LM算法BP神经网络的数控机床主轴系统故障诊断.pdf

年月 第卷 第期 机 床 与 液 压 收 稿 日 期 基 金 项 目四 川 理 工 学 院 学 科 建 设 项 目 人 工 智 能 四 川 省 重 点 实 验 室 重 点 项 目 四 川 理 工 学 院 学 科 特 色 培 育 项 目 作 者 简 介刘 金 辉男硕 士 研 究 生主 要 研 究 方 向 为 数 控 机 床 故 障 诊 断 技 术 算法 神经网络的数控机床主轴系统故障诊断 刘 金 辉任 小 洪 四 川 理 工 学 院 自 动 化 与 电 子 信 息 学 院四 川 自 贡 摘 要针 对 目 前 数 控 机 床 故 障 复 杂诊 断 困 难 的 问 题提 出 基 于 人 工 神 经 网 络 的 故 障 诊 断 方 法在 研 究 传 统 神 经 网 络 故 障 诊 断 模 型 基 础 上引 入 改 进 的 算 法 算 法建 立 机 床 主 轴 系 统 神 经 网 络 故 障 诊 断 模 型对 机 床 主 轴 系 统 故 障 进 行 分 析 与 诊 断再 通 过 仿 真 与 传 统 神 经 网 络 相 对 比仿 真 结 果 表 明传 统 神 经 网 络 存 在 较 难 实 现 快 速准 确 的 故 障 定 位 问 题而 神 经 网 络 算 法 作 为 故 障 诊 断 的 核 心 算 法 收 敛 速 度 快识 别 准 确该 方 案 设 计 合 理 可 行有 较 好 的 应 用 前 景并 给 出 应 用 了 实 例 关 键 字数 控 机 床主 轴 系 统 神 经 网 络 算 法故 障 诊 断 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 前 言 数 控 机 床 是 数 字 控 制 机 床 的 简 称是 集 机电 液 于 一 体 化 的 先 进 制 造 设 备数 控 加 工 过 程 是 通 过 数 控 指 令 程 序 的 驱 动自 动 完 成 进 给测 量 以 及 刀 具 补 偿 功 能因 此 数 控 机 床 具 有 很 高 的 加 工 效 率 随 着 现 代 化 技 术 的 不 断 发 展数 控 机 床 在 制 造 业 受 到 了 广 泛 的 应 用而 对 数 控 机 床 故 障 诊 断 和 维 护 已 经 是 目 前 最 重 要 的 工 作所 以 其 故 障 诊 断 技 术 也 是 当 前 不 可 或 缺 的 一 项 技 术 在 目 前 的 研 究 当 中常 见 的 智 能 诊 断 方 法 有专 家 系 统人 工 神 经 网 络 故 障 树 分 析 法 小 波 分 析 粗 集 理 论基 于 向 量 机 等文 中 所 述 课 题 主 要 采 用 神 经 网 络 进 行 研 究为 了 解 决 产 生 的 问 题进 而 提 出 一 种 基 于 算 法 改 进 的 神 经 网 络 进 行 数 控 故 障 诊 断 神 经 网 络 分 析 与 设 计 神 经 网 络 是 一 种 在 生 物 神 经 网 络 的 启 示 下 建 立 的 数 据 处 理 模 型主 要 通 过 调 整 神 经 元 之 间 的 权 值 来 对 输 入 的 数 据 进 行 建 模最 终 具 备 具 有 解 决 实 际 问 题 的 能 力神 经 网 络 具 有 自 学 习 和 自 适 应 性非 线 性 性 鲁 棒 性 和 容 错 性计 算 的 并 行 性 与 存 储 的 分 布 性分 布 式 存 储 等 特 点并 且 在 许 多 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 前 向 网 络 的 结 构 如 图所 示 图 网 络 结 构前 向 网 络 其 中该 前 向 网 络 