基于多特征量的机床性能评估 及预测方法研究
一
概述
二 载荷谱研究背景
报告提纲
三 汽车、飞机、机床载荷谱 四
总结及展望
2
概述
研究背景
机床在生产加工时出现故障会对生产效率和机床性能都有 很大的影响，能及时准确地对机床故障及性能进行预测和判断 ，缩短数控机床平均无故障时间，会大大提高机床效率和加工 质量。
图15 主切削力谱概率分布拟合与累积分布拟合
主切削力载荷-循环次数历程近似服从α=1.004，β=3.930的贝塔分布
[13]方杰.加工中心载荷测试技术与载荷谱编制方法研究[D].吉林：吉林大学,2014.
23
机床载荷谱
2010年杨兆军等应用模糊理论对机床故障信号分析，建立 故障模式的风险空间图，应用于实际数控机床，对机床故障分 析、可靠性设计等都有实际有效作用。[14]
15
飞机载荷谱
飞机在训练飞行时， 其飞行动作是按照飞行大 纲制定好的，其在训练飞 行时所承受的载荷是按一 定的顺序进行的加载，在 对其载荷谱分析时，需考 虑载荷加载顺序的影响。 1998年张福泽提出以中值 寿命概念编制飞机载荷谱 的方法，代替传统的雨流 计数法，保证载荷幅值与 频数关系不变，保留了加 载顺序和加载状态对寿命 图9 中值寿命编制获得累计频数曲线（曲线1） 的影响。[6] 与雨流计数法编制所得频数曲线（曲线2）
汽车载荷谱
2010年Chris K. Mechefske等对汽车驱动桥壳载荷谱进行分析 ，计算出驱动桥壳两个测量点疲劳失效寿命分别为95天和135天， 并分析了主要的失效区域，提出设计时应更多考虑疲劳失效而不 仅仅是强度问题。[4]
图7 驱动桥壳一个采集点的应力-时间历程和应变循环次数与大小
[4]Chris K. Mechefske.Drive axle housing failure analysis of a mining dump truck basedon the load spectrum[J].Engineering Failure Analysis,2011(18):1049-1057
14
汽车载荷谱
2012年吴道俊基于车辆载荷谱的分析提出了车辆疲劳耐久 性的系统的研究方法与流程，通过编辑的载荷谱对车辆零部件 仿真分析，对存在失效问题的零部件进行结构优化，有效提高 车辆结构耐久性。[5]
图8 某零部件载荷谱编辑前后对比
[5]吴道俊.车辆疲劳耐久性分析_试验与优化关键技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2012
2008年，周 水兵对于汽车在 试验场九种不同 路面行驶，采集 汽车八个零部件 加速度信号、六 个零部件应变信 号形成载荷谱， 分别对各个零部 件载荷谱进行编 辑，得到了可用 于实际汽车耐久 性工程试验的编 辑结果。[3]
13
图6 保留100%损伤量与保留75%损伤量 的雨流计数和对应损伤直方图
[3]周水兵.用户关联汽车道路载荷谱编制的研究[D].浙江：浙江大学，2008
图13 优化前后载荷时间序列对比
[10]Krishna Lok Singh.Techniques to generate and optimize the load spectra for an aircraft[J]. Springer,2010(6):63-72.
20
机床载荷谱
机床加工状态复杂，对其载荷谱的研究不仅仅局限在疲劳 载荷谱上，可从转速、扭矩、功率、温度、切削力、电流等信 号进行分析，对机床载荷信号，为方便归一化分析，选用相对 载荷进行分析。2014年马宇鹏提出了对数控机床载荷谱采集的 六点技术要领：[11]
图2 载荷谱的主要应用领域
6
一
概述
二 载荷谱研究背景
报告提纲
三 汽车、飞机、机床载荷谱 四
总结及展望
7
研究背景
载荷谱是机械整机结构或零部件所承受的典型载荷时间历 程，经数理统计后所得到的表示载荷大小与出现频次之间关系 的图形、表格、矩阵和其他概率特征值的统称。
图3 载荷谱的不同表达方式
8
研究背景
9
基本方法
雨流计数法
在对载荷谱应变-时间信号分析时，雨流计数法是当前的热 门方法，它能快速准确地得到应变循环的大小及次数。[2]
图5 雨流计数法原理图
[2]赵晓鹏.雨流计数法在整车载荷谱分析中的应用[R].天津：军事交通运输研究所，2009:67-73. 10
载荷谱采集与编辑
传感 器安 装与 标定 数 据 采 集 数 字 滤 波 剔 除 奇 异 点 参 数 外 推
非 参 数 外 推
样 本 长 度 确 定
测 试 方 案
预 处 理
载荷 循环 统计 分析
载 荷 外 推
全寿 命载 荷谱
载荷 谱的 应用
作 业 方 式
工 况 选 择
消 除 趋 势 项
雨流 计数
载荷循环 计数方法
11
一
概述
二 载荷谱研究背景
报告提纲
三 汽车、飞机、机床载荷谱 四
总结及展望
12
汽车载荷谱
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一
概述
二 载荷谱研究背景
报告提纲
三 汽车、飞机、机床载荷谱 四
总结与展望
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总结与展望
总结
1.机床故障诊断、性能监测方法。 2.载荷谱对机械零部件设计与性能预测的意义。 3.在汽车、飞机领域载荷谱应用较成熟，能用于分析设计整机 或零部件，在机床领域还处于编谱阶段。
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总结与展望
展望
1.机床载荷谱编谱信号、样本长度等的选择。 2.载荷谱提取机床特征信号，反馈到机床或相关零部件设计与 性能监测 3.载荷谱在机床台架试验研究
针对性 经济性
典型性
全面性
实用性
真实性
[11]马宇鹏.中型全功能通用卧式数控车床载荷谱的编制方法与应用研究[D].吉林：吉林大学，2黄祖广等研究了加工中心功率与转速图谱，分别对 铣削钻削镗削的功率分布及转速分布情况进行统计分析。[12]
图14 加工中心功率与转速利用图谱
[12]黄祖广.加工中心可靠性试验载荷谱的研究[J].制造技术与机床，2008(2)：60-65.
