УСТРОЙСТВО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕХАТРОННОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к средствам технической диагностики и может быть использована в системах контроля технического состояния сложных объектов, например, робототехнических комплексов (РТК), работающих с динамическими изменяющимися моментами нагружения и частотами вращения.
Известно устройство для диагностирования объекта (описание изобретения к патенту RU №2239869, кл. G07C 11/00 опуб. 2004.11.10), состоящее из блока преобразования и хранения значений контролируемых параметров состояния объекта, блока ключей, элемента ИЛИ, содержащее, кроме того, блок регистрации времен наработки функциональных блоков контролируемого объекта, блок задания времен ресурса функциональных блоков, блок суммирования, генератор тактовых импульсов, блок задания периода следования тактовых импульсов, двух элементов задержки времени, элемент выбора минимального значения разности ресурса и наработки, блок прогнозирования параметров состояния объекта, блок вычисления времени прогноза, блок вычисления текущих времен наработки, блок определения выхода контролируемых параметров за допустимые значения и блок вычисления вероятностей безотказной работы функциональных блоков контролируемого объекта.
Основными недостатками этого устройства является отсутствие измерительной системы, то есть набора датчиков, характеризующих объект диагностирования.
Из известных наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство виброакустической диагностики циклически функционирующих объектов (описание изобретения к патенту RU №2289802 C1, кл. G01M 13/00 опубл. 2006.12.20), включающее канал выделения измерительной информации, содержащий измерительный тракт контроля виброакустического сигнала, состоящий из последовательно соединенных первого преобразователя виброакустического сигнала и первого регулируемого усилителя, тракт контроля частоты вращения, состоящий из последовательно соединенных датчика частоты вращения и второго регулируемого усилителя; тракт контроля звукового шума объекта, состоящий из датчика шума (измерительный микрофон) и четвертого регулируемого усилителя; тракт формирования электрического измерительного сигнала, состоящий из бесконтактного коммутатора, регулируемого цифрового фильтра, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), программно-управляемого фильтра на основе резонансных цепей, третьего регулируемого усилителя и контроллера; программируемый вычислитель, индикатор и регистрирующее устройство, соответствующие выходы которых соединены с соответствующими выходами программируемого вычислителя; прогнозирующее устройство автономно выполняющее расчет вероятностей безотказной работы функциональных блоков объекта.
Устройство ориентировано на анализ виброакустических характеристик объектов в основном при стендовых испытаниях, диагностирование циклически функционирующих объектов, работающих с динамическими изменяющимися моментами нагружения и частотами вращения, является узко специализированным, выполнено на устаревшей элементной базе (имеются электромеханические устройства), является громоздким в исполнении, обладает низкой надежностью и не глубоко анализирует полученную информацию.
Задачей полезной модели является повышение оперативности и объективности результатов диагностирования мехатронных объектов различного назначения, расширение функций модели и углубление анализа диагностирования. Решение поставленной задачи достигается использованием интеллектуального диагностирования, введенного в программируемый вычислитель, состоящего из вычислительного блока, а его выход к соединен со входом блока нечеткой логики, выход которого подается на вход нейросетевого блока и блока поиска неисправностей. Выход нейросетевого блока соединен со входом блока сравнения, первый выход которого соединен с блоком поиска неисправности, второй выход - с индикаторным блоком и прогнозирующим устройством.
Предлагаемая структура программного вычислителя позволяет перенастраивать нейро-нечеткий вычислить на различные типы мехатронных объектов, что повышает универсальность устройства.
Предлагаемая полезная модель программного вычислителя выполнена на базе современных вычислительных устройств и представляет собой программу вычислений, поэтому обладает максимальной надежностью в работе, особенно, по сравнению с электромеханическими устройствами.
Сущность предлагаемого устройства в виде функциональной схемы показана на фиг. 1.
Устройство диагностирования и прогнозирования технического состояния модулей движения содержит:
1 - канал выделения измерительной информации о виброакустических параметрах, частоте вращения и звуковом шуме;
2 - программируемый вычислитель;
3 - регистрирующее устройство;
4 - индикатор;
5 - прогнозирующее устройство;
6 - датчик вибраций;
7 - первый регулируемый усилитель;
8 - датчик частоты вращения;
9 - второй регулируемый усилитель;
10 - датчик шума;
11 - четвертый регулируемый усилитель;
12 - коммутатор;
13 - регулируемый цифровой фильтр;
14 - цифро-аналоговый преобразователь;
15 - программно-управляемый избирательный фильтр;
16 - третий регулируемый усилитель;
17 - контроллер;
18 - вычислительный блок;
19 - блок нечеткой логики;
20 - нейросетевой блок;
21 - блок сравнения;
22 - блок поиска неисправностей.
Устройство (фиг. 1) состоит из канала выделения измерительной информации 1, программируемого вычислителя 2, регистрирующего устройства 3, первый и второй входы которого соединены с первым и шестым выходами программируемого вычислителя 2, индикатора 4, первый и второй входы которого связаны со вторым и пятым выходами программируемого вычислителя 2, третий вход - с выходом прогнозирующего устройства 5, вход которого соединен с пятым выходом программируемого вычислителя 2.
