(西北工業(yè)大學，陜西 西安 710072)

機床是航空、航天、兵器、航海、汽車、橋梁、能源、動力、建筑等支柱產(chǎn)業(yè)的重要制造裝備，一個國家的機床水平在一定程度上代表了工業(yè)制造水平。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國機床設計和制造領域可謂碩果累累。目前，中國的機床市場消費量和產(chǎn)量為世界第一，但是由于高端數(shù)控機床在可靠性方面的差距，導致我國國產(chǎn)高端數(shù)控機床在市場競爭中并不占明顯優(yōu)勢。

龍門銑床是機床族的重要機型，它是一種關鍵的冷加工設備，同時也是一種高效機床，其應用廣泛，尤其是數(shù)控龍門銑床在航空制造領域的地位舉足輕重。

數(shù)控機床是一個復雜的多專業(yè)復合型系統(tǒng)，在其運行過程中，需要監(jiān)控系統(tǒng)進行保障，以提高機床可靠性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是機床監(jiān)控系統(tǒng)的前端子系統(tǒng)和關鍵組成部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的成功與否，決定了機床監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有效性。所以，對應用于機床的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行研究，非常具有現(xiàn)實意義，并成為該領域的研究熱點。如文獻[1]對數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集應用進行了研究，文獻[2]～文獻[4]為機床的監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)的設計提供了有價值的經(jīng)驗。

數(shù)控龍門銑床結(jié)構(gòu)復雜，組件橫跨機械、液壓、電氣、電子等專業(yè)領域，其靜態(tài)、動態(tài)工況也較為復雜。所以，數(shù)控龍門銑床的監(jiān)控，即數(shù)據(jù)采集和故障診斷要求遠遠比傳統(tǒng)的機床復雜得多，故障造成的停機損失也相對較大。面對復雜的高端龍門銑床，在生產(chǎn)加工過程中實時、精確地采集到有效數(shù)據(jù)，從而檢測識別其中的故障信息，甚至提前預測可能發(fā)生的故障，是保證數(shù)控龍門銑床正常運轉(zhuǎn)的有價值的課題之一。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為機床監(jiān)控系統(tǒng)的一個核心部分，越來越顯示出其重要性。

1 龍門銑床的分類及結(jié)構(gòu)特點

1.1 傳統(tǒng)型龍門銑床

傳統(tǒng)型龍門銑床的結(jié)構(gòu)特點是：機床有一個標準的龍門架，架上配置橫梁，橫梁沿龍門立柱可上下移動，橫梁上配置兩個垂直銑頭，左右立柱上各配置一個水平銑頭，工作臺載待加工件單向移動。這類龍門銑床大多生產(chǎn)年代較早。

1.2 龍門銑鏜床

龍門銑鏜床是在標準龍門型基礎上發(fā)展起來的。其結(jié)構(gòu)特點是：用一個配置在橫梁上的垂直滑枕式的銑鏜頭替代了標準龍門型的4個銑頭，從而實現(xiàn)了長距離鏜孔功能。在銑鏜頭端面配置角銑頭等附具，可實現(xiàn)4個垂直面的加工。它簡化了早期標準龍門型銑床的結(jié)構(gòu)，拓展了功能，提高了性能。這種機床將最終取代早期標準龍門型銑床。

1.3 龍門移動式銑鏜床

龍門移動式銑鏜床采用龍門架移動式結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的工作臺移動結(jié)構(gòu)，即待加工件裝夾固定在工作臺上不動，龍門架縱向移動，龍門架帶著銑鏜頭實現(xiàn)對一個或者多個待加工件的全方位加工。在一個待加工件進行加工時，另外幾個待加工件可以同時進行裝卸、交檢等工序，提高了機床使用效率。龍門移動式銑鏜床具有如下優(yōu)勢：

① 承載重量大;

② 有利于不規(guī)則工件的承載;

③ 加工精度高;

④ 節(jié)省空間;

⑤ 加工效率高;

⑥ 安裝調(diào)整方便;

⑦ 性價比高。

1.4 橫梁固定式龍門銑鏜床

橫梁固定式龍門銑鏜床取消了傳統(tǒng)型的移動式橫梁，將橫梁固定在龍門立柱頂部，滑枕式銑鏜頭安裝在橫梁上。利用滑枕式銑鏜頭具有的長距離垂直移動功能，取代了橫梁的垂直移動功能。根據(jù)不同產(chǎn)品加工高度的需求，選擇不同加工高度范圍的橫梁固定式龍門銑，加工高度范圍可利用增設不同高度的墊箱，或通過更換不同高度的立柱來調(diào)節(jié)。這類龍門銑的優(yōu)點在于：

① 由于橫梁由移動改為固定，精度調(diào)整后很容易維持其精度保持長時間不變，提高了機床的精度;