包 含 输 入 层隐 含 层 和 输 出 层 是 输 入 参 数 是 输 出 参 数 当 输 入 一 组 参 数 时神 经 网 络 会 根 据 设 定 的 权 值 计 算 得 到 对 应 的 输 出同 时 网 络 还 可 以 根 据 实 际 输 出 跟 期 望 输 出 的 差 值按 照 相 应 的 训 练 规 则 进 行 调 整 权 值使 之 实 际 输 出 与 期 望 输 出 相 接 近 神 经 网 络 用 于 机 床 控 制 系 统 的 故 障 诊 断主 要 是 充 分 利 用 神 经 网 络 的 容 错 性抗 干 扰 性鲁 棒 性 及 大 规 模 并 行 处 理 能 力自 学 习 能 力它 在 模 式 识 别信 号 处 理故 障 诊 断图 象 处 理 等 领 域 有 着 独 有 的 优 越 性 数 控 机 床 组 成 复 杂故 障 多 样 化既 有 电 气 故 障又 有 机 械 故 障既 有 强 电 故 障又 有 弱 电 故 障 需 要 许 多 测 量 点该 研 究 采 用 目 前 较 为 成 熟 的 神 经 网 络即 反 向 传 播 神 经 网 络是 一 种 前 馈 神 经 网 络该 网 络 可 以 包 含 一 到 多 个 隐 含 层不 过理 论 上 已 经 证 明单 个 隐 含 层 的 网 络 可 以 通 过 适 当 增 加 神 经 元 节 点 的 个 数 实 现 任 意 非 线 性 映 射 因 此本 研 究 选 择 单 个 隐 含 层 即 可 满 足 要 求网 络 由 多 层 构 成层 与 层 之 间 全 连 接同 一 层 之 间 的 神 经 元 无 连 接 根 据 图所 示输 入 层 表 示 故 障 现 象输 出 层 表 示 对 应 的 故 障 原 因隐 含 层 节 点 数 则 根 据 经 验 公 式 槡 和 分 别 为 输 入 层 与 输 出 层 神 经 元 个 数 是 之 间 的 常 数 该 研 究 以 某 数 控 机 床 加 工 中 心 为 例收 集 比 较 典 型 的 主 轴 故 障 模 式 和 相 对 应 的 故 障 原 因 分 析并 具 体 列 出根 据 网 络 结 构 取 输 入 向 量表 示 故 障 模 式选 取 的个 训 练 样 本 具 体 表 示 为 主 轴 电 机 不 动 作 电 机 转 速 不 平 稳 主 轴 电 机 与 轴 进 给 不 匹 配 主 轴 箱 噪 声 大 主 轴 无 变 速 主 轴 发 热 主 轴 在 强 切 削 力 时 停 转 主 轴 无 润 滑 油 循 环其 数 控 机 床 主 轴 系 统 故 障 训 练 样 本 如 表所 示其 中表 示 正 常 表 示 故 障 表数 控 机 床 主 轴 系 统 故 障 训 练 样 本 样 本 序 列 故 障 特 征 值 取 输 出 向 量表 示 分 析 故 障 原 因 的 结 果具 体 表 示 如 下 使 能 信 号 没 有 正 常 接 通 电 气 线 路 连 接 不 良 电 机 运 转 不 良 电 源 故 障 负 载 过 大 编 码 器 及 连 接 线 路 不 良 同 步 齿 轮 断 裂 轴 承 损 坏 或 传 动 轴 弯 曲 变 形 传 动 带 长 度 不 一 致 或 过 松 润 滑 不 良 变 档 复 合 开 关 卡 死 或 损 坏 主 轴 轴 承 预 紧 力 过 大 润 滑 油 含 有 异 物 或 杂 质 摩 擦 离 合 器 调 整 过 松 或 已 损 坏 吸 油 管 插 在 油 箱 油 面 以 上 润 滑 油 压 不 足 其 故 障 训 练 样 本 期 望 输 出 如 表 所 示 表 示 正 常 区 间 表 示 故 障 类 型 发 生 的 可 能 性 表故 障 训 练 样 本 期 望 输 出 样 本 序 列 网 络 