基于運(yùn)行可靠性的電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018-2-12 來(lái)源：北京市電加工研究所 電火花加工技術(shù)實(shí)驗(yàn) 作者：孫東江 伏金娟 何虎 姜浩
摘 要: 電火花加工機(jī)床因不正確的操作和維護(hù)而引發(fā)的故障率較高。為此研究并設(shè)計(jì)了電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和機(jī)床的維護(hù)，提升了機(jī)床的運(yùn)行可靠性。考慮到監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)自身的可靠性是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控準(zhǔn)確可靠的必要條件，因此從硬件可靠性設(shè)計(jì)角度對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討，所形成的裝置已在電火花加工機(jī)床的監(jiān)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用和驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞: 電火花加工機(jī)床; 監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng); 運(yùn)行可靠性
電火花加工機(jī)床使用過(guò)程中，某些電器元件或機(jī)械零部件可能出現(xiàn)損壞或故障，降低機(jī)床運(yùn)行的可靠性。如何通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)提升電器元件和機(jī)械零部件的應(yīng)用可靠性，預(yù)防各種故障，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)保養(yǎng)，進(jìn)而提高機(jī)床的無(wú)故障工作時(shí)間和使用壽命是可靠性工作尤其是運(yùn)行可靠性工作的核心問(wèn)題。
張根保教援在他的文章中指出: 機(jī)床運(yùn)行因素引起的故障會(huì)占總故障的 20% 左右。圖 1 為唐賢進(jìn)學(xué)者獲得的某廠數(shù)控臥式加工中心的故障統(tǒng)計(jì)情況。從圖可以看出，機(jī)床使用過(guò)
程中引發(fā)的故障占 58． 73% ，其中保養(yǎng)不當(dāng)占比達(dá)18． 09% 。數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明，數(shù)控機(jī)床正確的維護(hù)保養(yǎng)對(duì)于機(jī)床的可靠性是至關(guān)重要的。
2000 年英國(guó)可靠性專家 O'CONNOＲ指出: 現(xiàn)有的可靠性研究局限于概率統(tǒng)計(jì)方法，闡述了在解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)容易產(chǎn)生誤導(dǎo)和無(wú)效的原因。2009 年意大利學(xué)者 ZIO提出: 利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)確保系統(tǒng)可靠的運(yùn)行，以減少故障，提高生產(chǎn)率。我國(guó)學(xué)者張根保運(yùn)用模糊集理論，建立了數(shù)控機(jī)床模糊可靠性分配指標(biāo)體系和權(quán)重來(lái)解決傳統(tǒng)可靠性理論的缺陷; 開發(fā)了用戶開機(jī)強(qiáng)制維護(hù)保養(yǎng)界面，強(qiáng)制用戶在機(jī)床運(yùn)行前對(duì)機(jī)床進(jìn)行保養(yǎng)，提升運(yùn)行可靠性 。
本文為提升電火花加工機(jī)床的運(yùn)行可靠性，設(shè)計(jì)了機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，對(duì)電火花加工機(jī)床本體、脈沖電源進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)保養(yǎng)提醒; 同時(shí)，針對(duì)監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，對(duì)監(jiān)控主板接口電路進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)。
1、電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
電火花加工機(jī)床主要包含機(jī)床本體、數(shù)控系統(tǒng)、脈沖電源、工作液系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等部分。監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)需要依據(jù)機(jī)床狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集、歷史維護(hù)數(shù)據(jù)等制定維護(hù)策略，并通過(guò)人機(jī)接口、蜂鳴器等方式預(yù)警，報(bào)警給操作和維護(hù)人員。
如圖 2 所示，電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)包含主控制器和從設(shè)備兩部分。主控制器采集溫濕度、高度、震動(dòng)、GPS 等機(jī)床工作環(huán)境信息; 通過(guò) ＲS485 總線實(shí)現(xiàn)各從設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)傳感器的分布式數(shù)據(jù)采集; 通過(guò)以太網(wǎng)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控系統(tǒng)和服務(wù)器進(jìn)行通訊。
主控制器的液晶屏可以顯示這些從設(shè)備采集的數(shù)據(jù)、維護(hù)提醒，也可以配置設(shè)備編號(hào)和遠(yuǎn)程服務(wù)器地址。
2、主控制器硬件及接口可靠性設(shè)計(jì)
圖 3 是電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)主控制器硬件框圖。控制器采用具有高性能、低功耗、多接口的AＲM Cortex － A8 內(nèi)核微處理器作為主處理器，協(xié)處理器采用超低功耗
AＲM Cortex － M3 微處理器。主監(jiān)控CPU 主要功能是進(jìn)行電壓、電流、溫度、高度等數(shù)據(jù)的采集和通過(guò)以太網(wǎng)或者 3G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控系統(tǒng)通訊，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和維護(hù)策略等運(yùn)算。
