數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)技術(shù)

李惠軍

（利維智能（深圳）有限公司，廣東深圳 518000）

目前，隨著智能制造升級(jí)，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣，這種機(jī)床可以對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行高精度的加工，其強(qiáng)度較大，但是機(jī)床部件也容易出現(xiàn)疲勞的情況，造成數(shù)控機(jī)床的故障率不斷升高，不僅會(huì)造成零件的報(bào)廢，還有可能會(huì)引發(fā)生產(chǎn)停滯，引發(fā)一系列的經(jīng)濟(jì)損失。

1 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程智能故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值

從實(shí)踐情況來(lái)看，遠(yuǎn)程故障診斷能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床存在的問(wèn)題，結(jié)合多維度的分析，了解典型的故障類(lèi)型?；谄髽I(yè)的管理和控制系統(tǒng)等，對(duì)不同地域、不同企業(yè)的設(shè)備進(jìn)行分析，結(jié)合智能生產(chǎn)與調(diào)度系統(tǒng)，形成一系列分析結(jié)果，完成數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的智能化監(jiān)控。我國(guó)相關(guān)研究人員在遠(yuǎn)程故障診斷方面也取得了顯著成就，例如，北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)針對(duì)多媒體遠(yuǎn)程服務(wù)為中心的遠(yuǎn)程故障診斷開(kāi)展了聯(lián)合對(duì)比，對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行情況進(jìn)行多維管理，可以看出遠(yuǎn)程智能終端控制結(jié)合PC機(jī)進(jìn)行有線組網(wǎng)，能夠全方位、多方面了解數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行情況，避免數(shù)控機(jī)床過(guò)于復(fù)雜的機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)或者存在電磁干擾等影響設(shè)備的運(yùn)行。同時(shí)這種智能系統(tǒng)基于遠(yuǎn)程的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及云平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)了高度智能，常用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過(guò)藍(lán)牙、物聯(lián)網(wǎng)以及其他技術(shù)傳輸，實(shí)現(xiàn)完善的數(shù)據(jù)連接，滿(mǎn)足機(jī)床大數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)要求，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展智能故障診斷，獲得診斷結(jié)果。

2 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程智能故障診斷應(yīng)用的路徑

2.1 基于NB-IOT的故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

NB-IOT智能診斷系統(tǒng)是目前應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程診斷中的主要系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含采集信息模塊、無(wú)線通信模塊、智能處理模塊和遠(yuǎn)程人機(jī)界面模塊，具備良好的系統(tǒng)邏輯架構(gòu)。采集層可以通過(guò)內(nèi)置的傳感器以及oppc接口讀取數(shù)控機(jī)床的相關(guān)參數(shù)，例如，力學(xué)情況、熱力學(xué)情況、振動(dòng)情況、電流情況程序段坐標(biāo)以及相關(guān)的運(yùn)行方向等。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，了解到故障的原因，機(jī)床的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)也可以將串口傳入到輸入模塊中。

圖1為NB-IOT無(wú)線通信平臺(tái)流程，通過(guò)NB-IOT無(wú)線通信上傳到云平臺(tái)。這樣的傳輸鏈條方式能夠方便遠(yuǎn)程人機(jī)界面App向云端平臺(tái)請(qǐng)求讀取的結(jié)果，運(yùn)算層數(shù)據(jù)處理與故障診斷的流程較為完善。如果信息缺失，則不能得出診斷結(jié)果，系統(tǒng)模塊還會(huì)向云平臺(tái)發(fā)送補(bǔ)充信息的申請(qǐng)，如果仍然無(wú)法解決該故障，則會(huì)申請(qǐng)專(zhuān)家人工干預(yù)來(lái)完成整個(gè)故障診斷的流程。

