王國棟，普遠(yuǎn)矚

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190）

0 引言

數(shù)控設(shè)備是一種規(guī)模龐大、技術(shù)復(fù)雜的特殊產(chǎn)品，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平不斷發(fā)展的情況下，數(shù)控設(shè)備的規(guī)模越來越大，給故障檢修工作帶來非常大的難度。為了提升數(shù)控設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少數(shù)控設(shè)備壽命周期的維護(hù)費(fèi)用，業(yè)內(nèi)相關(guān)研究人員開始對數(shù)控設(shè)備的維修保障機(jī)制進(jìn)行全面而細(xì)致的探索，旨在提升數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。故障預(yù)測和健康管理（Prognostic and healthy management，PHM）技術(shù)，能夠精準(zhǔn)把控?cái)?shù)控機(jī)床的相關(guān)部件和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對數(shù)控設(shè)備進(jìn)行預(yù)計(jì)診斷，保證其后續(xù)的運(yùn)作時(shí)間和運(yùn)作穩(wěn)定性，將全部的故障預(yù)測信息整合處理，最終對維修活動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)籌化管理。

1 故障預(yù)測與健康管理技術(shù)

數(shù)控設(shè)備的故障預(yù)測和健康管理技術(shù)（以下簡稱PHM）最早起源于美國軍方，是目前數(shù)據(jù)設(shè)備管理工作的核心技術(shù)之一。該技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行綜合性的健康管理，同時(shí)能夠精確檢測到設(shè)備當(dāng)中的故障。在國外一些發(fā)達(dá)國家尤其在美國軍方當(dāng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全面普及應(yīng)用。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)開始從軍事領(lǐng)域向其他領(lǐng)域擴(kuò)展，是未來數(shù)控設(shè)備管理工作發(fā)展的主要趨向。

現(xiàn)階段，PHM 技術(shù)的相關(guān)研究在我國已經(jīng)全面展開，但是研究的深入程度還有待加強(qiáng)，一些研究成果存在一定的片面性，無法滿足生產(chǎn)制造工作的實(shí)際需求，在工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用層次不足。鑒于這種情況，相關(guān)工作人員和研究人員在技術(shù)應(yīng)用和研究工作中要對PHM 技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行深入剖析，明確其具體的運(yùn)行機(jī)制，提升其在工業(yè)領(lǐng)域的推廣價(jià)值，使我國的工業(yè)生產(chǎn)能力得到實(shí)質(zhì)性的提升。

2 故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從運(yùn)行機(jī)理上來看，PHM 系統(tǒng)可以監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行全過程中產(chǎn)生的全部狀態(tài)信息，并對數(shù)控設(shè)備當(dāng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析，明確這些關(guān)鍵部件的性能退化情況，進(jìn)而為企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度工作和設(shè)備保障工作提供決策支持。相關(guān)技術(shù)人員在使用PHM 系統(tǒng)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注數(shù)控設(shè)備關(guān)鍵部件的振動(dòng)狀況和溫度信息，進(jìn)行全面的采集和處理[1]。結(jié)合性能退化模型、設(shè)備精度模型以及設(shè)備壽命評估模型等分析手段，將其與人工智能技術(shù)深度結(jié)合，最終對數(shù)控設(shè)備實(shí)行全方位的智能保障。

3 數(shù)控設(shè)備故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)組成及功能

3.1 數(shù)控設(shè)備故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)的功能

（1）監(jiān)測功能。PHM 系統(tǒng)可以監(jiān)測數(shù)控設(shè)備當(dāng)中的潤滑系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)以及其他輔助功能的子系統(tǒng)，使其始終處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中，并及時(shí)上報(bào)系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)的故障問題，為數(shù)控設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行打下初步基礎(chǔ)[2]。

（2）信號采集功能。PHM 系統(tǒng)能夠在數(shù)控設(shè)備的溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器設(shè)備當(dāng)中采集信息信號，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作提供強(qiáng)大的支撐。

