者切削高硬度及脆性較大的材料時所發(fā)生的磨損情況。這時，前刀面的接觸長度較小，所以磨損集中發(fā)生在刀刃及刀刃附近的后刀面上。(3)前后刀面同時磨損這種磨損介于前兩種類型之間，發(fā)生的條件(工件材料的硬度、脆性，切削速度和進給量，刀具材料的熱硬性等)也介乎其間，且刀具的磨損形式隨切削條件不同可以互相轉(zhuǎn)化。5.1.2刀具破損用脆性大的刀具材料制成的刀具進行斷續(xù)切削(銑削和刨削)，或者加工高硬度的材料，刀具都易產(chǎn)生破損。據(jù)統(tǒng)計，硬質(zhì)合金刀具約有50~60%的損壞屬于破損。刀具破損包括刀具塑性破損和刀具脆性破損，常見的崩刃、剝落、裂紋、碎斷等屬于脆性破損。5.1.3刀具磨損測量基準在加工過程中，必須制定正確的刀具磨損測量基準，才能夠測量刀具的磨損狀態(tài)，從而進行正確判斷。生產(chǎn)中可根據(jù)下列現(xiàn)象，判斷刀具是否己經(jīng)磨損，從而及時換刀。(1)后刀面的磨損寬度達到一定數(shù)值。(2)切屑的顏色或者形狀有顯著的變化。以切屑的底面變得粗糙來判斷刀刃的磨損情況。(3)工件表面粗糙度顯著變粗，或尺寸精度超出公差。(4)切削力增大，出現(xiàn)不正常的聲響和產(chǎn)生振動。制定測量基準時，主要考慮刀具磨損狀態(tài)對工件表面光潔度和尺寸精度的影響，且測量方便。目前，國內(nèi)外研究人員都將后刀面磨損量作為測量刀具磨損量的基準，國際標準1503685一1977統(tǒng)一規(guī)定以1/2切削深度處后刀面上測定的磨損寬度VB作為刀具磨鈍測量基準。5.2影響刀具磨損的因素5.2.1刀具本身的材料不同的刀具材料可以直接影響刀具的使用壽命。如陶瓷刀具。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點。陶瓷刀具的最佳切削速度通?？杀扔操|(zhì)合金刀具高3～10倍，適用于高速切削鋼、鑄鐵及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削時，切削溫度可高達800～1000℃甚至更高，切削壓力也很大。因此，陶瓷刀具的磨損是機械磨損與化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果，其磨損機制主要包括磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、擴散磨損、氧化磨損等。陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關(guān)，在高速切削時以高溫引起的粘結(jié)磨損、化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損和擴散磨損為主。綜合實驗數(shù)據(jù)對刀具磨損的影響可知切削速度的影響。切削速度對刀具壽命有非常大的影響.提高切削速度時,切削溫度就上升,而使刀具壽命大大縮短.加工不同種類、硬度的工件,切削速度會有相應(yīng)的變化。進給量是決定被加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素,同時也影響加工時切屑形成的范圍和切屑的厚度.在對刀具壽命影響方面,進給量過小,后刀面磨損大,刀具壽命大幅降低;進給量過大,切削溫度升高,后刀面磨損也增大,但較之切削速度對刀具壽命的影響要小.切削深度應(yīng)根據(jù)工件的加工余量、形狀、機床功率、剛性及刀具的剛性來確定.切削深度變化對刀具壽命影響不大.切削深度過小時,會造成刮擦,只切削工件表面的硬化層,縮短刀具壽命.當工件表面具有硬化的氧化層時,應(yīng)在機床功率允許范圍內(nèi)選擇盡可能大的切削深度,以避免刀尖只切削工件的表面硬化層,造成刀尖的異常磨損甚至破損.5.2.2刀具表面涂抹其他材料在刀具表面上涂一層其他物質(zhì)，有利于減少刀具的磨損，延長刀具使用壽命。涂層刀具結(jié)合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點，提高了刀具的耐磨性而不降低其韌性。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟效益。一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用，因而可以大大減少刀具的品種和庫存量，簡化刀具管理，降低刀具和設(shè)備成本。但是刀具在現(xiàn)有的涂層工藝進行涂層后，因基體材料和涂層材料性質(zhì)差別較大，涂層殘留內(nèi)應(yīng)力大，涂層和基體之間的界面結(jié)合強度低，涂層易剝落，而且涂層過程中還造成基體強度下降、涂層刀片重磨性差、涂層設(shè)備復(fù)雜、昂貴、工藝要求高、涂層時間長、刀具成本上升等缺點。常用的涂層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金剛石及復(fù)合涂層八大類數(shù)十個品種。根據(jù)化學(xué)鍵的特征，可將這些涂層材料分成金屬鍵型、共價鍵型和離子鍵型。5.2.3工件的材料工件材料可分為兩點。一是本身就擁有較高的物理性能。有些工件的材料具有較高的硬度，如果材料較軟的刀具就會對刀具磨損影響很大。再有就是被加工工件進行過熱處理。使得工件材料本身的一些性能發(fā)生改變，也會影響刀具的磨損。5.2.4切削速度的影響高速切削加工對刀具提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削時，造成刀具損壞的主要原因是在切削力和切削溫度作用下因機械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等的引起的磨損和破損。因此，對高速切削刀具材料最主要的性能要求是耐熱性、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性以及抗涂層破裂性能等。