機(jī)床健康診斷小型分體式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝潮，孫翔宇，盛一，左敦穩(wěn) ，陳山鵬

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京星合精密智能制造研究院有限公司，江蘇 南京 210016)

0 引言

我國(guó)作為制造大國(guó)，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中，機(jī)械加工技術(shù)正朝著高速、高精、復(fù)合的方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床的要求也越來(lái)越高；復(fù)合化使得機(jī)床結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)生產(chǎn)節(jié)奏也越來(lái)越快，一旦機(jī)床出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另一方面，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于制造設(shè)備的運(yùn)行可靠性和設(shè)備的維護(hù)管理提出了更高要求。因此，傳統(tǒng)的“事后”故障診斷模式已難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，具有“實(shí)時(shí)、預(yù)報(bào)”特點(diǎn)的健康診斷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)階段，在企業(yè)的生產(chǎn)加工車間，一般對(duì)機(jī)床均采用定期維護(hù)維修以及故障診斷等方式，不能滿足智能制造對(duì)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷的需求，急需設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)用的數(shù)控機(jī)床健康診斷系統(tǒng)。

1 健康診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀

機(jī)床健康診斷技術(shù)指采用傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)與數(shù)控機(jī)床內(nèi)置信息等參數(shù)獲取機(jī)床的總體狀態(tài)信息，借助各種智能算法與推理模型實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床健康程度進(jìn)行評(píng)估，并最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間的智能任務(wù)規(guī)劃及基于設(shè)備狀態(tài)的智能維護(hù)，以取代傳統(tǒng)的基于事件的事后維修或定期維修。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于設(shè)備診斷技術(shù)開(kāi)展了大量的研究。龍璽宇[1]采用振動(dòng)、溫度和聲發(fā)射傳感器，安裝在診斷部件上，選擇高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域、頻域和時(shí)頻域分析，提取敏感特征值并輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練來(lái)進(jìn)行模式識(shí)別，并設(shè)計(jì)了一套智能化數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)對(duì)機(jī)床故障進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。單東利[2]全面、系統(tǒng)地研究分析滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)特征以及故障機(jī)理，應(yīng)用小波包技術(shù)對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，綜合選取時(shí)、頻兩域部分適當(dāng)無(wú)量綱參數(shù)作為故障診斷特征參數(shù)，從而有效且全面地體現(xiàn)出故障特征，為故障的準(zhǔn)確診斷奠定基礎(chǔ)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以及強(qiáng)大的非線性能力，對(duì)軸承故障模式進(jìn)行識(shí)別。卓仁雄等[3]針對(duì)信號(hào)特征進(jìn)行優(yōu)化，采用改進(jìn)的基于添加自適應(yīng)白噪聲的完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(CEEMDAN)與支持向量機(jī)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的軸承故障診斷，并試驗(yàn)對(duì)比了總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)方式，證明其方法的診斷效果更好。劉茵[4]針對(duì)數(shù)控機(jī)床的不同部位采用不同診斷方法，伺服系統(tǒng)采用基于區(qū)間三角模糊多屬性灰色關(guān)聯(lián)決策方法，變速箱采用基于流形學(xué)習(xí)的故障特征提取方法，滾動(dòng)軸承采用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障分類方法，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床健康狀態(tài)診斷與故障辨識(shí)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。羅勇[5]針對(duì)立式加工中心和數(shù)控臥式車床兩種典型數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)了一種狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)小波閾值降噪和特征提取方法獲得機(jī)床關(guān)鍵部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而基于模糊灰色聚類和組合賦權(quán)法結(jié)合健康評(píng)估方法對(duì)機(jī)床整體狀態(tài)評(píng)估，最終達(dá)到預(yù)測(cè)性維護(hù)和降低機(jī)床故障率的目標(biāo)。DAN S[6]將主軸功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建了一套數(shù)控機(jī)床主軸狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得到了數(shù)控機(jī)床主軸的磨損監(jiān)測(cè)結(jié)果。KOBAYASHI Y等[7]提出了一種結(jié)合遺傳算法和禁忌搜索算法的混合遺傳算法搜索高通濾波器最優(yōu)截止頻率的方法，并以峰度比作為遺傳算法的適應(yīng)度，同時(shí)使用專用于軸承診斷的特征參數(shù)和模糊推理的隸屬函數(shù)依次準(zhǔn)確地識(shí)別軸承故障的類型。通過(guò)該方法可以將位于距診斷軸承較遠(yuǎn)位置的加速度計(jì)測(cè)量的信號(hào)用于簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的軸承故障自動(dòng)檢測(cè)。KHORRAM A等[8]將從加速度計(jì)中收集的原始數(shù)據(jù)用作新型時(shí)間序列預(yù)測(cè)算法的輸入，以提出端到端的故障檢測(cè)方法，之后使用等效的時(shí)間序列作為新型卷積長(zhǎng)期記憶遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)以最高的精度檢測(cè)軸承故障，通過(guò)將故障診斷方法應(yīng)用于兩個(gè)常用的基準(zhǔn)真實(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)集，并將結(jié)果與其他智能故障診斷方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

