關(guān)于數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

單東利++李紅麗

摘 要：在數(shù)控機(jī)床加工產(chǎn)品零件特別是一些難加工以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件時(shí)，如果不能根據(jù)機(jī)床加工的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)決

策，就很可能會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題。如導(dǎo)致零件的加工精度、力學(xué)性能及加工質(zhì)量等達(dá)不到要求標(biāo)準(zhǔn)，甚至引發(fā)安全事故。因此，有必要對(duì)機(jī)床的加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。文章首先簡(jiǎn)單介紹了機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及意義，然后論述了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要內(nèi)容、基本組成以及工作流程，最后總結(jié)了一些設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引言

伴隨科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，制造產(chǎn)業(yè)中的數(shù)控技術(shù)不斷得到改進(jìn)。數(shù)控機(jī)床作為制造產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵組成部分，現(xiàn)已向著更加智能化、數(shù)字化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。其功能的強(qiáng)弱對(duì)我們國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用。所以，在制造業(yè)的發(fā)展中要想取得更快、更大的突破與進(jìn)步，最重要的一點(diǎn)就是要不斷提高數(shù)控技術(shù)水平。這就要求數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度要越來(lái)越高。由此又會(huì)給相關(guān)方面帶來(lái)許多難題。例如機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性等方面。同時(shí)也會(huì)加大機(jī)床設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性。于是要想快速有效地解決諸如上面的一些問(wèn)題，就必須對(duì)機(jī)床的加工過(guò)程進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)。

目前，對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到廣大科研工作者們的普遍關(guān)注，成為一個(gè)比較熱的研究課題。研究機(jī)床的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行、合理使用，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量、效率等提供了有力保障[1]。

1 機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)的意義

在我國(guó)，裝備制造產(chǎn)業(yè)早已成為國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)，在一定程度上體現(xiàn)了我們國(guó)家的整體工業(yè)水平。而數(shù)控設(shè)備是制造產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備。因而數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在很大程度上影響著我國(guó)制造業(yè)的整體水平。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除機(jī)床加工的異常狀態(tài)，保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，有必要對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的意義主要有以下幾個(gè)方面：

（1）保證機(jī)床正常運(yùn)行，有質(zhì)量地完成生產(chǎn)任務(wù)。加工過(guò)程中若出現(xiàn)了異常狀態(tài)（如意外停機(jī)等），監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)馬上監(jiān)測(cè)到。及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題有助于我們采取相應(yīng)措施進(jìn)行設(shè)備的調(diào)整，恢復(fù)機(jī)床的正常狀態(tài)。這樣既提高了加工工件的質(zhì)量，同時(shí)也給企業(yè)降低了損失。

（2）減少機(jī)床維護(hù)成本。通過(guò)對(duì)之前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的研究和分析，得到設(shè)備以前的加工狀態(tài)，進(jìn)而為諸如調(diào)試、故障診斷以及預(yù)防性維護(hù)等提供技術(shù)支持。

（3）提高機(jī)床使用率。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的機(jī)床所處狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)，保證作業(yè)任務(wù)能夠高效率地進(jìn)行。從而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率以及機(jī)床的使用率[2]。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

首先，所謂的數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)就是要對(duì)加工狀態(tài)中的某些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、提取、處理并分析，從而了解并掌握設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常。與此同時(shí)也為預(yù)防性維護(hù)與故障診斷等提供相關(guān)依據(jù)。

其次，數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程可以說(shuō)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)涉及到很多的技術(shù)問(wèn)題。信息獲取、特征提取以及狀態(tài)識(shí)別是一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括的三個(gè)方面。其中數(shù)據(jù)信息采集、傳輸與處理非常關(guān)鍵，也是基礎(chǔ)。因此要想設(shè)計(jì)出一個(gè)比較好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集與處理環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

2.2 機(jī)床監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容

對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)也就是對(duì)其加工過(guò)程的監(jiān)測(cè)。其中包括的主要內(nèi)容有：機(jī)床與刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及加工過(guò)程與加工工件質(zhì)量監(jiān)測(cè)四個(gè)方面。具體如圖1所示。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成

數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程非常復(fù)雜。要對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)涉及到許多技術(shù)問(wèn)題。信息獲取、特征提取以及狀態(tài)識(shí)別是一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括的三個(gè)方面。具體如圖2所示。

