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1、现代机械制造系统的监控与故障诊断周祖德,陈幼平等。武汉:华中理工大学出版社,1999，6前言以电子技术、信息技术、自动化技术、人工智能技术和新材料技术为核心的新一代工程科技的迅猛发展,给人类描绘了一幅未来信息社会的壮丽图景。这些新技术在制造领域的广泛渗透、应用与衍生,正在使制造业的面貌发生翻天覆地的变化。微电子技术、控制技术、传感技术、智能诊断技术与机电一体化技术的迅速发展,特别是计算机的广泛应用，形成了机械制造系统的许多新观念。由系统论、信息论和控制论所形成的系统科学与方法论对机械制造系统产生愈来愈大的影响,由此产生了现代机械制造系统的概念。现代机械制造系统具有控制规模大、自动化程度高和柔性
2、化强的特点。由于制造系统的结构越来越复杂,价格越来越昂贵，因此，各种故障造成的停机损失已成为一种不堪忍受的负担。为此,要求严密监视加工工况和正确预报故障以便及时准备备件和制定合理的维修计划,最大限度地减少停机维修时间,提高昂贵设备的利用率，同时在设备发生故障或异常后能及时准确地进行诊断，确定故障部位及原因,并提供维护决策与建议，以便采取有效的措施,迅速排除故障。由于上述原因,现代机械制造系统的监控与诊断技术得以迅速发展。机械制造过程的监控与故障诊断的目的是对机械制造过程中产生的各种信息进行获取、传输、处理、分析和应用，其技术包括对各种物理量如声、光、电、力、力矩、振动、功率等等用先进的传感器接
3、收，进行信息传输和处理,并根据分析处理结论来对生产设备的工况及产品进行监测,同时采用人工智能技术对其发展趋势进行预测并对其所发生的故障进行诊断和报警。第一章绪论为确保设备的正常运行及加工产品的质量，必须对设备的运行过程的状态进行监控。通过监测到一系列机、电、液、气等状态变量来分析和判断设备的状态及故障或异常情况，进而找出故障的具体位置,预测故障的发展和潜在的危险,以及加工质量的变化趋势,并由此确定应采取的相应措施和对策。柔性制造系统柔性制造系统(F)是为适应中小批量生产的自动化而发展起来的。MS通常由CNC(计算机数控)加工中心机床、运输存储系统、中央控制计算机系统三大部分组成，其主要特点是“
4、柔性”，即制造系统完成不同加工任务的能力。柔性评价了系统为加工多种工件可被重新调整的能力,也平价为完成这些加工生产任务，重新布置和调整系统所花的费用。根据系统规模的尺寸、柔性程度的不同，柔性制造系统可分为柔性制造单元（FMC)、柔性制造系统(FMS）、柔性自动线(FM)三种基本型式。面向环境设计（DesinFoEnvironment)绿色设计(GreDsign）13故障诊断技术的分类由于现代机械制造系统各种设备运行的状态千差万别，且其服役的条件和环境又各不相同，因此故障诊断技术的分类方法自然就很多。目前，主要按诊断目的、诊断对象和被诊断参数三种方式进行分类。1.3.1根据诊断目的分类：一般说来
5、,根据诊断目的，可以划分为如下五种类型,即：定期诊断：顾名思义，就是每隔一定时间,对正在服役的系统或设备进行一次常规的检查和诊断。连续诊断，采用测试仪器仪表和计算机信号处理系统对一个系统或设备的运行状态进行连续的监视和检测。这两种方法的选用与被诊断对象的重要程度、故障影响的严重程度、运行中系统或设备的性能下降的快慢程度以及故障发生或发展的可预测性等因素有关。显而易见,一个系统或设备如果十分重要,一旦发生故障可能造成严重影响,且其故障的发生或发展又很难预测,无疑就需要采用连续监控诊断。直接诊断是直接根据关键零部件的状态信息来确定加工系统或设备所处的状态，例如轴承的间隙，刀具的磨损，轴或叶片的裂纹
