数控机床远程监控及其故障诊断关键技术研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 1.61MB 84 页 15积分
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摘要
随着信息技术与智能故障诊断技术的不断发展，如何迅速、正确地进行故障
诊断和排除相应故障，以避免因为设备故障造成的停机而带来巨大损失越来越受
到现代企业的关注。远程监控技术以其独有的特点被工业领域所重视，因此本设
计正是在此条件下，研究远程故障诊断系统的设计方法和实现技术，旨在为设备
远程故障诊断提供一种新途径。论文主要研究内容包括：
第一， 重点以数控机床故障诊断为对象，对远程监测和故障诊断系统的功能需求
进行了分析. 提出了数控机床远程监控及其故障诊断系统的总体结构。经功能分
析后将系统分为特征信号采集子系统、故障诊断子系统、远程监控子系统。
第二， 提出了基于故障树的故障诊断专家系统的结构，并探讨了各个组成部分如
知识库、推理机、解释器和人机交互接口等的内容，并提出了在本系统中的具体
实现方法。
第三， 通过比较 C/S 和 B/S 两种网络模式的优缺点并结合系统自身的特点确定了
本系统采用 B/S 模式，并介绍了本系统在软件开发过程中所要用到的几种软件平
台和具体的软件开发工具。
第四， 提出了本系统的软件结构，详细介绍了本系统三个主要组成部分的开发过
程，并结合实例对系统的各个功能模块进行了测试和验证。
最后在总结全文的基础上，对设备远程诊断技术的应用前景作了展望，对有
待进一步深入研究的问题提出了建议。
关键词：数控机床 故障诊断 专家系统 推理机 故障树 B/S 模式
ABSTRACT
With the development of computer,communication and diagnosis technique,how to
diagnose and obviate fault quickly and correctly,in order to avoid the loss caused by
breaking down of NC machine tools brought about more and more the concern of the
modern enterprise.Remote monitoring technology has been valued by the industry domain
for its original characteristic,the thesis research on the design and realization of the
web-based remote fault diagnosis of system,with the aim of providing a new solving
approach for remote fault diagnosis of system. In the following parts, the details are
introduced.
Firstly, aimed at NC machine tools, the demand of the system is widely analyzed. The
whole structure of remote fault diagnosis system is proposed. In addition, the system is
divided into three child systems named Signature Collection System, Fault Diagnosis
System, and Remote Monitoring System.
Secondly, Expert System based on Fault Tree Technique is confirmed, and discusses
about the structure of expert system and implementation approach of every vital area on
system such as knowledge database, inference engine and man-machine conversation
interface, and gets concrete way in the system.
Thirdly, with comparing the merit and shortcoming of a few network modes and
combining the characteristics of the system oneself, the system is confirmed to be
developed on B/S mode. Then, the software platform and the concrete software
development tools in the system development process are introduced.
Forth, the software development process of this system is confirmed. And with some
fault examples and actual pictures of the system interface, the main function modules in
this system are designed and tested.
Finally，on the basis of the summarization of the research work in this Paper，further
research and investigation were discussed.
Key Words: CNC Machine, Fault Diagnosis, Expert System, Inference
Engine, Fault Tree Technique, B/S mode
I
目 录
摘要 ............................................................................................................................... 1
ABSTRACT .................................................................................................................. 3
目 录............................................................................................................................ I
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 远程故障诊断技术概述....................................................................................1
§1.1.1 远程故障诊断技术研究的背景和意义..................................................1
§1.1.2 传统故障诊断服务模式存在的问题......................................................1
§1.1.3 故障诊断技术发展历程..........................................................................2
§1.2 国内外相关研究现状及发展趋势................................................................3
§1.2.1 国内外相关研究现状..........................................................................3
