周小超 曹昌勇 林華 程振邦 王子權

摘 要：為了提高數(shù)控車床自動刀架維修實驗的效果，通過分析自動刀架診斷技術和常見故障，建立了自動刀架的故障樹，設計了數(shù)控車床自動刀架故障診斷實驗平臺.實驗平臺具有原理演示、故障診斷引導、檢測案例和生成報告的功能，使實驗過程形象化、直觀化.

關鍵詞：數(shù)控車床;自動刀架;診斷;實驗平臺

中圖分類號：TG519.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）01-0058-03

1 前言

數(shù)控機床是先進制造技術和制造信息集成的重要組成，是《中國制造2025》實施制造強國戰(zhàn)略的重點領域[1].數(shù)控機床是集機、電、光和液于一體的復雜機電設備，發(fā)生故障的形式多樣.自動刀架是數(shù)控車床的主要部件之一，其發(fā)生故障的頻數(shù)為11.3%[2].因此，分析數(shù)控機床自動刀架的故障征兆和故障原因，研究故障檢測和故障維修技術，對數(shù)控機床的設計、應用和維護具有重要的意義.

數(shù)控車床自動刀架故障診斷是數(shù)控技術課程實驗的重要組成.本文通過對數(shù)控車床自動刀架診斷技術和常見故障的分析，設計輔助數(shù)控技術實驗教學的診斷實驗平臺.

2 數(shù)控車床自動刀架診斷技術

數(shù)控車床自動刀架診斷技術的基本原理和工作程序如圖1所示，它包括故障檔案庫的建立及特征提取、故障分析、故障檢測和故障排除等工作程序.

故障檔案庫是數(shù)控車床自動刀架故障狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫，是自動刀架所有可能發(fā)生的故障的集合，是通過對故障的特征進行提取并歸類整理得到.故障檔案庫是基于自動刀架的工作原理和常見故障之上建立的，是診斷實驗平臺的重要組成部分.

故障分析是數(shù)控車床自動刀架診斷實驗平臺的重要組成部分，故障分析技術有故障樹分析FTA（Failure Tree Analysis）和故障模式及影響分析FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）.本文主要采用FTA進行分析.

故障檢測是通過有效的技術手段，對故障原因進行確認的過程.

故障排除是通過維修、更換失效零部件，恢復自動刀架正常工作的過程.

3 數(shù)控車床自動刀架故障庫及故障樹

3.1 自動刀架常見故障

數(shù)控車床自動刀架主要由電動機、蝸輪蝸桿、中軸、定位盤、發(fā)信體和定位銷等組成.

數(shù)控車床自動刀架是通過加工程序指令控制的，自動換刀過程包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位和刀架夾緊.刀架抬起和刀架轉(zhuǎn)位的動作都是由電動機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的.刀架轉(zhuǎn)動到指定位置后，發(fā)信體發(fā)出信號，電動機反轉(zhuǎn)，刀架下降，通過定位盤和定位銷實現(xiàn)定位.電動機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，通過蝸輪蝸桿鎖緊刀架，當鎖緊力矩達到一定值時，電動機停止轉(zhuǎn)動，整個換刀過程結束.

根據(jù)數(shù)控車床自動刀架的結構和工作原理，整理出常見故障模式和故障特征見表1所示[3-6].

3.2 自動刀架故障樹

故障樹分析是將系統(tǒng)故障形成的原因從總體到部分按樹枝圖形進行編排，將造成故障的各種因素對應起來.

采用演繹法構建故障樹時，首先把系統(tǒng)中不希望發(fā)生的故障作為頂端事件，再把導致頂端事件的原因作為下一級事件，如此逐級向下演繹.一般故障樹邏輯圖包含頂端事件、中間事件和底端事件.根據(jù)表1中的內(nèi)容，構建的數(shù)控車床自動刀架的故障樹如圖2所示.

由圖2可知，自動刀架故障是頂端事件，中間事件包括電動機不轉(zhuǎn)、刀架不轉(zhuǎn)或卡死和刀架卡死等，底端事件是對應中間事件的原因.

4 數(shù)控車床輔助診斷實驗平臺

4.1 診斷實驗平臺流程圖

數(shù)控車床自動刀架輔助診斷實驗平臺是模擬維修專家的經(jīng)驗和思維，采用分步遞進方法進行診斷.輔助診斷流程圖如圖3所示.

