隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展，從二十世紀(jì)八十年代開始加工中心引起了發(fā)達(dá)國家的重 視，并注入了大量的資金和人力進(jìn)行研究。加工中心的精度、速度等一系列參數(shù)得到 了迅速提升，而可靠性作為一個評估參數(shù)也逐漸浮現(xiàn)在人們的視野中。狀態(tài)監(jiān)測和故 障預(yù)警作為提升可靠性水平的一種重要措施也引起了更加廣泛的關(guān)注。
為了實(shí)現(xiàn)對刀庫運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測功能，本文設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 采集信號主要包括振動信號、溫度信號三個方面，溫度傳感器安裝于電機(jī)表面，振動 傳感器安裝于機(jī)械手下表面，如圖3.3所示。
自然界中閃電和天然的磁石引起了人類的注意，這樣人類開始注意到電磁現(xiàn)象。 公元1086年北宋的科學(xué)家沈括在自己撰寫的《夢溪筆談》一書中述說了指南針的制 做方法、使用方法及用途。這是人類歷史上最早闡述關(guān)于電磁現(xiàn)象的書籍，并且利用 磁現(xiàn)象研制出了實(shí)用物品。丹麥人奧斯特在1820年才發(fā)現(xiàn)了電和磁之間的感應(yīng)現(xiàn)象, 比中國晚了 700多年。法國人薩伐爾和畢奧總結(jié)推導(dǎo)出直流電元的磁力定理。依據(jù)電 磁感應(yīng)定律法國物理學(xué)家阿拉戈創(chuàng)造出了電磁鐵。根據(jù)不同的應(yīng)用電磁鐵分為磁懸 浮、永磁鐵排斥性磁懸浮和感應(yīng)斥力磁懸浮三種形式。
逆系統(tǒng)解耦：逆系統(tǒng)分為兩種，一種是左逆系統(tǒng)，另一種是右逆系統(tǒng)。左逆系統(tǒng) 研究對象是系統(tǒng)輸入的觀測問題，右逆系統(tǒng)研究的對象是系統(tǒng)的輸出觀測問題。一般 我們只討論左逆系統(tǒng)。通過求解被控系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，然后將求解得到的逆系統(tǒng)串聯(lián)在 被控系統(tǒng)前，逆系統(tǒng)將被控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成了偽線性系統(tǒng)。偽線性系統(tǒng)是指非線性系統(tǒng)具 備了線性系統(tǒng)的特征，但其本質(zhì)仍然是非線性的。串聯(lián)逆系統(tǒng)后的耦合系統(tǒng)會被解耦 成多個SISO的偽線性系統(tǒng)，由于非線性系統(tǒng)具有了線性系統(tǒng)的特征，因此對于工程 上來說降低了控制難度和控制成本。由于想要得到非線性系統(tǒng)的逆系統(tǒng)非常困難，因 此需要利用一些算法求得非線性系統(tǒng)的逆系統(tǒng)。文獻(xiàn)[21]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化和 擬合能力來模擬出發(fā)酵系統(tǒng)的非線性逆模型。文獻(xiàn)[22]利用支持向量機(jī)非線性回歸功 能逼近兩個耦合電機(jī)的逆系統(tǒng)。
為了消除精工加工中心移動橫梁與導(dǎo)軌之間的摩擦對加工精度的影響。本文利用 電磁懸浮技術(shù)將橫梁完全懸浮起來，從而徹底消除摩擦，有效地提高了加工精度。由 于加工中心移動橫梁是由雙電磁懸浮系統(tǒng)共同懸浮，兩個懸浮系統(tǒng)由機(jī)械橫梁聯(lián)系在 一起，因此它們之間存在著耦合關(guān)系。分析雙電磁懸浮系統(tǒng)的受力情況得出它們的耦 合關(guān)系是本文重要內(nèi)容之一。耦合的存在并不一定都是不利的?？梢岳脵C(jī)械橫梁的 協(xié)同強(qiáng)迫性增加兩個電磁懸浮系統(tǒng)的同步性能，從而提高移動橫梁水平方向懸浮的穩(wěn) 定性和零件的加工精度。耦合的不利方面體現(xiàn)在：由于兩個懸浮系統(tǒng)不可能完全相同， 因此在橫梁啟動懸浮或穩(wěn)定運(yùn)行后其中一個懸浮系統(tǒng)受到干擾時，耦合的存在會使兩 個懸浮系統(tǒng)同時受到干擾。從解耦的角度出發(fā)設(shè)計(jì)解耦控制器將兩個電磁懸浮系統(tǒng)解 耦成兩個獨(dú)立的系統(tǒng)。本文還對解耦后的單電磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了控制器的設(shè)計(jì)。針對 精工加工中心龍門磁懸浮系統(tǒng)的耦合情況的分析和單電磁懸浮系統(tǒng)的控制算法的研 究本文從以下六個方面對精工加工中心進(jìn)行介紹和說明。
