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1、!&#!柔性制造系统!&(的状态检测监控技术研究赵中敏!淮海工学院工程训练中心江苏 连云港 UUU$V$摘要!在综合国内外文献的基础上对柔性制造系统$!#%的三种状态检测监控结构进行了分析和对比发现各有优缺点#在此基础上引入一种合弄监控结构$Q 4H/.0 Q 2%该监控系统中的每一个功能模块既具有相对独立性又和监控系统其它部分具有合作性可随时按市场需求构成所需的结构形式实现可重组状态监控系统$=C#%的目标#从监控层&数据采集层&设备层的构建和实施给出了系统模型对合弄监控涉及的关键技术进行了探讨#最后归纳了合弄监控系统的特点及发展趋势#关键词!柔性制造系统状态监控可重组合弄结构系统模型,(8
2、 1-$0$)($%)5:/67 )=8/#$%2 0,0 R*4-5 F;-$(-5;-7 7 ;-5H ,;-;-5)7-+,;*,;9-6 ;+74 A H 7 *-4=4 5 E 8;,-E+-5,-5 UUU$V)1%$,-(./0(!R-*7N,6;6 4 A 6 E-*7 6;Y;-5 *7=;,7,4,C *7 7 7 6 ,7;-6 G7 ;4-,-C F 4-;-56 +7 6 4 A A=7 T;N=7F,-+A,;-56 E 6 7 C,-C A 4+-C *,*7 E,=*,J 7,CJ,-,5 7 6,-C C;6,CJ,-,5 7 6 OR-*;6 N,6;6 ,
3、5 7 4 5 7 F 4-;6 +7$*4=,*E%*,6 N7 7-;-4 C+7 CO9-*;6F 4-;-56 E 6 7 F 7,*4 A *7A+-7=,;J 7;-C7 G7-C7-,7 C S;*4 G,6 4 A *76 E 6 7 F *+6;F,6 +7,-E C;-5 4 _7 C7 F,-C6 7,=;Y 7 7 B 4-A;5+,N=7 4-C;4-F 4-;-5 6 E 6 4 F*7N+;=C;-5,-C;F G=7 F 7-,;4-4 A=7 J 7=F 4-;-5 C,+;6;,-C 4 A 7+;GF 7-,6 E 6 7 FF 4 C7=*,6 N7 7
4、-5;J 7-4+*7 _7 E 7 *-4=4 5;7 6;-J 4=J 7 C;-*7 5 7 4 5 7 F 4-;-5,7 C;6 P+6 6 7 COL;-,=E ,;6 ;6,-C *7 C7 J 7=4 GF 7-7-C 4 A *7 F 4-;-5 6 E 6 ;Y 7 CO1&23 4.5-!L=7 T;N=7M,-+A,;-5DE 6 7 F )4-C;4-M 4-;-5?7B 4-A;5+,N=7 4=,*EL 4 F DE 6 *E#%该监控系统中的每一个功能模块既具有相对独立性又和监控系统其它部分具有合作性%可随时按市场需求构成所需的结构形式%实现可重组状态监控系统
5、7 4-A;5+,N=7 4-C;4-F 4-;-56 E 6 7-教授最先给出?M D 7 4-A;5+,N=7F,-+A,;-56 E 6 7 F#定义&他指出%?M D 是为响应市场或不规则需求的突然变化%迅速调整在一个零件族内的生产能力功能性%首先为快速改变结构以及硬件与软件组元而设计的一种可重组制造系统&由此可知%?M D 是一种基于市场或产品驱动的具有物理组态可变能力的先进制造模式&它在概念上比传统制造系统具有更大的创造性突破和超越式发展%是全球化市场经济发展的产物&因此%?M D 是适应今天和明天先进制造发展的新一代技术群体中一种重要而适用的技术%对制造业增强竞争力有着重要意义&
6、在制造系统中%状态监测系统是制造系统能够实现制造资源重组与配置完成各种加工任务的重要保障%因此从本质上讲%应用于制造系统的状态监控都应该是可重组的&也就是说%构建制造系统的状态监控系统时%监控系统硬件资源应该能够灵活地$最大程度地实行重新组合与配置%以适应制造资源的不同配置要求%而软件资源也能够方便快捷地进行重新组态满足不同品种与批量的制造要求等等&综合国内外文献%到目前为止%还未给出可重组状态监控系统?)M D#一个定义&但从其可重组思想来看%?)M D 应该具有如下特征(!可重组性(按照一定的规则重新布置其组元的能力模块化(系统的主要组元包括硬件和软件#具有通过适当封装后作为整体进行工作的