6、等。直接诊断具有迅速可靠的特点,但有时因受到机械结构或工作条件的限制而无法实现。间接诊断是通过加工系统或设备运行中的二次信息来间接判断关键水泥或关键零部件的状态变化和故障情况，例如通过润滑油的油温来反映主轴承的运行状态。功能诊断是指加工系统和设备的功能是否正常。一般来说对于一台新安装的设备或刚刚维修过的设备及部件,首先需要判断其运行工况和功能是否正常，需对其主要功能进行检测,并根据检测信息与判断结果对其进行调整。运行诊断则是对正在运行中的加工系统或机械设备进行状态监测,根据监测结果,对其可能发生的故障和故障的发展趋势进行早期诊断。在线诊断是指对现场正在运行中的加工系统或机械设备进行自动的适时诊
7、断，以便及时地找出故障并提出维修决策,使加工系统或机械设备始终处于一种最佳运行状态。离线诊断则通过现场测试设备或故障记录仪器将现场测量的状态信号记录下来，然后结合诊断对象的历史档案以及其它相关信息在实验室作进一步的分析诊断，以确认加工系统或设备的故障部位或故障趋势。常规诊断就是指加工系统或设备在正常服役条件下进行的诊断，我们说的诊断一般都属于这种类型。但也有一些诊断,需要在特殊工况下进行，需要创造特殊的服役条件来获取信号,如动力机组的启动和停机过程需要通过转子的几个临界转速，采集在启动和停机过程中的振动信号来诊断故障，而这些振动信号在常规诊断中是采集不到的，因此需要特殊诊断。1.3.2根据检测
8、和诊断的信号分类根据检测和诊断的信号不同，从而派生出各种不同的诊断方法,出现了利用现代振动声学、热学、光学、力学、电学等理论以及现代测试技术，信号处理识别技术，计算机技术的不会方法与手段而实现的各种监控和诊断技术。声振诊断,利用机械设备发出的振动和声音信息进行故障诊断,是目前最常用的诊断手段。由于进行振动及其引起的声波在不同程度上反映出的机械特性和它们所处的工作状态，往往含有丰富的故障信息。过去往往只是人们的主观感觉，即听觉和触觉来感受这种振动和声音,从其差异中凭经验来判断可能产生的故障，这就是最简单的声振故障诊断方法。近年来,随着非电测量技术、信号处理判断技术以及计算机技术的发展,将声振监测
9、和诊断技术推向了一个新的水平。一般说来,我们将利用振动测量和噪声测量及它们的分析结果来识别机械设备的故障诊断方法统称为声振诊断。有时又将这一诊断技术分开阐述为振动诊断技术和声音诊断技术。无损诊断,利用无损探测技术来发现机械设备主要零部件的裂纹、腐蚀、机械性能超差等变化,以及零部件等正常设置受破坏或内部零件损坏等故障起因，并根据损伤的种类、形状、大小、产生部位、应力水平、应力方向等信息,来预测损伤或缺陷的发展趋势,以便及时地采取措施，排除隐患。无损诊断技术又包含目视-光学检测诊断,射线探伤诊断,超声探伤检测诊断以及利用铁磁材料的磁性变化而形成的磁性探测诊断和涡流探测、声发射探测诊断等。温度诊断是
10、故障诊断中最早进入实用阶段的技术。起源于手模测温和主观判断。随着测温技术、计算机智能技术及其它相关技术的发展，测温技术不断更新，诊断原理不断完善，应用范围不断扩大。目前,红外、光纤、激光等测温新技术正不断扩大应用,从而使温度诊断不仅用于查找机械的各种热故障，而且还可以弥补射线、超声、涡流等无损检测方法的不足。一般说来，温度诊断又分为被动式和主动式两大类。被动式温度诊断是通过机械零部件或流体自身的热量来获取故障信息的，从而可广泛应用于静态或运行中机件的诊断，是目前温度诊断中运用的主要方法。而主动式温度诊断则是通过人为地给被测对象注入一定的热量后,再获取其故障信息,一般只适用于静态机件的故障诊断。
11、污染诊断是以机械设备在工作过程中或故障形成过程中所产生的固体、液体和气体污染物为检测对象，以多种污染物的数量、成份、大小、形态为检测参数,并依据检测参数的变化来判断机械所处故障状态的一种诊断技术。目前主要有油液污染监测诊断和气体监测诊断。前者是通过对系统中循环流动的油液污染状况进行监测,以获取进行运行状态的有关信息,与医学诊断中验血所起的作用颇为类似。后者是通过对电气系统故障形成过程中产生的溶解气体、密封性故障形成过程中产生的漏失气体或液体、以及发动机或烟道排放的废气等所产生污染性物质、数量和成份进行监测分析来判断机械设备的运行状态。交叉诊断:一个复杂的现代制造系统往往由多个子系统组成，每一个
