面向五轴工具磨削中心的健康预警和故障诊断关键技术研究
发布时间：2021-11-23 03:16
国产五轴工具磨削中心作为高端机床已经广泛应用于刀具生产等行业,但是相比较国外同类型设备存在可靠性低、维护成本高的问题,因此研究五轴工具磨削中心数据采集、状态监测及健康预警与故障诊断技术,有助于提高国产五轴工具磨削中心的设备利用率和智能化程度,降低设备维护损耗,增强国产五轴工具磨削中心的国际竞争力。研究五轴工具磨削中心数据采集技术。本文以国产五轴工具磨削中心为研究对象,根据历史故障数据并结合设备的结构特点,总结常见故障现象和故障种类,分析主要故障原因,从而确定关键监测参数。进一步基于数控系统数据传输协议,安装外置振动传感器,制定设备运行状态数据采集方案,编写数据采集程序,并开展验证实验,成功采集了设备加工状态数据,验证了方案可行性。建立基于B/S架构的五轴工具磨削中心状态监测系统。基于react框架设计状态监测网页端界面,实现用户登录验证及权限管理和机床信息管理及加工状态实时显示等功能。进一步开展设备状态监测系统的数据存储技术研究,基于数据库需求分析,运用针对时序数据优化的TimescaleDB搭建数据库,进行数据存储和查询测试,结果证明相比PostgreSQL平均缩短了31.3%的查询...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
所示，五轴工具磨削中心主要由机床本体、数控系统、PLC系统、伺服驱动系统及辅助系统组成
硕士学位论文面向五轴工具磨削中心的健康预警和故障诊断关键技术研究9机和各进给轴电机处分别装有编码器和圆光栅，直线轴导轨端装有高精度光栅尺。PLC系统将控制各类辅助系统，主要包括控制电磁阀给各轴提供冷却液和润滑的液压单元、控制气动机构运动的气压单元和控制上下料的上下料单元。PLC系统GNC61数控系统液压单元上下料单元进给单元砂轮电主轴单元伺服驱动单元检测反馈单元输入装置：键盘、鼠标辅助单元输出装置：HMI显示器机床本体气压单元图2.2五轴工具磨削中心组成结构2.2五轴工具磨削中心常见故障分析图2.3五轴工具磨削中心故障情况数统计五轴工具磨削中心故障具有范围广和故障种类多的特点。根据五轴工具磨削中心结构，主要可以分为数控系统故障、机械系统故障和辅助系统故障等。数控系统故障包括：控制软件参数设置错误、加工软件逻辑错误等。机械系统故障是五轴工具磨削中心的主要故障源，根据部件具体位置可以分为主轴部件故障、进给轴部件故障等。其故障形式包括电机故障、轴承故障、联轴器故障和内置传感器故障等。辅助系统故障包括：液压系统故障、气动系统故障、油雾分离器故障和电源转换系统故障等。如图2.3所示，该型号五轴工具磨削中心较为常见的故障组件为砂轮电主轴组件、进给轴组件和上下料机械手组件，分别占27%，33%和30%，因此将对砂轮电主轴组件、进给轴组件和上下料机械手组件故障进行详细研究。
2五轴工具磨削中心运行状态数据采集技术研究硕士学位论文102.2.1砂轮电主轴组件故障分析图2.4砂轮电主轴组件示意图如图2.4所示为砂轮电主轴组件，主轴电机需要带动砂轮高速转动，需要具有高转速、高精度和高稳定性，因此将使用高速同步电机。高速同步电机具有体积小，扭矩大，稳定性高的优点，使用电机直接驱动避免传动装置带来传动误差，提升系统精度和可靠性。主轴组件上端和C轴相连，可以绕C轴转动±100°。根据分析工厂记录的设备故障数据，砂轮电主轴组件的主要故障现象包括：（1）加工过程中主轴异响，有烧焦味；（2）手动转动砂轮时松紧不均匀；（3）砂轮磨损快，更换周期短；（4）加工时间延长，加工工件尺寸不稳定，表面有振纹；而导致砂轮电主轴组件故障的故障原因有：（1）主轴电机损坏；（2）主轴驱动器的细分器损坏;（3）切削液进入轴承导致轴承损坏；（4）主轴驱动器参数设置错误；其中，主轴轴承损坏是砂轮电主轴组件的主要故障形式。在加工过程中，主轴高速转动，导致切削液被飞溅到主轴轴承外侧，而主轴轴承的密封防护通过润滑脂实现，润滑脂在运行过程中产生损耗并没有及时填充，则用于主轴轴承的密封防护就会失效，切削液就可能会进入主轴轴承。五轴工具磨削中心使用的切削液具有一定的腐蚀性，在切削液长期作用下，轴承内外圈和滚珠的作用面会产生点蚀，因此主轴转动过程中会出现负载率和随动误差等数据周期性增加、发出异响、手动转动时松紧不均匀和加工工件尺寸不稳定等现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于4G网络的融雪剂自动配比系统的设计[J]. 刘艳玲,孙建武. 自动化技术与应用. 2017(06)
