面向数控刀架可靠性试验的CPS研究

论文摘要

数控刀架作为数控机床的核心部件,其可靠性水平直接影响机床的可用性。因此对数控刀架开展可靠性试验,为可靠性研究提供数据显得尤为重要。目前,数控刀架可靠性试验方法相互独立、试验手段离线化,缺乏试验过程中的异常检测方法,试验获得的数据很难为故障数据挖掘、故障预警与预防性维修提供技术支撑。针对上述这些问题,本文开展了面向数控刀架实验室可靠性试验的信息物理系统（CPS）研究,设计了一种数控刀架可靠性试验数据自动闭环流动的CPS架构,在实验室环境下搭建了数控刀架可靠性台架试验单元级CPS,在单元级可靠性试验CPS（RT-CPS）试验过程中,提出并验证了一种考虑多工作过程与多工况的数控刀架工作区间提取、分类与异常检测方法。本文的主要研究工作如下:1.设计了一个基于CPS架构的现场试验、台架试验与虚拟试验数据相交互的数控刀架可靠性试验系统。从单元级、系统级与系统之系统级三方面对RT-CPS进行体系架构设计与关键技术归纳。并在实验室环境下搭建了数控刀架台架试验单元级CPS,包括被测单元、状态感知单元、状态监测单元、初级决策单元、控制执行单元以及通信单元六部分。将单元级RT-CPS的初级决策单元划分为工作区间提取分类与异常检测两部分。2.建立了不同工作区间的提取与分类方法。以振动信号为研究对象,本文首先提出了动态阈值变尺度双门限法,用以确定工作区间的始末端点。然后设计了基于支持向量机特征逐步回归法（SVM-SR）的特征选择器,用于建立基于离散特征的工作区间分类;接着提出了基于端点检测的线性分段划分标准以及基于K-Means-Cloud模型的线段符号确定方法,用于建立基于形状特征的工作区间分类;最后得到一条不同特征分类下的数控刀架工作区间的分类流程。3.建立了振动信号与工况的关系模型。从机械原理出发,利用结构振动分析技术、回归分析技术、D-S证据理论、信息增益技术、K-Means聚类分析技术与广义回归神经网络（GRNN）技术分别探讨了松开/锁紧信号与油压,转位信号与转位间隔以及不平衡力矩,加载信号与加载力的数学关系模型,并建立了基于数据驱动的信号特征与工况的相互关系函数表达式,实现了通过信号特征能推出理论工况,通过工况能推出理论信号特征的功能。4.建立了考虑工况变化的异常检测方法。根据已建立的信号-工况关系模型,得到实际特征与理论特征的偏差,通过基于偏差特征的多元高斯分布模型,求解设备正常状态时不同工作区间的概率密度阈值,以此判断信号异常从属设备异常还是工况异常。同时与不考虑工况的多元高斯分布模型比较,验证了算法的先进性。5.开展了试验研究,通过试验验证了工作区间提取、分类以及异常检测算法的有效性。包括单样本与多样本下工作区间提取参数计算与验证;在三种训练样本等级下,基于离散特征分类算法与基于形状特征分类算法的分类准确率对比;工况已知和工况未知条件下异常检测的识别准确率计算。同时横向比较了本文提出的SVM-SR特征选择方法与传统决策树特征选择方法在工作区间分类的准确率,以及基于K-Means-Cloud模型的模糊分类与单纯K-Means聚类在工作区间分类的准确率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与来源
•     1.1.1 课题背景
•     1.1.2 课题来源
•   1.2 课题研究目的与意义
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 数控刀架可靠性试验系统的研究现状
•     1.3.2 数控装备CPS的研究现状
•     1.3.3 装备异常检测技术的研究现状
•   1.4 论文主要研究内容
• 第2章 数控刀架可靠性试验CPS设计
•   2.1 数控刀架可靠性试验对CPS的特性需求分析
•     2.1.1 数控刀架可靠性试验的特点分析
•     2.1.2 数控刀架可靠性试验对CPS的需求分析
•   2.2 数控刀架可靠性试验CPS设计
•     2.2.1 数控刀架可靠性试验CPS的体系架构
•     2.2.2 数控刀架可靠性试验CPS的关键技术
•   2.3 数控刀架可靠性台架试验单元级CPS搭建
•     2.3.1 数控刀架可靠性台架试验单元级CPS设计
•     2.3.2 数控刀架可靠性台架试验单元级CPS实现
•   2.4 本章小结
• 第3章 数控刀架单元级RT-CPS工作区间分类算法研究
•   3.1 数控刀架工作过程分析
•   3.2 数控刀架振动信号工作区间提取技术研究
•     3.2.1 带噪信号预处理
•     3.2.2 基于动态阈值双门限法的工作信号端点检测
•     3.2.3 基于变尺度的工作信号端点细化
•   3.3 数控刀架振动信号工作区间分类技术研究
•     3.3.1 基于离散特征的工作区间分类
•     3.3.2 基于形状特征的工作区间分类
•     3.3.3 数控刀架工作区间分类流程
•   3.4 本章小结
• 第4章 数控刀架单元级RT-CPS异常检测算法研究
•   4.1 数控刀架工作工况定性分析
•     4.1.1 数控刀架工作工况调研
•     4.1.2 工况建模与异常检测的关系
•   4.2 松开锁紧振动信号与工况关系建模
•     4.2.1 松开锁紧动作机械原理分析
•     4.2.2 松开锁紧振动数学模型
•     4.2.3 松开锁紧振动数据驱动模型
•   4.3 转位振动信号与工况关系建模
•     4.3.1 转位振动机械原理分析
•     4.3.2 转位振动数学模型
•     4.3.3 转位振动数据驱动模型
•   4.4 加载振动信号与工况关系建模
•     4.4.1 加载振动机械原理分析
•     4.4.2 加载振动数学模型
•     4.4.3 加载振动数据驱动模型
•   4.5 设备异常与工况异常检测算法研究
•     4.5.1 数控刀架异常情况定性分析
•     4.5.2 基于单类学习的数控刀架异常检测
•   4.6 本章小结
• 第5章 工作区间分类与异常检测技术在初级决策的应用
•   5.1 试验方案设计
•     5.1.1 振动信号测试方案设计
•     5.1.2 设备正常时工况变化试验方案设计
•     5.1.3 设备异常试验方案设计
•   5.2 工作区间分类算法试验验证
•     5.2.1 工作区间提取算法试验验证
•     5.2.2 工作区间分类算法试验验证
•   5.3 设备异常与工况异常检测算法试验验证
•     5.3.1 工况已知的异常检测算法验证
•     5.3.2 工况未知的异常检测算法试验验证
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡炜

导师: 陈菲

关键词: 数控刀架,信息物理系统,异常检测,工作区间提取与分类,工况变化

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 金属学及金属工艺,自动化技术

单位: 吉林大学

基金: 国家科技重大专项“功能部件测试共性技术研究与能力建设”的子课题(课题编号:2016ZX04004007)

分类号: TG659

总页数: 137

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