制造系统监控1

制造过程监控王民1第一章概述第一节制造过程监控的意义及发展第二节制造过程监控关键技术2第一节制造过程监控的意义及发展制造过程监控意义制造过程监控目的及学科性质制造过程监控主要研究内容制造过程监控的新发展3

1.制造过程监控意义在传统的生产环境中，生产效率及精度不太高，自动化程度低，人们可以比较容易地判别制造过程的工况状态，有故障也容易排除。所以在传统的生产环境中，是以人为主体，对生产过程或生产设备进行监控，没有适用的制造过程状态检测方法和检测仪表。从上世纪80年代初开始，FMS、CIMS及数字制造技术得到发展，在CIMS生产环境中，主要靠计算机技术、自动化控制技术对制造过程进行监控，大大减少了人对制造过程的直接干预。制造过程状态的自动识别、故障自动排除是是保障制造系统稳定性的基础。所以在CIMS生产环境中，制造过程监控技术越来越受到人们关注，并成为CIMS的重要技术保障。42.制造过程监控目的及学科性质目的：任何一种制造系统，它的最终目标是在保证产品质量前提下，降低制造成本，提高生产效率。因此，制造过程监控的目的，就是为了保证达到上述目标，在线识别过程状态，分析过程中的问题，通过参数调节，提供稳定的生产条件。

52.制造过程监控目的及学科性质分类：从监控对象的侧重点不同来分，制造过程监控分为设备监控、流程监控和质量监控。关系：设备监控是流程监控的基础，设备监控和流程监控是质量监控的重要保证。设备监控、流程监控和质量监控互为支撑，互相渗透。62.制造过程监控目的及学科性质学科性质：基础知识：主要是利用了传感检测技术、信号处理、模式识别、信息理论、人工智能、预报决策、控制工程、电子技术、计算机技术及有关专业领域的研究成果研究对象：以制造过程的设备、流程及产品质量为研究对象。73.制造过程监控研究内容设备监控流程监控质量监控83.1制造过程监控研究内容——

设备监控设备监控的主要内容包括设备状态监测、故障诊断和设备自动控制。93.1制造过程监控研究内容——

设备监控1设备状态监测 设备状态是指设备运行的工况，由设备运行过程中的各种性能参数以及设备运行过程中产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述的。设备状态类型： 正常、异常和故障103.1制造过程监控研究内容——

设备监控监测具体内容

： 设备状态监测是通过测定相关参数，并进行分析处理，根据分析处理结果判定设备状态。形式： 进行定期或连续监测，结合设备的历史状况和运行条件，进行判别。目的： 弄清设备的客观状态，获取设备性能发展的趋势规律，为设备的性能评价、合理使用、安全运行、故障诊断及设备自动控制打下基础。11机床状态监控刀具状态监控加工过程监控3.1制造过程监控研究内容——

设备监控制造系统状态监控的主要内容12机床状态监控主轴部件导轨部件伺服驱动系统机床动态特性3.1制造过程监控研究内容——

设备监控制造系统状态监控的主要内容13

ATC主轴丝杠导轨14刀具状态监控破损磨损刀具型号刀具自动调整刀具补偿刀具寿命管理3.1制造过程监控研究内容——

设备监控制造系统状态监控的主要内容15加工过程状态监控加工稳定性切屑状态磨削过程表面烧伤、波纹监控工件尺寸，表面粗糙度工序识别3.1制造过程监控研究内容——

设备监控制造系统状态监控的主要内容161718192021222324252设备故障诊断定义：一台设备（或装置）的性能指标已低于正常时的最低极限值的设备状态。3.1制造过程监控研究内容——

设备监控26从系统观点看，故障包括两方面含义：1）机械系统偏离正常功能，它的形成原因是因为机械系统工作条件不正常而造成的，通过参数调节或零件修复可恢复到正常状态2）功能失效，是指系统连续偏离正常功能，且其程度不断加剧，使机械设备基本功能不能保证，则称之为失效。3.1制造过程监控研究内容——

