机床故障诊断知识建模和可配置系统构建方法研究

摘要

故障诊断作为机床健康管理的重要内容对延长机床寿命、提高生产效率、降低生产成本具有重要意义。从国内外研究现状来看，在基于信号处理、模式识别和物理模型等数据驱动的故障诊断方法上有了大量的研究，取得了丰富的研究成果。在知识驱动的故障诊断方法方面，也有了一定的研究进展，但关于故障知识的有效组织、表示、共享和应用的研究仍比较少。知识驱动方法在提高故障诊断知识表示能力和故障诊断系统的智能水平上有着重要作用。随着机床复杂程度的增加、对智能程度需求的增长和人工智能技术的发展，对具有综合性、可配置性和智能性的机床故障诊断系统提出了迫切的需求。因此，本文针对机床故障诊断问题，从知识的角度研究了机床故障诊断知识建模和可配置系统构建方法。主要内容包括： ①在分析机床故障诊断问题和发展需求的基础上，提出了一种用于机床故障诊断的多维度的分析模型，从层次维、活动维和时间维三个维度对机床故障诊断问题进行分析，描述了研究对象的时空属性和研究方法的类别属性。然后，提出了一种机床故障诊断知识管理体系结构，以知识为核心对机床故障诊断过程中各个结构层次、时间阶段和故障诊断活动所涉及到的静动态知识进行获取、处理、组织和应用，开展数据驱动、知识驱动和二者混合的故障诊断，实现故障诊断知识的共享、集成、应用和更新。 ②研究了机床故障诊断知识建模方法，用于构建不同类型机床的基于本体的故障诊断知识模型。采用基于谓词逻辑的故障要素分析法研究机床故障诊断领域知识并提取机床故障诊断领域的公共本体，从而建立机床故障诊断知识模型核心本体并保证故障知识的标准语义。借助提出的外部本体引用法和两级分类法对核心本体扩展，构建特定机床的故障诊断知识模型和知识库。支持多种知识推理技术和知识查询技术进行故障诊断和知识检索。上述方法将有效地支持构建共享、开放和可扩展的不同类型机床的故障诊断知识模型及知识库。以滚齿机为例建立了机床故障诊断知识模型和知识库并进行了推理和查询验证以展示所提方法的合理性和有效性。 ③提出了一种基于本体和信号分析的机械零部件混合故障诊断方法，包括了从原始故障数据到故障分析、故障推理及故障解决的全部过程。提出了一种语义映射技术将信号分析结果和本体元素关联，结合信号分析和本体的优势，以实现准确、系统和智能的故障诊断。最后，以典型机床零部件滚动轴承为例对所提出的方法进行案例研究，对滚动轴承的振动数据进行特征提取，采用连续混合高斯隐马尔科夫算法进行点蚀故障辨识，然后对辨识结果开展语义映射和知识推理，实验结果表明该方法的有效性。 ④研究了机床故障诊断的可配置技术。介绍了基于知识的可配置机床故障方法，包括基于本体的机床故障诊断方法、基于知识的可配置机床故障诊断原理和相关的故障诊断知识库。然后设计了一种机床故障诊断可配置平台，包括基于语义网的故障知识管理系统、基于本体的机床可配置故障诊断系统和可配置机床数据采集系统等，并给出了该平台的配置和实施方法。对故障检测、故障辨识、故障诊断、故障解决和知识更新等活动的可配置技术进行研究。还研究了机床可配置运行状态数据采集技术，用于对不同的数据源、不同数据采集需求进行配置和采集，对外提供一致的机床运行数据，满足数据驱动的故障诊断的需求。该方法支持知识驱动和数据驱动的混合故障诊断，支持按需配置不同范围和强度的故障诊断活动，具有通用性、可配置性和可扩展性。 最后在上述工作基础上，设计和开发了可配置机床故障诊断原型系统，包括基于语义网的故障知识管理系统、基于本体的可配置滚齿机故障诊断系统和可配置机床数据采集系统等。介绍了该原型系统的体系结构、主要模块和开发技术，并以机床故障代码、滚动轴承和齿轮的故障诊断为例开展实验，验证所提方法的有效性。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪 论

