李平，黃澤森

(綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川綿陽621000)

1 監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的背景

機(jī)床整機(jī)的可靠性除了與機(jī)床設(shè)計(jì)過程、裝配過程密切相關(guān)外，還與機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)狀況有非常大的關(guān)系，如油冷機(jī)過濾網(wǎng)堵塞后不更換，引起主軸溫升過高，導(dǎo)致主軸精度下降，甚至出現(xiàn)主軸燒壞的嚴(yán)重故障。圖1是通過對某機(jī)床廠系列加工中心近兩年來的售后維修數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的圖表。可以看出:由于對機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)引起機(jī)床故障的比率約占18%。因此，有必要建立機(jī)床用戶監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，對關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)超過規(guī)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，及時(shí)提醒操作人員對機(jī)床進(jìn)行合理的維護(hù)和保養(yǎng)，從用戶使用角度來提高機(jī)床的可靠性。

機(jī)床在運(yùn)行過程中可以分為精加工、粗加工和空運(yùn)轉(zhuǎn)3種工作狀態(tài)。在這3種狀態(tài)下，機(jī)床的實(shí)際功率是不相等的，因此，機(jī)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(yīng)維護(hù)保養(yǎng)措施在一定時(shí)間內(nèi)也是不同的。而目前，對機(jī)床采取的定時(shí)維護(hù)保養(yǎng)或者定件維護(hù)保養(yǎng)并不能滿足這種情況。為此，作者創(chuàng)造性地提出機(jī)床定功維護(hù)的概念，對機(jī)床功能部件的做功量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)做功量累積值超過機(jī)床功能部件定功維護(hù)保養(yǎng)值時(shí)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)提醒操作人員對機(jī)床功能部件進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)和保養(yǎng)。文中以絲桿螺母副的維護(hù)保養(yǎng)為例，對監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)作詳細(xì)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(jī)做功的數(shù)學(xué)模型

絲桿螺母副是影響機(jī)床精度的重要部件，絲桿在機(jī)床工作過程中在受軸向力的作用下，滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，對滾道型面上某一點(diǎn)而言，其應(yīng)力狀態(tài)為交變接觸應(yīng)力。經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，滾珠或滾道型面就會(huì)產(chǎn)生磨損，從而使絲桿副的間隙增大，工作性能降低。如果此時(shí)不采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施，絲桿螺母副的工作環(huán)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(shí)間點(diǎn)對絲桿螺母副進(jìn)行維護(hù)顯得至關(guān)重要。文中通過建立絲桿螺母副與電機(jī)做功的數(shù)學(xué)模型，找到了合理的時(shí)間點(diǎn)對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，即當(dāng)磨損量為ΔI時(shí)，如果電機(jī)做功量超過設(shè)定的機(jī)床定功維護(hù)值W0，機(jī)床發(fā)現(xiàn)警報(bào)提醒用戶。

絲桿磨損率與軸向載荷的關(guān)系[1－2]為

式中:Ih為絲桿螺母副磨損率;σp為接觸應(yīng)力;

σs為螺母表面材料屈服極限，σs=250～350 MPa;

k1為磨損系數(shù)，k1=1×104;

C為試驗(yàn)常數(shù)，C=0.5;

β為表面質(zhì)量系數(shù)，β=1;

E為彈性模量，E=2.06×105MPa。

磨損率為單位時(shí)間內(nèi)的材料磨損體積，設(shè)磨損量為I，則

接觸應(yīng)力計(jì)算公式

式中:Q為軸向載荷;

Z為絲桿工作列數(shù)，Z=2;

d為絲桿螺紋公稱直徑，d=50 mm;

d1為絲桿螺紋內(nèi)徑，d1=44 mm。

滾珠絲桿螺母副屬于螺紋傳動(dòng)，螺紋傳動(dòng)的工作原理可等效于放在斜面上的物體被上下推動(dòng)時(shí)所受到的作用，其受力狀態(tài)為圖2所示。

其中，F(xiàn)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(shè)斜面的摩擦因數(shù)為μ，則

又設(shè)φ為摩擦角，則

由式(4)—(6)可得滾珠徑向力與軸向力關(guān)系

式中:θ為絲桿螺紋螺旋角，θ=5.8°;

φ為摩擦角，φ=3°。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩與徑向力關(guān)系

式中:T為驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率與力矩關(guān)系

式中:P為驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率;

n為驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，取n=1 500 r/min。

聯(lián)立式(1)— (9)，建立絲桿螺母副磨損量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功的數(shù)學(xué)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(shí)間(s)的函數(shù)圖像

