隨著制造業的迅猛發展，從二十世紀八十年代開始加工中心引起了發達國家的重 視，并注入了大量的資金和人力進行研究。加工中心的精度、速度等一系列參數得到 了迅速提升，而可靠性作為一個評估參數也逐漸浮現在人們的視野中。狀態監測和故 障預警作為提升可靠性水平的一種重要措施也引起了更加廣泛的關注。
為了實現對刀庫運行狀態的監測功能，本文設計了數據采集電路進行數據采集， 采集信號主要包括振動信號、溫度信號三個方面，溫度傳感器安裝于電機表面，振動 傳感器安裝于機械手下表面，如圖3.3所示。
自然界中閃電和天然的磁石引起了人類的注意，這樣人類開始注意到電磁現象。 公元1086年北宋的科學家沈括在自己撰寫的《夢溪筆談》一書中述說了指南針的制 做方法、使用方法及用途。這是人類歷史上最早闡述關于電磁現象的書籍，并且利用 磁現象研制出了實用物品。丹麥人奧斯特在1820年才發現了電和磁之間的感應現象, 比中國晚了 700多年。法國人薩伐爾和畢奧總結推導出直流電元的磁力定理。依據電 磁感應定律法國物理學家阿拉戈創造出了電磁鐵。根據不同的應用電磁鐵分為磁懸 浮、永磁鐵排斥性磁懸浮和感應斥力磁懸浮三種形式。
逆系統解耦：逆系統分為兩種，一種是左逆系統，另一種是右逆系統。左逆系統 研究對象是系統輸入的觀測問題，右逆系統研究的對象是系統的輸出觀測問題。一般 我們只討論左逆系統。通過求解被控系統的逆系統，然后將求解得到的逆系統串聯在 被控系統前，逆系統將被控系統轉化成了偽線性系統。偽線性系統是指非線性系統具 備了線性系統的特征，但其本質仍然是非線性的。串聯逆系統后的耦合系統會被解耦 成多個SISO的偽線性系統，由于非線性系統具有了線性系統的特征，因此對于工程 上來說降低了控制難度和控制成本。由于想要得到非線性系統的逆系統非常困難，因 此需要利用一些算法求得非線性系統的逆系統。文獻[21]利用模糊神經網絡的泛化和 擬合能力來模擬出發酵系統的非線性逆模型。文獻[22]利用支持向量機非線性回歸功 能逼近兩個耦合電機的逆系統。
為了消除精工加工中心移動橫梁與導軌之間的摩擦對加工精度的影響。本文利用 電磁懸浮技術將橫梁完全懸浮起來，從而徹底消除摩擦，有效地提高了加工精度。由 于加工中心移動橫梁是由雙電磁懸浮系統共同懸浮，兩個懸浮系統由機械橫梁聯系在 一起，因此它們之間存在著耦合關系。分析雙電磁懸浮系統的受力情況得出它們的耦 合關系是本文重要內容之一。耦合的存在并不一定都是不利的。可以利用機械橫梁的 協同強迫性增加兩個電磁懸浮系統的同步性能，從而提高移動橫梁水平方向懸浮的穩 定性和零件的加工精度。耦合的不利方面體現在：由于兩個懸浮系統不可能完全相同， 因此在橫梁啟動懸浮或穩定運行后其中一個懸浮系統受到干擾時，耦合的存在會使兩 個懸浮系統同時受到干擾。從解耦的角度出發設計解耦控制器將兩個電磁懸浮系統解 耦成兩個獨立的系統。本文還對解耦后的單電磁懸浮系統進行了控制器的設計。針對 精工加工中心龍門磁懸浮系統的耦合情況的分析和單電磁懸浮系統的控制算法的研 究本文從以下六個方面對精工加工中心進行介紹和說明。
由式(2.13)可以搭建出電磁懸浮系統MATLAB仿真框圖，并對懸浮系統在沒有 任何控制器開環情況下施加0.002m的位置階躍信號驗證其穩定性，仿真框圖、仿真 結果圖如圖2.3、2.4所示。 由圖2.4可以看出電磁懸浮系統在不加任何控制器開環的情況下系統是發散的、 不穩定的。對系統進行線性化后穩定性分析，具體參數取值如下：磁極面積」= 125cm2,單 邊氣隙￡^=2111111，氣隙磁阻i? = 0.65D，線圈阻數iV = 340，橫梁一半質量w = 284kg，真空磁導率^=4;ixl(r7H/m,平衡點電流& =7A,代入公式中進行計算得磁懸浮
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加工中心盤式刀庫換刀系統的故障率較高，但故障模式較為單一。通過實驗室連 續試驗激發故障，對所采集的故障前后信號特征進行處理分析，獲取故障特征值，從 而實現故障預警，即在故障信號出現而故障未發生時發出報警提示。本文旨在提出一 種有效的故障預警方法，并在實驗室條件下驗證其可行性。
該系列盤式刀庫采用減速電機帶動分度機構實現刀盤的運轉，選刀動作快速、平 穩。分度機構由圓柱凸輪與凸輪軸承組合而成，分度精度高，噪音小；刀庫刀套采用 工程塑料ABS制作，具有重量輕、運轉平穩、沖擊小等優點，因此在進行信號采集時 能將干擾降到最低，有效地降低了故障誤報率。上述減速電機在運轉時帶動副鏈輪、 副鏈條運轉，通過副鏈條帶動刀庫外部帶有接近傳感器的軸轉動，實現對刀盤運動的 精確控制。機械手的換刀動作由減速電機帶動鏈條、鏈條帶動滾子式蝸型弧面復合凸 輪來完成。
故障預警系統主要包括電氣控制環節、數據采集環節和PLC控制環節，只有三個 環節協同工作才能完成盤式刀庫換刀系統的狀態監測和故障預警功能。本章設計任務 為設計電氣控制環節控制刀庫的正常動作、設計數據采集環節采集刀庫工作時的狀態 信號和設計PLC控制環節控制故障預警機構的動作。
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