【摘要】：隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展,我國已成為世界上加工中心需求量最大的國家,然而,國產(chǎn)高檔加工中心在國內(nèi)市場占有率卻相對(duì)較低。究其原因,國產(chǎn)高檔加工中心的可靠性和安全性較低,導(dǎo)致故障頻發(fā),給機(jī)床用戶企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的可靠性和安全性迫在眉睫。自動(dòng)換刀系統(tǒng)作為加工中心中故障率最高的關(guān)鍵功能部件之一,其可靠性水平直接影響了整機(jī)的可靠性水平。經(jīng)過在機(jī)床主機(jī)企業(yè)和用戶企業(yè)的長時(shí)間現(xiàn)場跟蹤試驗(yàn)和調(diào)研,了解到自動(dòng)換刀系統(tǒng)的預(yù)防性維修策略和事后維策略存在著維修時(shí)間不當(dāng)?shù)膯栴},所以,確定出本文要解決的核心問題,如何實(shí)現(xiàn)盤式刀庫的故障預(yù)測(cè)與健康管理,從而為基于狀態(tài)維修策略的制定提供依據(jù)。針對(duì)上述問題,根據(jù)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀,可知PHM技術(shù)是解決基于狀態(tài)維修策略制定的基礎(chǔ)。目前,關(guān)于自動(dòng)換刀系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理的研究文獻(xiàn)和應(yīng)用報(bào)道極少。因此,本文以加工中心盤式刀庫自動(dòng)換刀系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)其開展故障預(yù)測(cè)與健康管理研究工作,對(duì)提高盤式刀庫可靠性、制定維修策略具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和理論研究意義。具體研究內(nèi)容如下:1.盤式刀庫的故障分析與PHM體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先,對(duì)盤式刀庫典型故障進(jìn)行了分析,根據(jù)其運(yùn)行環(huán)境、工作應(yīng)力等分析其故障機(jī)理;其次,建立起盤式刀庫典型故障模式與刀庫性能指標(biāo)之間的隱含關(guān)系模型;最后,在分析盤式刀庫故障機(jī)理的基礎(chǔ)上,確定了盤式刀庫的PHM體系結(jié)構(gòu)。2.盤式刀庫狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建及健康狀態(tài)評(píng)估方法的研究。研究并搭建了盤式刀庫狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)盤式刀庫的振動(dòng)、電流、電壓、位移等性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過對(duì)各性能指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析確定出各性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值、上極限值和下極限值。根據(jù)故障分析結(jié)果,將盤式刀庫及五大部件的健康狀態(tài)分為健康、亞健康、退化、惡化和故障等五個(gè)等級(jí),為了準(zhǔn)確評(píng)估盤式刀庫及各部件的健康狀態(tài),本文提出了基于灰色聚類和熵權(quán)法的健康狀態(tài)評(píng)估方法。首先將盤式刀庫各性能指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,采用熵權(quán)法確定出各部件性能指標(biāo)的權(quán)重;其次,建立了五個(gè)灰類等級(jí)所對(duì)應(yīng)的白化權(quán)函數(shù),采用灰色聚類計(jì)算出各個(gè)部件的隸屬灰類,即得到各部件的健康狀態(tài)水平;之后,根據(jù)各部件的健康水平,建立盤式刀庫的模糊綜合評(píng)判矩陣;最后,利用模糊綜合評(píng)判法得到盤式刀庫的健康狀態(tài)綜合評(píng)估結(jié)果,通過試驗(yàn)驗(yàn)證該評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和可靠性。3.根據(jù)健康評(píng)估結(jié)果確定盤式刀庫當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)屬于哪一灰色類別,當(dāng)評(píng)估結(jié)果為退化時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。通過對(duì)常見的三種故障預(yù)測(cè)方法的對(duì)比分析,提出了適用于非線性復(fù)雜系統(tǒng)的基于ARMA模型的盤式刀庫故障預(yù)測(cè)方法。首先對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和平穩(wěn)性檢驗(yàn),若性能指標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)為退化時(shí),對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分處理后建立ARMA預(yù)測(cè)模型,利用該模型得出一階差分的預(yù)測(cè)結(jié)果,將一階差分結(jié)果與原始數(shù)據(jù)累加,得到性能指標(biāo)的預(yù)測(cè)值。本文以刀套拔刀力為例,對(duì)盤式刀庫刀套的拔刀力進(jìn)行了長時(shí)間的監(jiān)測(cè),確定了拔刀力值的變化趨勢(shì),將預(yù)測(cè)的拔刀力值與原始數(shù)據(jù)對(duì)比分析,驗(yàn)證了該方法的預(yù)測(cè)精度。4.為了便于刀庫企業(yè)對(duì)盤式刀庫實(shí)施故障樹分析、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)等的研究,研究開發(fā)了一套基于LabVIEW虛擬平臺(tái)的盤式刀庫PHM系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LabVIEW與MATLAB混合編程的方法,將系統(tǒng)功能劃分為五大模塊:狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、健康狀態(tài)評(píng)估模塊、故障預(yù)測(cè)模塊和維修策略模塊,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)盤式刀庫進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理、健康狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)以及維修策略的制定等功能,并集成于同一系統(tǒng)中,增加了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

圖 1.1 加工中心各子系統(tǒng)故障分布表 1.1 加工中心各子系統(tǒng)故障頻次分布表故障部位 子系統(tǒng)代碼 故障頻次自動(dòng)換刀系統(tǒng) ATC 48電氣系統(tǒng) E 35主軸系統(tǒng) S 25潤滑冷卻系統(tǒng) LC 23數(shù)控系統(tǒng) NC 20氣動(dòng)系統(tǒng) P 15進(jìn)給系統(tǒng) F 13防護(hù)系統(tǒng) PD 4排屑系統(tǒng) CC 4

（a）盤式刀庫 （b）鏈?zhǔn)降稁?（c）斗笠式刀庫圖 1.2 自動(dòng)換刀系統(tǒng)類型盤式刀庫的故障率較高，，其發(fā)生故障時(shí)整機(jī)必須停機(jī)維修檢查，從而嚴(yán)重影響了整機(jī)的生產(chǎn)加工效率，同時(shí)故障可能會(huì)造成工作人員生命威脅和產(chǎn)品嚴(yán)重?fù)p傷。目前，針對(duì)加工中心這類復(fù)雜裝備系統(tǒng)通常采用的維修方式為“事后維修”和“計(jì)劃維修”如圖 1.3 所示，然而這兩種維修方式的缺點(diǎn)分別為“事后維修”將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至造成生命安全事故，“計(jì)劃維修”通常會(huì)出現(xiàn)過早維修或者維修過晚增加維修成本。為提高盤式刀庫的可靠性降低其故障發(fā)生率，最有效方法是基于狀態(tài)維修（Condition Based Maintenance），其主要目的是將故障扼殺在萌芽階段，具體實(shí)施策略是根據(jù)設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行健康狀況評(píng)估，將評(píng)估結(jié)果作為設(shè)備維修策略制定的依據(jù)，這是一種預(yù)測(cè)性維修策略。因此，我國數(shù)控機(jī)床正從“計(jì)劃維修”和“事后維修”的傳統(tǒng)維修模式向“基于狀態(tài)維修”轉(zhuǎn)化。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG659

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2695776