第5章-自动化检测与监控系统--课件

第5章 主要内容5.1 检测监控系统的作用与涉及的内容5.2 检测与监控系统设计5.3 常用的检测元件5.4 检测监控技术应用实例简介5.5 自动化系统的故障诊断1PPT课件 确保系统按设定的操作顺序运行 确保系统生产出符合质量的产品 防止因系统异常或过程失误引起事故 监测、分析系统运行状态的趋势 故障诊断与分析6.1.2 装配自动化的发展概况5.1.1 检测监控系统的作用5.1 检测监控系统的作用与涉及的内容获取信息、提高精度、保证产品质量、保证安全高效运行。眼、耳、鼻和其他感觉器官（刀具破损）2PPT课件 1.机械系统自动化中的主要监测内容 原材料、毛坯、零部件的检测 工位状况的检测 加工及装配过程的检测 设备工作状况的检测 材料、零件传送中的检测 整个系统的监视 环境参数的检测与监控 系统的故障诊断与故障统计 保证工作人员安全的监测6.1.2 装配自动化的发展概况5.1.2 检测与监控所涉及的内容5.1 检测监控系统的作用与涉及的内容3PPT课件4 检测方法分类检测方法分类按其在制造系统中所处位置 可分为下列几种方式：（1）直接测量与间接测量（2）接触测量和非接触测量（3）在线测量和离线测量 在线测量;在加工过程或加工系统运行过程中对被测对象进行检测。离线测量：在被测对象加工后脱离加工系统在进行检测。4PPT课件 2.检测信号的分类热工：温度、流量、热量、真空度、比热等；电工量：电压、电流、功率、电荷、频率、电阻、阻抗、磁场长度等；机械量：几何尺寸（位移、角度）、速度、加速 度、应力、力矩、重量、振动、噪声、不 平衡度、质量参数（粗糙度、垂直度、平 面度等）、外形、计数等；成分量：气体、液体的各化学成分含量、浓度、密 度比重等。5.1 检测监控系统的作用与涉及的内容5PPT课件 5.1.3 对检测与监控系统的要求1.高可靠性；2.高精度；3.快速响应；4.环境适应性；5.成本低、体积小；6.具有与系统集成的能力；7.对系统的负面影响小。5.1 检测监控系统的作用与涉及的内容6PPT课件 5.2.1 检测监控单元的基本组成与工作原理5.2 检测监控系统设计机构系统及其运行过程传感器组放大滤波整形数据采集接口状态特征提取表述状态判别方法策略综合决策推理机数据库知识库规则库初始状态执行部件与装置信息输出学习与训练7PPT课件1.传感器与二次仪表 感知设备、环境各种参数的变化，并将其转换为电信号（电压或电流）2.数据采集或控制接口 将传感器的信号输入计算机，或者将计算机的控制命令或参数输出给外部设备。功能：数据缓冲作用接收和执行控制命令信号转换设备选择中断产生和管理数据格式调整接口电路的参数设定 5.2 检测监控系统设计8PPT课件5.2 检测监控系统设计CPU内部存储器智能仪表接口数据总线控制总线地址总线通信接口模拟量输入输出数字量输入输出智能仪表如双频激光干涉仪等具有通信功能的传感器，如电子量仪等常用传感器，如电感测微仪，电涡流传感器等脉冲输出或数字式仪表，如计数脉冲、状态开关9PPT课件3.特征信号的获取方法及其选用 通过信号处理，找到能够表征被检测量或被监测状态变化的特征参数5.2 检测监控系统设计时域分析频域分析时频分析时域分析统计分析智能分析 RMSAR ARMA差分滤波 ARMA谱熵谱功率谱 FFT倒谱高频谱 维格尔分布 小波 STFT 均值 幅值概率分布遗传算法 专家系统非线性理论神经网络 模糊分析陡峭度 斜度10PPT课件1).时域分析分析信号随时间的变化或分布，去除不需要的信号成分，找出表征被检测或监测对象的状态、特性或现象的变化特征。主要算法：有效值计算(RMS)信号经过滤波算法差分算法处理时序分析（自回归（），自回归平滑（ARMA）主要特点和用途算法比较简单适用于信号随对象的状态、特性或现象的变化规律性非常强、重复性好、其他影响因素的影响程度小的场合。5.2 检测监控系统设计11PPT课件2).统计分析分析信号样本统计特性随被检测或监测对象的状态、特性或现象的变化或分布，去除不需要的信号成分，找出表征被检测或监测对象的状态、特性或现象的变化特征。主要算法：平均值幅值变化特征概率分布的变化特征信号变化的剧烈程度特征（斜度、陡峭度等）主要特点和用途算法比较简单适用于信号随对象的状态、特性或现象的变化规律性较强、重复性较好、影响因素较多且影响程度较大的场合。5.2 检测监控系统设计12PPT课件3).频域分析分析信号随频率的变化或分布，去除不需要的信号成分，找出表征被检测或监测对象的状态、特性或现象的变化特征。