3 監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

在該監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率不易獲取，因此采取獲取主軸電機(jī)功率的方法。通過嵌入在數(shù)控系統(tǒng)里面的VB 界面和數(shù)控系統(tǒng)的信息交互，基于DDE 方式來實(shí)現(xiàn)對主軸實(shí)際功率的動(dòng)態(tài)獲取，并把獲取的瞬時(shí)功率值運(yùn)算成機(jī)床主軸電機(jī)做功累積值W'，再通過機(jī)床主軸做功與進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功關(guān)系W1=kW' (其中k為在一定時(shí)間內(nèi)，加工典型零件測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功累積值W1并存入Access 數(shù)據(jù)庫，然后通過試驗(yàn)獲得當(dāng)磨損量達(dá)到ΔI時(shí)，絲桿是否需要采取維護(hù)措施。將此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功量W0設(shè)為機(jī)床定功維護(hù)值，判斷當(dāng)前做功累積值W1是否超過機(jī)床定功維護(hù)保養(yǎng)值W0。如果超過，則將當(dāng)前做功累積值W1存入Access 數(shù)據(jù)庫以便以后查詢，同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號給PLC，以提醒用戶對絲桿螺母副采取維護(hù)措施。

圖4是本系統(tǒng)的軟件流程圖。

圖4 機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 關(guān)鍵功能、程序設(shè)計(jì)

(1)VB 界面和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)[3－4]

該監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面設(shè)計(jì)完全在VB 下進(jìn)行，其過程實(shí)際上是編寫一個(gè)VB 多窗體程序[5]。每一個(gè)窗口作為單獨(dú)的子功能，以子窗口的形式被調(diào)用，多個(gè)窗體一起組成整個(gè)界面功能。根據(jù)監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的功能要求，同時(shí)考慮到軟件良好的人機(jī)交互功能，將軟件的結(jié)構(gòu)分為做功實(shí)時(shí)監(jiān)控信息顯示、報(bào)警歷史記錄查詢兩部分。

在該系統(tǒng)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(jìn)行保存和調(diào)用。因此，選擇Access2003 設(shè)計(jì)出累積表、中間表、報(bào)警表[6]。

(2)機(jī)床功率的獲取

在該系統(tǒng)開發(fā)的界面上，需要時(shí)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(shè)計(jì)之前，先設(shè)置NCDDE server為本地操作模式，設(shè)置NcddeServer-Name為ncdde。讀取功率的代碼為:

(3)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)

當(dāng)主軸動(dòng)態(tài)功率獲取后，需要把其計(jì)算成驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功值，并把做功值進(jìn)行疊加存儲(chǔ)，同時(shí)把當(dāng)前做功值與上一次報(bào)警值的差值和定功維護(hù)保養(yǎng)值進(jìn)行比較，如果差值比定功維護(hù)保養(yǎng)值大，則機(jī)床報(bào)警提醒用戶采取維護(hù)措施和存儲(chǔ)報(bào)警記錄;反之，則繼續(xù)疊加做功值，然后把差值與定功維護(hù)保養(yǎng)值進(jìn)行比較，如此反復(fù)不斷地進(jìn)行。

為實(shí)現(xiàn)這一過程，第一步:以間隔時(shí)間t為周期對主軸功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)獲取，得到Pi;第二步:使Pi與t 相乘，得到Wi;第三步:對各Wi進(jìn)行疊加并乘以系數(shù)k，把結(jié)果賦給變量W1并存儲(chǔ)在Access 數(shù)據(jù)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(hù)保養(yǎng)值W0進(jìn)行比較;第五步:如果W1－W2＞W(wǎng)0，則機(jī)床報(bào)警并把W1賦給W2以及把W2賦給報(bào)警表的累積值W3。如果W1－W2＜W0，則W1繼續(xù)疊加等待下一次比較。圖5為運(yùn)算與存儲(chǔ)程序流程圖。

圖5 運(yùn)算與存儲(chǔ)程序流程

(4)PLC 報(bào)警設(shè)計(jì)[7]

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)做功累積達(dá)到絲桿螺母副定功維護(hù)值時(shí)，需要報(bào)警以提示用戶，采用PLC 用戶報(bào)警OM 設(shè)置。

編輯報(bào)警文本所使用的編輯器為Microsoft的Dos環(huán)境下的ASCII 編輯器，通過在Dos 提示符下鍵入Edit可進(jìn)入編輯器。文本內(nèi)容為:

編輯完報(bào)警文本后，需要在F: MMC2 MBDDE.INI 中定義報(bào)警文件才能生效，格式為:

編輯激活報(bào)警程序，在PLC程序中，需要添加以下程序。

3.3 嵌入技術(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

(1)創(chuàng)建語言動(dòng)態(tài)鏈接庫[8]

