Диагностика механических систем привода полиграфических машин с использованием искусственных нейронных сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор технических наук Куликов, Григорий Борисович

• Куликов, Григорий Борисович
• доктор технических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор технических наук Куликов, Григорий Борисович

Введение.

1. Состояние вопроса в области виброакустики и технической диагностики полиграфического оборудования.

1.1. Исследование виброакустических параметров элементов привода полиграфических машин.

1.2. Использование вычислительной техники для диагностики технического состояния механических систем.

1.3. Диагностические исследования в области медицины.

1.4. Развитие виброакустических исследований в полиграфии.

1.5. Основные цели и задачи виброакустической диагностики механических систем привода полиграфических машин.

1.6. Выводы по главе 1.

2. Классификация методов и средств технической диагностики.

2.1. Анализ развития методов и средств технической диагностики.

2.2. Классификация систем технической диагностики.

2.3. Классификация методов технической диагностики.

2.4. Классификация технических средств диагностирования.

2.4.1. Стационарные виброакустические системы мониторинга и диагностики.

2.4.2. Переносные виброакустические системы мониторинга и диагностики.

2.4.3. Специальные системы диагностики.

2.4.4. Требования к измерительной аппаратуре.

2.5. Встроенные системы функциональной диагностики современного печатного оборудования.

2.6. Выводы по главе 2.

3. Методы исследования и анализа акустических сигналов.

3.1. Характеристики и методы представления акустических сигналов.

3.1.1. Общие характеристики сигналов.

3.1.2. Спектральные характеристики.

3.1.3. Характеристики случайных колебаний.

3.2. Методы выделения информативных компонент в акустических сигналах.

3.2.1. Спектральный анализ.

3.2.2. Кепстральный анализ.

3.2.3. Клиппирование спектра.

3.2.4. Синхронное накопление.

3.2.5. Огибающая акустического сигнала.

3.2.6. Анализ ударных импульсов.

3.2.7. Стробирование.

3.2.8. Корреляционный анализ.

3.2.9. В ейв лет-анализ.

3.3. Выводы по главе 3.

4. Диагностика подшипников качения печатных пар полиграфических машин.

4.1. Диагностические признаки подшипников качения.

4.1.1. Однорядные шарикоподшипники.

4.1.2. Двух- и многорядные шарикоподшипники.

4.1.3. Однорядные конические роликоподшипники.

4.2. Экспериментальное исследование параметров износа однорядных подшипников печатной пары.

4.2.1. Статистическая обработка полученных результатов.

4.2.2. Построение доверительных интервалов.

4.2.3. Разработка регрессионных диагностических моделей.

4.3. Экспериментальное исследование параметров вибрации роликовых подшипников печатных пар.

4.4. Выводы по главе 4.

5. Диагностика цикловых механизмов полиграфических машин на основе искусственных нейронных сетей.

5.1. Принципы построения и классификация диагностических систем с использованием методов распознавания.

5.2. Применение искусственных нейронных сетей в задачах диагностики

5.2.1. Общие сведения о нейронных сетях.

5.2.2. Обучение нейронных сетей.

5.3. Диагностические признаки цикловых механизмов полиграфических машин.

5.4. Экспериментальное исследование параметров износа цикловых механизмов привода полиграфических машин.

5.4.1. Исследование влияния зазора в паре кулачок-ролик на виброактивность механизма привода качающегося стола.

5.4.2. Статистическая обработка полученных результатов, построение регрессионных моделей.

5.4.3. Исследование влияния зазора в паре кулачок-ролик в механизме привода качающегося стола ниткошвейного автомата на качество шитья

5.5. Построение искусственных нейросетей, использующих для диагностики цикловых механизмов амплитуды спектральных составляющих виброускорения.

5.6. Построение искусственных нейросетей, использующих для диагностики цикловых механизмов амплитуды спектральных составляющих огибающих сигнала виброускорения.

5.7. Построение искусственных нейросетей, использующих для диагностики цикловых механизмов спектральные характеристики вибрации и категориальные переменные.

