基于SolidWorks Simulation 分析的木工機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化

王士忠

（青島貝來(lái)文化科技有限公司，青島 266300）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、信息化、人工智能等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)在各行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，人們的生產(chǎn)生活發(fā)生了巨大變化，社會(huì)逐步進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代。木工機(jī)床是一種重要的木材加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于家具制造、建筑和裝修等行業(yè)。在此發(fā)展背景下，傳統(tǒng)的木工機(jī)械加工，由于設(shè)備老化、機(jī)床故障等問(wèn)題已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足木材加工的需求?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，能夠掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為木工機(jī)械發(fā)展帶來(lái)戰(zhàn)略機(jī)遇并賦予其新的內(nèi)涵。

SolidWorks Simulation 作為一種有限元分析技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，能夠提供壓力、頻率、約束等分析功能[1]。其由美國(guó)SRAC 公司的 COSMOSWorks 軟件更名而來(lái)，因具有計(jì)算速度快、使用方便快捷、分析功能全面以及兼容性較好等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。SolidWorks Simulation 分析模型和分析結(jié)果與SolidWorks 共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)資源，不僅可以實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)軟件和分析計(jì)算軟件之間的數(shù)據(jù)共享，而且可以將分析結(jié)果直接在SolidWorks 設(shè)計(jì)模型上顯示出來(lái)，有效避免了三維設(shè)計(jì)建模軟件和分析計(jì)算軟件之間的轉(zhuǎn)換操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換缺陷[2]。對(duì)于木工機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在精準(zhǔn)度不高的問(wèn)題，而基于SolidWorks Simulation 的機(jī)床遠(yuǎn)程互聯(lián)監(jiān)測(cè)則可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位優(yōu)化，以便獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

1 木工機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，木工機(jī)床的結(jié)構(gòu)和制造工藝變得越發(fā)復(fù)雜，雖然為制造高精的木質(zhì)家具帶來(lái)極大的方便，但也存在故障難以維修的問(wèn)題。對(duì)此，需要結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)木工機(jī)床運(yùn)行中容易出現(xiàn)故障的位置。木工機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)可以獲取機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，了解機(jī)床的工作狀態(tài)。通常來(lái)講，通過(guò)采集分析木工機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等數(shù)據(jù)信息，可以預(yù)判可能出現(xiàn)的故障并進(jìn)行報(bào)警提示，以便提前預(yù)防故障的發(fā)生，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，提升木工機(jī)床的利用率[3]。從實(shí)際情況來(lái)看，木工機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)還存在諸多問(wèn)題。例如，針對(duì)木工機(jī)床的溫度監(jiān)測(cè)，雖然可以監(jiān)測(cè)機(jī)床溫度變化，但并未監(jiān)測(cè)到溫度變化最大的點(diǎn)位，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的判斷出現(xiàn)偏差。由此可見(jiàn)，選擇科學(xué)、合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位十分重要。

2 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，木工機(jī)床最易發(fā)生熱變形的部位是主軸，主要原因是在機(jī)床主軸長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵吸附在主軸上會(huì)導(dǎo)致其快速升溫，進(jìn)而出現(xiàn)熱變形，影響機(jī)床的正常運(yùn)行[4]。因此，選擇優(yōu)化主軸的溫度監(jiān)測(cè)。

通常來(lái)講，木工機(jī)床的主軸材料都是采用鋼材，其擁有良好的綜合力學(xué)性能和低溫沖擊韌性[5]。為了分析機(jī)床主軸溫度場(chǎng)，首先需要通過(guò)Voronoi-Delaunay 對(duì)機(jī)床主軸模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選取Solid45 單元對(duì)主軸部件進(jìn)行離散分網(wǎng)。為了更好地選擇溫度傳感器類(lèi)型，還需要分析機(jī)床主軸的溫度場(chǎng)。通過(guò)構(gòu)建的主軸溫度場(chǎng)模型可以看出，軸承是主軸溫度最高且最為集中的地方。本文構(gòu)建的機(jī)床主軸軸承有限元模型如圖1 所示。

