ICS29.020

CCSK04

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/TXXXXX.3—XXXX

`

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維第3部分：

故障模式識(shí)別與預(yù)測(cè)性維護(hù)

Remoteoperationandmaintenanceofcomputerizednumericalcontrol（CNC）

machinetools-Part3:Faultpatternidentificationandpredictivemaintenance

（征求意見(jiàn)稿）

2023.2.3

在提交反饋意見(jiàn)時(shí)，請(qǐng)將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

GB/TXXXXX.3—XXXX

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起

草。

本文件是GB/T×××××的第3部分。GB/T×××××已經(jīng)發(fā)布了以下部分：

——第1部分：通用要求；

——第3部分：故障模式識(shí)別與預(yù)測(cè)性維護(hù)。

請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。

本文件由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。

本文件由全國(guó)工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC231）歸口。

本文件起草單位：××××，××××。

本文件主要起草人：×××，×××，×××。

III

GB/TXXXXX.3—XXXX

引言

GB/TXXXXX針對(duì)數(shù)控機(jī)床整機(jī)狀態(tài)信息采集、健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷與預(yù)測(cè)性維護(hù)的難題，從

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)功能出發(fā)，基于機(jī)床整機(jī)狀態(tài)信息采集和遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)的研究成果，給出了數(shù)控

機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維的技術(shù)要求、狀態(tài)信息采集、健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷以及預(yù)測(cè)性維護(hù)的方法指南等，用

于指導(dǎo)機(jī)床行業(yè)遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)的研究和應(yīng)用。

GB/TXXXXX擬由兩部分構(gòu)成（如圖1所示）。

——第1部分：通用要求。為數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維的總體架構(gòu)和通用技術(shù)要求提供指南，用于指

導(dǎo)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用。

——第3部分：故障診斷與預(yù)測(cè)性維護(hù)。對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集、健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷

和預(yù)測(cè)性維護(hù)等運(yùn)維服務(wù)功能提出流程和方法，旨在為數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集、健康狀態(tài)評(píng)

估、故障診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)體系

《數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維第1部分：通用要求》總則

《數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維第3部分：故障模式識(shí)別與預(yù)測(cè)性維護(hù)》

功

能

狀態(tài)信息采集健康狀態(tài)評(píng)估故障診斷預(yù)測(cè)性維護(hù)

圖1GB/TXXXXX各部分之間的關(guān)系

IV

GB/TXXXXX.3—XXXX

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維第3部分：

故障模式識(shí)別與預(yù)測(cè)性維護(hù)

1范圍

本文件規(guī)定了數(shù)控金屬切削機(jī)床（以下簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床）遠(yuǎn)程運(yùn)維的狀態(tài)信息采集、健康狀態(tài)評(píng)估、

故障診斷、故障狀態(tài)預(yù)測(cè)四個(gè)核心功能的流程、方法等內(nèi)容。

本文件適用于數(shù)控機(jī)床（包括主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和刀庫(kù)系統(tǒng)）遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/TXXXXX.1-XXXX數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維第1部分：通用要求

GB/T9061-2006金屬切削機(jī)床通用技術(shù)條件

GB/T36344-2018信息技術(shù)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

GB/T31916.1-2015信息技術(shù)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理第1部分：總則

ISO/TR17243-1-2014Machinetoolspindles-Evaluationofmachinetoolspindlevibrationby

measurementsonspindlehousing-Part1:Spindleswithrollingelementbearingsandintegraldrivesoperatingat

speedsbetween600min-1and30000min-1

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/TXXXXX.1界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

狀態(tài)信息采集statusinformationacquisition

通過(guò)傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或其他方式獲取能夠反映數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)信息的過(guò)程。

屬性集attributeset

數(shù)控機(jī)床一個(gè)或多個(gè)屬性集的集合，描述數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)信息屬性。

[來(lái)源：GB/T39561.2—2020，3.1.2，有修改]

靜態(tài)屬性集staticattributeset

屬性集的一種，包含的數(shù)據(jù)自確定后不變化或者變化不頻繁。

[來(lái)源：GB/T39561.2—2020，3.1.3，有修改]

動(dòng)態(tài)屬性集dynamicattributeset

屬性集的一種，包含的數(shù)據(jù)在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中顯現(xiàn)或者變化頻繁。