1.1 论文的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 设备故障诊断问题

1.2.2 机床故障诊断方法研究现状

1.2.3 机床故障诊断系统的研究现状和发展趋势

1.2.4 本体和语义网技术在制造业的研究现状

1.3 机床故障诊断存在的问题分析

1.3.1 研究现状分析与总结

1.3.2 拟研究的技术问题

1.4 论文的研究目的、意义和课题来源

1.4.1 论文的研究目的和意义

1.4.2 论文的课题来源

1.5 论文的组织结构

1.6 本章小结

2 机床故障诊断知识的多维度分析研究

2.1 基于知识的机床故障诊断的问题和需求分析

2.1.1 基于知识的机床故障诊断的问题分析

2.1.2 基于知识的机床故障诊断的需求分析

2.2 面向机床故障诊断的多维度分析模型

2.2.1 HAT分析模型的内容

2.2.2 HAT分析模型的作用

2.3 机床故障诊断知识管理体系结构

2.3.1 体系结构的内容

2.3.2 体系结构的特点

2.4 关键技术分析

2.5 本章小结

3 机床故障诊断知识建模方法

3.1 知识建模方法基础

3.2 机床故障诊断知识建模方法

3.2.1 机床故障知识分析

3.2.2 基于语义网络的机床故障诊断知识表示

3.2.3 基于标准语义的机床故障诊断知识建模方法

3.3 机床故障诊断知识建模的关键技术

3.3.1 基于谓词逻辑的故障要素分析法

3.3.2 故障诊断知识模型核心本体

3.3.3 故障要素两级分类法

3.3.4 外部本体引用法

3.3.5 故障诊断知识推理及查询技术

3.4 机床故障诊断知识模型及知识库构建及维护方法

3.5 案例研究：滚齿机故障诊断知识建模

3.5.1 滚齿机故障诊断知识模型及知识库的构建

3.5.2 滚齿机故障诊断推理实例

3.5.3 滚齿机故障诊断查询实例

3.6 本章小结

4 基于本体和信号分析的混合故障诊断技术

4.1 基于本体和信号分析的混合故障诊断方法

4.1.1 基于本体和信号分析的混合故障诊断方法框架

4.1.2 基于本体和信号分析的语义映射方法

4.2 典型机床零部件故障诊断知识建模

4.2.1 典型机床零部件故障知识分析

4.2.2 典型机床零部件故障诊断知识建模过程

4.3 基于CGHMM的故障辨识方法

4.3.1 CGHMM简介

4.3.2 振动信号处理和特征提取

4.3.3 基于CGHMM故障辨识步骤

4.4 案例研究：滚动轴承的故障辨识和诊断

4.4.1 基于CGHMM的信号分析

4.4.2 滚动轴承故障诊断本体知识库构建

4.4.3 故障推理和查询

4.4.4 实验结果对比和分析

4.5 本章小结

5 机床故障诊断可配置技术研究

5.1 基于知识的可配置机床故障诊断方法

5.1.1 基于本体的机床故障诊断方法

5.1.2 基于知识的可配置机床故障诊断原理

5.2 机床故障诊断可配置平台

5.2.1 平台的框架设计及分析

5.2.2 平台的配置和实施方法

5.3 机床故障诊断活动的可配置技术

5.3.1 故障检测活动的可配置技术

5.3.2 故障辨识活动的可配置技术

5.3.3 故障诊断活动的可配置技术

5.3.4 故障解决活动的可配置技术

5.3.5 机床故障诊断知识更新技术

5.4 机床可配置运行状态数据采集技术

5.4.1 机床可配置运行状态数据采集方法

5.4.2 机床数据采集本体建模

5.4.3 机床数据采集插件的构建技术

5.4.4 可配置机床数据采集系统的配置方法

5.5 本章小结

6 可配置机床故障诊断系统的设计与原型系统实现

6.1 原型系统的介绍

6.1.1 原型系统的体系结构

6.1.2 原型系统的开发和运行环境

6.2 原型系统的设计和开发

6.2.1 基于语义网的故障知识管理系统的设计和开发

6.2.2 基于本体的可配置滚齿机故障诊断系统的设计和开发

6.2.3 可配置机床数据采集系统的设计和开发

6.3 案例研究

6.3.1 可配置机床数据采集实验

6.3.2 案例：基于故障代码的故障检测

6.3.3 案例：滚动轴承的故障辨识和诊断

6.3.4 案例：齿轮的故障辨识和诊断

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致 谢

参考文献

缩略词语汇总

附 录

A. 攻读博士学位期间发表的论文

B. 攻读博士学位期间申请的发明专利

C. 攻读博士学位期间参与撰写的标准

D. 攻读博士学位期间参加的主要科研项目

E. 攻读博士学位期间获得的奖励