基于自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)分析

摘要：現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對工作設(shè)備的要求較高，包括機(jī)床在內(nèi)，這為其電氣控制系統(tǒng)改造、自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用提供了空間。本文以基于自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造優(yōu)勢為切入點(diǎn)，分析其設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)驗(yàn)對上述內(nèi)容進(jìn)行論證。最后簡單就自動(dòng)化技術(shù)下機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造進(jìn)行展望，服務(wù)后續(xù)有關(guān)工作。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù) 機(jī)床電氣控制系統(tǒng) 改造設(shè)計(jì) 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(dòng)化（Automation）是指機(jī)器設(shè)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(dòng)檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)的過程。自動(dòng)化技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、商業(yè)等領(lǐng)域，也為機(jī)床設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用提供了重要支持，包括機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造在內(nèi)[1]。從一般特點(diǎn)上看，自動(dòng)化技術(shù)可以提升機(jī)床控制質(zhì)量、作業(yè)水平，也能提升安全性，為促進(jìn)工業(yè)發(fā)展，優(yōu)化機(jī)床性能，就基于自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造要求、設(shè)計(jì)思路、實(shí)現(xiàn)方式等內(nèi)容進(jìn)行分析，具有一定積極價(jià)值。

1基于自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)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(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，組織機(jī)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(jī)床的作業(yè)內(nèi)容帶有重復(fù)性，但存在負(fù)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(jìn)行參數(shù)調(diào)整，效率尚可，但如果人員工作不及時(shí)、遺忘參數(shù)調(diào)控工作，控制效率顯著下降。引入自動(dòng)化技術(shù)，對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以利用默認(rèn)程序、機(jī)械模塊、電子技術(shù)替代人工完成機(jī)床控制、參數(shù)調(diào)整等工作，只要程序設(shè)定得當(dāng)，參數(shù)調(diào)整工作也嚴(yán)格遵照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)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(cuò)漏等問題[2]。

1.2改善安全性

借助自動(dòng)化技術(shù)改造機(jī)床電氣控制系統(tǒng)，也具有安全性優(yōu)勢，有助于確保控制系統(tǒng)、機(jī)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(yīng)急處理，以減少人員檢修、管控過程中出現(xiàn)觸電、機(jī)械損傷等方面的問題。如 例如：針對機(jī)床損傷進(jìn)行的控制，可以由內(nèi)置工作模塊完成，內(nèi)部智能工作設(shè)施實(shí)時(shí)感知機(jī)床各部分的工作情況，根據(jù)其中的問題發(fā)出警報(bào)，并以繼電保護(hù)方式切斷電源、中斷機(jī)床作業(yè)，直到故障排除[3]。與傳統(tǒng)工作方式相比，自動(dòng)化技術(shù)提升了機(jī)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(dòng)化技術(shù)為支持機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造，也能提升機(jī)床的工作精度，機(jī)床在持續(xù)工作的過程中，可能因負(fù)荷過大、工作時(shí)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(dòng)、加工質(zhì)量下降，影響作業(yè)質(zhì)量[4]。在自動(dòng)化技術(shù)的支持下，可以設(shè)定自適應(yīng)作業(yè)程序，機(jī)床持續(xù)作業(yè)的過程中，以固定時(shí)間為間隔，主動(dòng)進(jìn)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(dòng)化技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

基于自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造，設(shè)計(jì)思路上關(guān)注明確各功能模塊功能，以PLC邏輯控制技術(shù)提供控制方面的支持。在非必要情況下，對系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，減少復(fù)雜設(shè)計(jì)。按此思路，該系統(tǒng)的工作流程簡圖如圖1所示。

2.2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

2.2.1通信系統(tǒng)

按照2.1所示的設(shè)計(jì)模式，需要對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的通信能力進(jìn)行分析和改進(jìn)，其重點(diǎn)在于提升通信穩(wěn)定性，并改善外部干預(yù)的有效性。從特點(diǎn)上看，機(jī)床作業(yè)過程中產(chǎn)生的電磁干擾較強(qiáng)，因此其電氣控制系統(tǒng)應(yīng)以有線形式組織信息交互，與此同時(shí)，基于遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場操作便捷化需求，還應(yīng)以無線通信的形式提供輔助。有線通信設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于機(jī)床電氣控制系統(tǒng)內(nèi)各工作單元的關(guān)聯(lián)，包括傳感器、智能分析模塊、報(bào)警器、斷路器以及其他終端執(zhí)行單元。無線通信設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于機(jī)床電氣控制系統(tǒng)外各工作單元的關(guān)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(yuǎn)程遙控等。