機(jī)械設(shè)備診斷的先決條件是利用傳感和測(cè)量技術(shù)準(zhǔn)確獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在已有的診斷研究中，在信號(hào)采集方面大部分采用的是數(shù)據(jù)采集卡的模式，采集流程如圖1所示。該模式一般需要傳感器采集信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理裝置后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡中。數(shù)據(jù)采集卡需要上位機(jī)配合使用，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)端，進(jìn)行信號(hào)的存儲(chǔ)和下一步處理。在這種模式下，信號(hào)在各個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)線纜傳輸，現(xiàn)場(chǎng)布線不便，且存在安全隱患。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于每臺(tái)數(shù)控機(jī)床都需要配置一套重量級(jí)的設(shè)備，不易遷移監(jiān)測(cè)，便攜性有所不足。為解決現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，本研究提出了機(jī)床健康診斷小型分體式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

圖1 數(shù)據(jù)卡采集模式采集流程

該系統(tǒng)包含兩個(gè)模塊，即信號(hào)發(fā)射器以及信號(hào)接收處理器。兩個(gè)模塊通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，完成傳感器信號(hào)的采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)以及分析功能。整個(gè)分體式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2 信號(hào)發(fā)射器設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)射器的工作原理：發(fā)射器與傳感器放置于數(shù)控機(jī)床的部件上，接收傳感器的原始信號(hào)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行初步處理，然后使用芯片自帶的AD轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將最后的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)出。信號(hào)發(fā)射器在整個(gè)工作過(guò)程中，需要完成對(duì)傳感器的電流激勵(lì)、信號(hào)的采集處理以及發(fā)送的全部任務(wù)。

2.1 發(fā)射器硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自身的功能，信號(hào)發(fā)射器以STM32F103C8T6芯片為核心，其他硬件設(shè)計(jì)主要包括如下幾個(gè)模塊。

1)恒流源模塊

本次的裝置設(shè)計(jì)中，對(duì)于振動(dòng)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。振動(dòng)傳感器選用ICP型的壓電型加速度傳感器，在使用時(shí)需要18 V以上2～10 mA的恒流源供電。因此設(shè)計(jì)了5 V轉(zhuǎn)24 V電壓轉(zhuǎn)換模塊和恒流源模塊為其供電。傳感器通過(guò)M5公轉(zhuǎn)SMA公射頻轉(zhuǎn)換線接入傳感器接入模塊的SMA母頭。

2)信號(hào)調(diào)理模塊

過(guò)了一會(huì)兒，雪螢站起來(lái)，繼續(xù)趕路，一杭也站起來(lái)，跟在她后面。走著走著，雪螢又故意掉到后面去了。一時(shí)兩人都找不到話說(shuō)，只顧趕路。