5.8. Алгоритм и система технической диагностики механических систем привода полиграфических машин на основе искусственных нейронных сетей

5.9. Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика механических систем привода полиграфических машин с использованием искусственных нейронных сетей»

Представленный научный труд является итогом многолетних исследований автора в области диагностики технического состояния полиграфических машин.

Актуальность проблемы. Работоспособность полиграфического оборудования определяется техническим состоянием механических систем привода полиграфических машин (МС ГТПМ), которое в первую очередь зависит от степени износа опор качения, кулачковых механизмов, зубчатых пар. Объектами исследования являются подшипниковые узлы МС ППМ при различном характере нагружения и кулачковые механизмы. Основная направленность работы —■ на диагностирование и прогнозирование технического состояния исследуемых устройств.

Актуальность работы, имеющей большое народнохозяйственное значение, заключается в повышении качества функционирования МС ППМ за счет применения диагностических методов, позволяющих оценить техническое состояние и выявить возможные отказы на стадиях проектирования, производства и эксплуатации полиграфического оборудования.

Особенно остро проблема распознавания технического состояния полиграфического оборудования встала в последние годы с внедрением высокоскоростного печатного и послепечатного оборудования, автоматизированных поточных линий и постепенным развитием тенденций перехода на гибкие производственные системы (ГПС) с цифровым управлением, что потребовало существенного повышения квалификации обслуживающего персонала и разработки новых методов поиска неисправностей.

Одним из направлений повышения качества обслуживания оборудования является разработка методов и средств для своевременного обнаружения и предупреждения отказов машин, возникающих в процессе их эксплуатации. Наиболее эффективными методами оценки технического состояния полиграфического оборудования являются методы технической диагностики (ТД). Своевременное обнаружение неисправностей, прогнозирование развития износа оборудования позволяет уменьшить простои, повысить качество выпускаемой продукции, снизить ее себестоимость.

В настоящее время отсутствуют работы, содержащие комплексный подход к обеспечению требуемого качества распознавания технического состояния (ТС) МС ППМ, охватывающий разработку средств диагностирования и решение задач обеспечения их эффективного функционирования. Необходимость решения упомянутых теоретических и практических задач и предопределила актуальность темы и цель исследования данной диссертационной работы.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и создание высокоэффективных методов виброакустической диагностики и прогнозирования ТС МС ППМ, основанных на использовании искусственных нейронных сетей (ИНС), обеспечивающих высокий уровень надежности полиграфического оборудования и соответствующих тенденциям развития полиграфической техники.

Задачи ИССЛбДОВаНИЯ. Данная цель определила постановку следующих задач:

1. На основе анализа отечественных и зарубежных исследований в области ТД провести систематизацию методов и средств, а также путей повышения их качества, разработать методологические подходы к проектированию систем ТД МС ППМ.

2. Создать теоретические и методологические основы автоматизированной системы диагностики МС ППМ на базе ИНС.

3. Разработать теоретические модели, связывающие спектральные характеристики вибрации элементов МС ППМ с их конструктивными параметрами и параметрами их износа и позволяющие определять техническое состояние МС ППМ с заданной достоверностью.

4. На основе математического моделирования и натурных экспериментов выбрать и обосновать новые диагностические признаки и признаковые пространства характеризующие ТС МС ППМ.

5. Найти функциональные (аналитические и статистические) зависимости между виброакустическими сигналами и ТС МС ППМ.

6. Разработать методологию диагностирования МС ППМ, обеспечивающую достоверность результатов контроля и позволяющую использовать ее в условиях эксплуатации полиграфических предприятий.

МеТОДЫ исследования. При решении поставленных задач использовались положения теории механизмов и машин, динамики, теории распознавания образов, теории вероятностей и математической статистики. В экспериментальных исследованиях применялись виброакустические методы, в том числе методы узкополосного спектрального анализа, методы регрессионного анализа и планирования экспериментов, математические методы обработки экспериментальных данных. При разработке алгоритмов диагностирования использовались методы теории принятия решений, математического моделирования и распознавания образов.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые сформулированы принципы построения систем технической диагностики привода полиграфических машин, включающие выделение информационных частот и оценку их значимости, формирование вектора диагностических признаков, оценку технического состояния, основанную на теории распознавания образов. На этой основе созданы новые методы технической диагностики, построенные на использовании искусственных нейронных сетей (ИНС). Научной новизной, в частности, обладают следующие основные результаты работы.