（3）故障預(yù)測功能。PHM 系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對設(shè)備當(dāng)中出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行分析，并準(zhǔn)確判斷設(shè)備各個(gè)位置出現(xiàn)故障的可能性，對其進(jìn)行精確預(yù)測。

（4）健康評估功能。PHM 系統(tǒng)的最典型特點(diǎn)就是對數(shù)控設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，詳細(xì)分析設(shè)備每個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀況，并在設(shè)備出現(xiàn)故障隱患時(shí)提出針對性的建議。

3.2 數(shù)控設(shè)備故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)的組成

PHM 系統(tǒng)的構(gòu)成可以分為9 個(gè)部分，分別是信號采集系統(tǒng)、性能退化模型、壽命預(yù)測模型、故障預(yù)報(bào)系統(tǒng)、專家數(shù)據(jù)庫、子系統(tǒng)和整機(jī)性能健康評估系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、管理服務(wù)器以及管理用戶層。各部分所負(fù)責(zé)的具體工作如下：

（1）信號采集系統(tǒng)能夠處理數(shù)控設(shè)備當(dāng)中所有子系統(tǒng)的狀態(tài)變化情況和故障信息，在各種傳感器當(dāng)中提取信息。傳感器當(dāng)中發(fā)出的信號通過信號采集系統(tǒng)直接輸入到工控機(jī)當(dāng)中進(jìn)行系統(tǒng)化分析[3]。

（2）PHM 系統(tǒng)的每個(gè)性能退化模型都能準(zhǔn)確捕捉數(shù)控設(shè)備當(dāng)中各部件的性能狀態(tài)和敏感特征，通過非線性映射的關(guān)系表現(xiàn)出來，以此完成設(shè)備部件性能退化趨勢的評估和預(yù)測。

（3）壽命預(yù)測模型參考設(shè)備的工作時(shí)間、加工參數(shù)等相關(guān)信息，與性能退化模型進(jìn)行合作預(yù)測，從而明確當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境中數(shù)控設(shè)備部件的剩余壽命。

（4）故障預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠按照系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置的非線性閾值和性能退化的具體狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生概率的事先判定。

（5）專家數(shù)據(jù)庫收錄了每一次設(shè)備預(yù)測和診斷的結(jié)果，在工作完成之后數(shù)據(jù)即開始同步傳輸，從而使專家數(shù)據(jù)庫中的知識不斷更新[4]，豐富故障解決方案。

（6）子系統(tǒng)和整機(jī)性能健康評估在壽命預(yù)測模型、故障預(yù)警模型和專家數(shù)據(jù)庫的共同作用下，對數(shù)控設(shè)備的整體狀態(tài)進(jìn)行綜合評估和智能診斷。

（7）數(shù)據(jù)服務(wù)器的作用是存儲(chǔ)數(shù)控設(shè)備各個(gè)部件的信息，并將其進(jìn)行分類處理，在提供使用便利的同時(shí)提升數(shù)據(jù)的安全性。

（8）管理服務(wù)器可以調(diào)取并使用數(shù)據(jù)服務(wù)器當(dāng)中的數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備各子系統(tǒng)的狀態(tài)和性能參數(shù)。

（9）管理用戶層將企業(yè)車間的設(shè)備管理工作人員視為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，在遠(yuǎn)端得到數(shù)控設(shè)備的各類型加工信息和狀態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備的細(xì)致化維護(hù)。

4 數(shù)控設(shè)備故障預(yù)測和健康管理維修保障系統(tǒng)工作流程

PHM 系統(tǒng)的工作流程主要可以分為兩部分：一是信息采集故障預(yù)測流程，二是設(shè)備維修管理流程。這兩個(gè)流程又可以細(xì)化分為4 個(gè)階段，具體內(nèi)容如下：

（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和相關(guān)信息采集階段。該階段是PHM系統(tǒng)全面運(yùn)行的基礎(chǔ)性保障，在細(xì)致化的信息收集工作和狀態(tài)監(jiān)控工作的保障下，PHM 系統(tǒng)可以得到數(shù)控設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際信息[5]，明確數(shù)控系統(tǒng)的確切狀況，為數(shù)據(jù)處理工作和故障預(yù)測工作提供大量的數(shù)據(jù)支撐。