输 出 节 点 及 输 出 值 根 据 表 中 的 数 据 进 行 训 练 仿 真得 到 期 望 的 结 果例 如发 生 主 轴 电 机 不 动 作 故 障 那 么 训 机 床 与 液 压第卷 练 好 的 神 经 网 络 则 可 以 列 出 相 应 发 生 此 类 故 障 的 原 因 即使 能 信 号 没 有 正 常 接 通 电 气 线 路 连 接 不 良 电 机 运 转 不 良 电 源 故 障 网 络 的 输 入 层 为输 出 层 为运 用 经 验 公 式 估 算 出 隐 含 层 为隐 含 层 节 点 的 传 递 函 数 一 般 为 函 数输 出 层 节 点 的 函 数 一 般 采 用 线 性 函 数网 络 的 训 练 参 数 设 置 如 下 即 最 大 迭 代 次 数 为 目 标 误 差 性 能 为 学 习 速 率 为 通 过 仿 真 得 到 基 于 传 统 梯 度 下 降 法 的 神 经 网 络 进 行 训 练 的 收 敛 效 果 如 图 所 示 图传 统 神 经 网 络 收 敛 效 果 通 过 图可 以 看 出传 统 的 梯 度 下 降 法 神 经 网 络 在 未 达 到 期 望 误 差 时最 大 迭 代 次 数 的 时 候 误 差 性 能 才 达 到 收 敛 很 缓 慢 神 经 网 络 算 法 的 改 进 标 准 的 网 络 使 用 最 速 下 降 法 来 调 制 各 层 权 值是 一 个 简 单 的 下 降 静 态 寻 优 算 法在 实 际 的 应 用 中网 络 的 权 值 是 通 过 沿 局 部 改 善 的 方 向 逐 渐 进 行 调 整 的这 样 会 使 算 法 陷 入 局 部 极 值权 值 收 敛 到 局 部 极 小 点就 会 导 致 网 络 训 练 缓 慢 甚 至 失 败可 见 传 统 的 神 经 网 络 算 法 的 收 敛 速 度 很 慢 针 对 标 准 算 法 的 不 足文 中 采 用 算 法从 而 使 学 习 时 间 更 短有 效 地 抑 制 了 网 络 陷 于 局 部 极 小 算 法 为 了 修 正 速 率 时 避 免 计 算 矩 阵 而 设 计 的 当 误 差 性 能 函 数 具 有 平 方 和 误 差 的 形 式 时 矩 阵 可 近 似 表 示 为 梯 度 可 表 示 为 式 中 是 包 含 误 差 性 能 函 数 对 网 络 权 值 一 阶 导 数 的 雅 克 比 矩 阵 算 法 根 据 下 式 修 正 网 络 的 权 值 式 中 为 输 入 向 量 为 误 差 向 量 为 变 量当 时 算 法 退 化 为 牛 顿 法当很 大 时上 式 相 当 于 步 长 较 小 的 梯 度 下 降 法 由 于 雅 克 比 矩 阵 的 计 算 比 矩 阵 易 于 计 算 算 法 具 有 二 阶 收 敛 速 度所 需 要 的 迭 代 次 数 很 少所 以 可 大 幅 度 提 高 收 敛 速 度并 可 提 高 算 法 的 稳 定 性 以 及 避 免 陷 人 局 部 最 小 点 的 优 点 算 法 神 经 网 络 故 障 诊 断 的 流 程 图 如 图所 示 图 算 法 神 经 网 络 故 障 诊 断 的 流 程 图 根 据 表与 表通 过 改 进 后 的 算 法 进 行 仿 真网 络 参 数 为训 练 函 数 学 习 函 数 为 梯 度 下 降 动 量 学 习 函 数 性 能 函 数 可 得 到 基 于 算 法 神 经 网 络 进 行 训 练 的 收 敛 效 果 如 图 所 示 图 算 法 神 经 网 络 的 收 敛 效 果 通 过 图可 以 看 出改 进 后 的 神 经 网 络 在 经 过次 迭 代 网 络 输 出 的 误 差 性 能 就 达 到 了 期 望 的 目 标并 且 达 到 的 误 差 