22
机床载荷谱
2014年方杰采集了数十台加工中心长时间加工的载荷数据， 并对不完整的数据进行了实验补充，编制了加工中心速度谱、切 削力谱、扭矩谱，建立了各个载荷信号的分布模型，并利用得到 的分布模型，进行了主轴可靠性试验。[13]
人工神经网络
模糊理论
智能化集成诊 断
5
概述
在数控机床性能预测诊断新方法的不断融入，对所需分析 信号数据也要求能全面、准确地包含机床各种信息，载荷谱是 已广泛应用于航空、汽车、造船等领域的包含大量工作状态信 息的信号，结合现代机床诊断方法对机床载荷谱研究，对机床 设计、可靠性试验、动力学仿真等都有推进作用。
图10 右主起落架着陆撞击起转回弹重型过载谱和着陆撞击振荡过载谱
[7]刘克格.飞机起落架载荷谱实测与编制方法[J].航空学报，2011，32(5)：841-848.
17
飞机载荷谱
2007年陈越良对民用飞机飞行载荷谱进行研究，编制了飞 机飞行地-空-地载荷循环，对飞机飞行过程中环境载荷进行研 究，给出环境谱的分类及编制方法。[8]
图16 失效模式风险空间图
[14]Zhaojun Yang.A new failure mode and effects analysis model of CNC machine tool using fuzzy theory[C] .Harbin Engineering University，Harbin. 2010：582-587．
敲击法
原理分析法
4
概述
现代数控机床故障诊断正在向智能化、集成化实现机床性 能预测方向发展。
诊断方法 人工智能专家 系统 方法原理 利用数据库中的资料，通 过专家系统推理得到结论 运行状态作为网络输入， 将学习的只是储存在网络 上，输出的节点即为一种 故障 构造模糊关系矩阵和模糊 关系方程求解故障诊断问 题 多信号特征和多诊断方法 相结合的技术 优点 智能化高，实 时性强 适应性强、自 学习能力强、 诊断速度快 模型设计简单 ，有处理不精 确、不完全信 息能力 所得结果、高 效有效 缺点 得到结论具有随意 性 输出结果的好坏取 决于样本的完整程 度，不善于处理预 测性问题 矩阵建立困难，准 确性较差，不具备 自学习、自适应的 特点 较复杂，处于研究 阶段
图11 综合环境载荷谱
[8]陈越良.飞机载荷/环境谱编制研究及应用[J].海军航空工程学院学报，2007，22(1)：114-118. 18
飞机载荷谱
2003年ALLEN M J 等应用神经网络对飞机 机翼载荷进行建模分析 拟合，得到优于线性模 型并与实际各种飞行状 态载荷相近的机翼载荷 模型。[9]
图12 实测载荷、神经网络模型和 线性回归模型模拟载荷比较
[9]ALLEN M J.Modeling aircraft wing loads from flight data using neural networks[R].NASA/TM212032,2003.
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飞机载荷谱
2010年Krishna Lok Singh通过飞行数据记录仪中的数据，对 飞机载荷谱进行优化，提出了峰谷计数和水平交叉计数两种方 法，其中水平交叉计数法能更快地得到载荷序列。[10]
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谢谢！
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图1 机床故障维修
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概述
机床故障诊断方法主要可分为两类：故障发生后故障原因 检查及故障排除，故障尚未发生时对机床的性能预测及诊断。 参数检验法
多传感器信息融合
人工智能、专家系统
局部升温法
传统故障 发生后检 查诊断的 方法
故障未发 生机床性 能预测与 诊断方法