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生产制造的核心是提高生产效率和满足市场对产品的多样性、实效性和高质量的需求。旋转机械部件是工业机械和精密加工中最重要的元件之一，对设备加工精度和效率起着至关重要的作用。以下特别以轴承，滚珠丝杆，主轴刀具为例，介绍其状态监测、故障预诊和寿命预测的解决方案。

一、为什么需要智能维护？

1、当前生产制造业平均生产率有待提高

据统计，在当前大批量生产制造中，平均生产率不足60%[1]，其主要原因在于设备的故障和不可靠的生产过程控制。例如，汽车制造工厂停机1分钟，将造成2万美金的损失[2]。

2、制作业数据资源充足，但并未得到充分利用

图片来源：IDC, 麦肯锡全球研究院分析

麦肯锡的报告显示，就大数据的数量而言，制造业远远超过其他行业的数据产生数量，且可被接入的设备数量也远超移动互联网。然而工业大数据的应用却远没有在社交网络、医疗等方面普遍和深入，其中的价值有待人们充分挖掘。

3、预测设备衰退状态是提高生产效率的必要手段

持续保证加工精度是提高生产效率的关键，这包括对设备、生产工艺的控制，而不可避免的设备性能衰退将直接影响到精度从而导致产品良率的下降，严重情况下宕机。

要最小化设备衰退对生产效率造成的不良影响，最必要的手段之一是预测设备衰退状态，支持运维决策者做出敏捷正确的决策，进而优化生产计划、节省维护成本，并尽量避免非计划停机，实现近似零宕机 (near-zero breakdown)。

二、如何进行智能维护？

1、概述

从零部件级入手，通过采集加装传感器信号、控制信号、事件信号等，用预测与健康管理（PHM）策略和技术方法，对原始数据做分析处理，提取特征，并通过机器学习或统计方法建模，从而得出与状态相关的置信度值来表示部件的健康状态，及时让用户发现不可见的部件衰退并预测剩余使用寿命。

2、技术实现

为了了解单个部件的衰退过程以及其故障机理，通过高应力加速劣化试验可以在短时间内获取全生命周期的衰退过程，与此同时，多方面、全周期的数据采集能够从不同的角度更全面地描述其衰退形态。

一般情况下，在多传感器的环境下学习，对不同类型的信号进行预处理和特征提取，来自每个传感器或者控制器信号所能反映出的特征只能反映本体的特定片面的信息，因此通过信息融合的方式则能更加全面的去诠释本体的整体健康状态和故障模式。

随着机械设计复杂性的提高，外加传感器变的越来越困难，好在复杂机械的控制系统能够提供更加丰富的信号，如GE的发动机在设计时就提供了大量的在线数据。

因此，我们将从多传感器逐步转向无传感器的战略，直到能够通过控制器提供的数据找出与设备健康状态相关的信号，通过“最少传感器”的分析策略，来建立能够有效预诊设备状态的模型，一个精简的无传感器下故障诊断模型如下图：

故障预诊模型示例

图片来源：P. Li, “Cyber App for Ball Screw Health Monitoring,” in IMS Center 32nd Industry Advisory Board Meeting, 2016.

三、案例分享

1、某家具制造商智能设备运维典型案例

慧都工业大数据分析平台的智能设备运维解决方案，能够整体提升故障预测及设备健康管理的准确性，我们通过一个客户案例来深入了解，智能设备运营解决方案为制造业带来哪些变革。

该家具制造公司是一家以生产、销售、研发、安装、售后服务，为客户提供全方位的产品和服务，包括办公家具、民用家具、酒店家具、实木教具、教学家具、软体家具、金属家具等业务。

其公司存在以下业务痛点：

• 无法探索各设备停机时间的原因分析，得到改善建议
• 无法预测设备有效应用率和故障，以及设备与产品质量的关系
• 需要非常有经验的人来维护设备，人工维护成本高

慧都大数据专家团队根据客户需求进行咨询、调研、研发、实施、维护五步项目流程，为用户定制化设备运维解决方案。

图片来源：慧都智能设备运维项目图片1

图片来源：慧都智能设备运维项目图片2

2、滚珠丝杆故障预诊和寿命预测

滚珠丝杆故障模式有多种，如润滑失效，丝杆／导轨预压消失，滚珠／牙型磨损等问题。在正常运行状态下，可能需要几年的时间才能全部了解到各种故障模式，而通过高应力下加速劣化实验，可以在短时间内获取不同的故障形态，衰退过程曲线。

图片来源：W. Jin, “A Comparative Study ofFault Detection and Health Assessment Techniques for Motion ControlMechanism,” Master's thesis, University of Cincinnati, Aug. 2014.

该曲线一方面能够快速分析出与故障相关的特征，如频域中的球动频率，位置跟踪误差等，另一方面，根据对应力与寿命的关系建模，能够很好的区分出丝杆寿命、应力、衰退之间的关系，从而可以快速推算出在正常操作条件下的衰退曲线。

图片来源：P. Li, “Cyber App for Ball Screw Health Monitoring,” in IMS Center 32nd Industry Advisory Board Meeting, 2016.

3、轴承寿命预测

用深度学习从振动信号、电流信号、温度信号中提取的特征来监测轴承的劣化并推算出其剩余寿命。根据历史完整劣化数据建立训练集，基于相似性原理预测在运行轴承的剩余寿命，通过加强深度学习使其预测模型更加精准。

图片来源：Liao, L., Jin, W., &Pavel, R. (2016).Enhanced restricted boltzmann machine with prognosability regularization for prognostics and health assessment. IEEE Transactions onIndustrial Electronics,63(11), 7076-7083.

4、刀具磨损预测与诊断

刀具磨损监测和预测刀具的剩余使用寿命（RUL）一直是一个研究领域，因为铣刀中的磨损会降低产品的表面质量及其尺寸精度。

PHM协会2010年的工业数据竞赛是使用测功机和加速度计数据的高速数控铣床铣刀的RUL估计。该竞赛提供的数据包括收集的力和三个方向的加速度信号以及声发射信号。数据来自于六个刀具全生命周期切削过程，目的是在切割工件时预估刀具的剩余使用寿命。

图片来源：//www.phmsociety.org/competition/phm/10

所使用的方法用到信号去噪、特征提取，用神经网络的方法关联特征与刀具磨损，从而估算出刀具剩余寿命。

图片来源：H.Davari, “Remaining Useful Life Estimation of a High Speed CNC Milling MachineUsing Dynamometer and Accelerometer Data,” in Prognostics and HealthManagement, 2010. PHM 2010. International Conference on,2010.”

四、方案推荐

慧都智能设备运维解决方案使用的产品有慧都DataForce、慧都生产制造BI、慧都工业AI模型。通过做设备的运维分析、故障预测，从而减少停机时间，同时给设备运维提高效率，降低维护成本。

慧都工业大数据分析平台架构

最终实现效果：

• 维护周期，建模预测设备状态，按小时实时调整维护计划，让计划性的设备维护更合理、高效，降低成本。
• 故障预测，建模预测设备故障，提前处理，让非计划性的设备维护更可控，有效减少停机时间，从而降低对生产带来的损失。
• 减少人力成本，设备运维智能化，减少对有经验的工程师的依赖程度，同时减少运维人员的无必要的定期检查。
• 提高设备效率，预测设备状态，计划性的设备运维，按需维护，不用等到定期维护，更有效延长设备的生命周期。

慧都工业大数据分析平台致力于打造国内第一个端到端的工业大数据分析平台，为企业提供产品全生命周期数据管理和分析方案，为您提供从数据采集、数据准备、数据建模、可视化分析的端到端解决方案。

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