最 小 为 可 见 基 于 改 进 后 算 法 的 网 络 收 敛 速 度 很 快 将 图与 图相 比 较可 见 基 于 算 法 改 进 的 神 经 网 络 比 传 统 神 经 网 络 具 有 更 快 的 收 敛 速 度并 且 改 善 了 传 统 神 经 网 络 极 易 陷 入 局 部 极 值权 值 收 敛 到 局 部 极 小 点 的 状 况存 储 量 也 较 低 故 提 出 了 一 种 基 于 算 法 神 经 网 络 的 数 控 机 床 主 轴 系 统 的 故 障 诊 断 方 法 第期刘 金 辉 等 算 法 神 经 网 络 的 数 控 机 床 主 轴 系 统 故 障 诊 断 针 对 已 训 练 好 的 网 络当 输 入 故 障 模 式 向 量为 则 得 到 的 实 际 输 出 的 故 障 分 析 向 量为 上 式 中 仅 选 取 了 作 为 故 障 输 入 通 过 进 行 仿 真 训 练得 到 故 障 分 析 向 量的 实 际 输 出并 将 其 与 表中 的 期 望 输 出 值 进 行 比 较可 见 判 断 结 果 与 实 际 故 障 类 型 相 符 合之 后 选 取 不 同 的 故 障 输 入 向 量 进 行 多 次 的 实 验 仿 真都 与 期 望 输 出 值 相 吻 合因 此 验 证 了 该 模 型 符 合 诊 断 要 求 结 束 语 将 神 经 网 络 应 用 于 数 控 机 床 的 故 障 诊 断是 一 种 智 能 诊 断 系 统利 用 为 仿 真 平 台对 机 床 主 轴 系 统 的 故 障 诊 断 提 出 一 种 基 于 神 经 网 络 数 控 机 床 主 轴 系 统 的 故 障 诊 断 方 法并 用 实 例 进 行 验 证诊 断 结 果 表 明 神 经 网 络 改 进 算 法 后大 大 提 高 了 机 床 主 轴 系 统 故 障 诊 断 的 精 度基 于 神 经 网 络 算 法 作 为 故 障 诊 断 的 核 心 算 法 收 敛 速 度 快识 别 精 准诊 断 结 果 更 加 准 确随 着 数 控 技 术 的 发 展故 障 类 型 也 会 变 得 越 加 复 杂 多 样需 要 收 集 的 样 本 也 会 随 之 增 多神 经 网 络 可 能 无 法 满 足 诊 断 效 果则 考 虑 出 将 神 经 网 络 与 其 他 诊 断 方 法 相 结 合如 专 家 系 统 等提 高 诊 断 的 准 确 率这 将 是 今 后 研 究 的 问 题 参 考 文 献 任 锟高 速 数 控 加 工 的 前 瞻 控 制 理 论 及 关 键 技 术 研 究 杭 州浙 江 大 学 刘 继 承基 于 神 经 网 络 的 数 控 机 床 诊 断 技 术 现 状 及 展 望 机 电 信 息 李 捷 辉基 于 神 经 网 络 的 数 控 机 床 故 障 诊 断 研 究 机 床 电 器 杨 曾 芳吕 希 胜基 于 故 障 树 的 数 控 机 床 故 障 诊 断 系 统 科 技 创 新 导 报 曾 庆 虎邱 静刘 冠 军等基 于 小 波 相 关 滤 波 法 的 滚 动 轴 承 早 期 故 障 诊 断 方 法 研 究 机 械 科 学 与 技 术 陈 明 神 经 网 络 原 理 与 实 例 精 解北 京清 华 大 学 出 版 社 任 小 洪周 天 鹏等数 控 机 床 热 误 差 的 智 能 补 偿 方 式 及 应 用 机 械 设 计 与 制 造 张 应 红李 聪景 晖等基 于 人 工 神 经 网 络 技 术 的 矿 用 皮 带 机 滚 动 轴 承 故 障 诊 断 机 床 与 液 压 曾 黄 麟智 能 计 算重 庆重 庆 大 学 出 版 社 沈 国 锋程 筱 胜基 于 算 法 优 化 神 经 网 络 的 储 粮 害 虫 分 类 识 别 研 究 