基于機床做功量的監控系統開發

李平，黃澤森

(綿陽職業技術學院機電工程系，四川綿陽621000)

1 監控系統開發的背景

機床整機的可靠性除了與機床設計過程、裝配過程密切相關外，還與機床維護保養狀況有非常大的關系，如油冷機過濾網堵塞后不更換，引起主軸溫升過高，導致主軸精度下降，甚至出現主軸燒壞的嚴重故障。圖1是通過對某機床廠系列加工中心近兩年來的售后維修數據進行統計得到的圖表。可以看出:由于對機床的維護保養不當引起機床故障的比率約占18%。因此，有必要建立機床用戶監控維護系統，對關鍵運行參數進行實時監測，當超過規定值時發出報警，及時提醒操作人員對機床進行合理的維護和保養，從用戶使用角度來提高機床的可靠性。

機床在運行過程中可以分為精加工、粗加工和空運轉3種工作狀態。在這3種狀態下，機床的實際功率是不相等的，因此，機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維護保養措施在一定時間內也是不同的。而目前，對機床采取的定時維護保養或者定件維護保養并不能滿足這種情況。為此，作者創造性地提出機床定功維護的概念，對機床功能部件的做功量參數進行實時監控，當做功量累積值超過機床功能部件定功維護保養值時發出警報，及時提醒操作人員對機床功能部件進行相應維護和保養。文中以絲桿螺母副的維護保養為例，對監控系統開發作詳細說明。

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做功的數學模型

絲桿螺母副是影響機床精度的重要部件，絲桿在機床工作過程中在受軸向力的作用下，滾珠和滾道型面間產生接觸應力，對滾道型面上某一點而言，其應力狀態為交變接觸應力。經過一定的循環次數后，滾珠或滾道型面就會產生磨損，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的維護措施，絲桿螺母副的工作環境惡化，加劇絲桿副的磨損，甚至損壞絲桿螺母副。因此，找到合理的時間點對絲桿螺母副進行維護顯得至關重要。文中通過建立絲桿螺母副與電機做功的數學模型，找到了合理的時間點對其進行維護保養，即當磨損量為ΔI時，如果電機做功量超過設定的機床定功維護值W0，機床發現警報提醒用戶。

絲桿磨損率與軸向載荷的關系[1－2]為

式中:Ih為絲桿螺母副磨損率;σp為接觸應力;

σs為螺母表面材料屈服極限，σs=250～350 MPa;

k1為磨損系數，k1=1×104;

C為試驗常數，C=0.5;

β為表面質量系數，β=1;

E為彈性模量，E=2.06×105MPa。

磨損率為單位時間內的材料磨損體積，設磨損量為I，則

接觸應力計算公式

式中:Q為軸向載荷;

Z為絲桿工作列數，Z=2;

d為絲桿螺紋公稱直徑，d=50 mm;

d1為絲桿螺紋內徑，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，其受力狀態為圖2所示。

其中，F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:

設斜面的摩擦因數為μ，則

又設φ為摩擦角，則

由式(4)—(6)可得滾珠徑向力與軸向力關系

式中:θ為絲桿螺紋螺旋角，θ=5.8°;

φ為摩擦角，φ=3°。

驅動電機力矩與徑向力關系

式中:T為驅動電機力矩。

驅動電機功率與力矩關系

式中:P為驅動電機功率;

n為驅動電機轉速，取n=1 500 r/min。

聯立式(1)— (9)，建立絲桿螺母副磨損量與驅動電機做功的數學模型

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)的函數圖像

3 監控系統的開發

3.1 系統原理設計

在該監控維護系統中，驅動電機的功率不易獲取，因此采取獲取主軸電機功率的方法。通過嵌入在數控系統里面的VB 界面和數控系統的信息交互，基于DDE 方式來實現對主軸實際功率的動態獲取，并把獲取的瞬時功率值運算成機床主軸電機做功累積值W'，再通過機床主軸做功與進給軸驅動電機做功關系W1=kW' (其中k為在一定時間內，加工典型零件測得的實驗數據)，計算出驅動電機做功累積值W1并存入Access 數據庫，然后通過試驗獲得當磨損量達到ΔI時，絲桿是否需要采取維護措施。將此時驅動電機做功量W0設為機床定功維護值，判斷當前做功累積值W1是否超過機床定功維護保養值W0。如果超過，則將當前做功累積值W1存入Access 數據庫以便以后查詢，同時發送報警信號給PLC，以提醒用戶對絲桿螺母副采取維護措施。

圖4是本系統的軟件流程圖。

圖4 機床監控維護系統軟件流程圖

3.2 關鍵功能、程序設計

(1)VB 界面和數據庫設計[3－4]

該監控系統的顯示界面設計完全在VB 下進行，其過程實際上是編寫一個VB 多窗體程序[5]。每一個窗口作為單獨的子功能，以子窗口的形式被調用，多個窗體一起組成整個界面功能。根據監控維護系統的功能要求，同時考慮到軟件良好的人機交互功能，將軟件的結構分為做功實時監控信息顯示、報警歷史記錄查詢兩部分。

在該系統中，做功累積值W1、中間表的累積值W2、顯示表的累積值W3都需要進行保存和調用。因此，選擇Access2003 設計出累積表、中間表、報警表[6]。

(2)機床功率的獲取

在該系統開發的界面上，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。在程序設計之前，先設置NCDDE server為本地操作模式，設置NcddeServer-Name為ncdde。讀取功率的代碼為:

(3)數據處理與存儲

當主軸動態功率獲取后，需要把其計算成驅動電機做功值，并把做功值進行疊加存儲，同時把當前做功值與上一次報警值的差值和定功維護保養值進行比較，如果差值比定功維護保養值大，則機床報警提醒用戶采取維護措施和存儲報警記錄;反之，則繼續疊加做功值，然后把差值與定功維護保養值進行比較，如此反復不斷地進行。

為實現這一過程，第一步:以間隔時間t為周期對主軸功率進行動態獲取，得到Pi;第二步:使Pi與t 相乘，得到Wi;第三步:對各Wi進行疊加并乘以系數k，把結果賦給變量W1并存儲在Access 數據庫的累積表中;第四步:使W1與中間表的累積值W2的差值(W1－W2)和定功維護保養值W0進行比較;第五步:如果W1－W2＞W0，則機床報警并把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繼續疊加等待下一次比較。圖5為運算與存儲程序流程圖。

圖5 運算與存儲程序流程

(4)PLC 報警設計[7]

在該監控系統中，當做功累積達到絲桿螺母副定功維護值時，需要報警以提示用戶，采用PLC 用戶報警OM 設置。

編輯報警文本所使用的編輯器為Microsoft的Dos環境下的ASCII 編輯器，通過在Dos 提示符下鍵入Edit可進入編輯器。文本內容為:

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 嵌入技術設計及實現

(1)創建語言動態鏈接庫[8]

在西門子系統的界面上，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++語言開發數據庫鏈接進來的，同時包括對話框、消息、標簽等文本[9]。在創建之前，先建立RC 源文件。其內容為要實現的文本與軟鍵等控件有一一對應的關系。利用VC++選項MFCAppWizard(dll)，然后選擇Regular DLL using shared MFC DLL，再根據 RC 源文件，創建該系統語言 DLL(jiankong.dll)，并將其移至OEM指定目錄下。下面是該系統的部分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的內容。為“報警記錄”

(2)嵌入界面與數據庫[10]

該系統的顯示界面需要嵌入到西門子系統中，從而實現機床的自動監控。這必須借助于OEM 開發軟件。

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、應用程序、動態鏈接庫和VBX 文件的柔性管理的控制文件，用文本進行編輯。各應用是由Regie 開始管理啟動，其信息一起置于中regie.ini，構成程序管理文件。

mmc.ini 此文件包含所有的用戶特定設定，能在此處設定顏色和語言。在該監控系統的開發中，沿用標準用戶界面MMC2 中的mmc.ini，不再另行設置。

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，如狀態和動作都位于文件jiankong.zus中。

子窗口列表文件jiankong.mdi的內容為:

jiankong.zus 也是用寫字板編輯的，存放著所有的狀態矩陣，狀態矩陣描述著狀態中的軟件如何分配任務。每一個狀態的結構一般是一個17×8的矩陣表，每行對應著一個狀態序號，由狀態/動作、入口等級、水平鍵文本、垂直鍵文本、子窗口、返回值、標識符、注釋組成。下面為該系統界面1的狀態矩陣(入口等級為默認等級，無注釋)，其內容為:

嵌入VB 執行文件jiankong.exe，將jiankong.exe移至……/OEM/下。至此，整個OEM 設計過程完成，其框架結構如圖6。

圖6 OEM 框架結構

4 監控系統的應用

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

把該系統應用在THM6380 臥式加工中心上，運行的界面如圖7所示，當累積做功達到3.6×103MJ時，機床會自動報警。

圖7 用戶維護監控系統界面

5 結論

以高開放、高性能的數控系統西門子840D為設計平臺，通過VB 開發的用戶界面和VC 動態鏈接庫在OEM軟件開發環境中嵌入，開發出了基于用戶角度來提高可靠性的用戶監控維護系統，提高機床的智能化程度。

文中將一種新的可靠性方法——用戶監控維護思想引入數控機床可靠性研究領域中，創造性地提出定功維護的概念，通過建立絲桿螺母副與電機做功的數學模型，為定功維護提供理論依據;為提高機床可靠性提出新的方法和思路。

所應用的研究方法使用戶對機床的維護保養更合理、更優化，而且該思想方法也可用于其他設備維護，具有良好的工程應用前景。

【1】XU Jiansheng，ZHOU Lan，ZHAO Yuan.Composition of the Surface Layer Rubbed under the Selective[C]//Transfer Condition 3rd Internetional Symposiym，1990:481－484.

【2】徐建生，趙源.軋機壓下裝置中重載絲桿－螺母副的磨損自補償系統磨損模型的建立[J].中國機械工程，2001，12(21):192－194.

【3】郭圣路，張榮圣.Visual Basic 6.0 中文版從入門到精通[M].北京:電子工業出版社，2008.

【4】MICHALOSKI John，BIRLA Sushil，YEN Jerry.Software Models for Standardizing the Human-Machine interface Connection to a Machine Controller[J].Chichester John Wiley and Sons Ltd，2003.

【5】陳順紅，張桂香，孔宇，等.基于840D的凸輪軸磨床數控OEM軟件的開發[J].數控專欄，2008(3):147－150.

【6】張曉華.數據庫基礎及應用:Access2003操作基礎及應用[M].重慶:重慶出版社，2009.

【7】Sinumerik 840D_810D 簡明調試手冊[M]，2005.

【8】劉春輝，徐建飛.Visual C++程序設計學習筆記[M].北京:電子工業出版社，2008.

【9】吳艷花.基于VB 下西門子840D數控系統界面的二次開發[D].蘭州:蘭州理工大學，2005.

【10】Simens.840D HMI Programming Package[M].