[2]基于遗传神经网络的数控机床故障预测[J]. 李雪,王鹤,邵秋萍,熊建桥,朱晓翠. 现代制造技术与装备. 2016(10)
[3]基于温度积分方法的大型数控机床光栅定位热误差建模及实时补偿[J]. 冯文龙,黄奕乔,拓占宇,李慧敏,杨建国. 上海交通大学学报. 2016(05)
[4]基于OPC技术实现西门子数控系统的数据采集[J]. 王帅,胡毅,何平,安涛,张腾飞,郭安. 组合机床与自动化加工技术. 2016(04)
[5]国产数控系统DNC网络接口解决方案及实现[J]. 房志亮,刘本刚,方柏鑫,胡毅. 制造技术与机床. 2015(08)
[6]基于噪声分析的温度传感器故障诊断技术研究[J]. 刘元锋,徐皑冬,刘明哲,王锴,刘秦宁. 制造业自动化. 2014(23)
[7]数控微磨床热误差的补偿方法[J]. 舒启林,吕玉山,李玉龙. 机床与液压. 2013(15)
[8]MSComm和CSerialPort类在多串口数据采集系统中的应用[J]. 赵丁选,马建辉,龚捷. 新型工业化. 2012(06)
[9]基于Bayes推理的导弹作战目标识别[J]. 孙一杰,世文学,曾静. 兵工自动化. 2010(11)
[10]浅谈柔性制造系统的DNC接口与通信[J]. 刘红军. 现代制造技术与装备. 2010(05)
博士论文
[1]面向人机协同诊断的数控机床故障知识演化技术研究[D]. 胡林桥.重庆大学 2015
[2]基于信息融合的柴油机故障诊断方法研究[D]. 刘罡.大连海事大学 2015
硕士论文
[1]基于过程数据分析的数控机床状态预测及故障预警研究[D]. 张心羽.电子科技大学 2017
[2]内燃机工作状态监测及故障诊断实验研究与系统开发[D]. 苏杰.西南交通大学 2017
[3]基于指令域的数控机床健康状态监测[D]. 周振.华中科技大学 2016
[4]基于解析模型的液压调平系统的故障诊断[D]. 白慧芳.中北大学 2015
[5]基于HIO-1000总线模块的数控机床高频传感器数据采集装置[D]. 陈浩.华中科技大学 2015
[6]基于OPC的数控加工单元数据采集技术研究[D]. 赵旭东.电子科技大学 2015
[7]数控机床主轴健康状况评价方法研究[D]. 施阳.华中科技大学 2015
[8]基于解析模型的输电网故障诊断技术的研究[D]. 史佳琪.东北大学 2014
[9]汽车冲压车间故障知识树构建方法及评价研究[D]. 左宁娟.大连理工大学 2013
[10]基于PDA的数控机床预知维护系统研究[D]. 董亮.东北大学 2012
本文编号：3513010
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
所示，五轴工具磨削中心主要由机床本体、数控系统、PLC系统、伺服驱动系统及辅助系统组成
硕士学位论文面向五轴工具磨削中心的健康预警和故障诊断关键技术研究9机和各进给轴电机处分别装有编码器和圆光栅，直线轴导轨端装有高精度光栅尺。PLC系统将控制各类辅助系统，主要包括控制电磁阀给各轴提供冷却液和润滑的液压单元、控制气动机构运动的气压单元和控制上下料的上下料单元。PLC系统GNC61数控系统液压单元上下料单元进给单元砂轮电主轴单元伺服驱动单元检测反馈单元输入装置：键盘、鼠标辅助单元输出装置：HMI显示器机床本体气压单元图2.2五轴工具磨削中心组成结构2.2五轴工具磨削中心常见故障分析图2.3五轴工具磨削中心故障情况数统计五轴工具磨削中心故障具有范围广和故障种类多的特点。根据五轴工具磨削中心结构，主要可以分为数控系统故障、机械系统故障和辅助系统故障等。数控系统故障包括：控制软件参数设置错误、加工软件逻辑错误等。机械系统故障是五轴工具磨削中心的主要故障源，根据部件具体位置可以分为主轴部件故障、进给轴部件故障等。其故障形式包括电机故障、轴承故障、联轴器故障和内置传感器故障等。辅助系统故障包括：液压系统故障、气动系统故障、油雾分离器故障和电源转换系统故障等。如图2.3所示，该型号五轴工具磨削中心较为常见的故障组件为砂轮电主轴组件、进给轴组件和上下料机械手组件，分别占27%，33%和30%，因此将对砂轮电主轴组件、进给轴组件和上下料机械手组件故障进行详细研究。