② 取消了移動式橫梁提升機構(gòu)、傳動機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、控制裝置等相應的一整套部件，取消了橫梁沿立柱垂直移動的導軌副等，可以大幅降低機床造價;

③ 由于橫梁移動式龍門銑的橫梁是故障高發(fā)部件，而固定橫梁取代了活動橫梁，極大地減少了維修的工作量。

2 數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)及功能分析

數(shù)控龍門銑床主要由機械、電氣、電子、液路等子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)都是由相關構(gòu)件組成，當系統(tǒng)中相關構(gòu)件異常，例如失效或性能下降時，龍門銑床就會表現(xiàn)出一定的故障特征。由于龍門銑床系統(tǒng)由很多相關的子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)的作用和功能又相關，因此從各個子系統(tǒng)的特點出發(fā)，構(gòu)建與之相對應的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，然后對子系統(tǒng)進行綜合，就可以全面、快捷地構(gòu)建龍門銑床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

所以，研究數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)及功能，以及相關故障現(xiàn)象的文獻，非常有意義。如文獻[5]～文獻[9] 研究了數(shù)控龍門銑床結(jié)構(gòu)，以及數(shù)控龍門銑床的動、靜特性，對分析數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)很有價值。文獻[10]～文獻[13]為數(shù)控龍門銑床的功能及故障分析提供了有價值的經(jīng)驗。文獻[14]～文獻[15]研究了溫度對數(shù)控龍門銑床的影響。文獻[16]～文獻[18]介紹了龍門銑床控制系統(tǒng)的相關知識和案例。前文所述的各類數(shù)控龍門銑床的基本組成一般包括：結(jié)構(gòu)組件、傳動系統(tǒng)(包括主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)等)、控制系統(tǒng)(包括主控系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、人機操作箱等)、輔助系統(tǒng)(包括潤滑系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于監(jiān)測或監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng))。其中，數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)組件主要指機床的主體機械結(jié)構(gòu)件，包括橫梁、立柱、夾緊裝置、滑鞍、滑枕、工作臺和床身等，各個大件內(nèi)部都布置了大量的加強筋和肋板。傳動系統(tǒng)主要由機械傳動部分和電機、電機驅(qū)動器等電氣組件組成，機械傳動部分包括橫梁、導軌、絲杠等以及刀架、刀頭?？刂葡到y(tǒng)主要指計算機相關的電子部分，控制系統(tǒng)接收操作人員的指令或編程，與傳動系統(tǒng)配合，使數(shù)控龍門銑床精確工作。機床工作時，傳動系統(tǒng)中的CNC控制各個結(jié)構(gòu)組件主軸驅(qū)動速度，PLC控制各個結(jié)構(gòu)組件主軸的方向和使用功能，伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機，電機通過相關的絲杠等機械傳動元件將動力傳遞給主軸，使主軸輸出力矩和速度。控制系統(tǒng)中的檢測元件檢測電機工作時的工作狀態(tài)，并將檢測的信號反饋，作為CNC進一步控制的依據(jù)。一部分結(jié)構(gòu)組件在電機主軸帶動下做旋轉(zhuǎn)運動，帶動刀頭等組件工作。另一部分結(jié)構(gòu)組件由電機主軸帶動相關的機械傳動元件，將動力傳遞給滾珠絲杠，通過滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，帶動橫梁、滑枕、工作臺等結(jié)構(gòu)組件沿導軌方向運動。運動過程中，控制系統(tǒng)中的速度和位置檢查元件對電機和結(jié)構(gòu)組件的實際運動進行檢測，并將檢測的信號反饋，為CNC的控制提供比較依據(jù)。另外，PLC需完成刀架控制、潤滑控制等工作。

3 數(shù)控龍門銑床的數(shù)據(jù)采集需求分析

3.1 結(jié)構(gòu)組件

數(shù)控龍門銑床的橫梁或立柱的傾斜或位移、環(huán)境溫度和不同工況下的熱特性變化、夾緊裝置的松動等均會對數(shù)控龍門銑床的加工精度產(chǎn)生較大影響，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須對數(shù)控龍門銑床的主要和關鍵結(jié)構(gòu)組件進行監(jiān)測，主要采集可以反映主要和關鍵結(jié)構(gòu)組件的位置、振動、溫度等信息的數(shù)據(jù)，例如，文獻[19]、文獻[20]研究了刀具的在線檢測和監(jiān)控等應用。

3.2 傳動系統(tǒng)

