基于機(jī)床做功量的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

李平，黃澤森

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川綿陽621000)

1 監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的背景

機(jī)床整機(jī)的可靠性除了與機(jī)床設(shè)計(jì)過程、裝配過程密切相關(guān)外，還與機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)狀況有非常大的關(guān)系，如油冷機(jī)過濾網(wǎng)堵塞后不更換，引起主軸溫升過高，導(dǎo)致主軸精度下降，甚至出現(xiàn)主軸燒壞的嚴(yán)重故障。圖1是通過對某機(jī)床廠系列加工中心近兩年來的售后維修數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的圖表?？梢钥闯?由于對機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)引起機(jī)床故障的比率約占18%。因此，有必要建立機(jī)床用戶監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，對關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)超過規(guī)定值時發(fā)出報警，及時提醒操作人員對機(jī)床進(jìn)行合理的維護(hù)和保養(yǎng)，從用戶使用角度來提高機(jī)床的可靠性。

機(jī)床在運(yùn)行過程中可以分為精加工、粗加工和空運(yùn)轉(zhuǎn)3種工作狀態(tài)。在這3種狀態(tài)下，機(jī)床的實(shí)際功率是不相等的，因此，機(jī)床各功能部件的損耗程度也是不同的，需要對其采取的相應(yīng)維護(hù)保養(yǎng)措施在一定時間內(nèi)也是不同的。而目前，對機(jī)床采取的定時維護(hù)保養(yǎng)或者定件維護(hù)保養(yǎng)并不能滿足這種情況。為此，作者創(chuàng)造性地提出機(jī)床定功維護(hù)的概念，對機(jī)床功能部件的做功量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)做功量累積值超過機(jī)床功能部件定功維護(hù)保養(yǎng)值時發(fā)出警報，及時提醒操作人員對機(jī)床功能部件進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)和保養(yǎng)。文中以絲桿螺母副的維護(hù)保養(yǎng)為例，對監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)作詳細(xì)說明。

圖1 加工中心故障原因分析圖

2 絲桿螺母副磨損量與電機(jī)做功的數(shù)學(xué)模型

絲桿螺母副是影響機(jī)床精度的重要部件，絲桿在機(jī)床工作過程中在受軸向力的作用下，滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，對滾道型面上某一點(diǎn)而言，其應(yīng)力狀態(tài)為交變接觸應(yīng)力。經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，滾珠或滾道型面就會產(chǎn)生磨損，從而使絲桿副的間隙增大，工作性能降低。如果此時不采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施，絲桿螺母副的工作環(huán)境惡化，加劇絲桿副的磨損，甚至損壞絲桿螺母副。因此，找到合理的時間點(diǎn)對絲桿螺母副進(jìn)行維護(hù)顯得至關(guān)重要。文中通過建立絲桿螺母副與電機(jī)做功的數(shù)學(xué)模型，找到了合理的時間點(diǎn)對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，即當(dāng)磨損量為ΔI時，如果電機(jī)做功量超過設(shè)定的機(jī)床定功維護(hù)值W0，機(jī)床發(fā)現(xiàn)警報提醒用戶。

絲桿磨損率與軸向載荷的關(guān)系[1－2]為

式中:Ih為絲桿螺母副磨損率;σp為接觸應(yīng)力;

σs為螺母表面材料屈服極限，σs=250～350 MPa;

k1為磨損系數(shù)，k1=1×104;

C為試驗(yàn)常數(shù)，C=0.5;

β為表面質(zhì)量系數(shù)，β=1;

E為彈性模量，E=2.06×105MPa。

磨損率為單位時間內(nèi)的材料磨損體積，設(shè)磨損量為I，則

接觸應(yīng)力計(jì)算公式

式中:Q為軸向載荷;

Z為絲桿工作列數(shù)，Z=2;

d為絲桿螺紋公稱直徑，d=50 mm;

d1為絲桿螺紋內(nèi)徑，d1=44 mm。

滾珠絲桿螺母副屬于螺紋傳動，螺紋傳動的工作原理可等效于放在斜面上的物體被上下推動時所受到的作用，其受力狀態(tài)為圖2所示。

其中，F(xiàn)為徑向推力，Q為軸向阻力，f為沿斜面的摩擦力。

在垂直斜面方向與沿斜面方向建立平衡方程:

設(shè)斜面的摩擦因數(shù)為μ，則

又設(shè)φ為摩擦角，則

由式(4)—(6)可得滾珠徑向力與軸向力關(guān)系

式中:θ為絲桿螺紋螺旋角，θ=5.8°;