1

GB/TXXXXX.3—XXXX

擴(kuò)展屬性集attributeset

屬性集的一種，包含的數(shù)據(jù)是為了完成某一特定任務(wù)或用戶自定義的數(shù)據(jù)。

[來(lái)源：GB/T39561.2—2020，3.1.6，有修改]

狀態(tài)信息字典statusinformationdictionary

描述數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息的集合，是對(duì)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維中數(shù)據(jù)元素結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型。

特征指標(biāo)featureindicator

基于數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息提取的具有明確物理意義的指標(biāo)。

注：可以是狀態(tài)信息的原始值。

特征向量featurevector

由具有相同時(shí)間屬性的多個(gè)特征指標(biāo)組成的數(shù)值序列。

健康指標(biāo)healthindicator

用于表征數(shù)控機(jī)床及各功能部件健康狀態(tài)的度量數(shù)據(jù)。

故障征兆faultportent

數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障之前表現(xiàn)出的異常狀態(tài)。

故障模式庫(kù)faultmodelibrary

數(shù)控機(jī)床各類故障狀態(tài)進(jìn)行分類、存儲(chǔ)，構(gòu)成的知識(shí)庫(kù)。

狀態(tài)預(yù)測(cè)faultprediction

依據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)數(shù)控機(jī)床未來(lái)的狀態(tài)。

4狀態(tài)信息采集

基本流程

狀態(tài)信息采集為數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括確定采集參量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)

據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理等，數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程運(yùn)維的狀態(tài)信息采集基本流程如圖2所示，具體包括：

a)確定采集參量：根據(jù)數(shù)控機(jī)床的工作場(chǎng)景以及遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)的功能需求，確定需要采集的狀態(tài)

信息，并劃分狀態(tài)信息的屬性，包括靜態(tài)屬性集、動(dòng)態(tài)屬性集、擴(kuò)展屬性集，具體信息參照狀

態(tài)信息字典；

b)數(shù)據(jù)采集：根據(jù)狀態(tài)信息的屬性，選擇合適的方法采集數(shù)據(jù)，包括傳感器采集、數(shù)控系統(tǒng)第三

方接口采集等方法；

c)數(shù)據(jù)預(yù)處理：根據(jù)遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)功能需求對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)

降噪、特征提取等。對(duì)于靜態(tài)屬性集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理不做硬性要求；

d)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、云端數(shù)據(jù)庫(kù)等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

e)數(shù)據(jù)管理：對(duì)存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括增刪改查、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)優(yōu)化等。

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集相關(guān)示例見(jiàn)附錄A。

2

GB/TXXXXX.3—XXXX

確定數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

采集參量采集預(yù)處理存儲(chǔ)管理

采采

集數(shù)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)降噪增刪改查集

靜態(tài)屬性集

開傳感器采集標(biāo)準(zhǔn)化處理本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)更新結(jié)

動(dòng)態(tài)屬性集

始人工錄入特征提取云端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)優(yōu)化束

擴(kuò)展屬性集

··················

圖2狀態(tài)信息采集基本流程示意圖

狀態(tài)信息字典

4.2.1狀態(tài)信息字典結(jié)構(gòu)層次

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息字典分為組件集和屬性集兩部分，層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

組件集包括數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、刀庫(kù)系統(tǒng)等。

屬性集包括靜態(tài)屬性集、動(dòng)態(tài)屬性集和擴(kuò)展屬性集三個(gè)部分。

每一類組件可分為一個(gè)或者多個(gè)屬性集，每個(gè)屬性集可由一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)信息字典條目組成。

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息字典

組件集

主軸系統(tǒng)進(jìn)給系統(tǒng)刀庫(kù)系統(tǒng)······

屬性集

靜態(tài)屬性集動(dòng)態(tài)屬性集擴(kuò)展屬性集

狀態(tài)信息字典條目1狀態(tài)信息字典條目1狀態(tài)信息字典條目1

··················

狀態(tài)信息字典條目N狀態(tài)信息字典條目N狀態(tài)信息字典條目N

圖3數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息字典層次結(jié)構(gòu)

4.2.2狀態(tài)信息字典條目

狀態(tài)信息字典條目結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1狀態(tài)信息字典條目結(jié)構(gòu)

屬性集屬性數(shù)據(jù)英數(shù)據(jù)訪問(wèn)建模數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)工程采集采集采集語(yǔ)義