圖1 NB-IOT無(wú)線通信平臺(tái)流程

2.2 基于多傳感器融合的數(shù)據(jù)采集

主要是以對(duì)象模擬技術(shù)作為基礎(chǔ)，采取服務(wù)器和項(xiàng)目管理的方法進(jìn)行異步訪問(wèn)。這種訪問(wèn)應(yīng)用在遠(yuǎn)程智能終端的故障診斷上具有重要的價(jià)值，該系統(tǒng)能夠全面了解數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行模式、運(yùn)行程序、名稱(chēng)段、開(kāi)機(jī)時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等，同時(shí)還可以對(duì)數(shù)控機(jī)床的名稱(chēng)、數(shù)量、單位、值域范圍，讀寫(xiě)權(quán)限和數(shù)據(jù)類(lèi)型等開(kāi)展全方的數(shù)據(jù)抓取，利用微軟等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)編程就可以設(shè)計(jì)整個(gè)界面，對(duì)于數(shù)據(jù)開(kāi)展動(dòng)態(tài)讀寫(xiě)。例如，某制造企業(yè)應(yīng)用的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)采用356a163項(xiàng)加速傳感器、370872聲音傳感器以及多種多樣的紅外線傳感器、熱阻傳感器、溫度變送傳感器、噪聲和溫度信號(hào)傳感器等，實(shí)現(xiàn)了完善的遠(yuǎn)程終端故障診斷。這些傳感器綜合配合在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的讀取、顯示和實(shí)時(shí)保存。NB-IOT無(wú)線通信技術(shù)配合多傳感器融合的數(shù)據(jù)采集，能夠較好實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的相互通信，多元數(shù)據(jù)的融合和共享傳輸覆蓋廣，支持海量連接，功耗降低，模塊成本較低，值得在目前的制造企業(yè)中大范圍推廣。

某制造企業(yè)采取的95無(wú)線通信模塊尺寸，非常契合數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行工作范圍，能夠適應(yīng)不同環(huán)境的機(jī)床，工作尺寸較為緊湊，整體的架構(gòu)良好，具備海量的信息收存和存儲(chǔ)能力，適合當(dāng)前機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，支持多樣化的設(shè)備和多種接入方式，能夠在控制和管理權(quán)限上靈活進(jìn)行調(diào)度。95無(wú)線通信模塊流程如圖2所示。

圖2 95無(wú)線通信模塊流程

2.3 故障診斷算法設(shè)計(jì)

目前，多個(gè)制造企業(yè)采取的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程診斷算法，包含故障樹(shù)算法、專(zhuān)家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等。這些算法的建設(shè)過(guò)程不同，不同的算法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，診斷算法建設(shè)過(guò)程復(fù)雜，但包含所有的故障模式；Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力和計(jì)算能力，在非線性?xún)?yōu)化方面也具備顯著優(yōu)勢(shì)，但是推理過(guò)程缺乏透明度；模糊推理算法信息量大，但是針對(duì)數(shù)控機(jī)床的故障多分支情況可能存在相關(guān)不足。結(jié)合各種算法的相關(guān)優(yōu)勢(shì)和不足，大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)在算法的選擇上采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，北京某制造企業(yè)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程診斷就采取一批神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)前專(zhuān)家系統(tǒng)和后串聯(lián)方式的診斷模型完成專(zhuān)家知識(shí)的獲取，提高了推理效率。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以針對(duì)過(guò)程模塊進(jìn)行濾波和去噪，完成一系列的規(guī)范化處理之后提取數(shù)控機(jī)床的故障特征。Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采取三層并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)斎牒洼敵鲂畔⑦M(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的管理，輸出節(jié)點(diǎn)與故障原因一一對(duì)應(yīng)，推導(dǎo)出的診斷結(jié)果可以充分反饋故障的類(lèi)型和故障的原因。如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整次數(shù)大于設(shè)定的次數(shù)，則實(shí)際的分析結(jié)果可能存在不準(zhǔn)確的情況，需要平臺(tái)輸入補(bǔ)充信息，如果設(shè)定的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷結(jié)果小于運(yùn)行規(guī)定的次數(shù)，則診斷結(jié)果會(huì)推動(dòng)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行再次驗(yàn)證和系統(tǒng)的解釋。如果符合知識(shí)庫(kù)的規(guī)則，則診斷結(jié)果會(huì)被輸入到云平臺(tái)當(dāng)中，否則，專(zhuān)家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的調(diào)節(jié)參數(shù)就需要新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。

