數控機床使用可靠性關鍵技術探析

劉文學

(安徽省第一輕工業學校,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

數控機床作為現代制造業中的重要設備,具有效率高、精度高、自動化程度高等優點,被廣泛應用于各種機械制造領域。隨著技術的不斷發展,數控機床的功能和性能得到了大幅度提升,成為制造企業提高生產效率、保證產品質量、降低生產成本的重要手段[1-3]。

數控機床的在線監測技術、故障診斷技術和數字孿生技術在現代制造業中扮演著至關重要的角色。在線監測技術能夠實時監測機床的運行狀態和關鍵參數,有助于優化生產計劃,實現更加高效的生產過程和資源利用。同時,隨著機床的復雜性不斷增加,傳統的故障排查方法已經不能滿足需要,引入機器學習和專家系統等技術,能使故障診斷更加準確、快速。制造商可以依靠故障診斷模型和故障數據庫,迅速找到故障根源并采取有效措施。有助于縮短停機時間,提高機床的可用性和生產效率[4]。數字孿生技術將實際物理對象與數字化仿真模型相結合,為制造業帶來了全新的轉型機遇,借助數字孿生技術,相關企業及制造廠可以在設計階段對機床進行優化,預測機床在不同工況下的性能,提高機床的工作效率和穩定性[5]。

本文旨在深入探討數控機床的在線監測技術、故障診斷技術和數字孿生技術,系統論述其基本工作原理與應用方法,能夠更好地理解數控機床的運行機理和優化手段,進而為現代制造業的發展和競爭提供新的思路和方法。

1 數控機床的基本結構和工作原理

1.1 基本結構

數控機床的基本結構通常包括以下幾個部分[6]。

1)機床主體。數控機床的主要結構部分,包括床身、床板、立柱、工作臺、工作臺滑座、主軸等部分。

2)數控系統。數控機床的核心部件,包括計算機、控制器、編程器、輸入輸出設備等。

3)運動部件。數控機床的驅動和控制部分,包括伺服電機、伺服驅動器、螺桿、導軌、滑塊等。

4)工具刀具。用于加工物料的工具,包括車刀、銑刀、鉆頭等。

5)液壓和氣動系統。用于控制機床各個部件的液壓和氣動元件,包括油泵、氣缸、液壓閥等。

6)輔助裝置。包括夾具、自動換刀系統、自動潤滑系統、冷卻系統等,用于輔助機床進行加工操作。

以上是數控機床的基本結構,不同類型的數控機床可能會有所不同,但總體上都包括以上幾個部分。在實際應用中,數控機床的結構和部件都需要經過精心設計和優化,以滿足不同加工任務的要求。

1.2 工作原理

數控機床的工作原理是基于數控系統的指令控制下,通過自動化的加工流程,將工件按照要求進行加工的過程。數控機床的工作流程一般分為以下幾個步驟[7-8]。

1)設計加工程序。首先,使用CAD(計算機輔助設計)軟件設計出所需加工工件的三維模型,并將其轉換為機床可讀取的加工程序。加工程序包括加工路徑、加工速度、刀具轉速和進給速度等加工參數。

2)加載加工程序。將加工程序傳輸到數控系統中,并將其加載到機床控制器中。

3)調整機床。根據加工程序的要求調整機床的位置和姿態,以使工件能夠正確地進入機床工作區域,并進行加工。

4)自動加工。啟動數控系統,機床按照程序指令進行自動加工。在加工過程中,數控系統會根據預設的加工參數自動調整工具的轉速、進給速度和加工路徑等,確保加工的精度和效率。

5)檢查加工結果。加工完成后,使用檢測儀器檢查加工結果是否符合要求。如有需要,可進行二次加工或調整。

6)結束加工。加工結束后,將機床恢復到初始狀態,清理機床,為下一次加工作準備。

2 數控機床關鍵技術

2.1 在線監測技術

數控機床在線監測系統是基于瀏覽器或服務器的應用程序,旨在實時監測數控機床的運行狀態和關鍵參數,主要結構通常包括以下三個層次:用戶層、服務器層和數據庫層(圖1),用戶層與用戶直接交互,服務器層進行數據處理和監測控制,數據庫層負責數據的存儲和管理,這種結構的設計使得數控機床在線監測系統能夠實現實時監測和遠程控制,為用戶提供更便捷、高效的機床管理和維護手段[9]。