在西門子系統(tǒng)的界面上，有8個(gè)水平軟鍵和8個(gè)垂直軟鍵，其中報(bào)警文本不是在VB 中編輯的，而是用VC++語言開發(fā)數(shù)據(jù)庫鏈接進(jìn)來的，同時(shí)包括對話框、消息、標(biāo)簽等文本[9]。在創(chuàng)建之前，先建立RC 源文件。其內(nèi)容為要實(shí)現(xiàn)的文本與軟鍵等控件有一一對應(yīng)的關(guān)系。利用VC++選項(xiàng)MFCAppWizard(dll)，然后選擇Regular DLL using shared MFC DLL，再根據(jù) RC 源文件，創(chuàng)建該系統(tǒng)語言 DLL(jiankong.dll)，并將其移至OEM指定目錄下。下面是該系統(tǒng)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(nèi)容。為“報(bào)警記錄”

(2)嵌入界面與數(shù)據(jù)庫[10]

該系統(tǒng)的顯示界面需要嵌入到西門子系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)監(jiān)控。這必須借助于OEM 開發(fā)軟件。

建立程序管理文件regie.ini，將其移至……/OEM/下，regie.ini是一個(gè)對基本模塊、應(yīng)用程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫和VBX 文件的柔性管理的控制文件，用文本進(jìn)行編輯。各應(yīng)用是由Regie 開始管理啟動(dòng)，其信息一起置于中regie.ini，構(gòu)成程序管理文件。

mmc.ini 此文件包含所有的用戶特定設(shè)定，能在此處設(shè)定顏色和語言。在該監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)中，沿用標(biāo)準(zhǔn)用戶界面MMC2 中的mmc.ini，不再另行設(shè)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(nèi)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(tài)和動(dòng)作都位于文件jiankong.zus中。

子窗口列表文件jiankong.mdi的內(nèi)容為:

jiankong.zus 也是用寫字板編輯的，存放著所有的狀態(tài)矩陣，狀態(tài)矩陣描述著狀態(tài)中的軟件如何分配任務(wù)。每一個(gè)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)一般是一個(gè)17×8的矩陣表，每行對應(yīng)著一個(gè)狀態(tài)序號，由狀態(tài)/動(dòng)作、入口等級、水平鍵文本、垂直鍵文本、子窗口、返回值、標(biāo)識符、注釋組成。下面為該系統(tǒng)界面1的狀態(tài)矩陣(入口等級為默認(rèn)等級，無注釋)，其內(nèi)容為:

嵌入VB 執(zhí)行文件jiankong.exe，將jiankong.exe移至……/OEM/下。至此，整個(gè)OEM 設(shè)計(jì)過程完成，其框架結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 OEM 框架結(jié)構(gòu)

4 監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

通過試驗(yàn)測得，當(dāng)磨損量I為0.5×10－3mm3時(shí)，需要對絲桿螺母副采取維護(hù)措施，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功可以通過式(10)和圖3求得，W1=3.6×103MJ。

把該系統(tǒng)應(yīng)用在THM6380 臥式加工中心上，運(yùn)行的界面如圖7所示，當(dāng)累積做功達(dá)到3.6×103MJ時(shí)，機(jī)床會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

圖7 用戶維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

以高開放、高性能的數(shù)控系統(tǒng)西門子840D為設(shè)計(jì)平臺，通過VB 開發(fā)的用戶界面和VC 動(dòng)態(tài)鏈接庫在OEM軟件開發(fā)環(huán)境中嵌入，開發(fā)出了基于用戶角度來提高可靠性的用戶監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，提高機(jī)床的智能化程度。

文中將一種新的可靠性方法——用戶監(jiān)控維護(hù)思想引入數(shù)控機(jī)床可靠性研究領(lǐng)域中，創(chuàng)造性地提出定功維護(hù)的概念，通過建立絲桿螺母副與電機(jī)做功的數(shù)學(xué)模型，為定功維護(hù)提供理論依據(jù);為提高機(jī)床可靠性提出新的方法和思路。

所應(yīng)用的研究方法使用戶對機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)更合理、更優(yōu)化，而且該思想方法也可用于其他設(shè)備維護(hù)，具有良好的工程應(yīng)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(jī)壓下裝置中重載絲桿－螺母副的磨損自補(bǔ)償系統(tǒng)磨損模型的建立[J].中國機(jī)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(yè)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(shù)控OEM軟件的開發(fā)[J].數(shù)控專欄，2008(3):147－150.

【6】張曉華.數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)及應(yīng)用:Access2003操作基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].重慶:重慶出版社，2009.

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

【8】劉春輝，徐建飛.Visual C++程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)筆記[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

【9】吳艷花.基于VB 下西門子840D數(shù)控系統(tǒng)界面的二次開發(fā)[D].蘭州:蘭州理工大學(xué)，2005.

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