數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性控制技術(shù)方案分析

翁州雄

摘要：可靠性是評估數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵性指標(biāo)，因此，要結(jié)合數(shù)控機(jī)床運(yùn)行情況建立多元控制方案，利用對比分析的方法，從保養(yǎng)、運(yùn)行狀態(tài)以及工作環(huán)境等關(guān)鍵點(diǎn)出發(fā)，全面闡釋影響數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性的因素，并通過建模的方式全面解讀數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性控制要求，打造實(shí)時(shí)性監(jiān)控平臺，以便于能全面了解數(shù)控機(jī)床運(yùn)行情況，提高數(shù)控機(jī)床應(yīng)用運(yùn)行質(zhì)量，為我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)發(fā)展提供保障。

Abstract： Reliability is a key indicator for evaluating the operating efficiency and economics of CNC machine tools. Therefore， it is necessary to establish multiple control schemes based on the operating conditions of CNC machine tools， using comparative analysis methods， starting from key points such as maintenance， operating status， and working environment. Comprehensively explain the factors that affect the operating reliability of CNC machine tools， and comprehensively interpret the reliability control requirements of CNC machine tools through modeling， and create a real-time monitoring platform so that you can fully understand the operating conditions of CNC machine tools and improve the quality of CNC machine tool applications. Provide guarantee for the development of my country's CNC machine tool industry.

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;可靠性;控制技術(shù)

Key words： CNC machine tools;reliability;control technology

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0190-03

0 ?引言

伴隨著機(jī)械制造業(yè)的全面發(fā)展，數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效果受到了廣泛關(guān)注，為了全面提升行業(yè)市場核心競爭力，要建立健全完整的控制機(jī)制，全面分析設(shè)備運(yùn)行可靠性因素，以可靠性為出發(fā)點(diǎn)，打造更加合理科學(xué)的應(yīng)用平臺，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益和諧統(tǒng)一。

1 ?數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 保養(yǎng)

對于數(shù)控機(jī)床而言，在運(yùn)行一段時(shí)間后，電器元件或者是機(jī)械部件會存在故障問題，而數(shù)控機(jī)床本身是高精度設(shè)備，元件的損壞難免會對整個(gè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和質(zhì)量效果產(chǎn)生影響。在對數(shù)控機(jī)床故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖1）后可知，使用過程因素造成運(yùn)行不穩(wěn)定的比例接近60%。

若是依據(jù)數(shù)控機(jī)床故障時(shí)間和故障模式對相關(guān)問題進(jìn)行分析可知，日常維護(hù)保養(yǎng)、預(yù)防性維修、修復(fù)性維修、改善維修等工作的落實(shí)能有效建立實(shí)時(shí)性監(jiān)管體系，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并落實(shí)對應(yīng)的處理措施。也就是說，只有落實(shí)數(shù)控機(jī)床維系保養(yǎng)綜合監(jiān)管模式，才能延長元件的使用壽命，為數(shù)控機(jī)床長效穩(wěn)定工作運(yùn)行提供支持。

①日常維護(hù)保養(yǎng)，主要是檢查和清洗。

②預(yù)防性維修，主要分為計(jì)劃維修和狀態(tài)維修兩大類。其中，計(jì)劃維修涉及定時(shí)拆修和定時(shí)更換。而對應(yīng)的狀態(tài)維修則包括拆修、更換。

③修復(fù)性維修，結(jié)合數(shù)控機(jī)床應(yīng)用運(yùn)行的具體情況，按照“定位分解更換再裝檢測”的基本流程完成相關(guān)工作，從而真正意義上建構(gòu)完整且系統(tǒng)化的修復(fù)性管理平臺。

④大修，主要是整機(jī)翻修處理和數(shù)控改造。

⑤配合改善維修、質(zhì)量維修和可靠性維修等系統(tǒng)工作，就能建立健全更加全面的維修保養(yǎng)活動體系。

1.2 運(yùn)行狀態(tài)

在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)分析管理工作中，運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)也會對其運(yùn)行效果產(chǎn)生影響，其中，功率參數(shù)、振動參數(shù)、壓力參數(shù)、流量參數(shù)等較為關(guān)鍵，有效反映數(shù)控機(jī)床的基本性能。見表1。

為了維持?jǐn)?shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性，要整合具體狀態(tài)分析模式，確保能對運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)控。一旦采集狀態(tài)信息參數(shù)超出正常運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍，數(shù)控機(jī)床就會聯(lián)動報(bào)警信號，以保證用戶能及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，維持?jǐn)?shù)控機(jī)床應(yīng)用運(yùn)行效果，為常規(guī)化工作的開展提供保障。

