一种数控加工中心自动换刀装置的故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于故障诊断方法技术领域，具体是涉及一种数控加工中心自动换刀装置 的故障诊断方法，该方法基于多分量稀疏分离算法。
【背景技术】
[0002] 目前，我国装备制造水平大幅提升，主机和重大装备的集成能力得到显著增强，但 与此同时重大装备和主机产品的应用条件日趋超常态与恶劣，对配套的"三基"产品一机械 基础零部件、基础制造工艺和基础材料均提出了更高的要求。我国"三基"产业发展严重滞 后于主机并被固化在产业链的中低端，"三基"产品已成为制约我国重大装备和高端装备发 展的瓶颈。2011年11月，工业和信息化部印发了《机械基础件、基础制造工艺和基础材料 产业"十二五"发展规划》，明确指出要通过五年时间形成主机协同发展的产业局面，满足重 大装备和高端装备对机械基础件、基础制造工艺和基础材料的需求，改善"三基"产业发展 严重滞后的局面。该规划明确将与重大装备和高端装备配套的传动驱动部件制造列为重点 发展项目。
[0003] 数控加工中心是目如广量最尚、应用最广泛的装备制造母机，是尚端机械制造业 的基础装备，其自动换刀装置就成为了"三基"产业的重要组成部分。高档数控加工中心广 泛使用弧面凸轮驱动自动换刀装置实现快速换刀操作，要求平均无故障间隔工作时间达到 5万小时以上，且要求刀到刀之间的换刀时间小于1秒。数控加工中心在换刀时自动换刀装 置与刀具执行的动作多、速度快，且对定位的准确性要求高，尤其是在复杂零件的加工过程 中，自动换刀装置要频繁更换刀具，不仅要实现对刀库取刀和还刀，还要实现对主轴换刀和 卸刀。在换刀过程中既有平移运动，还有旋转运动，使得自动换刀装置在运行过程中不可避 免地发生性能衰退，影响换刀质量及加工装备的可靠性，成为加工中心的薄弱环节。但是现 今对数控加工中心的状态监测却大多集中于刀具监测和主轴监测之上，而对于易损坏且对 产品加工质量有重要影响的自动换刀装置却少有人研宄其状态监测。实际上，自动换刀装 置的故障诊断十分重要，不仅可以弥补数控加工中心自动换刀装置故障诊断的空白，而且 可以为我国数控机床行业的"三基"产业奠定重要基础。
【发明内容】
[0004] 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，提供了一种数控加工中心自动换 刀装置的故障诊断方法。
[0005] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种数控加工中 心自动换刀装置的故障诊断方法，自动换刀装置包括设置有从动轴和组合凸轮的箱体，组 合凸轮即弧面凸轮和平面槽凸轮的组合，所述故障诊断方法为：（1)在箱体上用于安装组 合凸轮的轴孔处设置第一加速度传感器，在箱体底部用于安装从动轴的轴孔处设置第二加 速度传感器，正常运转的测试条件下使用两个加速度传感器对自动换刀装置抓刀、拔刀、换 刀、插刀及复位五个基本动作中从动轴和组合凸轮的振动进行测量，得到振动响应信号； (2)利用多分量稀疏分离算法处理所采集的振动响应信号，提取振动响应信号中能够反映 故障特征的冲击分量；（3)由提取出的冲击分量结合弧面凸轮和平面槽凸轮的工作循环 图，分析并确诊自动换刀装置的故障。
[0006] 其中，步骤⑵具体为：
[0007] 在步骤（1)的测试条件下，结合自动换刀装置的结构特征，可知振动响应信号由 冲击分量、谐波分量和噪声组成，即X = xH+Xp+n ;
[0008] 借助于形态学成分分析的思想，假设χΗ和X P分别由冗余字典φ H和φ P稀疏表示， 利用多分量稀疏分离算法找出一组稀疏系数％和W P使其满足;
[0009] 而基于凸优化理论，系数％和W P可利用I i-范最小化问题求解，表示如下：
[0010]
【主权项】
1. 一种数控加工中心自动换刀装置的故障诊断方法，自动换刀装置包括设置有从动轴 和组合凸轮的箱体，组合凸轮即弧面凸轮和平面槽凸轮的组合，其特征在于所述故障诊断 方法为：（1)在箱体上用于安装组合凸轮的轴孔处设置第一加速度传感器，在箱体底部用 于安装从动轴的轴孔处设置第二加速度传感器，正常运转的测试条件下使用两个加速度传 感器对自动换刀装置抓刀、拔刀、换刀、插刀及复位五个基本动作中从动轴和组合凸轮的振 动进行测量，得到振动响应信号；（2)利用多分量稀疏分离算法处理所采集的振动响应信 号，提取振动响应信号中能够反映故障特征的冲击分量；（3)由提取出的冲击分量结合弧 面凸轮和平面槽凸轮的工作循环图，分析并确诊自动换刀装置的故障。
2. 根据权利要求1所述一种数控加工中心自动换刀装置的故障诊断方法，其特征在于 所述步骤（2)具体为： 在步骤（1)的测试条件下，结合自动换刀装置的结构特征，可知振动响应信号由冲击 分量、谐波分量和噪声组成，即X = xH+xP+n ; 借助于形态学成分分析的思想，假设χΗ和Xp分别由冗余字典Φ H和Φ P稀疏表示，利用 多分量稀疏分离算法找出一组稀疏系数％和w p使其满足
而基于凸优化理论，系数％和w p可利用I i-范最小化问题求解，表示如下： 式⑴
为实现对式（1)的优化求解，利用拉格朗日乘数法，给定一个合适的拉格朗日算子，将 式（1)所示的约束优化问题转换为式（2)所示的无约束优化问题，即
对于式（2)，采用调Q小波来稀疏的表示谐波分量，采用多小波来稀疏的表示冲击分 量，采用分裂增广拉格朗日收缩算法求解， 设向量函数
满足下述两尺度关系，BP
式中： r--多小波函数的重数， L2(R)1一一r重平方可积实数空间， {Hk}，k = 0, 1，"·，Μ-一rXr的两尺度矩阵序列，称为r重尺度函数。
【专利摘要】一种数控加工中心自动换刀装置的故障诊断方法，在箱体上用于安装组合凸轮的轴孔处设置第一加速度传感器，在箱体底部用于安装从动轴的轴孔处设置第二加速度传感器，正常运转的测试条件下使用两个加速度传感器对自动换刀装置抓刀、拔刀、换刀、插刀及复位五个基本动作中从动轴和组合凸轮的振动进行测量，得到振动响应信号；利用多分量稀疏分离算法处理所采集的振动响应信号，提取振动响应信号中能够反映故障特征的冲击分量；由提取出的冲击分量结合弧面凸轮和平面槽凸轮的工作循环图，分析并确诊自动换刀装置的故障，可以对数控加工中心自动换刀装置的维护、安排调整检修计划给出指导性建议，减少非计划停机时间，提高生产线经济效益与社会效益。
【IPC分类】B23Q3-155, G06F19-00, B23Q17-12
【公开号】CN104669060
【申请号】CN201510031224
【发明人】徐本其, 陈雪峰, 辛伟
【申请人】南大（浙江）环保科技有限公司
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月22日