名稱名稱文名稱說(shuō)明權(quán)限規(guī)則類型值單位方式頻率精度值

··············································································

狀態(tài)信息字典條目用來(lái)描述組件集及每個(gè)組件中屬性集的特性，具體信息說(shuō)明如下：

a）屬性集名稱

3

GB/TXXXXX.3—XXXX

每個(gè)狀態(tài)信息字典條目所在的屬性集的名稱，采用“組件集+屬性集”的方式命名。

b）屬性名稱

每一個(gè)狀態(tài)信息字典條目的名稱。

c）屬性英文名稱

屬性名稱對(duì)應(yīng)的英文名。

d）建模規(guī)則

建模規(guī)則的表示分為M和O。M表示強(qiáng)制，即在建模時(shí)必須包含該屬性數(shù)據(jù)；O表示可選，

即在建模時(shí)該屬性數(shù)據(jù)是可選的。

e）訪問(wèn)權(quán)限

訪問(wèn)權(quán)限包括以下兩種形式：RO代表只讀；RW代表可讀可寫。

f）數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)類型應(yīng)符合GB/T33863.3—2017和GB/T33863.5—2017中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型的定義。

g）數(shù)據(jù)值

根據(jù)數(shù)據(jù)類型確定。

h）工程單位

數(shù)據(jù)值的單位度量，應(yīng)符合GB/T3100—1993中的規(guī)定。

i）屬性說(shuō)明

對(duì)屬性的描述。

j）采集方式

采集方式包括以下三種：C表示通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)采集；S表示通過(guò)傳感器采集；E表示其他方式。

k）采集頻率

根據(jù)具體的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行設(shè)置，本文件附錄B給出的值代表最低的采集頻率，采集頻率的實(shí)

際值應(yīng)不低于該值。

l）采集精度

表示采集到的數(shù)據(jù)要達(dá)到的小數(shù)點(diǎn)位數(shù)，本文件給出的為最低值，狀態(tài)信息采集的實(shí)際精度應(yīng)

不低于該值。

m）語(yǔ)義值

描述數(shù)據(jù)的值所代表的含義。

數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)刀庫(kù)系統(tǒng)狀態(tài)信息字典示例見(jiàn)附錄B。

狀態(tài)信息采集方法

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集常用的方法有傳感器采集、數(shù)控系統(tǒng)第三方接口采集、其他方式采集等三

大類，如圖4所示。

——傳感器采集：通過(guò)加裝傳感器或數(shù)控機(jī)床內(nèi)置傳感器進(jìn)行狀態(tài)信息采集，例如溫度、振動(dòng)、

噪聲等；

——數(shù)控系統(tǒng)第三方接口采集：通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)通信接口對(duì)數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)信息進(jìn)行采集；

——其他方法：對(duì)于數(shù)控機(jī)床的靜態(tài)信息、定期檢修信息等，可直接通過(guò)人工錄入或者配合二維

碼等其他方法完成狀態(tài)信息采集。

4

GB/TXXXXX.3—XXXX

數(shù)控機(jī)床

狀態(tài)信息采集

數(shù)控系統(tǒng)采集傳感器采集其他方法

圖4數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集方法

數(shù)據(jù)預(yù)處理

狀態(tài)信息在采集后，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作。數(shù)據(jù)預(yù)處理應(yīng)滿足以下要求（但不限于）：

a)具備數(shù)據(jù)降噪功能，相關(guān)方法見(jiàn)GB/T29716.1—2013；

b)具備數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理功能，消除不同數(shù)據(jù)指標(biāo)之間量綱和數(shù)量級(jí)的影響，使數(shù)據(jù)指標(biāo)之間具有

可比性；

c)具備特征提取功能，包括但不限于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻域分析；

d)具備數(shù)據(jù)分析功能，能夠支持?jǐn)?shù)控機(jī)床健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)等遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)；

e)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)質(zhì)量應(yīng)符合GB/T36344—2018中的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求；

數(shù)據(jù)預(yù)處理的常用方法見(jiàn)附錄C。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)滿足以下要求（但不限于）：

a)滿足對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；

b)支持本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

c)支持歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能；

d)云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理應(yīng)符合GB/T31916.1-2015的要求。