由式(2.13)可以搭建出電磁懸浮系統(tǒng)MATLAB仿真框圖，并對懸浮系統(tǒng)在沒有 任何控制器開環(huán)情況下施加0.002m的位置階躍信號驗(yàn)證其穩(wěn)定性，仿真框圖、仿真 結(jié)果圖如圖2.3、2.4所示。 由圖2.4可以看出電磁懸浮系統(tǒng)在不加任何控制器開環(huán)的情況下系統(tǒng)是發(fā)散的、 不穩(wěn)定的。對系統(tǒng)進(jìn)行線性化后穩(wěn)定性分析，具體參數(shù)取值如下：磁極面積」= 125cm2,單 邊氣隙￡^=2111111，氣隙磁阻i? = 0.65D，線圈阻數(shù)iV = 340，橫梁一半質(zhì)量w = 284kg，真空磁導(dǎo)率^=4;ixl(r7H/m,平衡點(diǎn)電流& =7A,代入公式中進(jìn)行計(jì)算得磁懸浮
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加工中心盤式刀庫換刀系統(tǒng)的故障率較高，但故障模式較為單一。通過實(shí)驗(yàn)室連 續(xù)試驗(yàn)激發(fā)故障，對所采集的故障前后信號特征進(jìn)行處理分析，獲取故障特征值，從 而實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，即在故障信號出現(xiàn)而故障未發(fā)生時發(fā)出報(bào)警提示。本文旨在提出一 種有效的故障預(yù)警方法，并在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證其可行性。
該系列盤式刀庫采用減速電機(jī)帶動分度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀盤的運(yùn)轉(zhuǎn)，選刀動作快速、平 穩(wěn)。分度機(jī)構(gòu)由圓柱凸輪與凸輪軸承組合而成，分度精度高，噪音??；刀庫刀套采用 工程塑料ABS制作，具有重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，因此在進(jìn)行信號采集時 能將干擾降到最低，有效地降低了故障誤報(bào)率。上述減速電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時帶動副鏈輪、 副鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)，通過副鏈條帶動刀庫外部帶有接近傳感器的軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對刀盤運(yùn)動的 精確控制。機(jī)械手的換刀動作由減速電機(jī)帶動鏈條、鏈條帶動滾子式蝸型弧面復(fù)合凸 輪來完成。
故障預(yù)警系統(tǒng)主要包括電氣控制環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)和PLC控制環(huán)節(jié)，只有三個 環(huán)節(jié)協(xié)同工作才能完成盤式刀庫換刀系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警功能。本章設(shè)計(jì)任務(wù) 為設(shè)計(jì)電氣控制環(huán)節(jié)控制刀庫的正常動作、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)采集刀庫工作時的狀態(tài) 信號和設(shè)計(jì)PLC控制環(huán)節(jié)控制故障預(yù)警機(jī)構(gòu)的動作。