數(shù)控機床使用可靠性關(guān)鍵技術(shù)探析

劉文學(xué)

(安徽省第一輕工業(yè)學(xué)校,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

數(shù)控機床作為現(xiàn)代制造業(yè)中的重要設(shè)備,具有效率高、精度高、自動化程度高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于各種機械制造領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)控機床的功能和性能得到了大幅度提升,成為制造企業(yè)提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的重要手段[1-3]。

數(shù)控機床的在線監(jiān)測技術(shù)、故障診斷技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。在線監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測機床的運行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù),有助于優(yōu)化生產(chǎn)計劃,實現(xiàn)更加高效的生產(chǎn)過程和資源利用。同時,隨著機床的復(fù)雜性不斷增加,傳統(tǒng)的故障排查方法已經(jīng)不能滿足需要,引入機器學(xué)習和專家系統(tǒng)等技術(shù),能使故障診斷更加準確、快速。制造商可以依靠故障診斷模型和故障數(shù)據(jù)庫,迅速找到故障根源并采取有效措施。有助于縮短停機時間,提高機床的可用性和生產(chǎn)效率[4]。數(shù)字孿生技術(shù)將實際物理對象與數(shù)字化仿真模型相結(jié)合,為制造業(yè)帶來了全新的轉(zhuǎn)型機遇,借助數(shù)字孿生技術(shù),相關(guān)企業(yè)及制造廠可以在設(shè)計階段對機床進行優(yōu)化,預(yù)測機床在不同工況下的性能,提高機床的工作效率和穩(wěn)定性[5]。

本文旨在深入探討數(shù)控機床的在線監(jiān)測技術(shù)、故障診斷技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù),系統(tǒng)論述其基本工作原理與應(yīng)用方法,能夠更好地理解數(shù)控機床的運行機理和優(yōu)化手段,進而為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展和競爭提供新的思路和方法。

1 數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)通常包括以下幾個部分[6]。

1)機床主體。數(shù)控機床的主要結(jié)構(gòu)部分,包括床身、床板、立柱、工作臺、工作臺滑座、主軸等部分。

2)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床的核心部件,包括計算機、控制器、編程器、輸入輸出設(shè)備等。

3)運動部件。數(shù)控機床的驅(qū)動和控制部分,包括伺服電機、伺服驅(qū)動器、螺桿、導(dǎo)軌、滑塊等。

4)工具刀具。用于加工物料的工具,包括車刀、銑刀、鉆頭等。

5)液壓和氣動系統(tǒng)。用于控制機床各個部件的液壓和氣動元件,包括油泵、氣缸、液壓閥等。

6)輔助裝置。包括夾具、自動換刀系統(tǒng)、自動潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等,用于輔助機床進行加工操作。

以上是數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu),不同類型的數(shù)控機床可能會有所不同,但總體上都包括以上幾個部分。在實際應(yīng)用中,數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)和部件都需要經(jīng)過精心設(shè)計和優(yōu)化,以滿足不同加工任務(wù)的要求。

1.2 工作原理

數(shù)控機床的工作原理是基于數(shù)控系統(tǒng)的指令控制下,通過自動化的加工流程,將工件按照要求進行加工的過程。數(shù)控機床的工作流程一般分為以下幾個步驟[7-8]。

1)設(shè)計加工程序。首先,使用CAD(計算機輔助設(shè)計)軟件設(shè)計出所需加工工件的三維模型,并將其轉(zhuǎn)換為機床可讀取的加工程序。加工程序包括加工路徑、加工速度、刀具轉(zhuǎn)速和進給速度等加工參數(shù)。

2)加載加工程序。將加工程序傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中,并將其加載到機床控制器中。

3)調(diào)整機床。根據(jù)加工程序的要求調(diào)整機床的位置和姿態(tài),以使工件能夠正確地進入機床工作區(qū)域,并進行加工。

4)自動加工。啟動數(shù)控系統(tǒng),機床按照程序指令進行自動加工。在加工過程中,數(shù)控系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的加工參數(shù)自動調(diào)整工具的轉(zhuǎn)速、進給速度和加工路徑等,確保加工的精度和效率。

5)檢查加工結(jié)果。加工完成后,使用檢測儀器檢查加工結(jié)果是否符合要求。如有需要,可進行二次加工或調(diào)整。

6)結(jié)束加工。加工結(jié)束后,將機床恢復(fù)到初始狀態(tài),清理機床,為下一次加工作準備。

2 數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)

2.1 在線監(jiān)測技術(shù)

數(shù)控機床在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于瀏覽器或服務(wù)器的應(yīng)用程序,旨在實時監(jiān)測數(shù)控機床的運行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù),主要結(jié)構(gòu)通常包括以下三個層次:用戶層、服務(wù)器層和數(shù)據(jù)庫層(圖1),用戶層與用戶直接交互,服務(wù)器層進行數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測控制,數(shù)據(jù)庫層負責數(shù)據(jù)的存儲和管理,這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得數(shù)控機床在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測和遠程控制,為用戶提供更便捷、高效的機床管理和維護手段[9]。

