工业4.0时代下数据机床故障诊断的思考

1、工业4.0时代下数控机床故障诊断的思考摘要：“工业4.0是以信息物理系统(CyberPhysicalSystem,CPS)为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命，它推动装备制造业转型升级进入关键阶段。本文首先对工业4.0和数控机床故障诊断智能化发展需求进行了基本概述，分析了数控机床故障诊断特点，论述了基于工业4.0的数控机床远程故障诊断的技术基础，提出了基于工业4.0的数控远程故障诊断的基本框架。关键词：工业4.0；数控机床；远程故障诊断1.引言1.1工业4.0概述2010年德国联邦政府制定的高技术战略2020中提出了“工业4.0战略，2013年6月在德国汉诺威国际

2、工业博览会上德国联邦教研部与联邦经济技术部首次提出了“工业4.0的概念。2014年“工业4.0再次成为德国汉诺威国际工业博览会的中心话题1。“工业4.0的核心就是信息物联网和服务互联网与制造业的融合创新，即工业4.0等于“互联网+制造。在我国，装备制造业是制造业的脊梁，是国民经济的支柱产业，全球需求结构的变化对我国装备制造业的发展造成了较大的冲击，推动装备制造业转型升级进入关键阶段。两院院士、中国机械工程学会荣誉理事长路甬祥发表的网络智能制造中国制造的未来，中国工程院院长、中国机械工程学会理事长周济报告的制造业数字化智能化与“中国制造2025均对中国制造业升级的阶段性使命做出了详细的阐述。20

3、14年10月10日，中华人民共和国国务院总理李克强在访问德国期间和德国总理默克尔，联合发表了中德合作行动纲领，重点突出了双方在制造业就“工业4.0计划的携手合作2。随后颁布的中国制造20253在推进制造过程智能化方面，明确指出在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。中集集团总裁战略顾问、机械行业资深分析师郑贤玲在作数字液压：将工程机械直接带入4.0时代的报告中指出当工程机械步入工业4.0时代之后，智能化的工程机械将会得到应用和普及。智能工程机械是

4、典型的“互联网+”产品，它运用工业4.0的创新技术，是将智能硬件、嵌入式软件，以及大数据、云计算、通信等移动互联技术有机结合的产物。智能作业工程机器人适合在特殊环境下作业，替代人对工程机械的直接操作，可以超视距遥控工程机械或让其自主或半自主作业，从而提升工作的精确度和安全性4。1.2数控机床故障诊断智能化发展需求分析数控机床5（NumericalControlNC机床）即数字控制机床，是将电子技术、自动化技术、传感器技术、PLC技术、液压与气动技术和加工工艺集中一体、硬件与软件高度集成化的综合性机电一体化系统，是高技术、高智能化产品，是机、电、检测、计算机、信息处理、通讯技术的综合运用。工业4

5、.0理念的提出，对数控机床维修理论、维修技术及手段带来了新的变化和冲击，尤其针对高档数控机床的关键核心技术仍掌握在欧美发达国家手里，国内的数控机床存在应用与维护水平整体较低、不能实现面向整条生产线的现场状态监测和网络化远程诊断、不能满足军工产品生产的保密要求等问题，将控制技术系统性、自诊断技术智能性与传统电气维修技术结合，实现数控机床电气维修由经验维修到智能维修的转变是当前对数控机床故障诊断研究的一项重大课题。2.数控机床故障特点CNC机床由输入/输出设备（I/O接口和设备）、数控装置（CNC装置）、伺服系统、可编程控制器、检测反馈装置、辅助装置和机床本体（机械部分）等部分组成6，如图1所示：

6、图1数控机床主要组成结构由数控机床的组成框图看出，数控机床各组成部分之间存在着紧密的联系，数控机床结构的复杂性使其故障具有复杂性、特殊性和多层次性，这也是数控机床敏感部件出现故障后造成经济损失较大、维护费用较高、维修时间长等特点的原因。据统计，国内数控机械加工行业每年因设备突发故障造成的零件质量事故损失占总量的30%，数控机床的故障多发生在电气系统（27.74%）或刀架（18.41%），CNC系统（10.0%），卡盘、夹具等机床附件（10.02%），电源（7.39%），伺服单元（6.35%）等部位7。2.1电气系统故障数控机床的电气系统即通常所指的强电部分，包括按钮、开关、接近开关、继电器、电