圖1 數控機床在線監控系統總體結構

數控機床在線監測技術的原理是通過安裝各種傳感器和數據采集系統,實時監測數控機床的運行狀態和關鍵參數,傳感器會持續地收集機床的各項數據,如溫度、振動、電流、壓力等,并將這些數據傳輸到數據采集系統。數據采集系統會對收集到的數據進行實時處理和分析,以便及時發現機床的異常情況或潛在故障(圖2)。

圖2 數控機床在線監測技術原理

2.2 故障診斷技術

2.2.1 數控機床故障診斷系統整體結構

數控機床故障診斷系統主要是基于MATLAB APP進行開發,通過設計故障診斷軟件和試驗臺采集數據交互完成軟件開發,進而形成數控機床故障診斷系統,目前常見的設計方案如圖3所示,主要包括硬件搭建和軟件設計共兩個部分。

圖3 數控機床故障診斷系統總設計方案

1)硬件搭建。硬件搭建部分主要涉及試驗臺的構建和傳感器的安裝。試驗臺是用于模擬數控機床運行的平臺,可以在實驗室環境中模擬機床的工作狀態。試驗臺上需要安裝各種傳感器,用于實時采集數控機床的運行數據,包括振動傳感器、溫度傳感器、電流傳感器等。這些傳感器將連接到數據采集設備,將收集到的數據傳輸給計算機進行處理。

2)軟件設計。軟件設計部分是數控機床故障診斷系統的核心,基于MATLAB APP進行開發,故障診斷算法利用傳感器采集的數據,通過MATLAB的數據處理和分析功能進行實時處理。這些算法可能包括信號處理、模式識別、機器學習等技術,用于判斷機床的運行狀態和故障情況。

2.2.2 軟件模塊設計

1)用戶管理模塊。用戶管理模塊用于管理用戶的身份驗證、權限控制和安全性。該模塊的功能涵蓋用戶登錄、用戶注冊和用戶密碼管理等。通過合理設計和實施用戶管理模塊,系統能夠確保用戶在使用過程中的安全性和數據保護,從而提升系統整體的安全性和可信度。為確保用戶管理模塊的安全性,開發人員需要注意密碼加密存儲、身份驗證機制、防止暴力破解、合法性校驗等軟件安全性。

2)數據導入模塊設計。數據導入模塊用于將外部數據導入到系統中,以便在系統中進行進一步處理和分析,設計時需要考慮數據格式的兼容性、數據驗證、數據映射和錯誤處理等關鍵問題。

數據導入模塊應該支持多種數據格式的導入,如CSV、Excel、JSON等常見數據格式,用戶可以根據需求,選擇合適數據格式進行導入。同時,模塊應能夠正確識別和解析不同數據格式的內容。

在導入數據前,數據導入模塊應該對數據進行驗證和清洗,包括檢查數據的完整性、準確性和合法性。如果發現數據有錯誤或不完整,應該及時提示用戶并提供相應的錯誤處理機制。

在導入數據時,外部數據的字段可能與系統內部數據字段不完全匹配。因此,數據導入模塊需要提供數據字段映射功能,讓用戶將外部數據的字段映射到系統內部的字段,確保導入的數據能夠正確地對應到系統中的相應數據項。

數據導入過程中可能會出現各種錯誤,如數據格式錯誤、重復數據等。模塊應該能夠捕捉這些錯誤并提供相應的錯誤處理機制,例如記錄錯誤日志、跳過錯誤數據或者回滾導入操作。

對于大量數據的導入,可能需要一定時間完成。模塊應該提供導入進度的顯示,讓用戶了解導入的進展情況。同時,導入完成后,模塊應該給予用戶反饋,確認導入是否成功,并顯示導入的結果。