Канал выделения измерительной информации 1 включает:
- измерительный тракт контроля виброакустического сигнала, состоящий из последовательно соединенных датчика вибраций 6 и первого регулируемого усилителя 7, первый вход которого, связан с выходом датчика вибраций 6, а выход с первым входом бесконтактного коммутатора 12;
- измерительный тракт для контроля частоты вращения, состоящий из последовательно соединенных датчика частоты вращения 8 и второго регулируемого усилителя 9, первый вход которого связан с выходом датчика частоты вращения 8, а выход связан со вторым входом коммутатора 12;
- измерительный тракт для контроля шума функционально законченной и пространственно расположенной в одном месте части блоков контролируемого объекта, состоящий из последовательно соединенных датчика шума (измерительный микрофон) 10 и четвертого регулируемого усилителя 11, первый вход которого связан с выходом датчика шума 10, а выход связан с третьим входом коммутатора 12;
- тракт формирования электрического сигнала, включающий бесконтактный коммутатор 12, первые три входа которого связаны с соответствующими выходами регулируемых усилителей измерительных трактов, регулируемый цифровой фильтр 13, первый вход которого связан с выходом коммутатора 12, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 14, вход которого и первый выход связаны с соответствующими третьим выходом и первым вход программируемого вычислителя 2, программно-управляемый избирательный фильтр на основе резонансных цепей 15, первый вход которого связан со вторым выходом ЦАП 14, третий регулируемый усилитель 16, первый вход которого связан с третьим выходом ЦАП 14, второй вход третьего регулируемого усилителя 16 связан с выходом программно-управляемого избирательного фильтра на основе резонансных цепей 15, выход третьего регулируемого усилителя 16 связан со вторым входом регулируемого цифрового фильтра 13;
- контроллер 17, первый вход и первый выход которого связан с соответствующими четвертым выходом и вторым входом программируемого вычислителя 2, второй вход контроллера 17 связан с первым выходом регулируемого цифрового фильтра 13, второй выход контроллера 17 связан со вторым входом первого регулируемого усилителя 7, третий выход контроллера 17 связан со вторым входом второго регулируемого усилителя 9, четвертый выход контроллера 17 связан с третьим входом третьего регулируемого усилителя 16, пятый выход контроллера 17 связан со вторым входом четвертого регулируемого усилителя 11, шестой вход контроллера 17 связан с третьим входом регулируемого цифрового фильтра 13, седьмой выход контроллера 17 связан со вторым входом программно-управляемого избирательного фильтра на основе резонансных цепей 15, восьмой выход контроллера 17 связан с четвертым входом коммутатора 12.
Программируемый вычислитель 2 устроен следующим образом: первый вход и третий выход вычислительного устройства 18 соединены с первым входом и первым выходом контроллера 17, второй вход и четвертый выход связаны с первым выходов и вторым входом цифро-аналогового преобразователя 14. Первый выход вычислителя 18 соединен с входом блока нечеткой логики 19, выход которого соединен с входом нейросетевого блока 20 и первым входом блока поиска неисправностей 22. Выход нейросетевого блока 20 соединен с входом блока сравнения 21, первый выход которого соединен с входом прогнозирующего устройства 5 и вторым входом индикаторного блока 4, второй выход блока сравнения 21 соединен со вторым входом блока поиска неисправностей 22, выходы которого соединены с первым входом индикаторного блока 4 и вторым входом регистрирующего устройства 3. Выход устройства прогнозирования 5 соединен с третьим входом индикаторного блока 4.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) может быть снабжено одним, двумя и более каналами выделения измерительной информации, идентичных каналу 1.
Устройство работает следующим образом
1
min1
1
max1
min1
max1
При диагностировании мехатронного объекта, электрический аналоговый сигнал, снимаемый в течение минимально возможного интервала времени (времени 2-3 оборотов выходного вала) с датчика вибрации 6, который углубленно контролирует отдельный механизм объекта, поступает в первый регулируемый усилитель 7, где усиливается до заданного уровня (определение требуемого уровня усиления осуществляется с использованием программируемого вычислителя 2), через бесконтактный коммутатор 12, управляемый контроллером 17, отфильтровывается регулируемым цифровым фильтром 13, настроенным на полосу пропускания, охватывающую весь возможный Δf диапазон наиболее информативных частот диагностирования f≤Δf≤f, где f (f) - наименьшая (наибольшая) из информативных частот диагностирования для вибраций.
Затем сигнал передается на контроллер 17, откуда через соответствующий интерфейсный блок (не показан) поступает в вычислительный блок 18 программируемого вычислителя 2, где формируется в виде файла данных с привязкой к реальному масштабу времени.