圖1 數(shù)控機床在線監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)控機床在線監(jiān)測技術(shù)的原理是通過安裝各種傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實時監(jiān)測數(shù)控機床的運行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù),傳感器會持續(xù)地收集機床的各項數(shù)據(jù),如溫度、振動、電流、壓力等,并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會對收集到的數(shù)據(jù)進行實時處理和分析,以便及時發(fā)現(xiàn)機床的異常情況或潛在故障(圖2)。

圖2 數(shù)控機床在線監(jiān)測技術(shù)原理

2.2 故障診斷技術(shù)

2.2.1 數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)主要是基于MATLAB APP進行開發(fā),通過設(shè)計故障診斷軟件和試驗臺采集數(shù)據(jù)交互完成軟件開發(fā),進而形成數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng),目前常見的設(shè)計方案如圖3所示,主要包括硬件搭建和軟件設(shè)計共兩個部分。

圖3 數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)總設(shè)計方案

1)硬件搭建。硬件搭建部分主要涉及試驗臺的構(gòu)建和傳感器的安裝。試驗臺是用于模擬數(shù)控機床運行的平臺,可以在實驗室環(huán)境中模擬機床的工作狀態(tài)。試驗臺上需要安裝各種傳感器,用于實時采集數(shù)控機床的運行數(shù)據(jù),包括振動傳感器、溫度傳感器、電流傳感器等。這些傳感器將連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備,將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行處理。

2)軟件設(shè)計。軟件設(shè)計部分是數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的核心,基于MATLAB APP進行開發(fā),故障診斷算法利用傳感器采集的數(shù)據(jù),通過MATLAB的數(shù)據(jù)處理和分析功能進行實時處理。這些算法可能包括信號處理、模式識別、機器學(xué)習等技術(shù),用于判斷機床的運行狀態(tài)和故障情況。

2.2.2 軟件模塊設(shè)計

1)用戶管理模塊。用戶管理模塊用于管理用戶的身份驗證、權(quán)限控制和安全性。該模塊的功能涵蓋用戶登錄、用戶注冊和用戶密碼管理等。通過合理設(shè)計和實施用戶管理模塊,系統(tǒng)能夠確保用戶在使用過程中的安全性和數(shù)據(jù)保護,從而提升系統(tǒng)整體的安全性和可信度。為確保用戶管理模塊的安全性,開發(fā)人員需要注意密碼加密存儲、身份驗證機制、防止暴力破解、合法性校驗等軟件安全性。

2)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊設(shè)計。數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊用于將外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中,以便在系統(tǒng)中進行進一步處理和分析,設(shè)計時需要考慮數(shù)據(jù)格式的兼容性、數(shù)據(jù)驗證、數(shù)據(jù)映射和錯誤處理等關(guān)鍵問題。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊應(yīng)該支持多種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)入,如CSV、Excel、JSON等常見數(shù)據(jù)格式,用戶可以根據(jù)需求,選擇合適數(shù)據(jù)格式進行導(dǎo)入。同時,模塊應(yīng)能夠正確識別和解析不同數(shù)據(jù)格式的內(nèi)容。

在導(dǎo)入數(shù)據(jù)前,數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行驗證和清洗,包括檢查數(shù)據(jù)的完整性、準確性和合法性。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有錯誤或不完整,應(yīng)該及時提示用戶并提供相應(yīng)的錯誤處理機制。

在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時,外部數(shù)據(jù)的字段可能與系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)字段不完全匹配。因此,數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊需要提供數(shù)據(jù)字段映射功能,讓用戶將外部數(shù)據(jù)的字段映射到系統(tǒng)內(nèi)部的字段,確保導(dǎo)入的數(shù)據(jù)能夠正確地對應(yīng)到系統(tǒng)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)項。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程中可能會出現(xiàn)各種錯誤,如數(shù)據(jù)格式錯誤、重復(fù)數(shù)據(jù)等。模塊應(yīng)該能夠捕捉這些錯誤并提供相應(yīng)的錯誤處理機制,例如記錄錯誤日志、跳過錯誤數(shù)據(jù)或者回滾導(dǎo)入操作。

對于大量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入,可能需要一定時間完成。模塊應(yīng)該提供導(dǎo)入進度的顯示,讓用戶了解導(dǎo)入的進展情況。同時,導(dǎo)入完成后,模塊應(yīng)該給予用戶反饋,確認導(dǎo)入是否成功,并顯示導(dǎo)入的結(jié)果。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)