§1.2.2 国内外研究发展趋势..........................................................................4
§1.3 论文研究的背景和内容.................................................................................4
§1.3.1 论文研究的背景..................................................................................4
§1.3.2 论文研究的目标及章节安排..............................................................5
§1.4 本章小结........................................................................................................6
第二章 远程故障诊断系统开发的总体框架 ............................................................. 7
§2.1 系统功能需求分析.........................................................................................7
§2.2 系统结构总体设计.........................................................................................8
§2.3 系统功能介绍.................................................................................................9
§2.3.1 特征信号采集子系统..........................................................................9
§2.3.2 故障诊断子系统................................................................................10
§2.3.3 远程监控子系统................................................................................10
§2.4 网络通讯技术与数据传输技术...................................................................10
§2.4.1 基本的数据传输技术.......................................................................11
§2.4.2 网络接入技术...................................................................................11
§2.5 远程故障诊断系统网络体系结构...............................................................12
§2.5.1 基于客户机/服务器模式.................................................................12
§2.5.2 基于浏览器/服务器模式.................................................................14
§2.6 本章小结.......................................................................................................16
第三章 特征信号采集子系统的研究与设计 ........................................................... 17
§3.1 源信号的选择..............................................................................................17
II
§3.2 传感器的选择..............................................................................................19
§3.2.1 传感器选用的一般原则...................................................................19
§3.2.2 传感器的选择.................................................................................21
§3.3 数据采集卡..................................................................................................24
§3.4 系统硬件连接图..........................................................................................25
§3.5 信号采集功能的实现..................................................................................26
§3.5.1 基于 LabVIEW 的数据采集模块.......................................................26
§3.5.2 基于 EMAIL 的报警模块...................................................................29
§3.6 访问数据库..................................................................................................31
§3.6.1 基于 LabVIEW 的数据库访问...........................................................31
§3.6.2 基于 LabVIEW 的数据库连接...........................................................33
§3.6.3 SQL 语言简介...................................................................................34
§3.6.4 系统数据库的建立...........................................................................35
§3.7 本章小结......................................................................................................36
第四章 故障诊断子系统的研究与设计 ................................................................... 37
§4.1 故障诊断方法概述......................................................................................37
§4.1.1 专家系统故障诊断方法概述............................................................37
§4.1.2 模糊理论故障诊断方法概述............................................................39