В последующий момент времени (времени 2-3 оборотов выходного вала) в измерительный тракт контроля частоты вращения с датчика частоты вращения 8 аналоговый электрический сигнал поступает на второй регулируемый усилитель 9, где усиливается до заданного уровня и, через коммутатор 12 и фильтр 13, преобразуется в цифровой вид, передается на контроллер 17 и через него на вычислительный блок 18 программируемого вычислителя 2 в регистрирующее устройство 3, где формируется в виде файла данных.
2
min2
2
max2
min2
max2
В последующий момент времени (времени 2-3 оборота выходного вала) в измерительный тракт контроля шума объекта с датчика шума 10, который контролирует работу функционально законченной и пространственно расположенной в одном месте части блоков контролируемого объекта, аналоговый электрический сигнал поступает на четвертый регулируемый усилитель 11, где усиливается до заданного уровня (определение требуемого уровня усиления осуществляется с использованием вычислительного блока 18 программируемого вычислителя 2), передается через коммутатор 12, отфильтровывается регулируемым (от контроллера 17) цифровым фильтром 13, настроенным на полосу пропускания, охватывающую весь возможный Δf диапазон наиболее информативных частот диагностирования f≤Δf≤f, где f (f) - наименьшая (наибольшая) из информативных частот диагностирования для шума.
Затем передается на контроллер 17, откуда через соответствующий интерфейсный блок (не показан) поступает в вычислительный блок 18 программируемого вычислителя 2 в регистрирующее устройство 3, где формируется в виде файла данных с привязкой к реальному масштабу времени.
С помощью контроллера 17 осуществляется управление процессом съема и преобразовательной обработки диагностических данных.
После завершения формирования файла исходных данных приступают к его обработке и в начале анализируют сигналы датчика шума объекта. Если сигнал шума диагностируемой части объекта не превышает допустимых норм, то приступают к углубленному диагностированию планируемого механизма объекта с помощью датчика вибраций, в противном случае выясняют причину шума, отыскивают шумящий механизм и углубленное диагностирование начинают с этого механизма.
Углубленное диагностирование выполняют в следующей очередности. С помощью тракта формирования электрического сигнала от вычислительного блока 18 программируемого вычислителя 2 поступает на ЦАП 14 и преобразуется в электрический аналоговый сигнал, который усиливается третьим регулируемым усилителем 16, фильтруется цифровым фильтром 13, перестроенным посредством контроллера 17 и вычислительного устройства 18 программируемого вычислителя 2 на требуемую полосу пропускания, позволяющую выделить необходимую информативную составляющую спектра. Отфильтрованный фильтром 13 преобразованный в цифровой вид сигнал передается в контроллер 17 и через него - на вычислительный блок 18 программируемого вычислителя 2, а затем в регистрирующее устройство 3, где фиксируется в виде файла данных с временной реализацией рассмотренного процесса в данной полосе пропускания.
При необходимости, исходный виброакустический сигнал многократно воспроизводится программируемым вычислителем 2 и ЦАП 14, усиливается третьим усилителем 16 и фильтруется регулируемым цифровым фильтром 13, что обеспечивает его «сканирование» по частоте фильтрации с различной шириной полосы пропускания без каких-либо ограничений по времени и на абсолютно идентичных режимах функционирования диагностируемого объекта, что существенно расширяет возможности анализа.
0
∗
∗
∗
При сложности выделения «слабых» по амплитуде, но информативных, с позиции диагностирования, частот сигналов используются программно-управляемый избирательный фильтр на основе резонансных цепей 15, который позволяет за счет управления от программируемого вычислителя 2 через контроллер 17 настроить резонансный контур на требуемую конкретную частоту f, выделить ее из общего спектра, усилить третьим усилителем 16, преобразовать в цифровой вид фильтром 13 и через контроллер 17 передать на программируемый вычислитель 2, где происходит его дальнейшая обработка. Из регистрирующего устройства 3 извлекаются номинальные и максимальные значения диагностических параметров и передаются в вычислительное устройство 18, где переводятся в относительные единицы , и передаются в блок нечеткой логики 19, где происходит определение текущего уровня развития неисправностей . Полученные значения подаются на вход нейросетевого блока 20, вычисляющей функцию диагностирования F(x), значение которой подается на вход блока сравнения 21. Если F(x)≤0, то подается сигнал на блок поиска неисправностей 22, вычисляющий код возникшей неисправности, который выходится на индикаторный блок 4. Если F(x)>0, то на экран индикаторного блока 4 выводится сообщение о работоспособности объекта и подается сигнал на блок прогнозирования 5, осуществляющий прогноз развития дефектов.
Анализ диагностических данных осуществляется с учетом реального масштаба времени и частот вращения механизмов диагностируемого объекта.
При выявлении, в процессе анализа диагностических данных, необходимости изменения алгоритма обработки исходного сигнала, использование предлагаемого устройства позволяет это сделать без повторного съема контролируемых параметров.
После комплексной обработки диагностической информации в программируемом вычислителе 2 она представляется в удобном для потребителя виде на индикаторе 4 и фиксируется в регистрирующем устройстве 3.