為保證有線通信質(zhì)量，實(shí)際工作中一律以具有較強(qiáng)絕緣能力的線路提供通信支持，且定期進(jìn)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(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)敏感性和全面性。要求以接觸式傳感器為中心設(shè)備，在機(jī)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(yīng)，保證感知系統(tǒng)的敏感性和全面性。以普通工業(yè)機(jī)床為例，需要機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的模塊包括作業(yè)參數(shù)、作業(yè)安全性、負(fù)荷等級、外部指令4個(gè)部分，傳感器分別面向作業(yè)參數(shù)、作業(yè)安全性、負(fù)荷等級、外部指令4個(gè)區(qū)域組織信息采集，根據(jù)采集物特點(diǎn)確定傳感器的配置形式，如面向“負(fù)荷等級”組織信息采集時(shí)，以其供料系統(tǒng)指令為基準(zhǔn)，面向“作業(yè)參數(shù)”組織信息采集時(shí)，以機(jī)床動(dòng)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(jī)床電氣控制系統(tǒng)，時(shí)間間隔不宜超過10 s，以保證實(shí)時(shí)分析效果。機(jī)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(yuǎn)程控制的必要干預(yù)，包括程序設(shè)定和感知時(shí)間調(diào)整、感知元器件更換等[5]。

2.2.3決策系統(tǒng)

自動(dòng)化技術(shù)下，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)作用突出，需要從兩個(gè)層面出發(fā)加以實(shí)現(xiàn)，一是通過降維訓(xùn)練的方式，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)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(shí)時(shí)信息的智能分析，提升決策科學(xué)性。

降維訓(xùn)練方面，需要根據(jù)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的功能定位選取訓(xùn)練維度。如上文所述的“作業(yè)安全性”，可通過機(jī)床工作溫度、機(jī)床工作噪聲水平、機(jī)床工作震動(dòng)參數(shù)加以確定，上述3個(gè)指標(biāo)即可作為降維訓(xùn)練的3個(gè)關(guān)鍵維度，其他維度信息也可以呈現(xiàn)機(jī)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(jī)床常規(guī)工作模式下的各類參數(shù)進(jìn)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(jī)床電氣控制系統(tǒng)組織訓(xùn)練，僅要求機(jī)床電氣控制系統(tǒng)對機(jī)床工作溫度、機(jī)床工作噪聲水平、機(jī)床工作震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，確定安全標(biāo)準(zhǔn)下其具體取值范圍，以及取值的上下限，形成至少包括6個(gè)參數(shù)的將為分析數(shù)據(jù)集：

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

上述數(shù)據(jù)在不同機(jī)床中可能存在區(qū)別，主要受到該機(jī)床的型號、額定參數(shù)等因素影響。進(jìn)入工作狀態(tài)后，機(jī)床的工作溫度、噪聲水平、震動(dòng)參數(shù)一般不會超過數(shù)據(jù)集1范圍，如果機(jī)床因短路、機(jī)械故障等因素出現(xiàn)安全問題，其工作溫度、噪聲水平、震動(dòng)參數(shù)中的至少1個(gè)、至多3個(gè)會出現(xiàn)異常，并超過數(shù)據(jù)集1中的允許值。可以采用隨機(jī)森林法進(jìn)行智能分析，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)內(nèi)部建設(shè)隨機(jī)森林，由森林中的決策樹，對機(jī)床工作的工作溫度、噪聲水平、震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，如果半數(shù)以上的決策樹認(rèn)為，當(dāng)前機(jī)床工作溫度、噪聲水平、震動(dòng)參數(shù)中某一個(gè)或幾個(gè)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(bào)、組織斷電作業(yè)；反之，如果半數(shù)以上的決策樹認(rèn)為，當(dāng)前機(jī)床工作溫度、噪聲水平、震動(dòng)參數(shù)中所有參數(shù)均不超過數(shù)據(jù)集1范疇，可認(rèn)定機(jī)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(jī)床為例，組織模擬實(shí)驗(yàn)以分析自動(dòng)化技術(shù)下，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)的成效。以DX公司提供的數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，建設(shè)虛擬模型，采用參數(shù)代入法、加速模擬的方式，判斷應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)后機(jī)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(shè)計(jì)內(nèi)容以及對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共分為3組：第一組為安全試驗(yàn)，默認(rèn)機(jī)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(yīng)急處理，記錄處理時(shí)間。第二組為參數(shù)組，默認(rèn)機(jī)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(shí)間。第三組為綜合組，默認(rèn)機(jī)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(shí)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(jī)床問題均得到感知和處理，但處理時(shí)間較長，平均為15.6 min。借助自動(dòng)化技術(shù)對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)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(shí)間較短，均不超過4 s。這表明，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)效果較好，能夠提升機(jī)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(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)可以提升作業(yè)質(zhì)量、效率和安全性，是未來機(jī)床發(fā)展、制造的主流趨勢之一。從設(shè)計(jì)層面出發(fā)，要求明確機(jī)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(qiáng)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(xué)方式保證其可實(shí)現(xiàn)性。結(jié)合模擬分析結(jié)果可知上述設(shè)計(jì)具有一定優(yōu)勢。對未來自動(dòng)化技術(shù)下機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造工作進(jìn)行分析，可知其仍有進(jìn)一步提升精度、功能水平的空間和必要，仍需繼續(xù)加強(qiáng)分析和研究。

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