例如，輸入節(jié)點(diǎn)為主軸轉(zhuǎn)速隨機(jī)波動(dòng)，則可能出現(xiàn)的原因就是屏蔽和接地故障，接車(chē)量過(guò)大，操作故障，主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障，主軸機(jī)械故障等，如果輸入的故障類(lèi)型現(xiàn)象是主軸電機(jī)不轉(zhuǎn)，那么輸出的原因是主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障，主軸機(jī)械故障，主軸電機(jī)過(guò)載故障等，如果輸入的故障類(lèi)型是轉(zhuǎn)速偏離指令值，那么輸出的可能原因就是主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障，主軸電機(jī)過(guò)載故障及參數(shù)設(shè)置的故障。通過(guò)這樣的流程分析，可以全面地對(duì)當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的故障類(lèi)型開(kāi)展判斷，可以說(shuō)Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含的多層神經(jīng)數(shù)目是由設(shè)計(jì)者在無(wú)數(shù)次嘗試之后有效判斷的。目前的學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于數(shù)控機(jī)床存在的故障原因進(jìn)行有效的判斷和隱含層的訓(xùn)練之后，誤差率可以控制在0.001。

2.4 系統(tǒng)軟件的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)

軟件的運(yùn)行時(shí)間也是整個(gè)故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的核心，大多數(shù)制造企業(yè)選擇的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)為Windows2013professional操作系統(tǒng)下的2017軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這一類(lèi)的軟件屬于C++語(yǔ)言，也可以嵌套目前較為流行的程序語(yǔ)言Python來(lái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)的綜合獲取。

機(jī)床診斷系統(tǒng)可以為用戶(hù)的故障診斷和子系統(tǒng)的管理提供一系列的服務(wù)，包含用戶(hù)的注冊(cè)登錄，遠(yuǎn)程診斷中心的在線請(qǐng)求以及接受診斷反饋等一系列的功能，還包含數(shù)據(jù)庫(kù)的刪除、添加、更新以及用戶(hù)的留言和管理，通過(guò)這一系列嵌套的方法，可以大大提升綜合管理效果。廣州某制造企業(yè)開(kāi)發(fā)的I5平臺(tái)系統(tǒng)，可以通過(guò)App端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢查設(shè)備系統(tǒng)、檢查設(shè)備文件參數(shù)配置等，還可以通過(guò)外部端的腳本命令來(lái)進(jìn)行信息的回傳。這種服務(wù)可以有效地查看數(shù)控機(jī)床的維護(hù)文件，遠(yuǎn)程協(xié)同配合保存相關(guān)報(bào)告。在機(jī)床端可以提供有效的數(shù)據(jù)來(lái)源，并集合成相關(guān)的訪問(wèn)接口，通過(guò)軟件接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床文件的讀取，遠(yuǎn)程診斷的發(fā)起需要相關(guān)的聯(lián)合配套操作，在編輯腳本方面具備一系列的執(zhí)行文件，通過(guò)I5服務(wù)平臺(tái)端能夠完成數(shù)據(jù)保存功能，外部系統(tǒng)接口功能以及讀取文件功能，對(duì)于服務(wù)人員瀏覽網(wǎng)頁(yè)的操作也具備可實(shí)現(xiàn)性，后臺(tái)配置的文件和參數(shù)能夠被有效地讀取到。