數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理應(yīng)滿足以下要求（但不限于）：

a）具備數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等功能；

b）具備數(shù)據(jù)更新功能；

c）具備數(shù)據(jù)優(yōu)化功能。

5健康狀態(tài)評(píng)估

基本流程

健康狀態(tài)評(píng)估基于數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)信息，提取狀態(tài)信息中的特征指標(biāo)，通過(guò)綜合各特征指標(biāo)評(píng)估得

到數(shù)控機(jī)床的健康狀態(tài)，并給出可視化反饋。

健康狀態(tài)評(píng)估基本流程如圖5所示，包含以下幾個(gè)部分：

a)構(gòu)建多維度健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)，從多個(gè)維度描述數(shù)控機(jī)床健康狀態(tài)；

b)根據(jù)數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)行情況，選擇合適的方法進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估；

c)輸出健康狀態(tài)評(píng)估報(bào)告。

5

GB/TXXXXX.3—XXXX

狀態(tài)信息

多維度健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)

健康狀態(tài)評(píng)估

是否異常

否是

輸出評(píng)估報(bào)告，繼續(xù)進(jìn)行狀態(tài)輸出評(píng)估報(bào)告，并進(jìn)入故障診

信息采集，重復(fù)評(píng)估流程斷階段

圖5健康狀態(tài)評(píng)估基本流程

健康狀態(tài)評(píng)估層次

健康狀態(tài)評(píng)估包含以下三個(gè)層次：

——綜合各特征指標(biāo)對(duì)數(shù)控機(jī)床某關(guān)鍵功能部件的某個(gè)維度進(jìn)行評(píng)估；

——綜合各個(gè)維度評(píng)估結(jié)果對(duì)數(shù)控機(jī)床某關(guān)鍵功能部件的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；

——綜合各個(gè)關(guān)鍵功能部件健康狀態(tài)對(duì)數(shù)控機(jī)床整體的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

健康狀態(tài)評(píng)估層次關(guān)系如圖6所示。

數(shù)控機(jī)床整機(jī)

健康評(píng)估

進(jìn)給系統(tǒng)健康主軸系統(tǒng)健康

狀態(tài)評(píng)估狀態(tài)評(píng)估

剛度噪聲驅(qū)動(dòng)

振動(dòng)溫度

維度維度維度維度維度

均主主

動(dòng)聲

方振軸軸靜電電

剛剛壓

根幅溫溫度度值流壓

值度升

圖6健康狀態(tài)評(píng)估層次

健康狀態(tài)評(píng)估方法

5.3.1單維度健康狀態(tài)評(píng)估

單維度健康狀態(tài)評(píng)估是根據(jù)各個(gè)維度的指標(biāo)值判斷該維度下數(shù)控機(jī)床的健康狀態(tài)。

6

GB/TXXXXX.3—XXXX

首先將各指標(biāo)偏離健康閾值的程度歸一化到統(tǒng)一量綱下，使偏差水平統(tǒng)一反映在區(qū)間為0至100的

健康指數(shù)范圍內(nèi)，以60為狀態(tài)異常臨界點(diǎn)。健康指數(shù)計(jì)算方法如下式：

Mark=100?40（1）

式中：

為數(shù)控機(jī)床各個(gè)指標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的平均值；

為數(shù)控機(jī)床各個(gè)指標(biāo)的閾值。

根據(jù)健康指數(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行健康評(píng)級(jí)，如表2所示。

表2數(shù)控機(jī)床健康狀態(tài)等級(jí)劃分

健康指數(shù)健康等級(jí)運(yùn)行情況描述危害度描述

Mark85優(yōu)運(yùn)行情況好，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)好發(fā)生故障的概率可能性很小

75Mark85良各項(xiàng)指標(biāo)合格，設(shè)備運(yùn)行良好發(fā)生故障的概率可能性較小

發(fā)生故障的概率較大，需要

60Mark75中指標(biāo)不合格，設(shè)備運(yùn)行異常

進(jìn)行故障診斷

指標(biāo)超過(guò)（不達(dá)）閾值要求，不發(fā)生故障的概率很大，需要

Mark60差

能正常運(yùn)行或加工不合格進(jìn)行故障診斷

5.3.2多維度健康狀態(tài)評(píng)估

多維度健康狀態(tài)評(píng)估通過(guò)綜合各個(gè)單維度的評(píng)估結(jié)果，從多維度出發(fā)，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)