7、能力#可集成性(系统组元或各模块具有通过通用或标准的接口组成一个整体进行工作的能力$可变性(在现有系统以及未来系统之间进行变换的能力%订制化(按监控系统或监控单元进行变化的能力&敏捷性(提供多样化系统或从旧系统快速转换到新系统的能力自诊断性(系统本身能快速识别发生的故障和可靠性的能力(经济可承受性(经济上能实现系统变化的能力&在上述特征中%可重组性是?)M D 的基本特征&模块化和可集成性是?)M D 的组态物理布置#特征%体现了?)M D 既集中又分解分散#的要求&可变性和订制化是?)M D 适应性的体现&可变性特指系统需求变换时%状态监控系统快速变更与调整添加$去除$革新以及替换组元#的能
8、力%它体现了系统对内部变化的适应能力&订制化是按状态监控系统或监控系统单元设计$制造的能力%它体现了系统对外部变化的适应能力&敏捷性除了包含可变性和订制化的特征之外%还增加了快速性的时间特征&自诊断性则体现了?)M D 对系统本身的识别要求%是?)M D 的质量保证&经济可承受性是?)M D 的经济保证&尽管物理组态可变可重组#使?)M D 具有一些特有的特征%但重组之后的状态监控系统可以是制造单元监控系统或整个制造系统监控系统&因此%可重组状态监控系统有更大的适应性&7!#状态检测监控的控制结构L M D 状度监控主要有&种基本结构形式见图#(集中监控结构 7-,=;Y 7 C A 4 F#
9、$分层递阶监控结构G 4 G7 *;7 ,*;,=A 4 F#和协同监控结构*7 ,P*;,=A 4 F#&集中监控结构具有设备投资少$易于全局优化等优点%所以早期的监控系统大多采用这种结构但它同时也存在着可靠性低$响应速度慢和可扩展性不好等缺点&目前的监控结构普遍采用分层递阶结构%在实现方法上采用自顶而下的结构化实现技术&用这种结构开发的系统大多为定制监控系统%当监控系统的需求发生变化时%这种监控系统大多必须重新开发&当前的计算机集成制造系统)9 M D#$柔性制造系统L M D#大多采用这种结构%这是目前 L M D 和)9 M D 在推广应用和进一步研究开发遇到的主要问题之一&另外一种是
10、协同监控结构%在实现方法上大多采用面向对象或代理0 5 7-*E#&所谓合弄*4=4-#是指一种系统构造单元%相对于其上层组织具有协作特性的部分%相对于其下层组织具有自律特性的整体&一个合弄可以是另一个合弄的一部分%同时又可以由其它一些合弄组成的&合弄结构将递阶结构和协同结构的优点很好地结合在一起%体现在其监控的相对分散性和集中性上&!&!集中监控和递阶监控方式过于刚性%很容易突然失灵%而协同监控结构方式过于分散$缺少整体优化性&在合弄监控中%由于合弄的相对自律性以及整个系统负责的系统协调机制的存在%监控既是相对分散的%又是相对集中的%由所有合弄共享%在系统的每层上都存在有管理控制功能&因此%
11、以这种监控结构形式的监控系统就像一个)魔方*%其功能组成单元就好像是魔方的一个个不同!&%!颜色的方块%市场对监控系统的需求就像人们要求的魔方的目标%人们可以按市场需求重组监控系统各组成单元&监控系统中的每一个功能模块既具有相对独立性又和监控系统其它部分具有合作性%可随时按市场需求构成所需的结构形式%实现可重组监控系统的目标&8!#合弄监控系统的总体结构8:6检测监控层检测监控层是整个系统结构的核心%主要功能包括(!完成检测监控诊断硬件设备组态接受数据采集层上传的设备与工艺过程状态信息并将其保存在数据服务器的历史数据库中#提取设备与工艺过程状态信息的特征信息并保存在数据服务器的特征数据库中$根