12、子系统又由多台机、电、液设备组成,这就使一个复杂的系统故障具有很强的不确定性，增加了故障诊断的复杂性和困难程度。一般说来,对于一个生产系统,如果只是想发现有无故障，只要根据诊断对象可能产生的故障，选择一种最好的检测仪器和最佳的检测方法,就可能获得故障信息。但如果要想全面地了解故障的类型、性质、产生部位和可能发展的趋势以及决定要采取的维修策略，就必须从不同的角度,采用不同的方法去捕捉不同的故障现象,并根据不同的故障现象可能反映出的故障进行交叉判断，它们的交叉点就可能是需要确定的故障，这就是交叉诊断。如同一种机械故障可能表现多种征兆(故障现象)，如轴承的滚道或某个弹子碎裂,也就可能表现振动现象的明
13、显变异或轴承座温度的升高等等。这就是说，对于同一种故障可用或需要用不同的方法去诊断，因为是从不同诊断信号，不同的方面进行诊断的,因此又称为综合诊断。1.3.3根据诊断的对象分类从工程的角度出发，按诊断的直接对象过去往往分成两种类型，即离散型生产系统的诊断和连续型生产系统的诊断。而离散型生产系统的诊断又可分为三类，即机械系统、液压系统和电气控制系统诊断，其中机械系统的诊断又根据不同的机械类型分成四类，即机械零部件、旋转结构类、往复结构类和静止结构类诊断。连续生产系统分为工艺流程类和连续生产过程类两类诊断。连续生产系统诊断：连续生产过程与离散生产过程有着不同的特点。一般来说，连续生产过程产品稳定,
14、基本上属于大批大量生产,其信息相对比较单纯，但生产机理较复杂,数学模型难以精确描述。例如以四大加工参数(温度、压力、流量、液压）的控制为特点的石油化工企业,以及包括其它化工、金属、动力、食品等一切生产人工制品的工业，它们的连续生产过程的故障诊断,一般都包含实时监控与诊断、决策支持、质量管理和智能监督控制。因此,连续生产过程的故障诊断系统具有规模大、实时性强、控制与诊断一体化的特点。电控系统诊断：现代制造系统的控制系统一般都是一个递阶结构的分级控制系统，每一级都有不同的职能和硬、软件结构，其支撑环境是网络和数据库。最基本的单元是计算机数控系统(CNC)和可编程逻辑控制器（LC）。电控系统是现代制
15、造系统的大脑和指挥中心，电控系统的失灵或故障可能引起全线崩溃或严重事故。因此，现代制造系统的电控系统都有很严格的监控和诊断，其内容主要包括硬件的监控和诊断、软件诊断，其方式往往包括自诊断和人工智能的监控和诊断两种。前者是在系统的设计之初就已从硬件和软件两方面作了周密的考虑,后者则需根据系统结构和功能以及整个加工系统的配置和机械液压等多个部分的协调配合等综合因素来确定。液压系统诊断:液压系统中的许多故障与机械电气系统中的故障不同,其最大特点是其故障具有扩散性,即系统中某一元件发生了故障，往往会导致一系列元件发生故障。如滤清器发生破损后，通常会引起泵。阀和执行元件的损坏。因此,如何对液压系统进行在
16、线监测,及时发现和排除故障，对保证液压系统使用的可靠性具有特殊的重要性。根据液压系统的特点,已形成多种专用的故障诊断方法，而其中最有效的方法是以分析诊断对象的逻辑关系、系统参数以及系统热力学过程为基础的诊断方法。典型机械零件诊断：齿轮类、轴承类零件是机械设备中广泛使用的重要零件，这些零部件的损伤和失效常常会导致传动系统和整机的故障,甚至会引起安全事故。现代制造系统中,要求齿轮既能在高速、重载、特殊介质等恶劣的条件下工作，又要求齿轮装置具有高平稳性、高可靠性、结构紧凑等良好的工作性能,因此对齿轮运转状态的监控和诊断也就显得特别重要。滚动轴承是机械加工应用最多的最容易损坏的零件之一，其工作状态的正常与否亦直接有效整机的可靠性，因此，滚动轴承的故障诊断是现代制造系统中监控和诊断的另一重要对象。除此之外，在机械系统中,像转子、轴承、叶轮、风机等旋转类机械,内燃机压气机、活塞及连杆类等往复式机械,以及金属结构、框架、桥梁等静止