估。在綜合多維度進(jìn)行評(píng)估時(shí)要明確各個(gè)維度的權(quán)重。

多維度健康狀態(tài)評(píng)估方法包括以下方法（但不限于）：

a)基于雷達(dá)圖的評(píng)估：當(dāng)前各個(gè)維度健康狀態(tài)所圍成的面積與整體雷達(dá)圖面積之比作為整機(jī)健

康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)，該值越小說(shuō)明機(jī)床的健康狀態(tài)越差。

b)基于相似度的評(píng)估：通過(guò)度量數(shù)控機(jī)床在當(dāng)前時(shí)刻的特征向量與歷史正常特征向量之間的相

似性進(jìn)行狀態(tài)分析。相似程度的表征包括但不限于相似系數(shù)以及向量距離。當(dāng)前時(shí)刻的特征向

量與歷史正常特征向量存在較大差異時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前數(shù)控機(jī)床的健康狀態(tài)異常，判斷該差異是否

可接受的閾值要謹(jǐn)慎確定。

常用特征向量相似度計(jì)算方法見(jiàn)附錄D。

5.3.3閾值確定方法

數(shù)控機(jī)床健康閾值主要分為靜態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)閾值。

a）靜態(tài)閾值

靜態(tài)閾值一般根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或者根據(jù)機(jī)床自身工況進(jìn)行確定。

例如振動(dòng)維度的閾值，根據(jù)ISO/TR17243-1中的規(guī)范確定；溫度和溫升的閾值根據(jù)GB/T9061-2006

中的規(guī)范確定。

b）動(dòng)態(tài)閾值

動(dòng)態(tài)閾值是通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、測(cè)試，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。對(duì)某個(gè)特征指標(biāo)，首先

求得其歷史記錄序列的平均值x及標(biāo)準(zhǔn)差，則健康閾值由下式進(jìn)行計(jì)算。

7

GB/TXXXXX.3—XXXX

xxd=+39（2）

注：動(dòng)態(tài)閾值根據(jù)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行時(shí)間、狀況不斷更新，更新時(shí)間點(diǎn)與數(shù)控機(jī)床規(guī)定的定期檢修的時(shí)間點(diǎn)契合。

健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)

數(shù)控機(jī)床多維度健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)應(yīng)包括以下維度（但不限于），每個(gè)維度可用一個(gè)或多個(gè)特征指

標(biāo)表征：

a)振動(dòng)維度：從數(shù)控機(jī)床各測(cè)點(diǎn)采集的振動(dòng)信號(hào)及其特征值，包括峰峰值、均值等。

b)溫度維度：包括數(shù)控機(jī)床各測(cè)點(diǎn)的溫升值與溫度值。

c)剛度維度：包括數(shù)控機(jī)床的靜剛度、動(dòng)剛度。

d)噪聲維度：主要指數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的聲壓值。

e)驅(qū)動(dòng)維度：包括數(shù)控機(jī)床的電壓、電流等。

健康狀態(tài)評(píng)估報(bào)告

數(shù)控機(jī)床健康狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)用戶需求自動(dòng)出具數(shù)控機(jī)床健康狀態(tài)評(píng)估報(bào)告以供查閱，具

有歷史數(shù)據(jù)診斷以及報(bào)告輸出保存功能。報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容（但不限于）：

——數(shù)控機(jī)床基本信息，包括數(shù)控機(jī)床的名稱、型號(hào)、已服役時(shí)間、性能參數(shù)等；

——狀態(tài)信息及特征指標(biāo)，包括數(shù)控機(jī)床在當(dāng)前狀態(tài)下各個(gè)特征指標(biāo)的實(shí)測(cè)值以及閾值；

——健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，包括各個(gè)維度的健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果、功能部件健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果、整機(jī)健

康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果。

6故障診斷

基本流程

故障診斷主要包括故障模式識(shí)別、故障定位、故障評(píng)價(jià)以及故障決策四個(gè)部分，故障診斷基本流程

如圖7所示。

故障模式庫(kù)

狀健故故

數(shù)態(tài)康是障故故故障

是

控信狀否模障障障診

機(jī)息態(tài)異式定評(píng)決斷

床采評(píng)常識(shí)位價(jià)策報(bào)

集估別告

否

維護(hù)、維修

圖7故障診斷基本流程

故障診斷的基本流程主要包括以下幾個(gè)部分：

a)故障模式識(shí)別：依據(jù)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息，結(jié)合故障模式庫(kù)識(shí)別可能發(fā)生的故障類型；

