謝明軍，李 婷

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，陜西 榆林 719000)

2010年，德國聯(lián)邦政府在《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中提出了“工業(yè)4.0”的未來發(fā)展戰(zhàn)略。2013年6月，德國聯(lián)邦教研部和聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部在漢諾威國際工業(yè)博覽會上首次提出了“工業(yè)4.0”的概念。2014年，“工業(yè)4.0”再一次成為漢諾威國際工業(yè)博覽會上所討論的中心話題[1]。工業(yè)“4.0”的核心并不是簡單的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、3D打印等技術(shù)性的手段，也不是將“互聯(lián)網(wǎng)+”作為一種標(biāo)簽貼到所有的產(chǎn)業(yè)上；而是通過新技術(shù)和新方法將生產(chǎn)系統(tǒng)和底層設(shè)備融合成一個整體，將所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集上來；并通過上層信息系統(tǒng)的智能分析來控制企業(yè)底層設(shè)備應(yīng)該如何運(yùn)行，并最終實(shí)現(xiàn)無人控制。其核心即就是信息、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的高度融合。

2014年10月10日，國務(wù)院總理李克強(qiáng)和德國總理默克爾聯(lián)合發(fā)表了《中德合作行動綱領(lǐng)》，重點(diǎn)突出了雙方在制造業(yè)就“工業(yè)4.0”計(jì)劃的攜手合作[2]。我國政府隨后頒布的《中國制造2025》在推進(jìn)制造過程智能化方面[3]，明確指出在重點(diǎn)領(lǐng)域建設(shè)智能工廠，數(shù)字化車間；加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人、智能物流管理、增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用；促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時監(jiān)測和自適應(yīng)控制。我國兩院院士、機(jī)械工程學(xué)會榮譽(yù)理事長路甬祥發(fā)表的《網(wǎng)絡(luò)智能制造—中國制造的未來》，我國工程院院長、機(jī)械工程學(xué)會理事長周濟(jì)報(bào)告的《制造業(yè)數(shù)字化智能化與“中國制造2025”》均對中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的階段性使命做了詳細(xì)的闡述。而裝備制造業(yè)又是我國制造業(yè)的脊梁，也是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，全球產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化對目前我國裝備制造業(yè)的發(fā)展造成了巨大的沖擊，因此加快推進(jìn)我國裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級已迫在眉睫。

1 數(shù)控機(jī)床故障診斷智能化發(fā)展的需求分析

數(shù)控機(jī)床(Numerical Control-machine)即數(shù)字控制機(jī)床，是將電子技術(shù)、自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)、液壓與氣動技術(shù)以及加工工藝集于一體、硬件與軟件高度集成的綜合性機(jī)電一體化產(chǎn)品；是機(jī)、電、液、計(jì)算機(jī)、檢測、通信技術(shù)、信息處理的綜合運(yùn)用系統(tǒng)；是高技術(shù)、高智能化裝備[4]。工業(yè)4.0概念的提出，對數(shù)控機(jī)床維修理論、維修技術(shù)以及維修方法帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是高檔數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵核心技術(shù)仍由歐美發(fā)達(dá)國家所掌握。目前我國的數(shù)控機(jī)床的使用與維護(hù)水平相比發(fā)達(dá)國家整體偏低，還不能實(shí)現(xiàn)面向整條生產(chǎn)線的現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程診斷；也不能滿足軍工產(chǎn)品生產(chǎn)的保密要求等。將控制技術(shù)系統(tǒng)性、自診斷技術(shù)智能性與傳統(tǒng)電氣維修技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床電氣維修由經(jīng)驗(yàn)維修到智能維修的轉(zhuǎn)變是當(dāng)前對數(shù)控機(jī)床故障診斷研究的一項(xiàng)重大課題。

2 數(shù)控機(jī)床的故障特點(diǎn)

CNC機(jī)床由輸入/輸出設(shè)備(I/O接口和設(shè)備)、數(shù)控裝置(CNC裝置)、可編程控制器、伺服系統(tǒng)、檢測反饋裝置、輔助裝置和機(jī)床本體(機(jī)械部分)等部分組成[5]，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床主要組成部分結(jié)構(gòu)框圖

由圖1知，數(shù)控機(jī)床各部分之間關(guān)系十分緊密，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其故障的復(fù)雜性、特殊性和多層次性，這就造成數(shù)控機(jī)床敏感部件出現(xiàn)故障后經(jīng)濟(jì)損失較大、維護(hù)費(fèi)用較高、維修時間較長等特點(diǎn)的原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國數(shù)控機(jī)械加工行業(yè)每年因設(shè)備突發(fā)故障造成的被加工零件質(zhì)量事故占總量的30%，而數(shù)控機(jī)床自身故障多發(fā)生在電氣系統(tǒng)(占27.74%)、刀架(占18.41 %)、CNC系統(tǒng)(占10.0%)、卡盤、夾具等附件(占10.02%)、電源(占7.39%)，伺服單元(占6.35%)等部位[6-7]。