1. Классификация существующих методов ТД применительно к МС ППМ, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию методов и средств, а также путей повышения их качества на основе практики известных исследований и проведенных автором экспериментов.

2. Аналитические и статистические зависимости, связывающие диагностические признаки состояния МС ППМ с геометрическими и физико-механическими параметрами.

3. Новые признаки и признаковые пространства, их статистические и динамические свойства, методы их преобразования, обеспечивающие создание методов и совершенствование технических систем многокритериальной оценки ТС МС ППМ.

4. Методы выявления информационных частот в спектре вибрации МС ППМ и оценки их информативности, основанные на использовании ИНС.

5. Диагностические модели кулачковых механизмов, впервые созданные на основе ИНС, и методы подготовки данных для определения их технического состояния.

6. Доказательство возможности использовать в методике, основанной на применении ИНС для повышения точности диагноза, диагностические признаки различной физической природы.

7. Методика диагностики МС ППМ, основанная на теории распознавания образов с использованием искусственных нейронных сетей.

Положения, выносимые на защиту

1. Принципы построения систем технической диагностики привода полиграфических машин, включающие выделение информационных частот и оценку их значимости, формирование вектора диагностических признаков, оценку технического состояния, основанную на теории распознавания образов.

2. Методы оценки технического состояния элементов привода полиграфических машин, основанные на узкополосном спектральном анализе виброускорения и его огибающей, клиппировании спектра и синхронном накоплении, математических моделях, описывающих зависимость параметров вибрационных процессов в элементах механических систем привода от погрешностей размеров и формы деталей, а также их износа.

3. Методы выявления информационных частот в спектре вибрации механических систем привода полиграфических машин и оценки их информативности, основанные на использовании искусственных нейронных сетей.

4. Основы построения диагностических моделей на основе искусственных нейронных сетей, позволяющие осуществлять классификацию технического состояния элементов привода полиграфических машин, с помощью многомерных векторов диагностических признаков.

5. Методика диагностики механических систем привода полиграфических машин основанная на распознавании образов с использованием искусственных нейронных сетей, позволяющая определить техническое состояние элементов привода и прогнозировать его развитие в условиях производства.

Практическая ценность. Полученные в работе данные о диагностических признаках и диагностические модели для оценки состояния МС ППМ являются методологической основой для разработки средств ТД МС ППМ и важным фактором организации системы обслуживания и ремонта. Их практическая ценность состоит в том, что они позволяют:

1. Применить разработанные средства диагностирования МС ППМ в процессе изготовления, наладки и мониторинга во время эксплуатации.

2. Выполнять компьютерное моделирование и формировать диагностические признаки, создавать информационные базы данных, являющиеся основой для оценки ТС элементов МС ГШМ, а также для статистического анализа качества функционирования.

3. Внедрить систему технического обслуживания полиграфического оборудования «по состоянию», основанную на диагностическом контроле

ТС МС ППМ по вибрационным параметрам.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Московском государственном университете печати при дипломном проектировании, учебной и научно-исследовательской работе студентов, магистров и аспирантов, в лабораторном практикуме и курсовом проектировании по дисциплинам «Основы технической диагностики полиграфического оборудования», «Методы и средства экспериментальных исследований» для студентов специальностей 150407.65 — «Полиграфические машины и автоматизированные комплексы» и магистров направления 150400.68 — «Технологические машины и оборудование».

Реализация И внедрение результатов работы. Разработанные модели, методики и комплекс технических средств использованы при проведении исследований по темам:

1. «Разработка методов компьютерной диагностики технического состояния пазовых кулачковых механизмов полиграфических машин» (тема Ф-1-99, 2000. МГУП № Гос. per. 02.200.109034, рук. работы Г.Б. Куликов).