圖1 機(jī)床主軸軸承有限元模型

由于機(jī)床主軸溫度分布不均勻，而且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，主軸溫度變化最大的地方是軸承，在對(duì)機(jī)床主軸溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)將溫度傳感器安裝在軸承附近[6]。對(duì)于所采用的溫度傳感器需要綜合考慮軸承溫度場(chǎng)模型的仿真結(jié)果和機(jī)床使用成本問(wèn)題。最為常用的兩種軸承溫度測(cè)量方法為接觸式和非接觸式，其中：接觸式溫度測(cè)量需要在傳感器達(dá)到熱平衡后才能測(cè)量軸承溫度，而且具有相應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、測(cè)量結(jié)果容易受到外界因素影響的缺陷；非接觸式溫度測(cè)量主要是指紅外測(cè)溫，其主要依據(jù)軸承的紅外輻射量得出溫度數(shù)值，該測(cè)量方法有著測(cè)量精準(zhǔn)度較高、響應(yīng)速度較快以及溫度測(cè)量范圍廣、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)?；谝陨戏治?，本文針對(duì)主軸軸承的溫度測(cè)量選用非接觸式的紅外測(cè)溫傳感器，其具體型號(hào)為米科MIKAL-10 工業(yè)在線(xiàn)紅外測(cè)溫儀。該傳感器的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 MIK-AL-10 紅外測(cè)溫傳感器參數(shù)

結(jié)合主軸的構(gòu)造和溫度場(chǎng)模型，在中間軸承、左側(cè)軸承和右側(cè)軸承處各安裝一個(gè)溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)軸承溫度，計(jì)算不同位置之間的溫度差值，以此為依據(jù)判斷主軸的運(yùn)行狀態(tài)[7]。通常情況下，左側(cè)軸承會(huì)處于低溫狀態(tài)下運(yùn)行，而右側(cè)軸承則處于高溫狀態(tài)下運(yùn)行，且左右兩側(cè)的溫度差會(huì)保持在一定范圍內(nèi)。如果兩側(cè)的溫度差在不斷增大，則證明主軸出現(xiàn)了一定變形，據(jù)此可以判斷機(jī)床主軸出現(xiàn)了機(jī)械疲勞，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的目的。

3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化

一般來(lái)講，如果機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了問(wèn)題，大部分會(huì)以振動(dòng)的形式體現(xiàn)出來(lái)，因此監(jiān)測(cè)木工機(jī)床的振動(dòng)并對(duì)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，可以有效避免因振動(dòng)帶來(lái)的運(yùn)行故障[8]。此外，由于木工機(jī)床的主軸會(huì)帶動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)，如果主軸平衡性出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)主軸的振動(dòng)通過(guò)刀具傳遞至木材時(shí)，還會(huì)對(duì)加工的器件質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此對(duì)木工機(jī)床的振動(dòng)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

針對(duì)木工機(jī)床主軸的前四階模態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從分析結(jié)果可以看出，第三階和第四階最大變形部分均出現(xiàn)在主軸前端。通過(guò)對(duì)主軸振動(dòng)頻率范圍的分析可以看出，需要選擇測(cè)試精準(zhǔn)度較高的振動(dòng)傳感器，從而將外界因素的干擾降至最低。綜合以上需求，選擇RSW3300 分體式電渦流位移傳感器，該傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 RSW3300 分體式電渦流位移傳感器技術(shù)參數(shù)

為了確保木工機(jī)床主軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度，需要確定最科學(xué)的安裝位置[9]?？紤]到木工機(jī)床主軸是回轉(zhuǎn)類(lèi)設(shè)備，其徑向振動(dòng)更為集中，因此可以選擇在機(jī)床主軸的x和y方向安裝振動(dòng)傳感器，利用傳感器監(jiān)測(cè)主軸具體部件的位移量。在此過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子的運(yùn)行速度不同，其振動(dòng)模式也不同，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的形變就不同，在測(cè)量條件相同的情況下，可以在不同的軸向位置測(cè)量不同的主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的加持下，木工機(jī)床正朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。要想提升木工機(jī)床的運(yùn)行效率，降低故障發(fā)生概率，對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)十分必要。采用SolidWorks Simulation 優(yōu)化設(shè)計(jì)木工機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位，不僅大大提升了相關(guān)參數(shù)信息的獲取，而且為監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。