2.3 數字孿生技術

2003年,美國Grieves教授提出了數字孿生概念,將現實世界中的實體或系統與其數字化模型相連接。這種數字模型可以在虛擬環境中模擬實體或系統的行為、性能和運行狀態,從而實現實時監測、分析和優化。數字孿生技術的核心思想是通過連接實體和數字模型,實現實體在現實世界的影子或鏡像,使得實體的設計、制造、運行和維護過程更加高效和智能化。

數控機床建模主要是建立各個坐標系的變換關系,一般包括平移和旋轉兩種,模型構建原理及公式如下。

2.3.1 平移變換

平移變換是將坐標系從空間中一個位置沿X、Y、Z三個矢量方向移動到另一個位置形成的新坐標系。

沿X、Y、Z三個矢量方向移動Δx、Δy、Δz時,由齊次坐標變換矩陣描述為

(1)

2.3.2 旋轉變換

繞X軸旋轉角度θ時,旋轉變換由齊次坐標變換矩陣描述為

(2)

繞Y軸旋轉角度θ時,旋轉變換由齊次坐標變換矩陣描述為

(3)

繞Z軸旋轉角度θ時,旋轉變換由齊次坐標變換矩陣描述為

(4)

3 數控機床發展趨勢

3.1 多功能化

數控機床不僅需要實現高精度加工,還需要具備多功能性能,能夠滿足不同領域的需求。例如,將數控機床與激光加工、電火花加工、噴霧加工等技術相結合,實現更加靈活多樣的加工方式。

3.2 柔性化

隨著制造業的不斷進步和市場需求的多樣化,數控機床需要具備更高的適應性和靈活性,以應對不同加工任務和生產環境。柔性化是數控機床技術的重要發展方向,未來的數控機床將具備更智能、自適應的特性。這種新型數控機床將能夠根據不同的工件形狀、尺寸和材料特性,自動調整加工程序和參數,實現快速換型和批量生產,將大大提高生產效率,降低生產成本,并為制造業帶來更多的靈活性和競爭優勢。

3.3 環?；?/h3>

環保是全球關注的重要議題,制造業在該方面也面臨著巨大挑戰和責任。數控機床將采用更加節能、環保的加工方式,以減少能源消耗和廢棄物產生。其中,水刀和激光等無污染加工方式成為熱門選擇。

水刀加工是一種利用高壓水流和磨料進行切割的加工方式。水刀加工不產生有害氣體和粉塵,不會產生污染物,對環境和操作人員的安全非常友好。此外,水刀加工還具有切割范圍廣泛、適用于多種材料、切割精度高等優點,因此在制造業中得到廣泛應用。

激光加工具有非接觸式加工特點,不會破壞工件表面,減少了廢品產生。與傳統機械加工相比,激光加工不需要刀具,節約了材料和能源消耗。此外,激光加工還具有高精度、高效率、靈活性強等優勢,特別適用于微細零部件的加工和復雜曲面的加工。

4 結論

數控機床作為現代制造業中的重要設備,在高精度加工和多功能性能的基礎上,不斷發展進步。本文重點論述了數控機床的在線監測技術、故障診斷技術和數字孿生技術三大關鍵技術,主要得出以下結論:

1)數控機床的在線監測技術,通過基于瀏覽器或服務器的系統,實現對機床運行狀態的實時監測,有助于提高生產效率,降低故障風險。

2)故障診斷技術的應用則基于MATLAB APP進行開發,能夠快速診斷潛在故障并采取預防措施,從而減少停機和生產延誤。

3)數字孿生技術則為制造業提供了更智能、高效、可靠的發展方向,實現對物理實體的數字化表示和模擬,幫助制造業優化生產過程和決策。

4)未來數控機床的發展方向呈現出柔性化和環?；内厔?更加靈活適應不同的加工任務和生產環境。同時,數控機床將采用更加節能、環保的加工方式,減少對環境的污染和資源的浪費,符合全球可持續發展的要求。