2. «Создание теории, методов расчета, проектирования и диагностики автоматизированных полиграфических комплексов» (тема Г 1.3-01 2002. МГУП № Гос. per. 01.200.1 12741, инв. № 02.20.03 03331, рук. работы Г.Б. Куликов).

3. «Разработка и теоретическое обоснование методов компьютерной диагностики полиграфических машин» (тема Г-1-3-01, 2003. МГУП № Гос. per. 01.20.03. 04228, рук. работы Г.Б. Куликов)

Поставлен курс «Основы технической диагностики полиграфического оборудования» для специальности 150407.65 — «Полиграфические машины и автоматизированные комплексы».

Разработанные методы оценки технического состояния привода печатных пар ротационных печатных машин внедрены в производство на ОАО «Полиграфический комплекс «Пушкинская площадь», в ООО «ЯМ Интернэшнл (СНГ)», сервисным отделом ЗАО «Центр ХГС» и используются при проведении работ по обслуживанию и наладке офсетных печатных машин (см. приложения 10-12).

Осуществлено научное руководство тремя аспирантами, два из которых успешно защитили кандидатские диссертации, третья представлена к защите.

АпробдЦИЯ работы. Основные положения и результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на четырех международных, отраслевых и вузовских научно-технических конференциях, в том числе на международной научно-практической конференции «Полиграфия в современной России», Омск, 2001 г.

Публикации. По теме диссертации автором самостоятельно и в соавторстве опубликованы 25 научных работ, в том числе 1 монография, 14 научных статей, 1 учебно-методическое издание, 5 материалов и тезисов докладов на научных конференциях, 4 научно-технических отчета, получен международный сертификат регистрации объекта интеллектуальной собственности.

Структура И Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 290 наименований и 12 приложений. Основная часть содержит 322 страницы, 26 таблиц, 95 рисунков. Приложения занимают 44 страницы, содержат 36 таблиц и 20 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Куликов, Григорий Борисович

5.9. Выводы по главе 5

Как показал анализ существующих методов и средств технической диагностики (см. гл. 2) и проведенные эксперименты, наиболее подходящими для диагностики MC 111 IM являются виброакустические методы, использующие характеристики колебательных процессов, сопровождающих работу оборудования. В качестве диагностических параметров используются, как правило, спектральные характеристики вибрации, чувствительные к изменению технического состояния исследуемых механизмов и позволяющие не только диагностировать имеющиеся неисправности, но и обнаруживать развивающиеся дефекты.

Проведенные в данной работе исследования показали, что для классификации технических состояний MC ill IM оптимальными являются расчетные методы, основанные на теории распознавания образов и использующие многомерные векторы диагностических признаков. г

В работе впервые были проведены исследования износа кулачковых механизмов MC Iii IM и предложена методика их диагностики. Было показано, что одним из основных факторов, вызывающих дополнительное ускорение ведомого звена, а следовательно, и повышение уровня вибраций, является ошибка кривизны действительного профиля, которая может быть обусловлена как погрешностями изготовления, так и износом в процессе эксплуатации.

В процессе износа рабочей поверхности кулачка происходит нарушение геометрии профиля, что приводит к значительному увеличению динамических нагрузок, ударам, повышенным вибрациям и, как следствие, прогрессивному износу.

Отдельно необходимо рассматривать кулачковые механизмы с кинематическим замыканием, где совокупный износ профиля и ролика вызывают резкое увеличение ударных нагрузок при перекладке зазора. В результате экспериментов установлено, что с увеличением зазора в паре кулачок-ролик «импульсная» составляющая, по сравнению с «фоновой», резко увеличивается. Это позволяет сделать вывод о том, что увеличение зазора в паре кулачок-ролик приводит к увеличению амплитуды возникающих вибраций.

Для диагностики кулачковых механизмов с кинематическим замыканием использовались как спектральные характеристики вибраций, возникающих при работе механизма, так и метод спектра огибающей вибраций.