（2）故障分析階段。在相關(guān)信息獲取完畢之后，PHM 系統(tǒng)即開始系統(tǒng)化分析設(shè)備當(dāng)中的故障。系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)處理模塊能夠精確化處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，得到專業(yè)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。數(shù)據(jù)分析結(jié)果中展示了設(shè)備實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)留數(shù)據(jù)之間的差異，如果二者之間差異過大，表明設(shè)備出現(xiàn)故障的概率較大，并對其進(jìn)行深入的故障診斷。若經(jīng)過診斷之后確實(shí)存在故障，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出告警信息，并輸出相關(guān)的故障信息。

（3）故障預(yù)測階段。在故障分析工作完成之后，若未發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)工作即進(jìn)入故障預(yù)測階段。PHM 系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析過程中也會(huì)產(chǎn)生失誤，故障預(yù)測階段就是針對于PHM 系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析過程中存在的疏漏進(jìn)行再次檢測。即使故障診斷結(jié)果表明設(shè)備當(dāng)中不存在故障，但是設(shè)備當(dāng)中依然會(huì)存在潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)，故障預(yù)測能夠精確判斷故障發(fā)生的可能性，并給出相應(yīng)的檢修意見。

（4）故障維修階段。故障的維修工作比較常規(guī)，維修人員只需對判定存在故障的方面進(jìn)行針對性維修即可，在維修過程中要生成有參考意義的技術(shù)建議，為下一次維修工作提供參考。

5 大型數(shù)控設(shè)備故障預(yù)測和健康管理維修保障系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

PHM 技術(shù)在大型數(shù)控設(shè)備當(dāng)中的核心技術(shù)是信號分析和特征選擇技術(shù)。在數(shù)控設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中，其故障產(chǎn)生的原理和變化規(guī)律會(huì)發(fā)生一定變化。這種情況下，相關(guān)技術(shù)人員需要結(jié)合故障信號的變化特征，通過正確的信號處理方式來提取故障特征，這也是故障預(yù)測和設(shè)備性能評估的重要前提。

制造現(xiàn)場得到的信號受到外部環(huán)境的影響，往往質(zhì)量比較低，許多故障信號在嘈雜的外部環(huán)境當(dāng)中難以識別。因此，針對大型數(shù)控設(shè)備的工作環(huán)境，近年研發(fā)設(shè)計(jì)的PHM 系統(tǒng)中嵌入了信號濾波處理單元[6]，通過提升信號信噪比的方式來消除噪聲的影響。但是信號濾波技術(shù)作為一種單純的信號處理技術(shù)，經(jīng)常會(huì)在剔除噪聲的同時(shí)剔除有用信號，因此PHM 技術(shù)的研發(fā)人員在其中加入了特征提取技術(shù)，融合噪聲和設(shè)備部件的具體運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對故障信號的精確提取。

特征提取技術(shù)在時(shí)域、頻域以及時(shí)頻域當(dāng)中對經(jīng)過預(yù)處理的信號進(jìn)行二次深度處理，深入分析故障或性能變化的映射關(guān)系，最終得到與故障和性能變化趨勢相同的單調(diào)線性特征。特征提取的方式使信號的特征指數(shù)更加明確，簡化運(yùn)算流程，提升故障判斷和故障預(yù)測的準(zhǔn)確程度。特征提取當(dāng)中比較常用的方式有模糊聚類算法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及灰色關(guān)聯(lián)度等等。

6 總結(jié)

PHM 系統(tǒng)在數(shù)控設(shè)備當(dāng)中的應(yīng)用價(jià)值非常明顯，相關(guān)技術(shù)人員在數(shù)控設(shè)備操作的過程中要積極引進(jìn)PHM 技術(shù)，明確PHM 技術(shù)的運(yùn)行機(jī)制、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)構(gòu)成，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)情況進(jìn)行有效應(yīng)用。