基于自動化技術的機床電氣控制系統(tǒng)改造的設計分析

摘要：現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對工作設備的要求較高，包括機床在內(nèi)，這為其電氣控制系統(tǒng)改造、自動化技術的應用提供了空間。本文以基于自動化技術的機床電氣控制系統(tǒng)改造優(yōu)勢為切入點，分析其設計思路、設計實現(xiàn)方法，包括通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)等，并結(jié)合模擬實驗對上述內(nèi)容進行論證。最后簡單就自動化技術下機床電氣控制系統(tǒng)改造進行展望，服務后續(xù)有關工作。

關鍵詞：自動化技術 機床電氣控制系統(tǒng) 改造設計 決策系統(tǒng)

Design Analysis of Designingthe Transformationof theElectrical Control System Transformationofor Machine Tools inBased on Automation Technology

DENG Jinyan

Huanggang Polytechnic College， Huanggang，Hubei Province，438000 China

Abstract：The development of Mmodern industriyal development has high requirements for work equipment， including machine tools， which provides space for the transformation of itselectrical control systems and the application of automation technology. This article takes the advantages of the transformation of machine tool the electrical control system of machine tools based on automation technology as the starting point， analyzes its design ideas and implementation methods， including the communication systems， perception systems， decision-making systems， etc.， and combines simulation experiments to demonstrate the above content. Finally， it prospectsa brief outlook on the transformation of the electrical control system of machine tools underbased on automation technology is provided to serve subsequent related work.

Key Words： Automation technology; Machine tool eElectrical control system of machine tools; TransformationRenovation design;Decision-making system

自動化（Automation）是指機器設備、系統(tǒng)或過程在無人、半無人模式下按照既定要求，經(jīng)過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現(xiàn)預期的目標的過程。自動化技術廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學研究、交通運輸、商業(yè)等領域，也為機床設計、制造、應用提供了重要支持，包括機床電氣控制系統(tǒng)改造在內(nèi)[1]。從一般特點上看，自動化技術可以提升機床控制質(zhì)量、作業(yè)水平，也能提升安全性，為促進工業(yè)發(fā)展，優(yōu)化機床性能，就基于自動化技術的機床電氣控制系統(tǒng)改造要求、設計思路、實現(xiàn)方式等內(nèi)容進行分析，具有一定積極價值。

1基于自動化技術的機床電氣控制系統(tǒng)改造優(yōu)勢

1.1優(yōu)化控制效率

以自動化技術為基礎，組織機床電氣控制系統(tǒng)改造，基本要求在于優(yōu)化控制效率。大部分機床的作業(yè)內(nèi)容帶有重復性，但存在負荷水平、工作參數(shù)的變化調(diào)整需要，傳統(tǒng)模式下主要依賴人員進行參數(shù)調(diào)整，效率尚可，但如果人員工作不及時、遺忘參數(shù)調(diào)控工作，控制效率顯著下降。引入自動化技術，對機床電氣控制系統(tǒng)進行改造，可以利用默認程序、機械模塊、電子技術替代人工完成機床控制、參數(shù)調(diào)整等工作，只要程序設定得當，參數(shù)調(diào)整工作也嚴格遵照設定標準自動化完成，就能提高控制效率，很大程度上減少人員工作中出現(xiàn)疏失、錯漏等問題[2]。

1.2改善安全性

借助自動化技術改造機床電氣控制系統(tǒng)，也具有安全性優(yōu)勢，有助于確?？刂葡到y(tǒng)、機床安全穩(wěn)定作業(yè)，即便出現(xiàn)問題、異常，也可以在半無人或全無人狀態(tài)下完成應急處理，以減少人員檢修、管控過程中出現(xiàn)觸電、機械損傷等方面的問題。如 例如：針對機床損傷進行的控制，可以由內(nèi)置工作模塊完成，內(nèi)部智能工作設施實時感知機床各部分的工作情況，根據(jù)其中的問題發(fā)出警報，并以繼電保護方式切斷電源、中斷機床作業(yè)，直到故障排除[3]。與傳統(tǒng)工作方式相比，自動化技術提升了機床電氣控制系統(tǒng)故障處理效率、安全性。