2.5 遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)流程

綜合上述分析過(guò)程可以看出，遠(yuǎn)程診斷的功能實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)機(jī)床端的數(shù)據(jù)改動(dòng)和相關(guān)的修改配置完成。對(duì)于遠(yuǎn)程診斷的模塊設(shè)計(jì)，App端和相關(guān)的使用端口都可以對(duì)整個(gè)設(shè)備完成遠(yuǎn)程診斷。i5服務(wù)人員需要診斷需求時(shí)，可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，操作流程也比較完善。除此之外，這種服務(wù)流程還可以到客戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)完成專(zhuān)家輔助以及其他的配套協(xié)同，在App端向?qū)＜野l(fā)起遠(yuǎn)程協(xié)同請(qǐng)求，之后確認(rèn)數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)，接診訂單之后就可以開(kāi)展基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)服務(wù)。在這個(gè)過(guò)程中，專(zhuān)家診斷之后需要完成界面的數(shù)據(jù)登錄，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告的工作面，相關(guān)人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程查看，編輯診斷報(bào)告，提交，流程結(jié)束。專(zhuān)家診斷頁(yè)面顯示的內(nèi)容包含待診斷、診斷中、已處理等相關(guān)的內(nèi)容，按照機(jī)床的編號(hào)、客戶(hù)的名稱(chēng)和遠(yuǎn)程協(xié)助的人員來(lái)對(duì)目前的數(shù)據(jù)開(kāi)展綜合的分析。除此之外，這套服務(wù)系統(tǒng)還可以開(kāi)展遠(yuǎn)程協(xié)助追溯，了解到每一臺(tái)機(jī)床的診斷過(guò)程以及故障歷史，判斷機(jī)床的服務(wù)狀態(tài)，發(fā)起遠(yuǎn)程協(xié)助請(qǐng)求之后，如果機(jī)床處于遠(yuǎn)程協(xié)助中，確認(rèn)服務(wù)完成之后，才能夠?qū)C(jī)床的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行上傳，遠(yuǎn)程協(xié)助完成之后可以點(diǎn)擊結(jié)束服務(wù)App端的機(jī)床協(xié)助請(qǐng)求狀態(tài)，需要專(zhuān)家診斷和工程師共同完成確認(rèn)。在診斷請(qǐng)求單的設(shè)計(jì)上包含進(jìn)度查詢(xún)、請(qǐng)求人查詢(xún)、診斷專(zhuān)家查詢(xún)等，這對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和數(shù)控機(jī)床的未來(lái)查詢(xún)起到了顯著的作用。出具診斷報(bào)告時(shí)，該機(jī)床可以對(duì)故障的內(nèi)容進(jìn)行描述，了解到相關(guān)的處理過(guò)程包含文本框的編輯、圖片視頻的上傳，還可以添加出錯(cuò)日志和出錯(cuò)程序，添加機(jī)床的變更情況，方便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和分組維護(hù)?？偟膩?lái)看，I5遠(yuǎn)程終端平臺(tái)作為以知識(shí)庫(kù)為主的遠(yuǎn)程終端診斷，能夠?qū)τ跀?shù)控機(jī)床的故障進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并且通過(guò)機(jī)床自動(dòng)診斷完成修復(fù)方案的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程終端服務(wù)平臺(tái)能夠極大程度的節(jié)省服務(wù)成本和服務(wù)的人力，未來(lái)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

3 結(jié)論

綜上所述，數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程智能故障的診斷和相關(guān)的操作需要在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及智能化改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)線傳輸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合推導(dǎo)，從而對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行有效驗(yàn)證。從本次案例分析的實(shí)際情況可以看出，針對(duì)數(shù)控機(jī)床的智能化遠(yuǎn)程診斷具備明顯的應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)還需要持續(xù)地開(kāi)展遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，將不同層次的運(yùn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)，補(bǔ)充信息數(shù)據(jù)庫(kù)，方便數(shù)控機(jī)床的故障維護(hù)。