设备监控27故障分类：1）实体耗损或变异，设备在使用或停置过程中，在环境、介质等各种因素和载荷的作用下，其零部件会发生摩擦、振动、应力或腐蚀等。导致设备产生磨损、疲劳、变形、断裂、结垢、泄漏或堵塞等实体耗损或变异。设备的实体耗损的发展变化情况，一般可分三个阶段：初期耗损、正常耗损和严重耗损。耗损是随着时间推移而逐步增加的。在设备使用初期和后期，实体耗损增加得很快，而在中间阶段变化是缓慢的。

3.1制造过程监控研究内容——

设备监控28故障分类：2）设计制造和装配上的缺陷引起的故障设备故障往往是由于某种缺陷不断扩大，经由异常，然后再进一步发展而形成的。通常说设备或另件正常，是指它没有任何缺陷，或者虽有缺陷但也在允许的限度之内。异常是缺陷已有一定程度的扩展，使设备状态信号发生变化，设备性能开始劣化但仍能维持正常工作。故障则是由于设备性能指标严重降低，已无法维持正常工作。3.1制造过程监控研究内容——

设备监控29故障诊断内容：

在状态监测判别出有异常时，通过故障诊断进一步确定故障的性质、严重程度、故障类别、故障部位、故障原因，乃至说明故障发展趋势和对未来的影响。为预报、控制、剩余寿命预估、调整、维修、治理及事故分析提供依据。

3.1制造过程监控研究内容——

设备监控30状态监测与故障诊断不是等同的概念，而又统一于动态系统之中，工况监视的任务是判别动态系统的是否偏离正常功能，监视其发展趋势，预防突发性故障产生。一旦偏离正常功能，应迅速作出调整，使工况恢复到正常，如果系统某个环节存在故障，就要进一步查明故障原因及其部位，这就是诊断。3.1制造过程监控研究内容——

设备监控状态监测与故障诊断31在设备运行中或在基本不拆卸的情况下

通过各种手段，掌握设备运行状态

判定产生故障的部位和原因

并预测、预报设备未来的状态3.1制造过程监控研究内容——

设备监控状态监测与故障诊断323.1制造过程监控研究内容——

设备监控状态监测与故障诊断共有三种不同的维修策略：故障维修

定期维修

状态维修

333.1制造过程监控研究内容——

设备监控状态监测与故障诊断1、故障维修这种维修可以简单地理解为将机器一直运行到发生故障不能再使用后才维修。系统使用这种维护方式可以将基建投资降到最低，但是对于工厂的长期维护来说它的花费是更加昂贵的。优点利用了机器的整个生命缺点会导致机器十分严重的损坏机器会随时随地的损坏而不能工作需要大量的昂贵零部件库存会导致非计划停工

343.1制造过程监控研究内容——

设备监控状态监测与故障诊断2、定期停工维修这种形式的维修在从前是一种工业规范，每个工厂都会有定期的停工检修，机器会被一个个的检查并换上新的零部件，但是这种维修不太考虑机器本身的性能和情况。优点机器的损坏不会十分严重定期有计划的停工可以方便工厂的生产过程缺点不能充分利用机器的整个生命周期有时修理反而会引起机器不能正常工作部分不需要更换的零部件会被修换353.1制造过程监控研究内容——

设备监控状态监测与故障诊断3、状态维修这是性价比最高的一种维修形式，工厂机器只根据诊断的情况被检查和修理。优点机器只根据诊断的情况来更换零件和修理，没有固定的计划不会导致机器严重损坏利用了机器的整个生命根据诊断情况来服务有计划的停工检查维修保证生产稳定363.1制造过程监控研究内容——

设备监控三种维修策略效果比较37状态监测和故障诊断方法：1)按监测环境分有离线人工分析、诊断和在线计算机辅助监视诊断，二者要求有很大差别。3.1制造过程监控研究内容——

设备监控382）按检测手段分类振动检测诊断法。噪声检测诊断法。温度检测诊断法。压力检测诊断法。声发射检测诊断法。润滑油或冷却液中金属含量分析诊断法。金相分析诊断法。3.1制造过程监控研究内容——