12、据特征信息对设备与工艺过程运行状态进行评估%预测设备运行趋势%对故障进行诊断并给出处理策略建议%对于无法确诊的故障上传给管理层寻求其他途径诊断&检测监控层主要由 a7 N 服务器$数据库服务器$诊断服务器组成&#a7 N 服务器主要用于连接厂级局域网%可以根据需要将设备状态信息等在厂内局域网上发布%不同职能部门根据不同授权级别浏览与其相关的信息内容&另外%还可以通过厂信息中心与外部远程监测诊断中心相连%实现远程监测诊断专家资源厂内共享和W或实现远程状态监测与诊断&U#数据库服务器主要用于保存数据采集层上传的设备工艺过程状态信息$诊断服务器的诊断结果及其他系统运行的必需数据%如专家知识与设备组态
13、信息等&为此在数据服务器上装有专门开发的历史数据库$特征信息数据库$专家知识库以及设备组态信息库等&#诊断服务器主要完成设备与工艺过程实时运行状态监测$状态特征信息提取$设备与工艺过程运行故障分析以及诊断与趋势预测%故障处理策略建议等&为此诊断服务器上主要安装的软件模块有(状态监测模块$特征信息提取模块$分析诊断模块$趋势预测模块及专家系统等&8O 7数据采集层数据采集层主要实现对受监测对象的实时运行状态信息的采集并将采集到的信息上传到检测监控层中的数据库服务器中保存&按照实际布置在受监测对象上的传感器类型不同%有%种数据采集模式(模拟量采集模块$数字量采集模块$基于现场总线的模拟量采集模块和
14、基于现场总线的数字量采集模块&模拟量采集模块$数字量采集模块分别由模拟量采集分站和数字量采集分站实现%而基于现场总线的模拟量和数字量采集模块则经过现场总线W 以太网转换接口转换后%由基于现场总线的数据采集分站上传到检测监控层中的数据库服务器中保存&8O 8设备层设备层主要由布置在受监测对象上的各种类型传感器及信号调整与转换接口装置构成&根据传感器类型不同%将设备层分为%种信号检测方式(模拟量与数字量传感器及信号调理基于现场总线模拟量与数字量传感器及现场总线W 以太网转换装置&信号调理模块又可以分为%种基本类型模块(电压信号调理模块$电流信号调理模块$振动信号调理模块和温度信号调理模块&9实施的
15、关键技术柔性加工单元其主要功能部位$部件有刀具W 工件部位$主轴电动机部位$主轴传动部位部件#$进给电动机部位$进给传动部位部件#$电网$气液压传输$各种控制器$刀头交换部位部件#$刀具交换部位部件#$刀库等&建立的监控系统主要监测这些部位的异常情况&硬件是以多参数并行处理和总体综合监测的策略以及开放的$可重组的思想设计的&#信息提取与传感器布点方案与实现&在充分分析 L M D 加工设备的并行运行机理$状态的表现形式$信息传递机理及故障特点的基础上%提出了基于多传感器融合的 L M D 分布传感器选取与布点策略和方案&其原则是(!在加工信息传递链和加工功率传递链的关键部位获取典型状态信号%且
16、信号容易获取以尽量少的传感器获取尽量多的或全面的状态信息%且安装$走线方便%不破坏加工系统原有设备和功能#尽量利用加工系统已有的状态信息&主要获取的信号有(传动部位振动$电动机支承座振动$刀具W 工件部位振动$电动机电流W 电压W 功率$转速信号$供电电压$电动机温度$传动箱温度$气液压源压力$Q 8)状态信息等&只有用不同种类$不同特性$按一定要求布置的大量传感器提取加工系统各部分足够充分的信息%才有可能从相互关联的多参数中得出感兴趣的结论%获得相互关联的设备$过程的状态信息&U#集成信息处理与数据采集控制柜的研制开发&在系统决策模型的支持下指导下%开发信号处理!&V!模板与二次处理仪表%使
17、之具备模块化可重新组合$可扩展$可调整的开放式的硬件模板结构%使用户可以用基本的$标准的各模块单元%根据对象的不同%经优化组合实现通用而又专业的系统&采用同类信号由相同硬件模块并行处理%各子系统信息模板化集中并行处理的策略与实现方案&为了适应全局总体状态的多参数多模型综合决策的需要%开发了 Z%通道高速并行数据采集系统&#以微机为核心建立基于多传感器信息融合的智能化多参数综合监测与诊断决策通用体系&实现信号采集$处理$分析与存储%实现监测与决策主功能以及数据管理$查询%参数$模型和监控策略的调整等辅助功能&%#满足计算机集成制造系统)9 M D#工程的通迅与信息集成模块&软件主要包括状态特征参
