數控機床運行可靠性控制技術方案分析

翁州雄

摘要：可靠性是評估數控機床運行效率和經濟性的關鍵性指標，因此，要結合數控機床運行情況建立多元控制方案，利用對比分析的方法，從保養、運行狀態以及工作環境等關鍵點出發，全面闡釋影響數控機床運行可靠性的因素，并通過建模的方式全面解讀數控機床運行可靠性控制要求，打造實時性監控平臺，以便于能全面了解數控機床運行情況，提高數控機床應用運行質量，為我國數控機床行業發展提供保障。

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.

關鍵詞：數控機床;可靠性;控制技術

Key words： CNC machine tools;reliability;control technology

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

0 ?引言

伴隨著機械制造業的全面發展，數控機床運行效果受到了廣泛關注，為了全面提升行業市場核心競爭力，要建立健全完整的控制機制，全面分析設備運行可靠性因素，以可靠性為出發點，打造更加合理科學的應用平臺，從而實現經濟效益和社會效益和諧統一。

1 ?數控機床運行可靠性關鍵點

1.1 保養

對于數控機床而言，在運行一段時間后，電器元件或者是機械部件會存在故障問題，而數控機床本身是高精度設備，元件的損壞難免會對整個設備運行穩定性和質量效果產生影響。在對數控機床故障數據進行統計分析（圖1）后可知，使用過程因素造成運行不穩定的比例接近60%。

若是依據數控機床故障時間和故障模式對相關問題進行分析可知，日常維護保養、預防性維修、修復性維修、改善維修等工作的落實能有效建立實時性監管體系，從而及時發現問題并落實對應的處理措施。也就是說，只有落實數控機床維系保養綜合監管模式，才能延長元件的使用壽命，為數控機床長效穩定工作運行提供支持。

①日常維護保養，主要是檢查和清洗。

②預防性維修，主要分為計劃維修和狀態維修兩大類。其中，計劃維修涉及定時拆修和定時更換。而對應的狀態維修則包括拆修、更換。

③修復性維修，結合數控機床應用運行的具體情況，按照“定位分解更換再裝檢測”的基本流程完成相關工作，從而真正意義上建構完整且系統化的修復性管理平臺。

④大修，主要是整機翻修處理和數控改造。

⑤配合改善維修、質量維修和可靠性維修等系統工作，就能建立健全更加全面的維修保養活動體系。

1.2 運行狀態

在數控機床運行狀態分析管理工作中，運行狀態參數也會對其運行效果產生影響，其中，功率參數、振動參數、壓力參數、流量參數等較為關鍵，有效反映數控機床的基本性能。見表1。

為了維持數控機床運行可靠性，要整合具體狀態分析模式，確保能對運行狀態參數進行實時性監控。一旦采集狀態信息參數超出正常運行參數標準范圍，數控機床就會聯動報警信號，以保證用戶能及時采取相應的處理措施，維持數控機床應用運行效果，為常規化工作的開展提供保障。

具體參數如下：①切削液溫度，正常參數范圍是0到40℃，操作人員要及時檢查切削液冷卻裝置或者是重新完成切削冷卻溫度的設置。②液壓油溫度，正常參數范圍是10℃到60℃，操作人員要檢查液壓油冷卻裝置運行狀態，并且檢查液壓管路是否存在堵塞的問題，及時清堵。③主軸溫度，正常參數范圍是0到60℃，要檢查油冷機的運行狀態。④氣源濕度，正常參數范圍是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，正常參數范圍是0到0.2MPa，及時更換液壓回油過濾器維持其應用效果。

1.3 工作環境

在數控機床應用過程中，工作環境因素也會對機床運行質量產生影響，若是缺乏對工作環境變化產生影響的重視，不僅會增加數控機床常規化使用，也會影響數控機床內部元件，造成永久性傷害。本文以環境溫度、濕度以及電源電壓為例，對運行可靠性產生的影響機理予以分析，并制定相應的保障機制。

