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
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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