在高速切削加工中，與普通切削加工類似，也存在兩個摩擦副：前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與已加工表面間的摩擦副。其中，前者影響刀具前刀面的磨損，后者影響刀具后刀面的磨損，前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。但與普通切削相比，高速切削時刀具與工件的接觸時間減少，接觸頻率增加，切削過程中產(chǎn)生的熱量更多向刀具傳遞，因此其磨損機理與普通切削有很大區(qū)別。速切削時，應(yīng)根據(jù)加工方法和加工要求確定合理的刀具磨損壽命（極限）。影響高速切削刀具磨損壽命的因素較多，如工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何形狀、切削用量、冷卻液、振動等對刀具磨損壽命都有顯著影響，其影響規(guī)律與具體切削條件有關(guān)，應(yīng)通過切削試驗來確定各相關(guān)因素對刀具磨損壽命的影響效應(yīng)。第7章結(jié)論與展望7.1總結(jié)本文主要以DHL200為實驗平臺，進行了實驗。采用聲發(fā)射，振動，兩種途徑進行車刀的磨損實驗，并相應(yīng)開發(fā)出一套具有實時信號采集、多傳感器信號融合、歷史信號分析、故障診斷的數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)。本文得出成果及結(jié)論總結(jié)如下：（1）在收集大量資料的基礎(chǔ)上進行了數(shù)控機床的故障模擬實驗。文中主要介紹了刀具磨損試驗。實驗得出，聲發(fā)射、振動是研究刀具磨損狀態(tài)的很好的手段。聲發(fā)射覆蓋高頻，振動對應(yīng)低頻，更加確保整個監(jiān)測過程的準確性。（2）以LabVIEW10.0為平臺，開發(fā)了一套具有實時數(shù)據(jù)采集、歷史信號分析、故障診斷功能的數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)。（3）實現(xiàn)了數(shù)控機床故障診斷的網(wǎng)絡(luò)化遠程傳輸技術(shù)，替代現(xiàn)在常用的網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)姆椒?，并進行了比較和實現(xiàn)方式的說明?？梢愿玫臐M足需要遠程監(jiān)測的用戶的需求，實現(xiàn)對機械設(shè)備進行遠程信號的采集和狀態(tài)監(jiān)測，軟件上利用LabVIEW作為編程語言，簡單易學(xué)，縮短了開發(fā)時間，而且設(shè)計的操作界面美觀，使用者易于操作?；谔摂M儀器的輔助教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計使得單片機的教學(xué)過程變得簡單，理論教學(xué)和實踐教學(xué)均可在課堂進行，無需轉(zhuǎn)換教學(xué)地點，也不受實驗場地時間安排沖突的限制。7.2展望近二十年來我國機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)經(jīng)歷了從離線系統(tǒng)到在線系統(tǒng)、從事后維修到預(yù)防維修，從人工診斷到智能診斷的發(fā)展歷程，新一代的故障診斷系統(tǒng)（包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)）的研制，也是故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。限于知識、時間和一些客觀的實驗條件，本課題的研究并未做到盡善盡美，還可從以下方面展開進一步的探討：（1）研究更多類型監(jiān)測信號實現(xiàn)故障狀態(tài)監(jiān)測的可行性，將多個監(jiān)測信號進行自動合理選擇，提高故障狀態(tài)監(jiān)測的可靠性和準確性。（2）提供更多的信號分析的方法。如小波分析的方法可以有更多選擇。參考文獻[1].陳侃,基于多模型決策融合的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究,西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文,2012[2].劉飛，智能機床發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)體系框架，機械工程學(xué)報，2013.[3].曹偉青,傅攀,謝繡嫻.B樣條模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在刀具磨損監(jiān)測中的應(yīng)用.工具技術(shù),2005,(12):66一68[4].B.M.Kramer.AComprehensiveToolWearModel.AnnalsofCIPP.Vol135,NO.1[5].李巖，機械制造領(lǐng)域測量技術(shù)的發(fā)展研究機械工程學(xué)報,2010[6].劉紅奇，小波包分析技術(shù)在電流刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，華中科技大學(xué)，2010；[7].馮艷,羅良玲,夏林.基于LabvIEW的刀具磨損在線監(jiān)控系統(tǒng).制造技術(shù)與機床,2008,(12):17一20；[8].劉敦焰.基于切削參數(shù)與刀具狀態(tài)的車削力及功率建模碩士學(xué)位論文.上海交通大學(xué),2006；[9].DimlaE,Dimla.Sensorsignalsfortool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