2003年,美國Grieves教授提出了數(shù)字孿生概念,將現(xiàn)實世界中的實體或系統(tǒng)與其數(shù)字化模型相連接。這種數(shù)字模型可以在虛擬環(huán)境中模擬實體或系統(tǒng)的行為、性能和運行狀態(tài),從而實現(xiàn)實時監(jiān)測、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)的核心思想是通過連接實體和數(shù)字模型,實現(xiàn)實體在現(xiàn)實世界的影子或鏡像,使得實體的設(shè)計、制造、運行和維護過程更加高效和智能化。

數(shù)控機床建模主要是建立各個坐標系的變換關(guān)系,一般包括平移和旋轉(zhuǎn)兩種,模型構(gòu)建原理及公式如下。

2.3.1 平移變換

平移變換是將坐標系從空間中一個位置沿X、Y、Z三個矢量方向移動到另一個位置形成的新坐標系。

沿X、Y、Z三個矢量方向移動Δx、Δy、Δz時,由齊次坐標變換矩陣描述為

(1)

2.3.2 旋轉(zhuǎn)變換

繞X軸旋轉(zhuǎn)角度θ時,旋轉(zhuǎn)變換由齊次坐標變換矩陣描述為

(2)

繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度θ時,旋轉(zhuǎn)變換由齊次坐標變換矩陣描述為

(3)

繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度θ時,旋轉(zhuǎn)變換由齊次坐標變換矩陣描述為

(4)

3 數(shù)控機床發(fā)展趨勢

3.1 多功能化

數(shù)控機床不僅需要實現(xiàn)高精度加工,還需要具備多功能性能,能夠滿足不同領(lǐng)域的需求。例如,將數(shù)控機床與激光加工、電火花加工、噴霧加工等技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)更加靈活多樣的加工方式。

3.2 柔性化

隨著制造業(yè)的不斷進步和市場需求的多樣化,數(shù)控機床需要具備更高的適應(yīng)性和靈活性,以應(yīng)對不同加工任務(wù)和生產(chǎn)環(huán)境。柔性化是數(shù)控機床技術(shù)的重要發(fā)展方向,未來的數(shù)控機床將具備更智能、自適應(yīng)的特性。這種新型數(shù)控機床將能夠根據(jù)不同的工件形狀、尺寸和材料特性,自動調(diào)整加工程序和參數(shù),實現(xiàn)快速換型和批量生產(chǎn),將大大提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,并為制造業(yè)帶來更多的靈活性和競爭優(yōu)勢。

3.3 環(huán)保化

環(huán)保是全球關(guān)注的重要議題,制造業(yè)在該方面也面臨著巨大挑戰(zhàn)和責任。數(shù)控機床將采用更加節(jié)能、環(huán)保的加工方式,以減少能源消耗和廢棄物產(chǎn)生。其中,水刀和激光等無污染加工方式成為熱門選擇。

水刀加工是一種利用高壓水流和磨料進行切割的加工方式。水刀加工不產(chǎn)生有害氣體和粉塵,不會產(chǎn)生污染物,對環(huán)境和操作人員的安全非常友好。此外,水刀加工還具有切割范圍廣泛、適用于多種材料、切割精度高等優(yōu)點,因此在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

激光加工具有非接觸式加工特點,不會破壞工件表面,減少了廢品產(chǎn)生。與傳統(tǒng)機械加工相比,激光加工不需要刀具,節(jié)約了材料和能源消耗。此外,激光加工還具有高精度、高效率、靈活性強等優(yōu)勢,特別適用于微細零部件的加工和復(fù)雜曲面的加工。

4 結(jié)論

數(shù)控機床作為現(xiàn)代制造業(yè)中的重要設(shè)備,在高精度加工和多功能性能的基礎(chǔ)上,不斷發(fā)展進步。本文重點論述了數(shù)控機床的在線監(jiān)測技術(shù)、故障診斷技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)三大關(guān)鍵技術(shù),主要得出以下結(jié)論:

1)數(shù)控機床的在線監(jiān)測技術(shù),通過基于瀏覽器或服務(wù)器的系統(tǒng),實現(xiàn)對機床運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,有助于提高生產(chǎn)效率,降低故障風險。

2)故障診斷技術(shù)的應(yīng)用則基于MATLAB APP進行開發(fā),能夠快速診斷潛在故障并采取預(yù)防措施,從而減少停機和生產(chǎn)延誤。

3)數(shù)字孿生技術(shù)則為制造業(yè)提供了更智能、高效、可靠的發(fā)展方向,實現(xiàn)對物理實體的數(shù)字化表示和模擬,幫助制造業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)過程和決策。

4)未來數(shù)控機床的發(fā)展方向呈現(xiàn)出柔性化和環(huán)保化的趨勢,更加靈活適應(yīng)不同的加工任務(wù)和生產(chǎn)環(huán)境。同時,數(shù)控機床將采用更加節(jié)能、環(huán)保的加工方式,減少對環(huán)境的污染和資源的浪費,符合全球可持續(xù)發(fā)展的要求。