第一，環境溫度。在機床發展進程中，設備已經逐漸向著高速度、高精度以及柔性自動化方向發展，這就對機床加工精度提出了新的要求，要想維持數控機床運行效果，就要著重關注機床的熱態特性。值得一提的是，外熱源對機床產生的影響，一般是單向或者是局部的，所以，機床內部會產生一定的溫度差異，長此以往就會造成機床變形問題，嚴重影響機床的加工精度。例如，機械手熱變形就會造成刀庫系統中機械手和主軸結構不同心，無法有效開展后續工作。

第二，環境濕度，數控機床對工作環境的濕度要求較高，一般要將濕度控制在75%以下，若是在高溫高濕環境中，就要應用密封電氣柜結構，并且配置相應的空調設施維持冷卻狀態。若是濕度參數較大，數控機床停機后就會出現水分子結褥的現象，嚴重侵蝕硬件模塊，制約數控機床的運行效果。基于此，針對加工現場進行嚴格的濕度監督管理，利用去濕設備或者是烘干裝置予以處理，降低濕度參數后才能上電運行。

第三，電源電壓。因為數控機床本身就是機械技術、電子技術等多元設備緊密融合的自動化設備，周圍環境因素會對其運行可靠性產生深遠的影響，其中，電源結構的基礎電壓質量非常關鍵，只有建立安全且可靠的環境應用平臺，才能減少設備運行故障。一般而言，數控機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化的數控機床直流電源，包括±5V、±24V等。

綜上所述，在明確相關參數對數控機床運行可靠性產生影響的基礎上，就要結合實際情況落實相應的參數分析，并且制訂更加合理有效的保障機制，維持總體管控效果。

2 ?數控機床運行可靠性控制分析

只有踐行科學合理的維護保養機制，才能從根本上提高數控機床的運行質量，因此，依據狀態監測要求對數控機床維修保養決策予以建模分析，從而評估特征量，全面分析數控機床運行的可靠性和設備健康情況，具有重要的實踐意義。

2.1 分析數控機床故障數據

在對數控機床運行可靠性控制機制進行全面分析的過程中，結合概率論可知，整體指數分布概率密度函數會呈現出單調下降的趨勢，依據觀測數值擬合曲線形狀判定隨機變量分布情況，就能在獲取故障信息數據的同時，基于綜合評估模式落實相應對策。數控機床的故障間隔時間能有效擬合分析可靠性模型，及時收集數據就能為全面了解其應用情況，數據收集區間一般是從數控機床投入使用開始，一直到設備報廢處理，本文將數控機床在全過程數據跟蹤期間的故障間隔時間觀察數值作為擬合參數的基礎數值，分析概率密度函數，設定故障間隔時間觀測值為t∈[T0，，Tt]，分為N組。將每組時間的中值作為橫坐標參數，每組概率密度觀測數值f（t）作為縱坐標參數，繪制概率密度圖，并在此基礎上結合概率密度曲線變化趨勢完成相關評估工作，結合數值參數可知，數控機床故障間隔時間滿足何種分布要求。

2.2 威布爾風險比例模型

主要是借助Matlab進行數值參數的匯總處理，在獲取數控機床故障數據后，對其進行線性化處理分析，能獲取威布爾概率曲線，在數據曲線中，會將威布爾可靠性參數進行對應的變換處理，以保證能及時完成威布爾模型優化。

第一，在變換后，X-Y坐標系下圖形為威布爾概率圖，也就是WPP圖。

第二，結合WPP圖實際情況，將其和已知范圍的標準WPP圖進行對比分析，就能了解模型擬合的特點，較為常見的威布爾風險比例模型分為單一型和復雜型，依據實際情況匹配對應的分析機制。