具體參數(shù)如下：①切削液溫度，正常參數(shù)范圍是0到40℃，操作人員要及時(shí)檢查切削液冷卻裝置或者是重新完成切削冷卻溫度的設(shè)置。②液壓油溫度，正常參數(shù)范圍是10℃到60℃，操作人員要檢查液壓油冷卻裝置運(yùn)行狀態(tài)，并且檢查液壓管路是否存在堵塞的問題，及時(shí)清堵。③主軸溫度，正常參數(shù)范圍是0到60℃，要檢查油冷機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。④氣源濕度，正常參數(shù)范圍是0%RH到75%RH，主要是借助更換氣源干燥裝置完成保障工作。⑤回油壓力，正常參數(shù)范圍是0到0.2MPa，及時(shí)更換液壓回油過濾器維持其應(yīng)用效果。

1.3 工作環(huán)境

在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用過程中，工作環(huán)境因素也會對機(jī)床運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生影響，若是缺乏對工作環(huán)境變化產(chǎn)生影響的重視，不僅會增加數(shù)控機(jī)床常規(guī)化使用，也會影響數(shù)控機(jī)床內(nèi)部元件，造成永久性傷害。本文以環(huán)境溫度、濕度以及電源電壓為例，對運(yùn)行可靠性產(chǎn)生的影響機(jī)理予以分析，并制定相應(yīng)的保障機(jī)制。

第一，環(huán)境溫度。在機(jī)床發(fā)展進(jìn)程中，設(shè)備已經(jīng)逐漸向著高速度、高精度以及柔性自動化方向發(fā)展，這就對機(jī)床加工精度提出了新的要求，要想維持?jǐn)?shù)控機(jī)床運(yùn)行效果，就要著重關(guān)注機(jī)床的熱態(tài)特性。值得一提的是，外熱源對機(jī)床產(chǎn)生的影響，一般是單向或者是局部的，所以，機(jī)床內(nèi)部會產(chǎn)生一定的溫度差異，長此以往就會造成機(jī)床變形問題，嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度。例如，機(jī)械手熱變形就會造成刀庫系統(tǒng)中機(jī)械手和主軸結(jié)構(gòu)不同心，無法有效開展后續(xù)工作。

第二，環(huán)境濕度，數(shù)控機(jī)床對工作環(huán)境的濕度要求較高，一般要將濕度控制在75%以下，若是在高溫高濕環(huán)境中，就要應(yīng)用密封電氣柜結(jié)構(gòu)，并且配置相應(yīng)的空調(diào)設(shè)施維持冷卻狀態(tài)。若是濕度參數(shù)較大，數(shù)控機(jī)床停機(jī)后就會出現(xiàn)水分子結(jié)褥的現(xiàn)象，嚴(yán)重侵蝕硬件模塊，制約數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效果?；诖?，針對加工現(xiàn)場進(jìn)行嚴(yán)格的濕度監(jiān)督管理，利用去濕設(shè)備或者是烘干裝置予以處理，降低濕度參數(shù)后才能上電運(yùn)行。

第三，電源電壓。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床本身就是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)等多元設(shè)備緊密融合的自動化設(shè)備，周圍環(huán)境因素會對其運(yùn)行可靠性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，其中，電源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)電壓質(zhì)量非常關(guān)鍵，只有建立安全且可靠的環(huán)境應(yīng)用平臺，才能減少設(shè)備運(yùn)行故障。一般而言，數(shù)控機(jī)床電壓要從一次電源到三次電源。其中，一次電源是指車間電網(wǎng)供給三相380V電源、二次電源指的是三相電源變壓器從一次電源衍生出的單向交流220V電壓，供給CNC單元和顯示器單元。三次電源是指二次電源轉(zhuǎn)化的數(shù)控機(jī)床直流電源，包括±5V、±24V等。

綜上所述，在明確相關(guān)參數(shù)對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)上，就要結(jié)合實(shí)際情況落實(shí)相應(yīng)的參數(shù)分析，并且制訂更加合理有效的保障機(jī)制，維持總體管控效果。

2 ?數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性控制分析

只有踐行科學(xué)合理的維護(hù)保養(yǎng)機(jī)制，才能從根本上提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行質(zhì)量，因此，依據(jù)狀態(tài)監(jiān)測要求對數(shù)控機(jī)床維修保養(yǎng)決策予以建模分析，從而評估特征量，全面分析數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的可靠性和設(shè)備健康情況，具有重要的實(shí)踐意義。

