[01162631]磨削功率与能耗智能监控及大数据专家决策系统研发与应用

本科技成果积极对接《中国制造 2025》与《山东省“十三五”科技创新规划》战略需求,紧跟磨削产业发展的国际科技前沿。技术针对当前实际磨削加工中,依靠操作人员的加工经验来设定磨削参数,通过看磨削火花、听磨削声音的方式来判断磨削状态、调整磨削参数的现状,较难对磨削过热、砂轮钝化、磨削烧伤等进行有效预判,导致磨削加工中极易出现磨削能耗高、磨削效率低、磨削烧伤频繁等共性技术难题,在山东省重点研发计划项目（磨削功率与能耗智能监控及大数据专家决策系统研究与开发,2018GGX103008,2018.07-2020.06）支持下,提出了磨削智能监控的新方法,研发了磨削功率与能耗智能监控及大数据专家决策系统,实现了高效低耗精准智能磨削,达到了高效率、高质量磨削与节能降耗的目标,助推了绿色低碳智能制造,驱动高端装备产业快速发展,符合国家绿色、智能制造发展趋势和政策要求。 具体工作包括研究设计磨削功率与能耗智能监控与专家决策系统的结构框架、逻辑框架、功能框架,设计开发可实时采集磨削功率信号的硬件系统,研发具有信号采集、信号处理、大数据分析计算、专家决策等功能的软件系统,测试研究基于大数据分析的磨削智能监控系统的各项性能,主要成果如下： （1）研发了磨削功率与能耗智能监控与大数据专家决策系统 通过面向对象设计、模块化设计的方法,提出了磨削功率与能耗智能监控与大数据专家决策系统的结构框架、逻辑框架、功能框架。开发了磨削智能监控的硬件系统和软件系统,研究了磨削大数据专家决策方法,实现了磨削信号的采集和处理,磨削数据的特征提取、数据分析、数据计算、专家决策。系统具有磨削策略优化、操作参数优化、磨削烧伤预测、磨床/磨具/工作液性能比较、砂轮状态监测与分析、专家决策等功能。 （2）开发了磨削功率与能耗智能监控与大数据专家决策硬件系统 根据硬件系统功能要求,以及磨削过程中所产生的数据,如工件材料、砂轮属性、磨削液、砂轮线速度、磨削量、进给速度、砂轮修整量等,设计硬件系统数据实时采集方式;针对磨床主轴功率信号,选择合适的功率传感器实现实时采集主轴功率,选用合适的A/D转换器将模拟信号转换为数字信号;以高速、高通、高质、兼容为目标,选用合适的数据传输协议以及连接端口;开发磨削主轴瞬时功率的监控硬件系统。 （3）提出了磨削功率与能耗智能监控与大数据专家决策软件系统 设计软件系统的运行逻辑,选用合适的编程语言或软件,开发磨削功率与能耗智能监控与大数据专家决策软件系统;根据监测信号的特征,合理设计信息采集模块的各项控件;通过监控磨削功率,计算磨削过程中能耗,构建磨削大数据库,设计合理的数据分类与存储机制;构建专家决策模块的磨削知识库,设计合理的推断、决策机制,研发磨削专家决策模块;根据软件系统的功能要求,研究磨削策略优化、操作参数优化、磨削烧伤预测、砂轮性能比较、砂轮状态监测与分析的判断与反馈机制,设计软件系统的功能参数显示窗口。 （4）研发了精准智能磨削技术。 针对难加工材料高速深磨过程中局部进给量过大导致磨削瞬时温度过高、磨削烧伤频繁,利用磨削功率与能耗智能监控及专家决策系统,设定磨削烧伤功率阈值,监控磨削功率,当功率达到阈值时,自动调取磨削功率数据库,利用专家决策磨削,通过闭环反馈,优化调整不同磨削阶段的磨削参数,实现复杂工序中不同磨削阶段的精准智能磨削,解决了磨削时进给量大、瞬时温度高、易磨削烧伤的难题。磨削效率提高≥5%,磨削能耗降低≥10%,磨削表面粗糙度降低≥15%。 本科技成果已在高端装备产业中精密/超精密磨削领域成功应用转化,强力支撑磨床制造、磨具制造、高端装备等产业快速发展,取得了显著的经济社会效益。在天润工业技术股份有限公司、山东工业陶瓷研究设计院有限公司、临沂开元轴承有限公司、山东鲁信高新技术股份有限公司、山东聚亿能智能科技有限公司等主要多家企业转化应用,实施单位产品应用于中国重汽、潍柴动力、中国一汽、金龙客车、陕汽重卡、时风集团、福田汽车以及美国康明斯、美国卡特皮勒、德国戴姆勒奔驰、瑞典沃尔沃等世界著名企业。主要应用单位近三年实现新增产值约42.35亿元,支撑万亿产值的产业发展,减排废气约为21,602.0万立方米。通过该技术研发,入选省部级人才工程1名、晋升专业技术二级岗位专家1名;培养培养博士后2名、博士研究生3名,硕士研究生10名;发表和录用高水平学术论文11篇,其中SCI刊源7篇;授权国家发明专利4项、实用新型专利1项,公开国际发明专利1项、国家发明专利3项;登记软件著作权5项。该技术有效带动了我国高端装备产业向绿色、智能制造转型升级,满足国家智能制造重大战略需求。