首先，信息獲取是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的第一步。相關(guān)的若干傳感器對(duì)機(jī)床加工狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，這類(lèi)信號(hào)有很多，諸如主軸轉(zhuǎn)速、切削扭矩、切削力、振動(dòng)信號(hào)以及電機(jī)功率等。

其次，就是要對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，即特征提取。從監(jiān)測(cè)的信號(hào)中提取出與設(shè)備狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)。這是對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最具影響的關(guān)鍵一步。

最后，就是狀態(tài)識(shí)別了。這一步最關(guān)鍵的是要建立合理模型。建立一個(gè)合理模型后，根據(jù)上一步獲取的有關(guān)參數(shù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)合理的分析與判斷。

2.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：首先是數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理并傳輸數(shù)據(jù)，然后就是要提取數(shù)據(jù)的特征參數(shù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最后就是進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3]。具體如圖3所示。

3 設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程十分復(fù)雜。對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)必定會(huì)涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。其中包含的一些主要關(guān)鍵技術(shù)有：多傳感器融合技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及自適應(yīng)控制技術(shù)等。

3.1 多傳感器融合技術(shù)

在機(jī)床加工過(guò)程中，傳感器可以把很多的物理量（諸如溫度、距離以及振動(dòng)信號(hào)等）轉(zhuǎn)變成電壓或電流等電信號(hào)，這些電信號(hào)如實(shí)地體現(xiàn)出機(jī)床加工過(guò)程的狀態(tài)信息。然而，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能加工方面，如果只是依靠傳統(tǒng)的單一屬性的傳感器技術(shù)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。所以，目前多傳感器融合與智能傳感器技術(shù)已成為發(fā)展的主流方向。

3.2 信號(hào)處理技術(shù)

對(duì)于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)是數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)。通過(guò)對(duì)信號(hào)的采集分析并處理，獲得信號(hào)特征，然后再對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行分析、決策。目前來(lái)說(shuō)，信號(hào)處理方法很多，比如有時(shí)頻分析法、頻域分析法、時(shí)域分析法等。小波分析法屬于時(shí)頻分析法的范疇。它是當(dāng)前信號(hào)處理最有影響力的方法。小波分析法的最大特點(diǎn)是不產(chǎn)生畸變，屬于線性變換，能夠同時(shí)在時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行局部分析[4]。

3.3 模式識(shí)別技術(shù)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程中，提取完信號(hào)特征后，接下來(lái)就是根據(jù)提取的結(jié)果對(duì)機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷。其實(shí)，歸根結(jié)底說(shuō)的就是模式識(shí)別。模糊模式識(shí)別方法屬于模糊識(shí)別方法，主要針對(duì)識(shí)別對(duì)象本身的模糊性或識(shí)別要求上的模糊性。模糊模式識(shí)別的實(shí)現(xiàn)方法和途徑有很多。主要有隸屬原則、擇近原則、模糊聚類(lèi)分析、模糊綜合評(píng)判等[5]。其在加工過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中都有過(guò)具體的應(yīng)用，如利用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行識(shí)別，對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別等[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義及價(jià)值。它為提高產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備利用率、降低生產(chǎn)成本、機(jī)床安全、可靠的運(yùn)行等提供了保障，同時(shí)也為機(jī)床的預(yù)防性維護(hù)與故障診斷等提供了支持。本文對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。簡(jiǎn)要論述和總結(jié)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要內(nèi)容、基本組成、工作流程及一些設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。相信對(duì)今后在這方面進(jìn)行進(jìn)一步研究的研究者們有著一定的借鑒意義及參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李允公.機(jī)械故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)特征提取中的若干典型問(wèn)題的研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2005.

[2]邢永彥，游有鵬，葉帥.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控機(jī)床狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化，2015（02）：40-43.

[3]曾聲奎，等.故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空學(xué)報(bào)，2005，26（5）：626-632.

[4]盧艷軍.數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2008（08）：4-36.

[5]徐陽(yáng).模式模式識(shí)別及其應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2001.

[6]胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：華大學(xué)出版社，2003.

*通訊作者：?jiǎn)螙|利，男，碩士研究生。

作者簡(jiǎn)介：李紅麗，女，本科。