第三，結合兩重威布爾分段模型定義可知，若是將時間t>0的相關區間分為T1區間和T2區間，則，表示為T1∈[0，t0]和T2∈[t0，t]，匹配對應的可靠度函數，就能建立參數威布爾分布模型。

第四，結合故障率進行產品壽命周期化分析，不同時間段存在對應的關鍵時間拐點，依據可靠度函數和概率密度函數就能分析相關情況，從而全面評估威布爾風險比例模型。

2.3 可用度最大維修保養決策模型

為了保證能全面了解數控機床運行可靠性參數，要結合模型數據和結構，建立更加科學有效的分析機制，從而對復雜設備計劃性維修決策予以管理，發揮費用最低模型和可用度最大模型的運行優勢，利用設備狀態監測保證設備可利用率最大化，發揮設備的使用優勢，延長其使用壽命，保證數控機床運行穩定且科學。可用度是可用時間/可用時間+不可用時間，并結合托盤交換裝置可用度模型進行預防性維修時間的分析處理。也就是說，在數值分析過程中，故障率若是高于故障率閾值，則表示數控機床相應元件需要進行預防性維修，若是沒有達到標準，則無需維護保養。例如，以數控機床托盤交換裝置（圖2）為例，故障分析基礎上建立威布爾比例風險分析模型，并且依據維修保養情況制定相應的保養決策計劃。

在交換裝置完成相應加工操作工序后，工作自動交換設備就能結合實際應用要求完成對應工作，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，再借助回轉油缸實現托架180°回轉處理，托盤交換裝置落下，就能實現托盤的自動交換。在工作狀態下，因為離心力較大且轉速較快，常常會出現精度不足的現象。基于威布爾風險分析模型的系統化分析，對交換裝置予以狀態監測，及時結合監測結果開展相應的維修工作，能有效避免更換報廢造成的資源浪費。

由圖2可知，A處設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行實時性分析，安裝在A位置以保證能利用傳感器采集信號實現實時性在線監測，傳輸到工控機就能完成分析工作（圖3）。

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

3 ?數控機床運行可靠性監控系統

正是基于對數控機床運行效率和質量的綜合考量，要整合具體的應用模式，建立可靠性監控系統，以保證能及時收集匹配信息，為數控機床運行可靠性優化提供支持，維持良好的系統設計和開發應用模式。從運行可靠性監控系統開發環境入手，從邏輯功能分析的角度設置對應的模塊，以保證能更好地分析數控機床運行可靠性參數。

3.1 硬件

數控系統硬件組成部分如下：①人機通信，作為控制整個硬件系統的操作和顯示平臺，還能支持數據交換處理，開發和修改零件程序的同時，有效執行零件程序，保證程序和數據讀入、讀出的及時性。②可編程邏輯控制，作為工業專用計算機，主要是采取面向用戶指令的處理平臺，搭建借助運行用戶分析模式完成編制控制程序的工作任務，及時和數控機床伺服系統予以連接，確保能及時分析機床操作顯示內容、運行控制內容等。③數字控制，完成加工程序塊的預處理工作，并且建立插補運算分析單元，以保證專用模塊支持下能與外部計算機建立相應的通訊互聯，最大程度上提高數據傳輸效果。

3.2 軟件

采取MMC軟件，配置相應系統的同時，設置對應軟件應用控制機制，能全面支持SINUMERIK與外界進行相互通信以及任務的協調性管理。與此同時，還支持PLC軟件、NC軟件等。例如，建立運行可靠性監控系統運行模塊，安裝在加工中心位置，結合加工中心配置的數控系統，借助調試處理，就能分析監控系統的運行效率，全面分析維護保養、開機維護、運行條件監控內容等。

4 ?結論

總而言之，為了提高數控機床的運行效率，要整合性能分析模式，及時了解運行狀態和應用要求，建構完整地技術分析機制，著重了解可靠性影響因素，并建立相應的決策模型，為全面優化設備綜合控制效果提供保障，促進數控機床可持續發展。

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