主要算法：快速傅里叶变换 倒谱分析功率谱分析 熵谱分析自回归平滑模型谱分析（RMA）主要特点和用途算法比较复杂适用于信号随对象的状态、特性或现象的变化规律性较弱、重复精确度差、影响因素较多且影响程度较大、但信号的统计特性基本不随时间变化的场合，但对于信号的统计特性随时间变化大的场合或非常复杂的系统，往往难以获得满意的效果。5.2 检测监控系统设计13PPT课件4).智能分析采用一些具有参数或算法自调整与优化的数学算法、或者应用专家知识进行分析处理，找出表征被检测或监测对象的状态、特性或现象的变化特征。主要算法：神经网络方法 模糊分析方法非线性理论 遗传算法专家系统主要特点和用途算法复杂适合于信号的影响因素很多且影响程度大的场合或非常复杂的系统。5.2 检测监控系统设计14PPT课件5).时频分析将时域分析和频域分析的优点结合起来，克服时域分析和频域分析在处理复杂信号时存在的不足，通过分析信号随时间和频率的变化或分布，去除不需要的信号成分，找出表征被检测或监测对象的状态、特性或现象的变化特征。主要算法：短时傅里叶变换(STFT)小波分析维格尔分布算法主要特点和用途算法复杂、计算量很大适合于信号的统计特征随时间变化大的场合。5.2 检测监控系统设计15PPT课件4.检测监控的决策方法传感器输出的信号是多种因素综合作用的结果仅靠一种特征进行判别，往往可靠性难以保证综合判别：模式识别智能技术 专家系统 神经网络 数据库技术支撑 知识库 规则库 智能算法5.2 检测监控系统设计16PPT课件5.2.2.检测监控系统的多级结构5.2 检测监控系统设计17PPT课件5.3.1.检测元件的分类（1）按工作原理分类：电阻式、电容式、电感 式、压电式、光电式、电磁式等；（2）按被测参数分类：温度、位移、转速、液位 等；（3）按作用分类：工业实用型、科学实验型、检测标 准型等。5.3 常用的检测元件18PPT课件机械量检测中常用的传感器类型及使用举例5.3 常用的检测元件19PPT课件5.3.2.检测元件的输入输出特性（1）灵敏度S：S=输出量/输入 量 （2）非线性度误差：为输出量与输入量的最大偏差值与最大输出量的比值。5.3 常用的检测元件20PPT课件5.3.2.检测元件的输入输出特性（3）滞环：5.3 常用的检测元件（4）动特性：表 达：传递函数分析方法：频率法要 求：响应快、失真小、稳定度大、死区小等。21PPT课件5.3.3 长度和位移量的测量 常用测量方法5.3 常用的检测元件22PPT课件M1，M2互感R1,L1初级线圈的电阻和电感1初级线圈励磁电压频率5.3 常用的检测元件23PPT课件5.3.4 质量和力的测量5.3 常用的检测元件24PPT课件5.3.5 计数与形状识别 1、装配中的计件和缺件检测（常用光电式）5.3 常用的检测元件25PPT课件5.3.5 计数与形状识别 2、形状的识别5.3 常用的检测元件26PPT课件5.3.5 计数与形状识别 3、电荷耦合器件（CCD）的应用5.3 常用的检测元件27PPT课件5.4.1 加工尺寸在线检测 1、镗孔孔径的自动测量基本原理与结构三个位移传感器测杆半径rY1=r+y1Y2=r+y2Y3=r+y3直径测量5.4 检测监控技术应用实例简介28PPT课件5.4.1 加工尺寸在线检测 圆心位置的测量5.4 检测监控技术应用实例简介29PPT课件5.4.1 加工尺寸在线检测 2、探针式红外自动测量系统工作原理5.4 检测监控技术应用实例简介30PPT课件5.4.1 加工尺寸在线检测 3、加工误差在线检测与补偿系统 系统组成与工作原理5.4 检测监控技术应用实例简介31PPT课件5.4.1 加工尺寸在线检测 3、加工误差在线检测与补偿系统 控制原理与算法5.4 检测监控技术应用实例简介32PPT课件5.4.2 加工工况监测应用实例 1.通过在线检测加工尺寸的变化检测刀具的磨损和破损5.4 检测监控技术应用实例简介33PPT课件5.4.2 加工工况监测应用实例 2.刀具状态的在线检测如果LLs-l，说明刀具没有折断或破损，如果L Ls-l，说明刀具已报废，需要换刀。5.4 检测监控技术应用实例简介34PPT课件5.4.2 加工工况监测应用实例 3.刀具状态的智能化在线监控系统1）系统的功能与组成：具有刀具破损监测和刀具磨损程度的在线检测功能，其工作原理为：5.4 检测监控技术应用实例简介35PPT课件2）刀具磨损程度的模糊分类方法：模糊分类的目的和意义模糊分类的基本方法5.4 检测监控技术应用实例简介36PPT课件2）刀具磨损程度模糊识别的基本原理：5.4 检测监控技术应用实例简介37PPT课件5.5.1.