8

GB/TXXXXX.3—XXXX

b)故障定位：依據(jù)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息以及故障類型，結(jié)合故障模式庫(kù)判斷可能發(fā)生故障的

位置；

c)故障評(píng)價(jià)：依據(jù)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息、故障類型以及故障位置，結(jié)合故障模式庫(kù)，將故障

對(duì)數(shù)控機(jī)床性能、功能的影響做出判斷，確定故障嚴(yán)重等級(jí)；

d)故障決策：根據(jù)對(duì)當(dāng)前數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的判斷，決定應(yīng)采取的對(duì)策和措施；

e)故障診斷報(bào)告：根據(jù)故障診斷獲取的信息，編制診斷報(bào)告，并提供維護(hù)、維修建議。

故障診斷方法

設(shè)數(shù)控機(jī)床故障標(biāo)準(zhǔn)模式為{Ei}(i=1,…,m)，各模式所對(duì)應(yīng)的故障為{Yi}(i=1,…,m)，待診斷特征指標(biāo)

向量為R。模糊貼近度方法采用一種幾何相似的識(shí)別方法，它通過(guò)計(jì)算R與{Ei}(i=1,…,m)中各個(gè)狀態(tài)模

式Ei的相似程度，即模糊貼近度，來(lái)確定Ei所對(duì)應(yīng)的故障Yi發(fā)生的可能性N(R,Ei)。使用最大最小法

計(jì)算故障發(fā)生可能性，如下式所示：

n

[R(j)Ei(j)]

j=1（3）

N(R,Ei)=n

[R(j)Ei(j)]

j=1

式中：代表取最大值；代表取最小值；R(j)表示待診斷特征指標(biāo)向量中第j個(gè)特征指標(biāo)的值，Eji()

表示第i個(gè)故障模式中第j個(gè)特征指標(biāo)的值。

若有1≤i≤m使：

（）

N(R,Eij)=max(N(R,E))4

1jm

則認(rèn)為R與Ei最貼近，R應(yīng)歸為模式Y(jié)i。

也可以使用以下其它方法（包括但不限于）建立故障診斷模型：

——數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，例如支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹等；

——解析模型方法，例如參數(shù)估計(jì)法、等價(jià)空間等；

——定性分析方法，例如專家系統(tǒng)、圖搜索等。

故障模式庫(kù)

數(shù)控機(jī)床故障模式庫(kù)應(yīng)包括以下基本要素（但不限于）：

a)機(jī)床故障模式：即數(shù)控機(jī)床可能發(fā)生的各種故障，可通過(guò)故障樹、專家經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)記錄等方法

進(jìn)行確定；

b)故障反應(yīng)：即數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)；

c)特征指標(biāo)：即描述數(shù)控機(jī)床故障特征的從不同的維度的指標(biāo)，包括振動(dòng)、電流、溫度等維度，

需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)確定；

d)故障等級(jí)：表征數(shù)控機(jī)床所發(fā)生故障的嚴(yán)重程度；

e)處理方式：數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時(shí)需要采取的措施以及維修手段。

數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)故障樹示例見(jiàn)附錄E；故障模式庫(kù)示例見(jiàn)附錄F。

故障診斷報(bào)告

故障診斷報(bào)告中應(yīng)包括以下內(nèi)容（但不限于）：

a）發(fā)生故障時(shí)機(jī)床的特征；

9

GB/TXXXXX.3—XXXX

b）確認(rèn)的故障模式；

c）列出機(jī)床可能損壞的部件；

d）故障嚴(yán)重程度；

e）故障診斷方法；

f）建議校正操作或維修活動(dòng)。

7故障狀態(tài)預(yù)測(cè)

基本流程

故障狀態(tài)預(yù)測(cè)基于故障診斷的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)其未來(lái)的運(yùn)行

狀態(tài)，基本流程如圖8所示。

模

型

調(diào)

優(yōu)否

狀預(yù)狀

確定計(jì)

數(shù)態(tài)測(cè)模是態(tài)

待預(yù)是算

控信模型否預(yù)

測(cè)特預(yù)

機(jī)息型評(píng)達(dá)測(cè)

征指測(cè)

床采構(gòu)估標(biāo)報(bào)

標(biāo)值

集建告

維護(hù)