18、数提取与状态描述模块%机器自适应学习训练模块%工况与过程状态辨识模块%全局状态与故障综合诊断决策模块%在线数据管理及参数$模型$策略调整模块等%通过监测与评价加工过程中大量的信息与参数%实现柔性制造环境下加工单元设备与过程的状态监控与诊断决策&;合弄监控系统的特点及发展趋势合弄监控系统具有软硬件系统的模块化$可扩展$可重构式结构的采用%系统的组建以图形化组态方式进行的特点&用户可以运用基本的$标准的部件模块#%各模块单元根据诊断对象的不同%经特征优化及细节设计实现通用而又专业的系统监控系统的体系和布局与复杂制造系统的结构相适应%采取不同的系统层对应不同的监控与诊断模块%即故障诊断的层次模型%形
19、成分布式信息拾取与处理%并逐级向上集成形成全局的状态检测与故障诊断系统%即)可重组*$)可集成*系统&随着)网络全球化*$)市场全球化*$)竞争全球化*$)经营全球化*的出现%许多企业都积极采用)全球制造*和)网络制造*的策略&计算机集成制造系统)9 M D#建设的三个集成化要求也完全融入了全球网络化的趋势&)9 M D 发展从企业内部走向区域化$行业化直至全球化&在全球化的生产方式下%复杂系统的设计$制造往往是由多个处于不同地域的企业协同完成&因此%对其进行故障诊断难以由单一企业提供相关服务和技术支持%基于网络的远程故障诊断中心成了当前及以后的研究热点&在网络大环境中%故障诊断过程将利用多方
20、资源协同完成&网络技术$现代通信技术$活动图像的压缩技术$分布式数据库技术$多媒体技术$人工智能技术$在线监测和数据采集技术等诸多方面都受到重视&网络模式下的故障诊断系统标准化研究%则是应受到普遍关注和急需解决的问题%国外已有相应的标准推出&参考文献#周祖德%陈幼平O 现代机械制造系统的监控与故障诊断O 武汉(华中理工大学出版社%#!OU盛伯浩%罗振壁%俞圣梅等O 快速重组制造系统的动态建模和结构体系O 中国机械工程%#!%#$!#(#$VV f#$Z$&孙宇%范亚新等O 基于 3 0 9 的 L M D 智能检测监控系统研究O 中国机械工程%#!%#$Z#(&U f&%王成恩O 制造系统的可
21、重构性O 计算机集成制造系统0)9 M D%U$%Z%#(#f VV吴伟蔚O 基于 9-7 的远程协作诊断若干关键技术O 武汉(华中科技大学%U$#OZ胡友民%杜润生%杨叔子O 智能化状态监测技术研究O 中国机械工程%U$&%#%#(!%Z f!%!赵中敏O 柔性制造系统L M D#故障诊断系统设计O 机床电器%U$%#(&U f&Z作者#赵中敏$男$#!%年生$讲师$主要从事智能诊断&数控技术的研究与教学工作$发表论文 Z 篇%!编辑梁玉收稿日期(U$B#U B$Z#文章编号!&$如果您想发表对本文的看法请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置#,书讯,压铸模具工程师专业技能入门与精通甘玉
22、生主编邮购价(&Z 元本书从压铸生产的压铸机$压铸模具及铸件结构三大要素入手%介绍了模具结构及影响因素%模具零部件设计思路与方法%浇注与排溢系统设计与验证%压铸机与模具的配合等内容%并列举了十余个实际应用的压铸模具设计实例&本书介绍的内容全面系统%针对性$实用性强&本书的读者对象%主要是具有材料成型和模具的基础知识的在校毕业班学生%或刚刚走出校门已就业或正在寻找就业机会的本专科学生&冲压模具工程师专业技能入门与精通关明主编&邮购价(&Z 元本书主要读者对象是在高校学过模具专业相关课程%刚刚走出校门%已就业或正在寻找就业机会的本专科院校毕业生&编写本书的目的是帮助他们实现)从校园到职场*的转换%提高学生对冲压工艺工序图$模具装配图$部件图$零件图的读图$绘图和设计能力%从而进一步提高他们分析$解决实际问题方面的能力%使工程院校毕业生在走出校门后能够顺利上岗%并尽快胜任高级模具设计工程师的岗位要求&本书可作为高等院校$大专院校$大型企业单位举办的高级模具设计工程师培训教学用书%也可供模具专业有关的工程技术人员参考&来款请寄(北京市朝阳区望京路%号%机床杂志社收%邮编(#$#$U&