§4.1.3 故障树故障诊断方法概述................................................................41
§4.2 基于故障树的专家系统..............................................................................44
§4.2.1 故障树与专家系统的联系...............................................................45
§4.2.2 基于故障树的专家系统的系统结构...............................................45
§4.2.3 基于故障树的知识库的建立...........................................................46
§4.2.4 解释模块功能及其实现...................................................................49
§4.2.5 推理机实现.......................................................................................49
§4.3 本章小结......................................................................................................51
第五章 基于 Web 的远程监控子系统的研究与设计 .............................................. 53
§5.1 系统架构设计..............................................................................................53
§5.1.1 基于 MVC 模式的系统架构................................................................53
§5.1.2 Web 表现层-Struts Web Framework..............................................55
§5.1.3 商业逻辑层-Enterprise JavaBean................................................55
§5.1.4 持久层-Hibernate............................................................................55
§5.2 系统配置......................................................................................................56
III
§5.2.1 软硬件的配置...................................................................................56
§5.2.2 Tomcat 与 IIS 集成..........................................................................57
§5.3 系统模块设计..............................................................................................58
§5.3.1 设备信息管理模块............................................................................59
§5.3.2 设备维修管理模块............................................................................60
§5.3.3 设备故障诊断模块............................................................................63
§5.3.4 设备状态监控模块...........................................................................66
§5.3.5 系统管理模块...................................................................................67
§5.4 本章小结......................................................................................................69
第六章 远程监测及故障诊断系统实现 ................................................................... 71
§6.1 特征信号采集子系统的实现......................................................................71
§6.2 故障诊断子系统的实现..............................................................................73
§6.3 远程监控子系统的实现..............................................................................74
§6.4 本章小结......................................................................................................75
第七章 全文总结与展望 ........................................................................................... 77
在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ............................................. 79
参考文献 ..................................................................................................................... 80
致谢 ............................................................................................................................. 83
1
第一章 绪论
数控设备远程监控和故障诊断是计算机技术、通信技术和诊断技术相结合的
一种设备故障诊断方式。随着设备的大型化、自动化、高速化和复杂化，设备的
故障诊断变得十分复杂。而伴随现代通讯技术及计算机网络技术的发展进步，建
立数控机床远程监测与故障诊断系统变为可能。
§1.1 远程故障诊断技术概述
§1.1.1 远程故障诊断技术研究的背景和意义
现代工业发展的一个明显的趋势：机械设备日趋大型化、高速化、连续化和
自动化，许多设备综合了机械、电子、自动控制、计算机等许多先进技术，设备
中各部分关联变得越来越密切，设备组成与结构越来越复杂，这就使得设备故障
诊断难度增大，但同时为了避免因为设备故障停机给生产企业造成直接、间接的
损失，要确保在设备一旦出现故障，能对故障进行快速的诊断并排除故障，因此，
现代化的生产对设备的工作可靠性提出了更高的要求[1]。近年来，随着 Internet
技术，特别是 Web 技术的迅速发展，打破了传统通信方式的限制，使得信息交流