故障诊断的基本概念 1、设备运行的三种状态正常状态异常状态故障状态：指装置或设备的功能指标处在低于正常时的最低极限值。2、故障诊断 采集分析有关系统的信息。确定故障发生的时间、空间位置、故障类型，故障产生的原因和机理 确定故障对系统的影响大小和危害程度以及回复系统性能或改进系统设计的措施5.5 自动化系统的故障诊断38PPT课件5.5.1.故障诊断的基本概念 3、设备故障诊断技术的基本内容信号检测特征提取状态识别诊断决策5.5 自动化系统的故障诊断39PPT课件5.5.2.故障模型与诊断方法 1、故障模型 把系统或设备与故障有关的环境条件、人的行为与硬件功能联系，用图、表、数学式等表示外部因素与连锁事件、信息流、故障机理等与相关的事件的联系。常见的故障模型：故障树形图 流程图或坐标图 树形图 逻辑图 表达模型5.5 自动化系统的故障诊断40PPT课件故障树形图5.5 自动化系统的故障诊断41PPT课件流程图5.5 自动化系统的故障诊断42PPT课件 树形图 逻辑图 5.5 自动化系统的故障诊断43PPT课件2、故障分析方法 运用质量管理、统计、物理、化学、机械、电工等的计测分析方法，并从设备、系统的结构与功能联系出发，追查探索故障原因。主要方法有：（1）顺向分析法或归纳法 按可能的原因到可能的结果（2）逆向分析法或演绎法 从结果分析可能的原因5.5 自动化系统的故障诊断44PPT课件5.5.3 故障树分析方法1.故障树分析法的概念 把所研究系统的最不期望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、其故障机理或概率分布都是已知的，因而无需再深究的因素为止。故障树 底事件、顶事件、中间事件；逻辑关系：与门、或门。5.5 自动化系统的故障诊断45PPT课件2.故障树分析法的常用符号5.5 自动化系统的故障诊断a-硬件失效，b-人为差错，c-操作者的疏忽，d-顶事件或中间事件，e-条件事件，f,g,h,i,-不完整事件，j-转入符号，k-转出符号46PPT课件常用的逻辑门符号5.5 自动化系统的故障诊断a-逻辑与门，b-逻辑或门，c-逻辑禁门，d-中间事件47PPT课件3、故障树分析的步骤与故障树的建造5.5 自动化系统的故障诊断48PPT课件4、故障树分析法在FMS故障诊断中的应用5.5 自动化系统的故障诊断49PPT课件5.5.4 故障模式影响与后果分析法（FMECA）1、基本概念 通过分析系统中每一个可能发生的故障模式，确定其对系统（使用、功能或状态）所产生的影响与后果，并把每一个可能发生的故障模式，按其严重程度分类的一种方法。包括：故障模式分析（fault mode analusis,FMA）故障影响分析（fault effect analusis,FEA）故障危害分析（fault criticalitz analusis,FCA）5.5 自动化系统的故障诊断50PPT课件5.5.4 故障模式影响与后果分析法（FMECA）2、FMECA的方法与步骤收集数据与信息系统功能逻辑分析故障危害程度定性分析致命性分析FMECA的表格分析1）收集数据与信息：包括有关系统的设计资料；有关系统的使用与维修方面的数据与信息；系统的环境资料；有关系统的计算与实验资料等。2）系统功能逻辑分析：对零部件任务、功能、工作方式、故障模式及对系统影响等均应有明确定义，在此基础上，绘制系统的功能逻辑图，以便通过系统功能的逻辑分析，来确定系统的可靠性或故障原因。5.5 自动化系统的故障诊断51PPT课件5.5.4 故障模式影响与后果分析法（FMECA）3）故障危害程度稳定性分析：5.5 自动化系统的故障诊断4）致命性分析：针对某一确定的系统，进行各种故障模式的影响分析，进而确定每一零部件或系统致命度的分析过程。常用三种方法：52PPT课件解析计算法按风险大小计算法网络分析估算法5.5 自动化系统的故障诊断53PPT课件致命度估算图5.5 自动化系统的故障诊断54PPT课件1.简述检测监控子系统在制造自动化中的作用与功能？2.试说明检测监控基本单元的组成及各部分的主要作用？3.传感器的输入输出特性包括哪些？各自含义及在传感器设计或使用中如何考虑这些特性？4.画图说明应变式测力传感器的工作原理。5.举例说明物料传送线上如何实现简单零件的形状识别。6.简要说明加工误差检测与补偿系统的基本组成和工作原理。7.什么是故障诊断？包括哪两种诊断方法？二者的根本区别在哪里？第第5 5章章 复习题复习题55PPT课件