1.3提升作業(yè)精度

以自動化技術為支持機床電氣控制系統(tǒng)改造，也能提升機床的工作精度，機床在持續(xù)工作的過程中，可能因負荷過大、工作時間過長、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)老化等因素出現(xiàn)性能方面的異常，表現(xiàn)為參數(shù)波動、加工質(zhì)量下降，影響作業(yè)質(zhì)量[4]。在自動化技術的支持下，可以設定自適應作業(yè)程序，機床持續(xù)作業(yè)的過程中，以固定時間為間隔，主動進行一次參數(shù)校對和調(diào)整，使其能夠始終按照既定程序完成生產(chǎn)作業(yè)，保持工作質(zhì)量。

2基于自動化技術的機床電氣控制系統(tǒng)改造設計

2.1設計思路

基于自動化技術的機床電氣控制系統(tǒng)改造，設計思路上關注明確各功能模塊功能，以PLC邏輯控制技術提供控制方面的支持。在非必要情況下，對系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行簡化，減少復雜設計。按此思路，該系統(tǒng)的工作流程簡圖如圖1所示。

2.2設計實現(xiàn)方法

2.2.1通信系統(tǒng)

按照2.1所示的設計模式，需要對機床電氣控制系統(tǒng)的通信能力進行分析和改進，其重點在于提升通信穩(wěn)定性，并改善外部干預的有效性。從特點上看，機床作業(yè)過程中產(chǎn)生的電磁干擾較強，因此其電氣控制系統(tǒng)應以有線形式組織信息交互，與此同時，基于遠程控制、現(xiàn)場操作便捷化需求，還應以無線通信的形式提供輔助。有線通信設計主要應用于機床電氣控制系統(tǒng)內(nèi)各工作單元的關聯(lián)，包括傳感器、智能分析模塊、報警器、斷路器以及其他終端執(zhí)行單元。無線通信設計主要應用于機床電氣控制系統(tǒng)外各工作單元的關聯(lián)，包括現(xiàn)場超短距射頻識別、人員現(xiàn)場操控、必要的遠程遙控等。

為保證有線通信質(zhì)量，實際工作中一律以具有較強絕緣能力的線路提供通信支持，且定期進行更換，在線路老化前以新線路替代舊線路。

2.2.2感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)的設計，強調(diào)敏感性和全面性。要求以接觸式傳感器為中心設備，在機床電氣控制系統(tǒng)需要控制的各區(qū)域配置傳感器，以提升其覆蓋效應，保證感知系統(tǒng)的敏感性和全面性。以普通工業(yè)機床為例，需要機床電氣控制系統(tǒng)進行控制的模塊包括作業(yè)參數(shù)、作業(yè)安全性、負荷等級、外部指令4個部分，傳感器分別面向作業(yè)參數(shù)、作業(yè)安全性、負荷等級、外部指令4個區(qū)域組織信息采集，根據(jù)采集物特點確定傳感器的配置形式，如面向“負荷等級”組織信息采集時，以其供料系統(tǒng)指令為基準，面向“作業(yè)參數(shù)”組織信息采集時，以機床動力系統(tǒng)為采集對象，采集所獲的信息，以固定間隔提供給機床電氣控制系統(tǒng)，時間間隔不宜超過10 s，以保證實時分析效果。機床電氣控制系統(tǒng)以智能分析的方式完成感知信息處理，并接受遠程控制的必要干預，包括程序設定和感知時間調(diào)整、感知元器件更換等[5]。

2.2.3決策系統(tǒng)

自動化技術下，機床電氣控制系統(tǒng)的功能設計作用突出，需要從兩個層面出發(fā)加以實現(xiàn)，一是通過降維訓練的方式，使系統(tǒng)具有較強的信息記憶能力，并建立分析數(shù)據(jù)庫；二是通過智能決策法，確保系統(tǒng)能夠敏銳完成實時信息的智能分析，提升決策科學性。

降維訓練方面，需要根據(jù)機床電氣控制系統(tǒng)的功能定位選取訓練維度。如上文所述的“作業(yè)安全性”，可通過機床工作溫度、機床工作噪聲水平、機床工作震動參數(shù)加以確定，上述3個指標即可作為降維訓練的3個關鍵維度，其他維度信息也可以呈現(xiàn)機床“作業(yè)安全”情況，但呈現(xiàn)效果不佳，可不作為“辨識維度”。具體工作中，要求借助大數(shù)據(jù)方法對機床常規(guī)工作模式下的各類參數(shù)進行統(tǒng)一收集、統(tǒng)一挖掘，將經(jīng)過處理后的結(jié)果，集中代入機床電氣控制系統(tǒng)組織訓練，僅要求機床電氣控制系統(tǒng)對機床工作溫度、機床工作噪聲水平、機床工作震動參數(shù)進行分析，確定安全標準下其具體取值范圍，以及取值的上下限，形成至少包括6個參數(shù)的將為分析數(shù)據(jù)集：