2.1 分析數(shù)控機(jī)床故障數(shù)據(jù)

在對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性控制機(jī)制進(jìn)行全面分析的過程中，結(jié)合概率論可知，整體指數(shù)分布概率密度函數(shù)會呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，依據(jù)觀測數(shù)值擬合曲線形狀判定隨機(jī)變量分布情況，就能在獲取故障信息數(shù)據(jù)的同時(shí)，基于綜合評估模式落實(shí)相應(yīng)對策。數(shù)控機(jī)床的故障間隔時(shí)間能有效擬合分析可靠性模型，及時(shí)收集數(shù)據(jù)就能為全面了解其應(yīng)用情況，數(shù)據(jù)收集區(qū)間一般是從數(shù)控機(jī)床投入使用開始，一直到設(shè)備報(bào)廢處理，本文將數(shù)控機(jī)床在全過程數(shù)據(jù)跟蹤期間的故障間隔時(shí)間觀察數(shù)值作為擬合參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)值，分析概率密度函數(shù)，設(shè)定故障間隔時(shí)間觀測值為t∈[T0，，Tt]，分為N組。將每組時(shí)間的中值作為橫坐標(biāo)參數(shù)，每組概率密度觀測數(shù)值f（t）作為縱坐標(biāo)參數(shù)，繪制概率密度圖，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合概率密度曲線變化趨勢完成相關(guān)評估工作，結(jié)合數(shù)值參數(shù)可知，數(shù)控機(jī)床故障間隔時(shí)間滿足何種分布要求。

2.2 威布爾風(fēng)險(xiǎn)比例模型

主要是借助Matlab進(jìn)行數(shù)值參數(shù)的匯總處理，在獲取數(shù)控機(jī)床故障數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行線性化處理分析，能獲取威布爾概率曲線，在數(shù)據(jù)曲線中，會將威布爾可靠性參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)的變換處理，以保證能及時(shí)完成威布爾模型優(yōu)化。

第一，在變換后，X-Y坐標(biāo)系下圖形為威布爾概率圖，也就是WPP圖。

第二，結(jié)合WPP圖實(shí)際情況，將其和已知范圍的標(biāo)準(zhǔn)WPP圖進(jìn)行對比分析，就能了解模型擬合的特點(diǎn)，較為常見的威布爾風(fēng)險(xiǎn)比例模型分為單一型和復(fù)雜型，依據(jù)實(shí)際情況匹配對應(yīng)的分析機(jī)制。

第三，結(jié)合兩重威布爾分段模型定義可知，若是將時(shí)間t>0的相關(guān)區(qū)間分為T1區(qū)間和T2區(qū)間，則，表示為T1∈[0，t0]和T2∈[t0，t]，匹配對應(yīng)的可靠度函數(shù)，就能建立參數(shù)威布爾分布模型。

第四，結(jié)合故障率進(jìn)行產(chǎn)品壽命周期化分析，不同時(shí)間段存在對應(yīng)的關(guān)鍵時(shí)間拐點(diǎn)，依據(jù)可靠度函數(shù)和概率密度函數(shù)就能分析相關(guān)情況，從而全面評估威布爾風(fēng)險(xiǎn)比例模型。

2.3 可用度最大維修保養(yǎng)決策模型

為了保證能全面了解數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性參數(shù)，要結(jié)合模型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)，建立更加科學(xué)有效的分析機(jī)制，從而對復(fù)雜設(shè)備計(jì)劃性維修決策予以管理，發(fā)揮費(fèi)用最低模型和可用度最大模型的運(yùn)行優(yōu)勢，利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測保證設(shè)備可利用率最大化，發(fā)揮設(shè)備的使用優(yōu)勢，延長其使用壽命，保證數(shù)控機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定且科學(xué)?？捎枚仁强捎脮r(shí)間/可用時(shí)間+不可用時(shí)間，并結(jié)合托盤交換裝置可用度模型進(jìn)行預(yù)防性維修時(shí)間的分析處理。也就是說，在數(shù)值分析過程中，故障率若是高于故障率閾值，則表示數(shù)控機(jī)床相應(yīng)元件需要進(jìn)行預(yù)防性維修，若是沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則無需維護(hù)保養(yǎng)。例如，以數(shù)控機(jī)床托盤交換裝置（圖2）為例，故障分析基礎(chǔ)上建立威布爾比例風(fēng)險(xiǎn)分析模型，并且依據(jù)維修保養(yǎng)情況制定相應(yīng)的保養(yǎng)決策計(jì)劃。