圖8故障狀態(tài)預(yù)測(cè)基本流程

故障狀態(tài)預(yù)測(cè)的基本流程主要包括以下幾個(gè)部分：

a)確定待預(yù)測(cè)指標(biāo)：依據(jù)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息及健康狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，確定需要預(yù)測(cè)的故障特

征指標(biāo)；

b)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建：依據(jù)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)量，選擇合適的方法構(gòu)建狀態(tài)預(yù)測(cè)模型；

c)模型評(píng)估：對(duì)構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行評(píng)估，判斷其誤差是否在合理范圍內(nèi)；

d)計(jì)算預(yù)測(cè)值：利用狀態(tài)預(yù)測(cè)模型對(duì)數(shù)控機(jī)床當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)值，并判斷

其置信區(qū)間；

e)狀態(tài)預(yù)測(cè)報(bào)告：根據(jù)故障狀態(tài)預(yù)測(cè)獲取的信息，編制診斷報(bào)告，并提供維護(hù)、維修建議。

首先收集用于狀態(tài)預(yù)測(cè)的相關(guān)信息，進(jìn)一步明確預(yù)測(cè)過(guò)程的目標(biāo)變量以及相關(guān)變量，并通過(guò)相關(guān)分

析確保二者存在關(guān)系，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型；構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型要經(jīng)過(guò)模型檢驗(yàn)并進(jìn)行反饋修改才可給出最終的

預(yù)測(cè)目標(biāo)預(yù)測(cè)值，并最終形成數(shù)控機(jī)床狀態(tài)預(yù)測(cè)報(bào)告。

預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

7.2.1狀態(tài)預(yù)測(cè)方法

選擇合適的狀態(tài)預(yù)測(cè)方法、預(yù)測(cè)步長(zhǎng)與向后預(yù)測(cè)步數(shù)構(gòu)建狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，數(shù)控機(jī)床狀態(tài)預(yù)測(cè)常用的

方法主要有以下方法（包括但不限于）：

10

GB/TXXXXX.3—XXXX

——基于模型的方法，該方法適用于數(shù)據(jù)量小或者提供的數(shù)據(jù)影響因素比較單一的情況，常用的有

線性回歸、自回歸、時(shí)間序列模型（ARIMA）等；

——基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，該方法適用于故障數(shù)據(jù)樣本充分的情況，常用的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹、

支持向量機(jī)等。

7.2.2狀態(tài)預(yù)測(cè)模型誤差檢驗(yàn)

檢驗(yàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)模型誤差是否符合要求，常用的誤差檢驗(yàn)有以下方法（包括但不限于）：

——均方誤差；

——均方根誤差；

——平均絕對(duì)誤差。

預(yù)測(cè)特征指標(biāo)

明確預(yù)測(cè)的具體指標(biāo)，即待預(yù)測(cè)特征指標(biāo)?？赏ㄟ^(guò)故障模式庫(kù)中的故障特征指標(biāo)確定。除無(wú)量綱的

特征指標(biāo)外，可用于數(shù)控機(jī)床的典型預(yù)測(cè)特征指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3數(shù)控機(jī)床典型狀態(tài)預(yù)測(cè)特征指標(biāo)

數(shù)控機(jī)床功能部件預(yù)測(cè)特征指標(biāo)

振動(dòng)均方根值

振動(dòng)基頻幅值

主軸振動(dòng)二倍基頻幅值

溫升值

振動(dòng)峭度值

軸承故障振動(dòng)頻率幅值

絲杠磨損特征頻率幅值

進(jìn)給軸

振動(dòng)峭度值

滾珠沖擊頻率幅值

狀態(tài)預(yù)測(cè)報(bào)告

狀態(tài)預(yù)測(cè)報(bào)告中包含的要素包括以下內(nèi)容（但不限于）：

a)故障狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果，如預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生故障，給出故障模式、故障位置以及故障嚴(yán)重程度；

b)選擇的預(yù)測(cè)特征指標(biāo)；

c)使用的狀態(tài)預(yù)測(cè)方法及預(yù)測(cè)模型；

d)維護(hù)建議。

11

GB/TXXXXX.3—XXXX

附錄A

（資料性）

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集示例

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖A.1。狀態(tài)信息采集

系統(tǒng)硬件的核心是數(shù)據(jù)采集卡和PLC控制器，兩者主要用于完成附加傳感器的數(shù)據(jù)采集，包括快

變、慢變等運(yùn)行狀態(tài)信息。

普通插座

PLC控制

器

傳感器濾波器空氣開關(guān)交流接觸器

交換機(jī)數(shù)控機(jī)床

12V線性

電源

信號(hào)調(diào)理器

數(shù)據(jù)采集卡

上位機(jī)