實驗平臺的信息提示是根據(jù)故障樹中間事件列出.用戶選擇是指學生根據(jù)自動刀架的故障特征選擇對應的事件.故障檢測是指用具體的檢測手段判斷導致中間事件的底端事件.對底端事件的維修，排除自動刀架的故障則實驗結束，否則繼續(xù)進行下一個故障的排除.

4.2 診斷實驗平臺功能設計

（1）工作原理演示功能

數(shù)控車床自動刀架機械結構較復雜，為加深學生對其工作原理的理解，奠定故障診斷的基礎，在實驗平臺上通過動畫演示的方法形象直觀展示其內(nèi)部結構和工作過程.

（2）故障診斷功能

故障診斷功能是實驗平臺的主要功能，通過實驗平臺的診斷功能引導學生找出故障的原因，熟悉診斷過程，積累經(jīng)驗.

（3）故障檢測方法

故障樹中底端事件通常需要通過檢測工具和檢測手段才能確認.對于一些較復雜的檢測，實驗平臺提供具體的檢測方法和相應的案例.

（4）生成實驗報告

整個實驗結束后，診斷實驗平臺能根據(jù)實驗過程生成一份實驗報告.

4.3 診斷實驗平臺界面設計

（1）主界面

數(shù)控車床自動刀架輔助故障診斷實驗平臺是用C語言進行編寫，其主界面如圖4所示.主界面中“工作原理”按鈕是用于播放自動刀架工作原理演示文件.通過對其原理的學習，理論結合實際開展下一步診斷實驗.點擊“開始”按鈕則進入自動刀架故障診斷界面，如圖5所示.

（2）故障診斷界面

故障診斷界面是根據(jù)圖2中自動刀架故障樹中間時間順序列出.實驗中根據(jù)實驗平臺所列的故障特征選項，結合實際自動刀架所表現(xiàn)的故障，做出相應的選擇即可.確定自動刀架的故障特征后，點擊“確定”按鈕進入故障樹的底端事件，如圖6所示.

（3）故障檢測界面

圖6為故障檢測界面，該界面列出了中間事件（電動機不轉(zhuǎn)）所有可能問題.實驗中學生需要具體判斷問題所在，通過點擊進入按鈕，實驗平臺給出相應的檢測方法和排除方法，通過逐一排除找到故障原因.根據(jù)排除方法排除故障后點擊“確定”按鈕，實驗平臺彈出實驗結果對話框，如圖7所示.

（4）實驗結果界面

排除自動刀架的故障后，重新執(zhí)行刀架轉(zhuǎn)動指令，觀察刀架運轉(zhuǎn)情況，若自動刀架運行正常，則點擊圖7中“是”按鈕，實驗平臺彈出“導出實驗報告”對話框，如圖8所示，點擊“導出至.txt文檔”，生成實驗報告，實驗結束.若重新執(zhí)行刀架轉(zhuǎn)動指令自動刀架仍然不能正常工作，則點擊圖7中“否”按鈕，實驗平臺返回至圖5的故障診斷界面，繼續(xù)其他故障的診斷，直至故障全部排除.

5 結論

在實驗中，數(shù)控車床自動刀架輔助診斷實驗平臺縮小了故障檢查范圍，彌補了學生經(jīng)驗不足的問題.提出的故障診斷排除方法，縮短了故障的排除時間，提高了學生學習的主動性.實驗平臺中故障樹內(nèi)容可以根據(jù)實驗結果進行擴容，以便使平臺不斷完善.

參考文獻：

〔1〕楊智，李小陽.我國數(shù)控機床市場調(diào)查與分析[J].南方農(nóng)機，2019（10）：62-64.

〔2〕李芳麗.CAK3675V數(shù)控車床故障診斷與可靠性增長技術研究[J].機械，2012（11）：71-80.

〔3〕趙太平.CAK6150數(shù)控車床故障診斷系統(tǒng)的研究[D].上海交通大學，2007.

〔4〕李世班.數(shù)控車床故障診斷專家系統(tǒng)中的故障樹分析[J].制造業(yè)自動化，2009（04）：81-83.

〔5〕姚全紅.數(shù)控車床的電動刀架故障診斷與維修[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2017（12）：138-139.

〔6〕喻步賢.數(shù)控車床的電動刀架故障診斷與維修[J].機床與液壓，2013（22）：160-162.