2五轴工具磨削中心运行状态数据采集技术研究硕士学位论文102.2.1砂轮电主轴组件故障分析图2.4砂轮电主轴组件示意图如图2.4所示为砂轮电主轴组件，主轴电机需要带动砂轮高速转动，需要具有高转速、高精度和高稳定性，因此将使用高速同步电机。高速同步电机具有体积小，扭矩大，稳定性高的优点，使用电机直接驱动避免传动装置带来传动误差，提升系统精度和可靠性。主轴组件上端和C轴相连，可以绕C轴转动±100°。根据分析工厂记录的设备故障数据，砂轮电主轴组件的主要故障现象包括：（1）加工过程中主轴异响，有烧焦味；（2）手动转动砂轮时松紧不均匀；（3）砂轮磨损快，更换周期短；（4）加工时间延长，加工工件尺寸不稳定，表面有振纹；而导致砂轮电主轴组件故障的故障原因有：（1）主轴电机损坏；（2）主轴驱动器的细分器损坏;（3）切削液进入轴承导致轴承损坏；（4）主轴驱动器参数设置错误；其中，主轴轴承损坏是砂轮电主轴组件的主要故障形式。在加工过程中，主轴高速转动，导致切削液被飞溅到主轴轴承外侧，而主轴轴承的密封防护通过润滑脂实现，润滑脂在运行过程中产生损耗并没有及时填充，则用于主轴轴承的密封防护就会失效，切削液就可能会进入主轴轴承。五轴工具磨削中心使用的切削液具有一定的腐蚀性，在切削液长期作用下，轴承内外圈和滚珠的作用面会产生点蚀，因此主轴转动过程中会出现负载率和随动误差等数据周期性增加、发出异响、手动转动时松紧不均匀和加工工件尺寸不稳定等现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于4G网络的融雪剂自动配比系统的设计[J]. 刘艳玲,孙建武. 自动化技术与应用. 2017(06)
[2]基于遗传神经网络的数控机床故障预测[J]. 李雪,王鹤,邵秋萍,熊建桥,朱晓翠. 现代制造技术与装备. 2016(10)
[3]基于温度积分方法的大型数控机床光栅定位热误差建模及实时补偿[J]. 冯文龙,黄奕乔,拓占宇,李慧敏,杨建国. 上海交通大学学报. 2016(05)
[4]基于OPC技术实现西门子数控系统的数据采集[J]. 王帅,胡毅,何平,安涛,张腾飞,郭安. 组合机床与自动化加工技术. 2016(04)
[5]国产数控系统DNC网络接口解决方案及实现[J]. 房志亮,刘本刚,方柏鑫,胡毅. 制造技术与机床. 2015(08)
[6]基于噪声分析的温度传感器故障诊断技术研究[J]. 刘元锋,徐皑冬,刘明哲,王锴,刘秦宁. 制造业自动化. 2014(23)
[7]数控微磨床热误差的补偿方法[J]. 舒启林,吕玉山,李玉龙. 机床与液压. 2013(15)
[8]MSComm和CSerialPort类在多串口数据采集系统中的应用[J]. 赵丁选,马建辉,龚捷. 新型工业化. 2012(06)
[9]基于Bayes推理的导弹作战目标识别[J]. 孙一杰,世文学,曾静. 兵工自动化. 2010(11)
[10]浅谈柔性制造系统的DNC接口与通信[J]. 刘红军. 现代制造技术与装备. 2010(05)
博士论文
[1]面向人机协同诊断的数控机床故障知识演化技术研究[D]. 胡林桥.重庆大学 2015
[2]基于信息融合的柴油机故障诊断方法研究[D]. 刘罡.大连海事大学 2015
硕士论文
[1]基于过程数据分析的数控机床状态预测及故障预警研究[D]. 张心羽.电子科技大学 2017
[2]内燃机工作状态监测及故障诊断实验研究与系统开发[D]. 苏杰.西南交通大学 2017
[3]基于指令域的数控机床健康状态监测[D]. 周振.华中科技大学 2016
[4]基于解析模型的液压调平系统的故障诊断[D]. 白慧芳.中北大学 2015
[5]基于HIO-1000总线模块的数控机床高频传感器数据采集装置[D]. 陈浩.华中科技大学 2015
[6]基于OPC的数控加工单元数据采集技术研究[D]. 赵旭东.电子科技大学 2015
[7]数控机床主轴健康状况评价方法研究[D]. 施阳.华中科技大学 2015
[8]基于解析模型的输电网故障诊断技术的研究[D]. 史佳琪.东北大学 2014
[9]汽车冲压车间故障知识树构建方法及评价研究[D]. 左宁娟.大连理工大学 2013
[10]基于PDA的数控机床预知维护系统研究[D]. 董亮.东北大学 2012
本文编号：3513010
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