φ為摩擦角，φ=3°。

驅(qū)動電機(jī)力矩與徑向力關(guān)系

式中:T為驅(qū)動電機(jī)力矩。

驅(qū)動電機(jī)功率與力矩關(guān)系

式中:P為驅(qū)動電機(jī)功率;

n為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，取n=1 500 r/min。

聯(lián)立式(1)— (9)，建立絲桿螺母副磨損量與驅(qū)動電機(jī)做功的數(shù)學(xué)模型

圖2 受力示意圖

以P，t為變量，得出I=f (P，t)的圖像如圖3所示。

圖3 磨損量(mm3)與功率(W)和時間(s)的函數(shù)圖像

3 監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

在該監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)中，驅(qū)動電機(jī)的功率不易獲取，因此采取獲取主軸電機(jī)功率的方法。通過嵌入在數(shù)控系統(tǒng)里面的VB 界面和數(shù)控系統(tǒng)的信息交互，基于DDE 方式來實(shí)現(xiàn)對主軸實(shí)際功率的動態(tài)獲取，并把獲取的瞬時功率值運(yùn)算成機(jī)床主軸電機(jī)做功累積值W'，再通過機(jī)床主軸做功與進(jìn)給軸驅(qū)動電機(jī)做功關(guān)系W1=kW' (其中k為在一定時間內(nèi)，加工典型零件測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))，計(jì)算出驅(qū)動電機(jī)做功累積值W1并存入Access 數(shù)據(jù)庫，然后通過試驗(yàn)獲得當(dāng)磨損量達(dá)到ΔI時，絲桿是否需要采取維護(hù)措施。將此時驅(qū)動電機(jī)做功量W0設(shè)為機(jī)床定功維護(hù)值，判斷當(dāng)前做功累積值W1是否超過機(jī)床定功維護(hù)保養(yǎng)值W0。如果超過，則將當(dāng)前做功累積值W1存入Access 數(shù)據(jù)庫以便以后查詢，同時發(fā)送報警信號給PLC，以提醒用戶對絲桿螺母副采取維護(hù)措施。

圖4是本系統(tǒng)的軟件流程圖。

圖4 機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 關(guān)鍵功能、程序設(shè)計(jì)

(1)VB 界面和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)[3－4]

該監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面設(shè)計(jì)完全在VB 下進(jìn)行，其過程實(shí)際上是編寫一個VB 多窗體程序[5]。每一個窗口作為單獨(dú)的子功能，以子窗口的形式被調(diào)用，多個窗體一起組成整個界面功能。根據(jù)監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的功能要求，同時考慮到軟件良好的人機(jī)交互功能，將軟件的結(jié)構(gòu)分為做功實(shí)時監(jiān)控信息顯示、報警歷史記錄查詢兩部分。

在該系統(tǒng)中，做功累積值W1、中間表的累積值W2、顯示表的累積值W3都需要進(jìn)行保存和調(diào)用。因此，選擇Access2003 設(shè)計(jì)出累積表、中間表、報警表[6]。

(2)機(jī)床功率的獲取

在該系統(tǒng)開發(fā)的界面上，需要時刻更新主軸功率，這就需要通過DDE 讀取NCK 變量，這里選取NCK 變量LOAD 來讀取。在程序設(shè)計(jì)之前，先設(shè)置NCDDE server為本地操作模式，設(shè)置NcddeServer-Name為ncdde。讀取功率的代碼為:

(3)數(shù)據(jù)處理與存儲

當(dāng)主軸動態(tài)功率獲取后，需要把其計(jì)算成驅(qū)動電機(jī)做功值，并把做功值進(jìn)行疊加存儲，同時把當(dāng)前做功值與上一次報警值的差值和定功維護(hù)保養(yǎng)值進(jìn)行比較，如果差值比定功維護(hù)保養(yǎng)值大，則機(jī)床報警提醒用戶采取維護(hù)措施和存儲報警記錄;反之，則繼續(xù)疊加做功值，然后把差值與定功維護(hù)保養(yǎng)值進(jìn)行比較，如此反復(fù)不斷地進(jìn)行。

為實(shí)現(xiàn)這一過程，第一步:以間隔時間t為周期對主軸功率進(jìn)行動態(tài)獲取，得到Pi;第二步:使Pi與t 相乘，得到Wi;第三步:對各Wi進(jìn)行疊加并乘以系數(shù)k，把結(jié)果賦給變量W1并存儲在Access 數(shù)據(jù)庫的累積表中;第四步:使W1與中間表的累積值W2的差值(W1－W2)和定功維護(hù)保養(yǎng)值W0進(jìn)行比較;第五步:如果W1－W2＞W(wǎng)0，則機(jī)床報警并把W1賦給W2以及把W2賦給報警表的累積值W3。如果W1－W2＜W0，則W1繼續(xù)疊加等待下一次比較。圖5為運(yùn)算與存儲程序流程圖。

圖5 運(yùn)算與存儲程序流程

(4)PLC 報警設(shè)計(jì)[7]

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)做功累積達(dá)到絲桿螺母副定功維護(hù)值時，需要報警以提示用戶，采用PLC 用戶報警OM 設(shè)置。