设备监控393)按诊断方法原理分类频域诊断法时域分析法。统计分析法。模式识别法其它人工智能方法。如人工神经网络，专家系统等新发展的研究领域。3.1制造过程监控研究内容——

设备监控403.1制造过程监控研究内容——

设备监控3设备自动控制

利用有关控制技术，对设备的起停运行，设备某部分的运动速度、方向、范围、作用力大小及设备各部分之间的相互配合等进行自动控制，是现代制造技术与传统制造技术的根本区别之一。设备自动控制技术包含的范围非常广泛，

如数控技术、变频调速、开停控制等。41在CIMS生产环境中，各个制造单元、设备都有自身的计算机监控单元，整个企业构成多级分布式计算机监控网络。在网络各层次中，由于各子系统职能不同，制造过程监控内容也就有区别。3.1制造过程监控研究内容——

流程监控42流程监控包括设备级监控，制造单元级（车间级）监控和厂级监控。1、设备级监控是设备监控、质量监控的执行者，也是高层次监控系统所需信息的提供者。设备级监控必须具备独立监控和完成规定任务的功能，并有与高层次系统通信和执行高层次系统决策的功能。（独立，通信）

3.1制造过程监控研究内容——

流程监控432、制造单元级监控是流程监控的主要内容，主要内容包括就是与设备级监控系统及厂级监控系统的通信与协调。

具体内容：制造单元级监控系统在对本制造单元全部设备及产品生产状态进行检测和分析之后，结合厂级监控系统的有关信息，根据产品质量和生产率要求，进行生产条件优化计算，作出监控决策，通知设备级监控系统执行，并将有关信息通知厂级监控系统，接受厂级监控系统的调度和指挥。

3.1制造过程监控研究内容——

流程监控443、厂级监控是流程监控的最高层次，主要内容包括：实现全厂各个制造单元（车间）的协调。

对在线制造的各类部件或产品的经济性与生产率综合分析。

根据制造过程全面质量管理和最大经济效益准则，确定产品设备监控、过程监控和质量监控的规范。

通过网络，与厂内各子系统进行信息交换，向用户提供有关产品质量信息，从外界获取有关技术和商业信息。完成涉及产品生命周期所有过程的监控任务。

3.1制造过程监控研究内容——

流程监控453.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控质量检验阶段统计质量控制（SQC）阶段

全面质量管理（TQC）阶段463.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控初级阶段，事后检验检查与制造过程分开，为独立工序可保证产品出厂质量费用高，不能预防废品的产生1、质量检验473.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控

它应用数理统计的方法，对生产过程进行控制。也就是说，它不是等一个工序整批工件加工完了，才去进行事后检查，而是在生产过程中，定期地进行抽查，并把抽查结果当成一个反馈的信号，通过控制图发现或检定生产过程是否出现了不正常情况，以便能及时发现和消除不正常的原因，防止废品的产生。2、统计质量控制483.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控特点：预防性控制

采用统计方法代替检验方法2、统计质量控制493.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控基本原理：在一次观察中，小概率事件是不可能发生的，一旦发生就说明系统出现了问题。 预先假定工序处于某一状态，一旦显示出偏离这一状态的极大可能性就认为工序失控，于是需要调整。2、统计质量控制503.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控2、统计质量控制主要技术手段：“kσ”原则过程能力控制图法51“kσ”原则

Sigma水平

Cp

Cpk合格率

%不合格率

ppm1σ0.3368.27%317,4002σ0.6795.45%

45,6003σ1.0099.73%

2,7004σ1.3399.9937%

635σ1.6799.999943%

0.576σ2.0099.9999998%

0.002

3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控52过程能力（工序能力）对于任何生产过程，产品质量特性值的波动总是存在的。衡量特性值波动的稳定受控程度的指标即为过程能力。记为：B=6σ（当产品技术标准为双侧时）B也称为加工精度，B越大，工序能力越低。