[溫度min；溫度max；震動min；震動max；噪聲min；噪聲max]（數(shù)據(jù)集1）

上述數(shù)據(jù)在不同機床中可能存在區(qū)別，主要受到該機床的型號、額定參數(shù)等因素影響。進入工作狀態(tài)后，機床的工作溫度、噪聲水平、震動參數(shù)一般不會超過數(shù)據(jù)集1范圍，如果機床因短路、機械故障等因素出現(xiàn)安全問題，其工作溫度、噪聲水平、震動參數(shù)中的至少1個、至多3個會出現(xiàn)異常，并超過數(shù)據(jù)集1中的允許值?？梢圆捎秒S機森林法進行智能分析，機床電氣控制系統(tǒng)內(nèi)部建設隨機森林，由森林中的決策樹，對機床工作的工作溫度、噪聲水平、震動參數(shù)進行分析，如果半數(shù)以上的決策樹認為，當前機床工作溫度、噪聲水平、震動參數(shù)中某一個或幾個參數(shù)超過數(shù)據(jù)集1范疇，可根據(jù)其異常情況發(fā)出警報、組織斷電作業(yè)；反之，如果半數(shù)以上的決策樹認為，當前機床工作溫度、噪聲水平、震動參數(shù)中所有參數(shù)均不超過數(shù)據(jù)集1范疇，可認定機床工作無異常，繼續(xù)組織信息采集、分析等工作。

2.3模擬分析

2.3.1模擬對象

以某裝備制造企業(yè)（文內(nèi)成DX公司）的機床為例，組織模擬實驗以分析自動化技術下，機床電氣控制系統(tǒng)改造設計的成效。以DX公司提供的數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，建設虛擬模型，采用參數(shù)代入法、加速模擬的方式，判斷應用自動化技術后機床電氣控制系統(tǒng)性能。代入上文所述通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)設計內(nèi)容以及對應參數(shù)進行實驗，共分為3組：第一組為安全試驗，默認機床工作狀態(tài)下出現(xiàn)安全問題，其他無異常，共做100次模擬，判斷其是否能夠敏銳感知、做應急處理，記錄處理時間。第二組為參數(shù)組，默認機床工作狀態(tài)下出現(xiàn)參數(shù)調(diào)整需求，其他無異常，共做100次模擬，判斷其是否能夠敏銳感知、處理，記錄處理時間。第三組為綜合組，默認機床工作狀態(tài)下出現(xiàn)參數(shù)調(diào)整、安全處理需求，其他方面無異常，共做100次模擬，判斷其是否能夠敏銳感知和處理，記錄處理時間。

2.3.2模擬結(jié)果

另以DX公司常規(guī)工作信息為參考，組織對比，所獲結(jié)果如表1所示。

因企業(yè)提供的為處理工作資料，故其所有機床問題均得到感知和處理，但處理時間較長，平均為15.6 min。借助自動化技術對機床電氣控制系統(tǒng)進行改造，其能夠較有效的感知各類異常、故障，基本優(yōu)勢在于處理時間較短，均不超過4 s。這表明，機床電氣控制系統(tǒng)改造設計效果較好，能夠提升機床電氣控制系統(tǒng)工作效率，但在精度上仍有改善空間。

3結(jié)語

綜上所述，以自動化技術為基礎，機床電氣控制系統(tǒng)改造的設計可以提升作業(yè)質(zhì)量、效率和安全性，是未來機床發(fā)展、制造的主流趨勢之一。從設計層面出發(fā)，要求明確機床電氣控制系統(tǒng)的功能定位，提升其邏輯清晰化水平，加強通信系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)的功能分析，以科學方式保證其可實現(xiàn)性。結(jié)合模擬分析結(jié)果可知上述設計具有一定優(yōu)勢。對未來自動化技術下機床電氣控制系統(tǒng)改造工作進行分析，可知其仍有進一步提升精度、功能水平的空間和必要，仍需繼續(xù)加強分析和研究。

參考文獻

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