更加自由、快捷和方便，使得数控机床远程监控系统的实现成为可能[2]。
基于 Web 技术的远程故障诊断技术是以现代动力学、计算机技术、网络技术、
人工智能、模式识别、现代数字信号处理、数学、信号采集为中心的一门新兴学
科。具有如下优势[3]：
1. 远程故障诊断能实现对旋转机械等机床的远程监控和管理，为机床的安全
运运提供可靠的技术保障；
2. 远程故障诊断能实现用户、设备生产商、诊断专家克服了地域障碍，促进
了他们之间的技术合作，节约了人力物力，缩短了设备修复时间，降低了维修成
本，提高了服务质量，增强了产品的竞争力
3. 远程诊断可实现全国范围内的诊断知识与诊断数据共享，利用诊断网络有
利据积累和资源共享，从根本上提高系统的整体诊断能力和智能化水平；
4. 远程诊断能切实加强科研院所和生产企业的技术合作。
§1.1.2 传统故障诊断服务模式存在的问题
传统的故障诊断服务系统是作为一个孤立封闭的系统开发的，其主要的诊断
数控机床远程监控及其故障诊断关键技术研究
2
和维修服务方式有[4]：
1. 通过书面和口头描述方法对用户提供诊断维修帮助和指导，这对于一些简
单的故障诊断排除有一定作用。
2. 通过派出专业维修人员赶赴设备现场提供维修服务和指导，这是目前比较
常见的服务方式。
3. 在各用户设备所在地建立设备维修服务点，长期派驻维修服务人员，这种
方式能够满足快速响应的要求。
传统的故障诊断服务系统存在的问题主要有[5]：
1.故障诊断方式和手段受到地域的限制，对服务的及时性和服务成本及工作
效率方面有较大影响；
2.故障诊断知识、技术与信息不能共享；
3.当系统出现故障时，不能有效地利用领域专家的知识和经验，不能尽快利
用各方面技术力量解决问题。要实现故障诊断的敏捷性、高效率和低成本，就必
须克服地域限制，实现远程故障诊断
§1.1.3 故障诊断技术发展历程
在不同工业生产时期，生产设备的规模、结构和功能各不相同，与之相适应
的机床监测与故障诊断技术的发展主要经历了如下几个阶段[6]：
1. 人工离线监测与诊断方式
机床维护人员或工程技术人员利用常规监测仪表或分析仪器对机床进行诊
断，根据自己的经验对机床的状态以及运行趋势等做出判断。
2. 单机集中式在线监测与诊断系统
这种诊断技术是以一台计算机作为中心，并配备有信号分析处理、状态监测、
故障诊断模块。设备的所有监测情况(如传感器信息等等)都传送到这台计算机，
并由此分析诊断。这时，信息的交换与处理仅限于监测与诊断系统的内部，因而
是一种封闭式的诊断系统。
3. 分布式在线监测与故障诊断系统
随着企业规模的扩大，设备越来越复杂并分布在各地，各个单机监测与故障
诊断系统自成一体，管理很麻烦，为此，利用 Intranet 技术的 Client/Server 模
式，把各个单机监测与故障诊断系统个性化的部分保留不变作为企业局域网
Client，而把它们共有部分提取出来作为企业局域网 Server，Client 共享 Server
上的资源，避免了部分资源在单机监测与故障诊断系统的简单重复，进行统一管
理，也为各个单机监测与故障诊断系统的扩展提供了条件。
错误！未定义样式。
3
4. 远程监测和故障诊断系统
这类系统采用 Internet 和 Intranet 技术实施异地远程诊断，能充分利用远
程专家的技术支持和共享数据，大大地提高了诊断效率。远程诊断将是今后设备
诊断技术的发展趋势。对远程监测和远程故障诊断技术的研究具有重要的现实意
义。
§1.2 国内外相关研究现状及发展趋势
近 30 年来，设备故障诊断技术不断汲取现代化科学技术发展的新成果，从理
论到实际应用都有了迅速的发展，已成为集数学、物理、力学、化学、电子技术、
计算机技术、信号处理和人工智能等各种现代科学技术于一体的新兴交叉学科[9]。
基于网络的机床远程故障诊断技术，则是随着近些年的 Internet 的技术发展的一
种必然和需要。
§1.2.1 国内外相关研究现状
美国在这方面开发的最早，美国宇航局在 1967 年提出由海军研究室主持成立
了美国机械故障预防小组，开始有组织、有计划地对机械诊断技术进行专题研究，
某些研究成果己经成功地应用在航天、航空、军事等行业的机械设备运行监测中，
日本从 1971 年开始从事故障机理、诊断技术方面的研究，特别是在民用工业如钢
铁、化工、铁路等部门的应用发展很快[10]。韩国的 Pohang 理工大学于 1999 年建
立了基于 Internet 的网络虚拟制造系统，开发出异地设计、车间控制和异地监控
系统，以及服务于以上三个系统的通信介质。德国亚琛工业大学开展了切削过程
远程监控技术的研究，建立了演示监控系统。近十多年来，美国、欧盟等发达国
家已经在远程故障诊断的理论研究和应践上取得了很多成就。美国 NASA Ames 研
究中心采用远程 Agent 技术将远程检测与故障诊断应用在太空探索中。斯坦福大
学和麻省理工学院已合作了基于 Internet 的下一代远程诊断示范系统 Testbed。
该项目得到了 Boeing、Ford、Seagate、Intel、SUN、HP 等多家大公司的支持和
合作。Testbed 系统能对设备同时进行在线监测和诊断多种典型故障，并能与企业
的管理和控制系统通信，使企业不同部门能同时获取设备运行状态信息，也能对
不同地区不同的设备进行监测和诊断。美国的军事科技一向走在世界各国军事科
技的前面，并往往预示着民用科技未来的发展方向。第二次海湾战争中，美军启
动了“全球作战保障系统”（GCSS）。其主要特点是把信息作为保障力量构成的重
要因素，通过建立多层次的保障信息支持系统，将装备的研制生产、备件储备、
数控机床远程监控及其故障诊断关键技术研究
4
状态检测、测试诊断等信息融合为一体，提供准确、科学的信息支持和决策依据，
进而为实现直达保障提供了坚实的基础。
我国在机床故障诊断技术方面的研究则是从 70 年代末开始的，虽然起步较晚，
但发展速度很快。政府对基于网络的设计和制造也非常重视，国内许多大学及科
研机构在从事这方面的研究。哈尔滨工业大学航天学院采用基于智能 Agent 的分
布式故障诊断系统模型，研制出多诊断智能相互协作的远程诊断系统；同济大学
CIMS 研究中心在中德政府合作项目的支持下，开展了多媒体远程服务和远程工程
系统的研究，并在上海大众汽车有限公司建立了多媒体支持的远程故障维修系统
[11]；华中理工大学开发的“汽轮发电机组诊断专家系统”，已在扬子石化热电厂和
泰州电厂投入使用；西安交通大学轴承所建立了大型复杂机床网上远程诊断与处
理支持中心；清华大学也建立了大型电站装备远程在线监测与诊断网络系统。
§1.2.2 国内外研究发展趋势
国内外的研究现状显示，远程故障诊断技术的研究与实践尚处于起步阶段。
当前以及今后一段时间，多数学者的研究兴趣将着眼于以下几个方面：
1. 基于多智能体系的故障诊断全周期体系结构研究；
2. 自动测试系统（ATS）的发展将越来越多的把远程测试与状态监测列入功
能范围内[12]；
3. 不断改善故障诊断中的人工智能技术，改进智能算法，以获得最高的故障
定位速度和精度；
4. 随着网络技术的引入，故障诊断需要处理的数据呈指数增长，数据仓库和
数据挖掘技术在故障诊断中的应用将会越来越广泛；
5. 信息融合与群体决策技术将越来越多地应用于综合和改善故障诊断的诊
断结论[13]；
6. 保障复杂网络环境和软件环境下的关键数据安全通信技术，与此相关的诸
如虚拟专用网（VPN）技术，加、解密技术等；
§1.3 论文研究的背景和内容
§1.3.1 论文研究的背景
在当今信息时代，因特网的迅速发展及良好的应用前景，使之成为各种信息
的载体。基于因特网的远程协作作为 21 世纪的新型合作方式倍受学术界和工业界
重视，因特网的开放式硬件体系结构也得到人们的认同，成为各种系统开发的必
摘要：

摘要随着信息技术与智能故障诊断技术的不断发展，如何迅速、正确地进行故障诊断和排除相应故障，以避免因为设备故障造成的停机而带来巨大损失越来越受到现代企业的关注。远程监控技术以其独有的特点被工业领域所重视，因此本设计正是在此条件下，研究远程故障诊断系统的设计方法和实现技术，旨在为设备远程故障诊断提供一种新途径。论文主要研究内容包括：第一，重点以数控机床故障诊断为对象，对远程监测和故障诊断系统的功能需求进行了分析.提出了数控机床远程监控及其故障诊断系统的总体结构。经功能分析后将系统分为特征信号采集子系统、故障诊断子系统、远程监控子系统。第二，提出了基于故障树的故障诊断专家系统的结构，并探讨了各个组成...

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