1)輸入/輸出接口板故障

輸入/輸出接口板包括機(jī)床接口電路和各軸的位置控制電路等。其故障原因包括外部短路、竄入高壓將元件相應(yīng)的電路板燒壞以及插件接觸不良等。

2)系統(tǒng)控制板故障

系統(tǒng)控制板主要由主CPU、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、各功能接口電路、插補(bǔ)電路以及相應(yīng)的外圍邏輯電路組成。系統(tǒng)控制板故障主要有程序數(shù)據(jù)不能實(shí)時保存、輸入/輸出端口接觸不良、線路斷路等。

3)機(jī)床電源故障

機(jī)床電源故障的原因主要有電纜破壞造成斷路、電網(wǎng)供電質(zhì)量差、無獨(dú)立的配電箱、電器元件布局不合理以及未相互隔離等。

4)電氣系統(tǒng)故障

數(shù)控機(jī)床的電氣系統(tǒng)包括開關(guān)、按鈕、電磁閥、繼電器、傳感器元件等，其分散于電控柜和機(jī)床本體的各個部位。電氣系統(tǒng)常見故障分為硬件故障和軟件故障兩類：硬件故障形成的原因主要有數(shù)控機(jī)床的電器元件老化、工作環(huán)境惡劣，電路過壓過流等。軟件故障形成的原因主要有操作者誤操作、為RAM供電的電池電壓不足、信號干擾、軟件死循環(huán)，用戶程序出錯等。

3 基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)想

故障診斷的實(shí)質(zhì)就是在診斷對象出現(xiàn)故障的前提下，通過來自外界或系統(tǒng)本身的信息輸入并經(jīng)過信息處理判斷出故障種類，確定故障部位(元部件)，進(jìn)而預(yù)測出故障可能出現(xiàn)的時間、嚴(yán)重程度、故障原因等，甚至還可以提供對數(shù)控機(jī)床的評價(jià)、決策以及進(jìn)行維修的建議[8]。作為典型的“互聯(lián)網(wǎng)+科技產(chǎn)品”，數(shù)控機(jī)床天生具有數(shù)字化和信息化，具備實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的最好技術(shù)性基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷的研究基礎(chǔ)

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷的研究基礎(chǔ)包含以下三個方面：

1)具有故障自診斷功能

目前數(shù)控機(jī)床普遍采用PLC進(jìn)行電氣控制，并在系統(tǒng)程序中加入了故障診斷程序，利用系統(tǒng)動態(tài)梯形圖信號跟蹤并判斷故障部位，即具有故障自診斷功能。

2)具備構(gòu)建遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)

目前國內(nèi)高校對數(shù)控機(jī)床故障診斷的研究主要集中在三個方面：加工過程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)和故障預(yù)報(bào)警系統(tǒng)。如：北京工業(yè)大學(xué)高立新等提出了“數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程機(jī)械故障診斷和服務(wù)系統(tǒng)”；華中科技大學(xué)曾凌峰、西安科技大學(xué)姚曉睿提出了“ 基于 web 遠(yuǎn)程故障服務(wù)系統(tǒng)”；北京航空航天大學(xué)徐成鶯等提出了“基于 IE瀏覽器的數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)”；西南交通大學(xué)龍璽宇提出了“智能化數(shù)控機(jī)床診斷系統(tǒng)”；西南交通大學(xué)趙敏提出了“數(shù)控機(jī)床智能化狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)”。

3)具備信息化的管理基礎(chǔ)

工業(yè)4.0時代要求企業(yè)從產(chǎn)品服務(wù)理念轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻舴?wù)理念，由提供產(chǎn)品升級到提供客戶服務(wù)，這就要求企業(yè)需擁有進(jìn)行對客戶分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有設(shè)備監(jiān)管平臺。隨著3G、GPS、wifi等技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)備后臺監(jiān)管系統(tǒng)越來越完善，如：辦公OA系統(tǒng)、APP等，為數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷信息的實(shí)時傳輸提供技術(shù)支撐。

3.2 基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷監(jiān)控系統(tǒng)的基本框架

基于工業(yè)4.0數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)是借助無線通信技術(shù)，采用分層式的控制模式，通過設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集與分析并應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)營狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷監(jiān)控系統(tǒng)基本框架如圖2所示。

圖2 基于工業(yè)4.0的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷監(jiān)控系統(tǒng)基本框架圖

4 小 結(jié)

高檔數(shù)控機(jī)床具有多樣性、異構(gòu)性以及多種高新技術(shù)高度集成的特點(diǎn)，從而使得數(shù)控機(jī)床的故障預(yù)警和診斷難度較大，借助工業(yè)4.0的發(fā)展背景，開發(fā)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷監(jiān)管系統(tǒng)是降低數(shù)控機(jī)床維護(hù)成本、提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率的最有效途徑。

“工業(yè)4.0” 是以信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System，簡稱CPS)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命，它推動裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級已進(jìn)入關(guān)鍵階段。