Проведенные исследования показали, что при работе кулачковых механизмов вибрации возбуждаютс, в основном на их собственных частотах. Диагностическим признаком износа механизма является амплитуда гармонических составляющих виброускорения на информационных частотах. Следует отметить, что использовать низкочастотные спектральные составляющие в диапазоне частот от 0 до 40 Гц следует с осторожностью, так как информационные частоты в этом диапазоне определяются периодичностью перекладки зазоров и зависят от скорости работы машины. Тем не менее, как показали эксперименты, эти частоты информативны, а их амплитуда на несколько порядков выше остальных. Это накладывает некоторые ограничения на используемые методы обработки возникающих вибраций. Оптимальной является цифровая обработка, так как позволяет с высокой точностью выделить все спектральные составляющие в диапазоне от 0 до 20000 Гц.

Впервые разработанная в работе методика диагностики элементов привода полиграфических машин с использованием ИНС показала свою высокую эффективность. Точность определения диагностируемого параметра с помощью нейросетевых диагностических моделей значительно превышает точность регрессионных моделей. Несмотря на то, что этот метод требует большого объема предварительных исследований, обучения сети, определенной технологии подготовки данных, обучив нейронную сеть, ее можно в дальнейшем многократно использовать для выполнения диагноза на основе новых данных.

Для практического применения можно использовать опцию «Генератор кода» и/о БТАНЭТТСА Нейронные Сети. Он создает исходный код обученной нейронной сети, который может быть откомпилирован и встроен в любое программное обеспечение, в том числе и в систему управления машиной.

Несомненным достоинством предлагаемого метода является возможность использования при построении вектора диагностических признаков любых параметров, отражающих состояние диагностируемой системы. Это позволяет применять в целях технической диагностики качественные показатели работы полиграфического оборудования, субъективное мнение обслуживающего персонала, результаты опроса экспертов и т.д. (необходимо лишь разработать соответствующие алгоритмы формализации данных параметров).

Современные высокоскоростные полиграфические машины оснащаются встроенными системами управления и контроля [127], позволяющими контролировать технологические отказы, отказы электронного оборудования и отказы механических систем. Использование нейросетевых технологий дает возможность дополнить эти системы модулями контроля физического износа оборудования, что несомненно приведет к повышению надежности полиграфического оборудования и снижению затрат на обслуживание.

Построение реальных диагностических систем возможно только при комплексном подходе к решению всей совокупности названных задач.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы решена комплексная проблема диагностики механических систем привода полиграфических машин, что является важным фактором повышения надежности полиграфического оборудования.

В ходе выполнения диссертационной работы впервые получены следующие научно-практические результаты:

1. Проведен системный анализ отечественных и зарубежных исследований в области технической диагностики, на основе которого создана и впервые представлена классификация существующих методов и средств технической диагностики применительно к МС ППМ, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию методов и средств, а также путей повышения их качества на основе практики известных исследований и проведенных автором экспериментов (см. разделы 1,2).

2. На основе представленной классификации сформулированы основные требования к системам и средствам технической диагностики механических систем привода полиграфического оборудования, а также к информационному, математическому и техническому обеспечению (см. раздел 2.6).

3. Проведенный анализ методов выделения информативных компонент в акустических сигналах и последующие эксперименты показали, что для формирования диагностических признаков элементов МС ППМ наиболее оптимальными являются узкополосный спектральный анализ виброускорения и метод исследования огибающей акустического сигнала (см. раздел 3.3).

4. Выделена и обоснована номенклатура диагностических признаков таких элементов МС ППМ, как подшипники качения и кулачковые механизмы (см. разделы 4 и 5).

5. Найдены новые признаки и признаковые пространства, определены их статистические и динамические свойства, методы их преобразования, обеспечивающие создание и совершенствование систем многокритериальной оценки технического состояния МС ППМ.

6. Рассмотрены, проанализированы и обобщены аналитические зависимости, связывающие параметры спектров вибрации и другие характеристики элементов МС ППМ с конструктивными параметрами, погрешностями размеров и износом деталей (см. разделы 4 и 5).

7. Впервые разработаны методы выявления информационных частот в спектре вибрации МС ППМ и оценки их информативности, основанные на использовании ИНС (см. раздел 5).