圖A.1狀態(tài)信息采集硬件組成圖

狀態(tài)信息采集的信息由兩部分組成，一部分是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的第三方接口獲取機(jī)床的轉(zhuǎn)速、電

流、負(fù)載、坐標(biāo)、報(bào)警信息等CNC系統(tǒng)信息；另一方面通過(guò)在主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)等關(guān)鍵部位加

裝傳感器，進(jìn)行信息采集。

以振動(dòng)、溫度傳感器為例，傳感器的具體安裝位置如圖A.2和圖A.3，位置分布列表見(jiàn)表A.1

和表A.2，其主要分布在主軸、絲杠螺母和電機(jī)部位，重點(diǎn)反映主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖A.2數(shù)控車床加裝傳感器位置分布圖

12

GB/TXXXXX.3—XXXX

表A.1數(shù)控車床加裝傳感器位置分布表

傳感器類型傳感器位置反映部件

傳感器1主軸箱主軸

傳感器2X軸滑體X軸

振動(dòng)

傳感器3Z軸滑塊Z軸

傳感器4床鞍Z軸

傳感器6X軸電機(jī)X軸

傳感器7Z軸電機(jī)Z軸

溫度

傳感器8主軸箱主軸

傳感器9主電機(jī)主電機(jī)

圖A.3立式加工中心加裝傳感器位置分布圖

表A.2立式加工中心加裝傳感器位置分布表

傳感器類型傳感器位置反映部件

傳感器1主軸箱主軸

傳感器2工作臺(tái)側(cè)面X軸

振動(dòng)傳感器3Y軸電機(jī)Y軸

傳感器4Y軸螺母Y軸

傳感器5Z軸電機(jī)Z軸

傳感器1主軸箱主軸

傳感器2主電機(jī)主電機(jī)

傳感器3Z軸電機(jī)座Z軸

傳感器4X軸電機(jī)座X軸

溫度

傳感器5X軸軸承座X軸

傳感器6Y軸電機(jī)座Y軸

傳感器7Y軸軸承座Y軸

傳感器8Y軸螺母Y軸

數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、信號(hào)分析、特征信息提取和狀態(tài)監(jiān)測(cè)于一體，功能框圖如

圖A.4所示。工作人員通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)機(jī)床進(jìn)行狀態(tài)采集與監(jiān)測(cè)，為數(shù)控機(jī)床健康狀態(tài)評(píng)估、故障診

斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

13

GB/TXXXXX.3—XXXX

溫度信號(hào)

附加傳感器時(shí)域圖像和

時(shí)域分析

特征量提取

振動(dòng)信號(hào)

圖像界面

信號(hào)采集頻域分析頻域圖像

轉(zhuǎn)速及進(jìn)給

負(fù)載信息

CNC系統(tǒng)

電流信息

位置坐標(biāo)

圖A.4狀態(tài)信息采集功能

14

GB/TXXXXX.3—XXXX

附錄B

（資料性）

狀態(tài)信息字典示例

B.1主軸系統(tǒng)狀態(tài)信息字典

主軸系統(tǒng)屬性集描述見(jiàn)表B.1。

表B.1主軸系統(tǒng)屬性集描述

屬性集名稱屬性名稱屬性說(shuō)明

主軸名稱描述主軸名稱

主軸型號(hào)描述主軸類型

主軸最大轉(zhuǎn)速描述主軸可以達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速

主軸最大加載力描述主軸可以達(dá)到的最大加載力

主軸系統(tǒng)靜態(tài)屬性集

主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)描述主軸的轉(zhuǎn)速擋位

主軸生產(chǎn)廠商描述主軸的生產(chǎn)廠商

主軸生產(chǎn)日期描述主軸的生產(chǎn)日期

主軸額定功率描述主軸額定功率

主軸使能狀態(tài)描述主軸當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行/停止

主軸轉(zhuǎn)速描述主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速值

主軸倍率描述主軸倍率

主軸負(fù)載率描述主軸電機(jī)實(shí)際輸出功率的百分比大小

主軸電流描述主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值