中 国 制 造 业 信 息 化 物联时代来临工业 带来了机器人的进化 机 器 人 的 价 值最 开 始 是 在 工 业 领 域 的 普 及 而 受 到 全 球 认 可 的尤 其 是主 要 需 求 领 域 的 汽 车 与 电 子 制 造 产 业 中机 器 人 的 安 装 使 用带 动 了 生 产 效 率 的 大 幅 增 长新 一 代 信 息 通 信 技 术 的 发 展催 生 了 移 动 互 联 网大 数 据云 计 算工 业 可 编 程 控 制 器 等 的 创 新 和 应 用推 动 了 制 造 业 生 产 方 式 和 发 展 模 式 的 深 刻 变 革德 国工 业 战 略 旨 在 通 过 深 度 应 用 信 息 技 术 和 网 络 物 理 系 统 等 技 术 手 段将 制 造 业 向 智 能 化 转 型 伴 随 德 国 工 业 时 代 的 到 来一 方 面生 产 制 造 领 域 的 工 业 机 器 人 将 成 为 智 能 制 造 的 主 力 军因 为 制 造 业 是 机 器 人 的 主 要 应 用 领 域在 生 产 过 程 自 动 化 中 大 量 采 用 了 机 器 人例 如如 今 的 汽 车 产 业电 子 制 造 产 业 的 大 规 模 量 产 技 术 中大 量 采 用 着 各 种 机 器 人另 一 方 面 等 互 联 网 企 业 向 机 器 人 产 业 的 涉 足为 机 器 人 产 业 环 境 带 来 了 剧 变这 些 变 化将 使 机 器 人 开 始 应 用 大 数 据 实 现 自 律 化使 机 器 人 之 间 实 现 网 络 化物 联 网 时 代 也 将 随 之 真 正 到 来 机 器 人 也 将 不 断 地 升 级 为 智 能 机 器 人 目 前日 本 在 机 器 人 生 产应 用主 要 零 部 件 供 给研 究 等 各 方 面 依 然 在 全 世 界 处 于 遥 遥 领 先 的 优 势依 然 保 持 机 器 人 大 国地 位数 据 显 示 年日 本 机 器 人 产 值 约 为亿 日 元占 据 全 球 市 场 份 额 的安 装 数 量 存 量约万 台占 全 球 市 场 份 额 的而 且机 器 人 的 主 要 零 部 件包 括 机 器 人 精 密 减 速 机伺 服 电 机重 力 传 感 器 等占 据以 上 的 全 球 市 场 份 额但 是我 国 工 业 机 器 人 主 要 集 中 应 用 于 汽 车电 子 信 息 等 行 业主 要 是 嵌 入 到 大 规 模 的 生 产 线 中 的 工 业 机 器 人未 来 的 机 器 人将 更 多 的 应 用 于 三 品 产 业食 品化 妆 品医 药 品行 业 以 及 更 广 泛 的 制 造 领 域各 种 各 样 应 用 环 境 的 服 务 领 域中 小 企 业 等为 此未 来 的 机 器 人 发 展不 是 那 种 大 型 的 用 于 焊 接 与 喷 漆 的 生 产 线 专 用 机 器 人而 是 研 发 更 小 的广 泛 应 用 的 机 器 人同 时 适 用 于 中 小 企 业 的 性 价 比 较 高 的 机 器 人也 就 是要 根 据 各 种 领 域 的 实 际 需 求灵 活 改 变 机 器 人 为 了 加 速 机 器 人 的 普 及 应 用机 器 人 供 应 商系 统 集 成 商用 户 之 间 的 关 系 需 要 重 新 定 位与 以 往 不 同这 三 者 完 全 可 以 形 成 一 种 可 共 赢可 获 取 高 附 加 值 的 关 系届 时他 们 能 够 发 挥 各 自 的 创 造 力形 成 凝 聚 力 与 竞 争 力一 边 兼 顾 成 本 结 构一 边 共 同 致 力 于 提 升 竞 争 力 所 需 的 技 术 开 发 内 容 来 源互 联 网 机 床 与 液 压第卷