數(shù)控龍門銑床傳動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集較為復雜，也最為關鍵，包括傳動帶磨損、主軸變形或不對中、主軸旋轉(zhuǎn)精度不夠、軸承磨損、軸承接觸疲勞失效、軸承斷裂失效、軸承游隙變化失效、潤滑不合規(guī)、潤滑劑溫度超標、導軌磨損、絲杠磨損、滾珠磨損、輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合、齒面塑性變形、電機異常、環(huán)境溫度和不同工況下的熱特性變化、電機驅(qū)動器故障等，均會對數(shù)控龍門銑床的加工精度產(chǎn)生較大影響，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須對數(shù)控龍門銑床的傳動系統(tǒng)進行監(jiān)測，主要采集可以反映主要和關鍵組件的位置、振動、噪聲、溫度、壓力、傳動力矩、轉(zhuǎn)速等信息的數(shù)據(jù)。

3.3 控制系統(tǒng)

數(shù)控龍門銑床的控制系統(tǒng)主要由CNC和PLC組成，其主要功能屬于電子領域，所以程序控制不正常、信號輸入輸出不正常、信號接觸不良、參數(shù)設置不正常、電路故障、溫度過高等，均會對數(shù)控龍門銑床的正常工作產(chǎn)生較大影響，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須對數(shù)控龍門銑床的控制系統(tǒng)監(jiān)測，主要采集CNC和PLC的通信總線數(shù)據(jù)和個別I/O即可。

3.4 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)中的潤滑管路屬于故障高發(fā)區(qū)，需要對其溫度、壓力等信息進行實時數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的常用元件有編碼器、光柵、傳感器等，容易發(fā)生接口故障、編碼器或光柵內(nèi)部故障等。監(jiān)測系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的異常會影響機床運動狀態(tài)、跟蹤誤差，使機床工作指令不能執(zhí)行等。監(jiān)測系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的主要功能也屬于電子領域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)的子系統(tǒng)，這類電子系統(tǒng)在機床這樣的電氣、電磁復雜環(huán)境中使用時，必須考慮抗干擾等可靠性設計。

4 數(shù)據(jù)采集的手段和方法

采用適合的數(shù)據(jù)采集的手段和方法是實現(xiàn)數(shù)采系統(tǒng)的關鍵。數(shù)控機床的數(shù)采系統(tǒng)已經(jīng)有較多應用，對數(shù)控龍門銑床數(shù)采系統(tǒng)的實現(xiàn)有較高的借鑒價值。如文獻[21]介紹了一種基于AT89C55單片機的數(shù)控機床遠程測控儀的硬件和軟件設計，文獻[22]介紹了一套應用于國產(chǎn)數(shù)控機床的設備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，文獻[23]介紹了一種分布式數(shù)控機床管控系統(tǒng)的設計，文獻[24]介紹了一種應用于成飛集團的基于西門子數(shù)控系統(tǒng)的機床加工過程監(jiān)控系統(tǒng)，文獻[25]介紹了一種復雜特征下數(shù)控機床狀態(tài)整體監(jiān)控方法。

4.1 數(shù)據(jù)采集方法

由于車間現(xiàn)場的水平參差不齊，進行數(shù)據(jù)采集的方法也各不相同，數(shù)控龍門銑床的品牌、版本、控制系統(tǒng)等因素都決定了某型龍門銑床非標定制化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成方式。目前對數(shù)控龍門銑床的數(shù)據(jù)采集方法主要有基于數(shù)控系統(tǒng)對外通信接口和基于附加嵌入式系統(tǒng)兩類。

各主流廠家的數(shù)控龍門銑床的控制系統(tǒng)一般都具備對外通信接口和標準通信協(xié)議，并可以基于此接口二次開發(fā)程序構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，常見的對外通信接口包括：RS232、RS422、RS485、以太網(wǎng)接口、工業(yè)總線接口等。但這種方法所采集的數(shù)據(jù)主要來源于機床內(nèi)置傳感器且存儲在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部。這種方法完全依賴機床自身的配置，受制于機床的異構(gòu)性和封閉性，難以形成通用性的數(shù)據(jù)采集方案，數(shù)據(jù)的采樣間隔周期一般在秒級。

基于附加嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法是利用嵌入式計算機配合外接傳感器與機床相關組件連接，從機床中提取信號，一般與機床原有數(shù)控系統(tǒng)沒有直接聯(lián)系?？梢詫χT如通電狀態(tài)、機床振動、刀具磨損等未在原機床數(shù)控系統(tǒng)中存儲的信息進行數(shù)據(jù)采集，這種數(shù)據(jù)采集方法易于形成具有一定通用性的數(shù)采方案，一般其數(shù)據(jù)采樣間隔周期可以到毫秒級。文獻[26]提出了一種通用型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)，有一定借鑒意義，如圖1所示。

對數(shù)控龍門銑床等高端機床的預測性維護是目前機床行業(yè)的一個研究熱點，其所需數(shù)據(jù)對于高頻數(shù)據(jù)的依賴性更強。

4.2 采集的信息和工具

數(shù)控龍門銑床的數(shù)據(jù)采集范圍包括:

① 可以反映機床工況和狀態(tài)的信息。數(shù)控龍門銑床的工作狀況與控制系統(tǒng)的狀態(tài)有著緊密聯(lián)系，如機床的主軸轉(zhuǎn)速、倍率、負載、功率、進給速度、故障報警等。另外能表征機床健康狀態(tài)的系列參數(shù)也是數(shù)據(jù)采集的重點，包括關鍵部位的故障征兆、關鍵部件的輸入輸出等，如軸承的振動和噪聲、電機溫升、發(fā)動機進油量和排氣溫度、冷卻系統(tǒng)的溫度和壓力、液壓系統(tǒng)的溫度和壓力等。

圖1 一種通用型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)

② 可以反映數(shù)控龍門銑床運行環(huán)境的參數(shù)，如環(huán)境溫度、濕度、振動、噪聲、粉塵、油污染等。機床很容易受到環(huán)境及工況等因素的影響，在運行過程中主軸容易產(chǎn)生較大熱誤差，降低機床的加工精度。文獻[27]基于機床熱特性的基本理論及機床的結(jié)構(gòu)特點，分析了主軸熱變形的不同變形趨勢，對環(huán)境溫度和工況因素進行了研究。

③ 可以反映機床工作質(zhì)量的數(shù)據(jù)，表征質(zhì)量的系列參數(shù)。

各類采集設備(傳感器)的安裝原則如下:

① 制定可行方案。根據(jù)采集現(xiàn)場復雜的實際情況，綜合考慮如對機床狀態(tài)反應的高靈敏性、抗干擾性、測量的可重復性、可接近性(如足夠安裝空間等)、經(jīng)濟性、環(huán)境適應性、與控制系統(tǒng)關系、安全性等多種因素。

② 采集位置選擇。針對選定的采集目標，采集設備(傳感器)應選擇安裝在最可能檢測出機床工況和狀態(tài)特征的位置，采集點應當唯一標識。

③ 傳感器選型。傳感器選型需考慮的因素有體積、精度、量程、靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性、工作范圍等。

④ 確定系統(tǒng)采樣頻率。采樣頻率取決于采樣數(shù)據(jù)的類型及其擴展速率以及相關參數(shù)的變化率，同時考慮采集設備工作主頻、費用和關鍵性等因素的影響。一般來說，對穩(wěn)態(tài)工況，采樣頻率能在工況改變前捕捉到完整的數(shù)據(jù)集合即可。對瞬態(tài)工況，需要高速數(shù)據(jù)采集。

常見的數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型、所用手段和主要采集對象如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集的主要類型、手段和采集對象

5 數(shù)控龍門銑床數(shù)采系統(tǒng)的發(fā)展方向

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等新技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控龍門銑床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展方向。國內(nèi)，如文獻[28]以大數(shù)據(jù)采集為基礎，建立車間、生產(chǎn)線、數(shù)控機床的CPS模型，利用云計算技術(shù)，實現(xiàn)云端冷熱數(shù)據(jù)處理及分布式存儲，最終實現(xiàn)7×24 h機床實時監(jiān)控，建立“數(shù)字雙胞胎”，實現(xiàn)健康診斷等智能維護功能。通過采集機床工作過程中的實時數(shù)據(jù)，建立實時機床工況、組件狀態(tài)、加工工序、控制程序、材料去除率之間的對應關系，基于對此關系的分析，均衡刀具負荷，優(yōu)化工藝參數(shù)，可以有效提高加工效率，提升安全性。文獻[29]綜述了智能制造中的狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)，文獻[30]針對機床加工行業(yè)中的數(shù)字化柔性智能制造系統(tǒng)，通過傳感器實時采集車間中的物料、刀具、物流小車、機床、量檢具等的數(shù)據(jù)，并對過程中的各種信息進行處理、優(yōu)化和整合，形成車間數(shù)字化柔性智能制造系統(tǒng)。國外，如西門子公司通過機器人與機床數(shù)控系統(tǒng)的直接集成，機器人可以獲取所有可用的數(shù)控系統(tǒng)功能[31]。

6 結(jié)束語

在分析數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)及功能的基礎上，對數(shù)控龍門銑床的數(shù)據(jù)采集需求進行了分析和總結(jié)，針對性地綜述了數(shù)據(jù)采集的手段和方法，并概述了數(shù)控龍門銑床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展方向。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)的前端子系統(tǒng)和關鍵組成部分，應繼續(xù)加大對數(shù)控龍門銑床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的的研究投入，推進其向智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展，提高系統(tǒng)整體可靠性，促進我國高端裝備水平提升，服務中國制造2025。