傳感器輸出的電壓信號(hào)微弱，需進(jìn)行放大，以滿足AD轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求。調(diào)理模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)可切換的放大倍數(shù)電路，放大倍數(shù)通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)硬件進(jìn)行切換，且設(shè)計(jì)了一個(gè)RC低通濾波器來(lái)過(guò)濾信號(hào)，提高信號(hào)的信噪比。

3)藍(lán)牙傳輸模塊

信號(hào)經(jīng)過(guò)初步處理，芯片自帶的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)藍(lán)牙模塊向外傳輸，藍(lán)牙模塊選用TI公司的CC2541作為主控芯片設(shè)計(jì)，藍(lán)牙傳輸模塊與STM32之間通過(guò)串口通信。信號(hào)發(fā)射器的藍(lán)牙通過(guò)AT指令配置成從模式。主板上設(shè)計(jì)電路接入藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊連接原理如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙模塊連接原理圖

4)TF卡存儲(chǔ)模塊

信號(hào)發(fā)射器通過(guò)硬件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)按鍵功能切換模式。一種模式為采集完數(shù)據(jù)后通過(guò)藍(lán)牙傳輸出去，另一種模式則為采集完數(shù)據(jù)后存入插入的TF卡中。存儲(chǔ)模塊基于FatFs文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，通過(guò)SPI總線與主芯片通信，可完成數(shù)據(jù)的任何格式寫入。TF卡連接原理如圖4所示。

圖4 TF卡連接原理圖

2.2 發(fā)射器軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)射器具備發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)可選擇將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外插的TF卡中，集合了數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)上電后，進(jìn)行一系列初始化工作，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置，LED、按鍵端口初始化，ADC初始化，串口UART初始化等，其中串口初始化函數(shù)包含對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行默認(rèn)設(shè)置為從模式，為后續(xù)藍(lán)牙的連接建立基礎(chǔ)。初始化工作完成后，在主要功能的函數(shù)體中，進(jìn)行按鍵的檢測(cè)，檢測(cè)到按鍵按下，則啟動(dòng)存儲(chǔ)功能，否則信號(hào)發(fā)射器只具備發(fā)送數(shù)據(jù)功能，不進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。主函數(shù)中通過(guò)while循環(huán)體循環(huán)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、傳輸。信號(hào)發(fā)射器的軟件流程如圖5所示。

圖5 信號(hào)發(fā)射器軟件流程圖

3 信號(hào)接收與處理器的設(shè)計(jì)

信號(hào)接收處理器設(shè)計(jì)為手持式的接收儀器，接收發(fā)射器的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)軟件功能實(shí)現(xiàn)FFT功能，對(duì)于信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6為核心，其他方面主要包括如下幾個(gè)硬件模塊。

1)藍(lán)牙傳輸模塊

接收與處理儀器的藍(lán)牙模塊與信號(hào)發(fā)射器的藍(lán)牙模塊配對(duì)，接收端設(shè)置為主模式。診斷儀開(kāi)機(jī)后會(huì)自動(dòng)去尋找從藍(lán)牙設(shè)備即發(fā)射器，并自動(dòng)連接。連接完成后，兩者間建立通信，信號(hào)發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)，診斷儀接收數(shù)據(jù)。

2)顯示模塊

選用集成4.3″電容觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)顯示功能，同時(shí)提供人機(jī)交互的功能。觸摸屏外接模塊屬于集成模塊，與主芯片通過(guò)串口連接，連接原理如圖6所示。+5 V為觸摸屏供電，串口2和串口4用來(lái)通信，完成信息傳輸至觸摸屏顯示。

