基于物联网的数控机床实时监测预警技术的研究

发布时间：2017-05-18 22:09

  本文关键词：基于物联网的数控机床实时监测预警技术的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着机械制造业的快速发展,数控系统变得越来越复杂,相应的价格成本也变的越来越高。这些价格高昂的数控机床一旦发生故障,将给数控加工企业带来巨大的经济损失;同时机床生产厂商也需要对售出的数控机床进行远程监测以向客户提供更为全面的售后服务,因此数控机床的状态监测与故障诊断一直受到机床生产厂商和数控加工企业的高度重视。为了满足数控机床的设备健康管理需求,本文对数控机床实时监测预警技术开展了深入的研究并建立了一种基于物联网的数控机床实时监测预警系统。论文的主要研究内容包括以下几方面:1.多通道En Dat2.2接口的研究。为了获得机床旋转轴的绝对位置值以及故障信息,开展了支持En Dat2.2协议的多通道双向数字接口技术的研究。利用片上可编程技术(So PC)构建了多通道En Dat2.2接口的软硬件系统,通过分析En Dat2.2协议转换IP软核的读写时间约束与Avalon总线从端口的读写过程规范,设计出基于Avalon总线的En Dat2.2端口逻辑,并在此基础上完成了So PC系统的软件驱动设计。2.机床无线传感器网络的研究。针对无线通信技术在数控机床实时监测预警系统中的应用,开展了机床无线传感器网络的研究。根据机床监测的具体需求,对机床无线传感网中使用的射频芯片进行了选型,并设计了采集节点与汇聚节点的硬件结构。提出了一种基于握手通信和绝对生存时间的机床无线自组织网络协议,设计了协议的数据包格式并在此基础上分别实现了采集节点和汇聚节点的网络协议。通过使用机床无线自组网协议,机床无线传感网可以将网络范围内活跃的采集节点并入网络,并删除一段时间内未响应的已入网节点。3.机床物联网多线程通信机制的研究。为了解决传统多线程通信机制在机床物联网中出现的问题,开展了物联网环境中线程间同步与通信机制的研究。通过对几种常用线程间同步工具的比较,选择邮箱作为机床物联网中解决线程间通信问题的实现方式。针对传统邮箱调度算法无法优先处理紧急邮件以及在邮箱已满时无法替换实时性较低的普通邮件等问题,分别提出了基于紧急邮件的调度算法以及基于普通邮件的LRU调度算法。对比实验表明,通过上述两种算法的配合使用可以满足数控机床实时监测预警系统的实时性要求。4.基于线性回归的温度特征提取算法。针对渐变性故障和突发性故障引起的机床设备温度变化建立了相应的线性回归模型,并在此基础上提出了基于渐变性故障的线性特征提取算法以及基于突发性故障的线性特征提取算法,实现了下一时刻温度值的最小二乘估计。仿真实验表明,基于线性回归的温度特征提取算法不仅能够对渐变性故障和突发性故障进行在线监测和故障预警,还可以有效消除“毛刺”现象对于温度特征提取结果的干扰。5.基于小波包分解的振动特征提取算法。针对小波变换理论进行了相关研究,提出了基于小波包分解的振动特征提取算法。通过小波包分解算法将振动信号在频域上的信息分解到小波包分解树同一层的各个子频带上,并对子频带对应的系数序列进行了能量统计以得到某一时间窗口内振动信号的能量特征向量。由于机床旋转机械在同类故障发生时振动能量分布的相似性较大,而在不同故障发生时振动能量分布的差异性较大,因此可以通过计算能量特征向量之间的相似程度对机床旋转机械的故障类型进行在线诊断。
【关键词】：物联网 EnDat2.2 接口 邮箱调度算法 特征提取算法
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659;TP391.44;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRAC T7-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 论文的背景及意义15-16
• 1.2 国内外研究现状分析16-25
• 1.2.1 两化融合与智能制造16-18
• 1.2.2 编码器数字接.技术研究现状18-19
• 1.2.3 物联网技术发展现状19-23
• 1.2.4 故障预测和健康管理技术研究现状23-25
• 1.3 数控机床实时监测预警系统的总体结构设计25-27
• 1.4 本文研究内容27-29
• 第二章 多通道EnDat2.2 接.的设计与实现29-41
• 2.1 编码器的选型与连接30
• 2.2 SoPC系统的构建30-38
• 2.2.1 EnDat2.2 协议转换IP核31-32
• 2.2.2 基于Avalon总线的EnDat2.2 端.逻辑32-37
• 2.2.3 双. RAM模块及其端.逻辑设计37
• 2.2.4 SoPC系统的软件驱动设计37-38
• 2.3 EnDat2.2 接.的功能测试38-40
• 2.3.1 EnDat2.2 接.的硬件电路设计38-39
• 2.3.2 功能测试实例39-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 机床无线传感器网络的设计与实现41-61
• 3.1 无线射频芯片的选择41-44
• 3.2 机床无线传感网的硬件设计44-48
• 3.2.1 采集节点的硬件设计44-46
• 3.2.2 汇聚节点的硬件设计46-48
• 3.3 机床无线自组织网络协议设计48-60
• 3.3.1 协议的设计目标与基本原理48-49
• 3.3.2 协议的数据包格式设计49-52
• 3.3.3 采集节点的网络协议设计52-54
• 3.3.4 汇聚节点的网络协议设计54-57
• 3.3.5 组网过程实例57-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第四章 机床物联网多线程通信机制的研究61-83
• 4.1 RT-Thread操作系统介绍61-63
• 4.2 基于RT-Thread操作系统的多线程设计63-70
• 4.3 邮箱调度算法的需求分析70-73
• 4.3.1 物联网环境下的线程间同步与通信70-72
• 4.3.2 邮箱通信机制在机床物联网中的应用72-73
• 4.4 基于机床物联网的邮箱调度算法设计73-79
• 4.4.1 邮箱控制块的设计73-75
• 4.4.2 基于紧急邮件的调度算法75-77
• 4.4.3 基于普通邮件的LRU调度算法77-79
• 4.5 邮箱调度算法的实现与验证79-82
• 4.6 本章小结82-83
• 第五章 机床监测预警信息的特征提取算法83-103
• 5.1 温度特征提取算法的研究83-94
• 5.1.1 温度特征提取的需求分析83-85
• 5.1.2 基于渐变性故障的线性特征提取算法85-88
• 5.1.3 基于突发性故障的线性特征提取算法88-91
• 5.1.4 基于最小二乘的温度估计算法91-94
• 5.2 振动特征提取算法的研究94-101
• 5.2.1 振动特征提取的需求分析94-97
• 5.2.2 基于小波包分解的能量特征提取算法97-98
• 5.2.3 算法验证98-101
• 5.3 本章小结101-103
• 结束语103-105
• 参考文献105-111
• 发表的学术论文及科研成果111-114
• 致谢114

  本文关键词：基于物联网的数控机床实时监测预警技术的研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：377232