8. Разработанные на основе ИНС методы виброакустической диагностики МС ППМ впервые позволяют использовать диагностические признаки различной физической природы (помимо вибрационных характеристик можно использовать, например, показатели качества работы оборудования), что, в свою очередь, дает возможность дополнить имеющиеся системы функциональной диагностики современного полиграфического оборудования системами контроля технического состояния (см. раздел 5).

9. Впервые на основе ИНС разработаны вероятностно-статистические диагностические модели кулачковых механизмов и методы подготовки данных для определения их технического состояния (см. раздел 5).

Ю.Впервые проведены эксперименты, показавшие высокую эффективность методики диагностирования, основанной на использовании ИНС (см. раздел 5).

П.Показано, что в качестве информационных частот для подшипников качения можно использовать частоты, соответствующие угловым скоростям вращения элементов подшипника, для цикловых механизмов — частоты, соответствующие циклограмме, и собственные частоты элементов механизма.

12.Разработанные методы виброакустической диагностики, позволяют использовать их в условиях эксплуатации на полиграфических предприятиях.

13.Сформулированные в работе принципы обработки виброакустической информации и построения алгоритмов диагностирования могут быть использованы на этапе проектирования при создании нового полиграфического оборудования.

14.Использование разработанных методов технической диагностики позволяет создать систему обслуживания полиграфического оборудования «по состоянию», что, с одной стороны, позволит сократить расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию, а с другой — обеспечит выпуск полиграфической продукции высокого качества.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Куликов, Григорий Борисович, 2008 год

1. Абрамов В.В., Куликов Г.Б. Использование методов компьютерной диагностики для определения технического состояния привода качающегося стола ниткошвейного автомата БНШ-6 // Проблемы полиграфии и издательского дела. - 2007. № 4. - С. 12-23.

2. Абрамов М.Д. Исследование износа кулачков полиграфических машин и разработка метода повышения их износостойкости: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -М., 1975. 20 с.

3. Абрамов Ю.А., Грачев A.A., Козлов М.С. Разработка объективного метода измерения дефектов по шумности зубчатых передач. Отчет НИРФИ, Горький, 1966.

4. Абрамов Ю.А., Грачев A.A., Козлов М.С. Аппаратура для обнаружения дефектов зубчатых передач по их шумам и вибрациям: Тез. докл. VI Акустическая конференция. М.: Акустич. ин-т АН СССР, 1968.

5. Авакян В.А. Исследование качества монтажа подшипников электрических машин путем вибродиагностики // Электротехника. 1980. № 8. - С. 29-33.

6. Авакян В.А. Исследование вибрационных сил при явлении удара в цилиндрическом зубчатом зацеплении. В кн. Динамика станков: Тез. докл. Всесоюзной научно-тех. Конференции. - Куйбышев. 1980. - С. 3-6.

7. Азовцев Ю.А., Баркова H.A., Доронин В.А. Виброакустика и диагностика технологического оборудования // Бумага, картон, целлюлоза. 1999. №5.

8. Айзерман М.А., Браверман Э.М., Розоноэр Л.И. Метод потенциальных функций в теории обучения машин. М.: Наука, 1970.

9. Айрапетов Э.Л., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика выкрашивания и заедания зубчатых колес на ранней стадии / Точность и надежность механических систем / Стохастическая локализация врожденности. Рига, 1983. - С. 68-76.

10. Амосов Н.М., Шкабара Е.А. Опыт постановки диагноза при помощи диагностических машин. // Экспериментальная хирургия и анестезиология. -1961. №4.-С. 15-22.

11. Ананьина Е.В., Коцарь Ю.Н., Мордовии Б.М. Машины брошюровочно-переплетного производства, ч. 1. — М.: Книга, 1974. 250 с.

12. Андреев В.К. Оценка технического состояния полиграфического оборудования на примере НШП: Отчет по хоздоговору с Госкомиздатом СССР, М.: ВНИИОПИТ, 1972.

13. Андреев В.К. Исследование виброактивности кулачковых механизмов полиграфических машин: Дис. . канд. техн. наук. -М., 1979. 166 с.

14. Андреев В.К., Баснев В.Г., Постников O.K. Проверка линейности акустических систем методом суперпозиции / Брошюровочно-переплетные ма15.