在交換裝置完成相應(yīng)加工操作工序后，工作自動交換設(shè)備就能結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求完成對應(yīng)工作，交換裝置利用托盤交換升降油缸完成托架的處理，托盤和錐形定位銷分離，再借助回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)托架180°回轉(zhuǎn)處理，托盤交換裝置落下，就能實(shí)現(xiàn)托盤的自動交換。在工作狀態(tài)下，因?yàn)殡x心力較大且轉(zhuǎn)速較快，常常會出現(xiàn)精度不足的現(xiàn)象?；谕紶栵L(fēng)險(xiǎn)分析模型的系統(tǒng)化分析，對交換裝置予以狀態(tài)監(jiān)測，及時(shí)結(jié)合監(jiān)測結(jié)果開展相應(yīng)的維修工作，能有效避免更換報(bào)廢造成的資源浪費(fèi)。

由圖2可知，A處設(shè)定為齒輪齒條的咬合位置，受到的沖擊力最大，所以，要利用加速度傳感器對其進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析，安裝在A位置以保證能利用傳感器采集信號實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性在線監(jiān)測，傳輸?shù)焦た貦C(jī)就能完成分析工作（圖3）。

由圖3可知，故障間隔時(shí)間呈現(xiàn)出單調(diào)下降的狀態(tài)，并且，在下降一段時(shí)間后趨于平緩，這就說明故障時(shí)間服從的分布可能是指數(shù)分布，利用對應(yīng)軟件完成數(shù)據(jù)的搜索和處理，建立線性化分析，就能獲取最終的威布爾概率圖。

3 ?數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性監(jiān)控系統(tǒng)

正是基于對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率和質(zhì)量的綜合考量，要整合具體的應(yīng)用模式，建立可靠性監(jiān)控系統(tǒng)，以保證能及時(shí)收集匹配信息，為數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性優(yōu)化提供支持，維持良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用模式。從運(yùn)行可靠性監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境入手，從邏輯功能分析的角度設(shè)置對應(yīng)的模塊，以保證能更好地分析數(shù)控機(jī)床運(yùn)行可靠性參數(shù)。

3.1 硬件

數(shù)控系統(tǒng)硬件組成部分如下：①人機(jī)通信，作為控制整個(gè)硬件系統(tǒng)的操作和顯示平臺，還能支持?jǐn)?shù)據(jù)交換處理，開發(fā)和修改零件程序的同時(shí)，有效執(zhí)行零件程序，保證程序和數(shù)據(jù)讀入、讀出的及時(shí)性。②可編程邏輯控制，作為工業(yè)專用計(jì)算機(jī)，主要是采取面向用戶指令的處理平臺，搭建借助運(yùn)行用戶分析模式完成編制控制程序的工作任務(wù)，及時(shí)和數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)予以連接，確保能及時(shí)分析機(jī)床操作顯示內(nèi)容、運(yùn)行控制內(nèi)容等。③數(shù)字控制，完成加工程序塊的預(yù)處理工作，并且建立插補(bǔ)運(yùn)算分析單元，以保證專用模塊支持下能與外部計(jì)算機(jī)建立相應(yīng)的通訊互聯(lián)，最大程度上提高數(shù)據(jù)傳輸效果。

3.2 軟件

采取MMC軟件，配置相應(yīng)系統(tǒng)的同時(shí)，設(shè)置對應(yīng)軟件應(yīng)用控制機(jī)制，能全面支持SINUMERIK與外界進(jìn)行相互通信以及任務(wù)的協(xié)調(diào)性管理。與此同時(shí)，還支持PLC軟件、NC軟件等。例如，建立運(yùn)行可靠性監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行模塊，安裝在加工中心位置，結(jié)合加工中心配置的數(shù)控系統(tǒng)，借助調(diào)試處理，就能分析監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行效率，全面分析維護(hù)保養(yǎng)、開機(jī)維護(hù)、運(yùn)行條件監(jiān)控內(nèi)容等。

4 ?結(jié)論

總而言之，為了提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率，要整合性能分析模式，及時(shí)了解運(yùn)行狀態(tài)和應(yīng)用要求，建構(gòu)完整地技術(shù)分析機(jī)制，著重了解可靠性影響因素，并建立相應(yīng)的決策模型，為全面優(yōu)化設(shè)備綜合控制效果提供保障，促進(jìn)數(shù)控機(jī)床可持續(xù)發(fā)展。

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