編輯報警文本所使用的編輯器為Microsoft的Dos環(huán)境下的ASCII 編輯器，通過在Dos 提示符下鍵入Edit可進(jìn)入編輯器。文本內(nèi)容為:

編輯完報警文本后，需要在F: MMC2 MBDDE.INI 中定義報警文件才能生效，格式為:

編輯激活報警程序，在PLC程序中，需要添加以下程序。

3.3 嵌入技術(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

(1)創(chuàng)建語言動態(tài)鏈接庫[8]

在西門子系統(tǒng)的界面上，有8個水平軟鍵和8個垂直軟鍵，其中報警文本不是在VB 中編輯的，而是用VC++語言開發(fā)數(shù)據(jù)庫鏈接進(jìn)來的，同時包括對話框、消息、標(biāo)簽等文本[9]。在創(chuàng)建之前，先建立RC 源文件。其內(nèi)容為要實(shí)現(xiàn)的文本與軟鍵等控件有一一對應(yīng)的關(guān)系。利用VC++選項(xiàng)MFCAppWizard(dll)，然后選擇Regular DLL using shared MFC DLL，再根據(jù) RC 源文件，創(chuàng)建該系統(tǒng)語言 DLL(jiankong.dll)，并將其移至OEM指定目錄下。下面是該系統(tǒng)的部分RC 源文件。

在語言DLL 文件編輯完成后，必須有下列的語句，讀取語言DLL的內(nèi)容。為“報警記錄”

(2)嵌入界面與數(shù)據(jù)庫[10]

該系統(tǒng)的顯示界面需要嵌入到西門子系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動監(jiān)控。這必須借助于OEM 開發(fā)軟件。

建立程序管理文件regie.ini，將其移至……/OEM/下，regie.ini是一個對基本模塊、應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫和VBX 文件的柔性管理的控制文件，用文本進(jìn)行編輯。各應(yīng)用是由Regie 開始管理啟動，其信息一起置于中regie.ini，構(gòu)成程序管理文件。

mmc.ini 此文件包含所有的用戶特定設(shè)定，能在此處設(shè)定顏色和語言。在該監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)中，沿用標(biāo)準(zhǔn)用戶界面MMC2 中的mmc.ini，不再另行設(shè)置。

建立初始化文件jiankong.ini，將其移至……/OEM/下，其作用是控制著子窗口和控制文件的管理。用文本編輯，內(nèi)容為:

其中，MDIList是子窗口的列表，所有的子窗口列表都在位于jiankong.mdi中，ControlFile表示控制的文件，如狀態(tài)和動作都位于文件jiankong.zus中。

子窗口列表文件jiankong.mdi的內(nèi)容為:

jiankong.zus 也是用寫字板編輯的，存放著所有的狀態(tài)矩陣，狀態(tài)矩陣描述著狀態(tài)中的軟件如何分配任務(wù)。每一個狀態(tài)的結(jié)構(gòu)一般是一個17×8的矩陣表，每行對應(yīng)著一個狀態(tài)序號，由狀態(tài)/動作、入口等級、水平鍵文本、垂直鍵文本、子窗口、返回值、標(biāo)識符、注釋組成。下面為該系統(tǒng)界面1的狀態(tài)矩陣(入口等級為默認(rèn)等級，無注釋)，其內(nèi)容為:

嵌入VB 執(zhí)行文件jiankong.exe，將jiankong.exe移至……/OEM/下。至此，整個OEM 設(shè)計(jì)過程完成，其框架結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 OEM 框架結(jié)構(gòu)

4 監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

通過試驗(yàn)測得，當(dāng)磨損量I為0.5×10－3mm3時，需要對絲桿螺母副采取維護(hù)措施，此時驅(qū)動電機(jī)做功可以通過式(10)和圖3求得，W1=3.6×103MJ。

把該系統(tǒng)應(yīng)用在THM6380 臥式加工中心上，運(yùn)行的界面如圖7所示，當(dāng)累積做功達(dá)到3.6×103MJ時，機(jī)床會自動報警。

圖7 用戶維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

以高開放、高性能的數(shù)控系統(tǒng)西門子840D為設(shè)計(jì)平臺，通過VB 開發(fā)的用戶界面和VC 動態(tài)鏈接庫在OEM軟件開發(fā)環(huán)境中嵌入，開發(fā)出了基于用戶角度來提高可靠性的用戶監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，提高機(jī)床的智能化程度。

文中將一種新的可靠性方法——用戶監(jiān)控維護(hù)思想引入數(shù)控機(jī)床可靠性研究領(lǐng)域中，創(chuàng)造性地提出定功維護(hù)的概念，通過建立絲桿螺母副與電機(jī)做功的數(shù)學(xué)模型，為定功維護(hù)提供理論依據(jù);為提高機(jī)床可靠性提出新的方法和思路。

所應(yīng)用的研究方法使用戶對機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)更合理、更優(yōu)化，而且該思想方法也可用于其他設(shè)備維護(hù)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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