圖6 觸摸顯示模塊連接圖

3)TF卡存儲(chǔ)模塊

為了保存采集數(shù)據(jù)，便于后續(xù)做進(jìn)一步的分析，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。診斷儀接收到信號(hào)后，通過(guò)人機(jī)交互功能選擇記錄數(shù)據(jù)到TF卡中，點(diǎn)擊記錄按鍵，采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)以CSV格式存儲(chǔ)在TF卡中。TF卡移植了FatFs文件系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)讀寫。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)接收與處理器具備接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的功能，且提供了顯示和觸控功能進(jìn)行操作。系統(tǒng)上電后，進(jìn)行一系列初始化工作，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置，LED、按鍵端口初始化，串口UART初始化等。其中串口初始化函數(shù)包含對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行設(shè)置為主模式，為搜索從設(shè)備進(jìn)行連接，初始化工作完成后，先對(duì)從設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步，對(duì)屏幕顯示內(nèi)容進(jìn)行初始化，接著接收信號(hào)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)觸摸動(dòng)作，對(duì)于相應(yīng)觸碰，執(zhí)行相應(yīng)操作。軟件流程如圖7所示。

圖7 信號(hào)接收與處理器軟件流程圖

4 初步通信試驗(yàn)

分體式系統(tǒng)的實(shí)際裝置如圖8所示。為了驗(yàn)證整體裝置在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，利用信號(hào)發(fā)射器發(fā)射內(nèi)置的一段數(shù)據(jù)在實(shí)際加工車間進(jìn)行通信試驗(yàn)，驗(yàn)證整個(gè)裝置藍(lán)牙傳輸?shù)目煽啃砸约敖邮芴幚砥鞫藢?duì)于數(shù)據(jù)的處理能力。

圖8 系統(tǒng)裝置實(shí)物圖

內(nèi)置在信號(hào)發(fā)射器的數(shù)據(jù)由3個(gè)正弦信號(hào)組成，分別為頻率2 kHz幅度128、頻率10.5 kHz幅度192、頻率19 kHz幅度255。i取0～255共256個(gè)數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)表達(dá)式如下：

X=128sin(2π×2 000i)+192sin(2π×10 500i)+

255sin(2π×19 000i)

實(shí)際測(cè)試時(shí)，診斷儀端的FFT實(shí)時(shí)界面顯示如圖9所示。圖中頻域曲線分別在相應(yīng)頻率出現(xiàn)較高幅度，且實(shí)際的信號(hào)顯示值基本上與原信號(hào)相同，可知整套裝置具備較好的信號(hào)采集能力以及頻域分析能力。

圖9 信號(hào)采集實(shí)時(shí)頻譜圖

5 實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)

裝置的數(shù)據(jù)傳輸以及信號(hào)接收處理器的數(shù)據(jù)處理能力已在上步試驗(yàn)中驗(yàn)證，針對(duì)本次裝置實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景為機(jī)床部件的振動(dòng)信號(hào)采集與處理，故設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)。傳感器以及信號(hào)發(fā)射器布置在主軸箱上，布置如圖10所示。

圖10 傳感器與信號(hào)發(fā)射器布置圖

信號(hào)接收與處理器接收到信號(hào)數(shù)據(jù)后以CSV格式文件存儲(chǔ)至TF卡中，在PC機(jī)上使用matlab對(duì)于信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖11所示。本次試驗(yàn)驗(yàn)證了整個(gè)裝置對(duì)于部件振動(dòng)信號(hào)的采集能力。

圖11 采集信號(hào)處理后的時(shí)頻圖

兩次試驗(yàn)驗(yàn)證了本裝置對(duì)于實(shí)際加工時(shí)部件信號(hào)的采集傳輸能力以及信號(hào)接收處理器端對(duì)于數(shù)據(jù)的處理能力。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了機(jī)床健康診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)目前存在的主流診斷方式的不足，提出采用無(wú)線傳輸方式進(jìn)行信號(hào)的獲取以及在信號(hào)接受端即診斷儀側(cè)進(jìn)行初步的診斷，同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至TF卡，可在PC端進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和健康診斷。本文采用的方式較數(shù)據(jù)采集卡模式現(xiàn)場(chǎng)布置更方便、安全性更高、成本更小，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

后續(xù)工作會(huì)對(duì)實(shí)際加工時(shí)機(jī)床狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行采集與分析，根據(jù)分析結(jié)果，在信號(hào)接收處理儀器上設(shè)計(jì)合適的診斷算法，對(duì)診斷功能進(jìn)行完善。