产品特性值一般都服从N(μ,σ)，为兼顾质量和经济两方面的考虑，采用6σ来描述工序能力

3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控53过程能力指数（工序能力指数）用来反映和衡量工序能力满足技术要求的程度，定义为产品技术要求和工序能力系数之比，即：工序能力指数=技术要求/工序能力3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控54工序能力等级划分：从质量和经济两方面的要求来看，工序能力指数的值并非越大越好，而应在一个适度范围内去值。工序能力判断表3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控55控制图1.定义控制图是用于区分异常或特殊原因所引起的波动和过程固有的随机波动的一种统计工具。2.功能控制图用于：诊断：评估过程的稳定性控制：决定何时需要调整确认：确认某一过程的改进效果3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控563.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控控制图由平面直角坐标系构成。控制图的纵坐标是正态分布的横坐标，表示被控质量特性值或其分布控制图的横坐标为时间轴，刻度为样本号573.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控4583.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控棚状模型59

最早提出全面质量管理（TotalQualityControl，简称TQC）概念的，是美国的费根堡姆（ArmandV·Feigenbaum），但是由日本人首先将这一概念真正用于企业管理之中。费根堡姆提出：“全面质量管理是为了能够在最经济的水平上，并考虑到充分满足顾客要求的条件下进行生产和提供服务，并把企业各部门研制质量、维持质量和提高质量的活动构成为一体的一种有效体系”。3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控3、全面质量管理60定义：一个组织以质量为中心，以全员参与为基础，目的在于通过让顾客满意和本组织所有成员及社会受益而达到长期成功的管理途径。3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控61技术手段：数理统计运筹学价值分析系统工程线性规划3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控62技术环节：产品检验制造过程质量控制产品/工艺设计改进设计是产品符合使用条件的前提条件，制造是控制质量合格的关键，检验则是产品质量的保证。3.1制造过程监控研究内容——

质

量

监

控634.制造过程监控研究发展先进制造技术的发展，对制造过程、产品质量监控技术提出了新的要求：小批量生产，工况频繁变化信息量增大且繁杂，难以提取特征信息柔性要求提高，决策复杂，决策更要求准确迅速要求监控系统与制造系统有效继承，提高可靠性644.制造过程监控研究发展制造系统监控技术发展：多传感器获取更多信息高可靠性监控系统适应频繁工况自适应、自组织、自学习能力，适应加工多成的变化智能化多功能、多目标监控，并行监控加工过程中的不同状态集成化制造过程监控对故障机理的深入研究654.制造过程监控研究发展

目前发展方向：智能化监控远程网络化监控664.制造过程监控研究发展智能监控技术：目的：提高监控的可靠性和精确性技术环节：智能传感器技术，模式识别，模糊技术，专家系统，人工神经元网络技术等674.制造过程监控研究发展网络化监控技术：目的：单机监控分布式监控网络化监控优点：数据共享便于维护方便快捷降低成本684.制造过程监控研究发展

Browser/Server

Client/Server69第二节制造过程监控关键技术制造过程监控系统主要技术环节70制造过程状态信号的拾取特征分析特征量提取状态分类与识别决策与控制机理分析关键试验技术第二节制造过程监控关键技术711、制造过程状态信号的拾取制造过程监控的信号来源于对生产过程制造设备的状态检测信号，因此准确地获得信号对于整个监控系统尤其重要。传感器是获得信号的最直接的设备，因此传感器的正确选择对于整个监控系统的成败十分重要。

721、制造过程状态信号的拾取满足两方面的要求。一是在线，对于连续运行的机械设备是指机器运行过程中的检测，是在生产线上的进行，故属于在线检测。二是动态过程具有多方面的信息，没有必要都检测，所选择的信号及其在机器上的部位都要能敏感地反映工况特征信息的变化。732、特征分析特征分析的目的是用各种信号处理方法作为工具，找到工况状态与特征量的关系，把反映故障的特征信息和与故障无关的特征信息分离开来，达到’去伪存真’的目的。742、特征分析对于某些具有规律的信号，可从波形结构上提取特征量。但是，鉴于直接检测信号大都是随机信号，它包括了大量的与故障无关的的信息，一般不宜于用作判别量。需要用现代信号分析和数据处理方法把直接检测信号转换为能表达工况状态的特