7、磁阀、传感元件等，分散于电控柜和机床本体的各部位。电气系统常见故障分为硬件故障和软件故障两类。硬件故障形成的原因主要有数控机床的电器元件老化、工作环境恶劣、电路过压过流等。软件故障形成的原因主要有操作者误操作，为RAM供电的电池电压不足；信号干扰；软件死循环；用户程序出错等。2.2系统控制板故障系统控制板主要由主CPU、程序存储器、数据存储器、插补电路、各功能接口电路以及相应的外围逻辑电路组成。系统控制板故障主要有程序数据不能实时保存、输入/输出端口接触不良、线路断路等。2.3输入/输出接口板故障输入/输出接口板包括各轴的位置控制电路和机床接口部分等。其故障原因包括插件接触不良、外部短路以及窜

8、入高压将元件相应的电路板烧坏等。2.4机床电源部分故障机床电源部分故障的原因主要有电缆破坏造成断路、电网供电质量差、没有独立的配电箱、电器元件布局不合理，没有相互隔离等。3.基于工业4.0的数控机床远程故障诊断系统的构想故障诊断的实质是在诊断对象出现故障的前提下，通过来自外界或系统本身的信息输入，经过处理，判断出故障种类，定为故障部位（元部件），进而估计出故障可能时间、严重程度、故障原因等，甚至还可以提供评价、决策以及进行维修的建议8。作为典型的互联网+科技产品，数控机床天生具有数字化和信息化，具备实现4.0的最好基础性技术。3.1数控机床远程故障诊断研究基础数控机床远程故障诊断研究基础包含以

9、下几个方面：（1）数据机床具有故障自诊断功能目前数控机床普遍采用PLC进行电气控制，并在系统程序中加入了故障诊断程序，利用系统动态梯形图信号跟踪能判断故障部位，具有故障自诊断的功能。（2）具备构建远程故障诊断系统的技术基础目前，国内高校对数控机床故障诊断的研究主要集中在三个方面：加工过程监控系统、远程故障诊断和故障预报系统。如北京工业大学高立新等提出了“数控机床远程机械故障诊断和服务系统”、华中科技大学曾凌峰、西安科技大学姚晓睿提出了“基于web远程故障服务系统”、北京航空航天大学徐成莺等提出了“基于IE浏览器的数控机床故障诊断系统”、西南交通大学龙玺宇提出了智能化数控机床诊断系统、西南交通大

10、学赵敏提出了“数控机床智能化状态监测与故障诊断系统”。（3）具备信息化管理基础工业4.0时代要求企业从产品服务理念转变为客户服务理念，由提供产品升级到提供服务，这就要求企业需拥有进行客户分析的数据基础，具有设备监管平台。随着3G、GPS、wifi等技术的应用，设备后台监管系统越来越完善，如办公OA系统、滴滴打车APP等等，为数控机床远程故障诊断信息的实时传输提供技术性支撑。3.2基于工业4.0的数控机床远程故障诊断系统基本框架基于工业4.0数控机床远程故障诊断技术是借助无线通信技术，采用分层式的控制模式，通过设备层的数据采集与分析，应用网络服务器，实现设备运营状态实时传输的目的。“互联网+”数

11、控机床远程故障诊断系统基本框架如图2所示。作站InternetGPRSPRS-晦分析E后台设:标签扌丁印机初始化设备工醞剧交换机路由器对外通信跆器局逹网GPRS图2基于工业4.0的数控机床远程故障诊断系统基本框架4.小结高档数控机床的多样性、异构性以及多种高新技术高度集成的特点，导致机床的故障预警和诊断难度大，借助工业4.0相关理念，开发数控机床远程故障诊断监管系统是降低数控机床维护成本、提高数控机床运行效率的有效途径。本文提出了基于工业4.0的数控机床远程故障诊断系统基本框架，未对该系统下信息管理子系统、数据采集子系统、在线状态监测子系统及故障诊断子系统进行详细论述，这将成为下阶段研究的内容。6参考文献：1 乌尔里希森德勒(UlrichSendler).工业4.0:即将来袭的第四次工业革命M.机械工业出版社，2014.7.2 孟虹.中德合作“工业4.0”的契合点N.中国新闻周刊，2014-10-30.中华人民共和国工业和信息化部.中国制造2025解读Z.2015-5-19.4 郑贤玲.数字液压：将工程机械直接带入工业4.0时代J.工程机械与维修，