協(xié)處理器MCU 主要功能是讀取 GPS 數(shù)據(jù)、采集震動(dòng)參數(shù)、進(jìn)行智能電池電源管理等。主監(jiān)控 CPU 與協(xié)處理器 MCU之間通過(guò)串口進(jìn)行通訊。
2． 1 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)
主控制器通過(guò)以太網(wǎng)上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用千兆以太網(wǎng)接口，充分考慮傳輸帶寬的同時(shí)，通過(guò)接口可靠性設(shè)計(jì)提升監(jiān)控可靠性。圖 4 是設(shè)計(jì)的電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)主控制器以太網(wǎng)接口的原理圖。
在圖 4a 中，四對(duì)差分線阻抗控制為 100 Ω，通過(guò) 1: 1千兆變壓器隔離保護(hù)內(nèi)部電路; 在圖 4b 中，在變壓器輸出到連接器之間通過(guò) TVS 管及串接電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電和浪涌電流的吸收; 在圖 4c 中，通過(guò)氣體放電管實(shí)現(xiàn)接口的雷擊防護(hù)。
2． 2 控制器
ＲS485 接口主控制器與機(jī)床的傳感器及采集節(jié)點(diǎn)往往在不同的位置，需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街骺刂破鳎员銓?shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理。ＲS485 總線采用平衡發(fā)送和差動(dòng)接收方式實(shí)現(xiàn)通信，具有很高的通信可靠性，同時(shí)因其簡(jiǎn)單、成熟、低廉、便于維護(hù)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。
本設(shè)計(jì)采用 ADUM2587 進(jìn)行接口可靠性設(shè)計(jì)。ADUM2587 具有 2. 5 k V rms 隔離電壓，± 15 k VESD 保護(hù)，開路、短路故障保護(hù)等特性，并集成隔離DCDC 轉(zhuǎn)換器。利用ADUM2587 的開路、短路故障保護(hù)功能，在單個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常時(shí)不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的通訊。圖 5 為其典型電路原理圖。
據(jù)此，并充分考慮可靠性設(shè)計(jì)，主控制器的 ＲS485電路原理圖優(yōu)化為如圖 6a 所示。圖 6b 中 J24 的 1 腳為主控制器的接口地。ＲS485的接地問(wèn)題常常被忽視，誤認(rèn)為 ＲS485
不需要信號(hào)地，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)間只需要一根雙絞線將 A、B 端連接起來(lái)就可以了。
雖然這種方式在某些情況下也可以工作，但 ＲS485 的收發(fā)器只有在共模電壓不超出 － 7 ～ +12V 的條件下才能正常工作。因?yàn)榻邮斩说墓材ｋ妷旱扔诎l(fā)送端的共模電壓加上地電位差，若兩端接地線未連接，共模電壓可能超出上述正常工作范圍，進(jìn)而影響通信的可靠性，甚至損壞接口。
因此，采用低阻的信號(hào)線或屏蔽層將兩端接口的工作地連接起來(lái)，使地電位差為零，是總線通訊可靠性設(shè)計(jì)不可或缺的工作。
根據(jù)傳輸線理論，在 ＲS485 網(wǎng)絡(luò)的兩端加入終端電阻 ( 圖 6b 的 Ｒ99 ) 來(lái) 吸 收 網(wǎng) 絡(luò) 上 的 反 射 干 擾。ＲS485 總線處于空閑狀態(tài)，需要有上拉電阻( 圖 6b 的Ｒ85
) 和下拉電阻( 圖 6b 的 Ｒ86) 來(lái)確保 A、B 線之間有一個(gè)確定的空閑電位。ＲS485 總線 只是 定 義了 接 口 電 平等 物 理 層 標(biāo)準(zhǔn)，上層協(xié)議尚需根據(jù)實(shí)際工程的需要來(lái)定義。通常數(shù)據(jù)包協(xié)議格式由引導(dǎo)碼、長(zhǎng)度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、尾碼等組成，協(xié)議不夠簡(jiǎn)練。Mod-bus 協(xié)議以其簡(jiǎn)練、開放、成熟等特點(diǎn)在工控、水文、電力等行業(yè)的設(shè)備及系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。
本文采用 Modbus 協(xié)議來(lái)進(jìn)行主設(shè)備和各從設(shè)備之間的通信。
3 、電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)軟件開發(fā)
3． 1 主控制器程序流程
主控制器主要完成兩個(gè)功能: 一是通過(guò)各傳感器及節(jié)點(diǎn)獲取機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài); 二是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總，并在本地和遠(yuǎn)端呈現(xiàn)給維護(hù)人員機(jī)床狀態(tài)和維護(hù)提醒。首先，系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化操作，主要包括設(shè)置通訊接口、定時(shí)器、開門狗、傳感器等內(nèi)容。
初始化完成后，主控制器配置從設(shè)備節(jié)點(diǎn)，包括節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)通訊速率等內(nèi)容。從設(shè)備節(jié)點(diǎn)配置完成后，控制器開始對(duì)從設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描，并對(duì)獲取到的節(jié)點(diǎn)報(bào)文進(jìn)行處理。
控制器將來(lái)自服務(wù)器的報(bào)文分為服務(wù)器配置報(bào)文、服務(wù)器查詢報(bào)文、服務(wù)器維修知識(shí)庫(kù)更新報(bào)文三類; 控制器接收從設(shè)備節(jié)點(diǎn)報(bào)文后，結(jié)合維護(hù)知識(shí)庫(kù)，執(zhí)行維護(hù)決策算法，并在 HMI 更新維護(hù)提醒。參見圖7 所示程序流程圖。本控制器的設(shè)計(jì)中，控制器可以將狀態(tài)及維護(hù)信息上傳到遠(yuǎn)端服務(wù)器; 同時(shí)，控制器可以脫離服務(wù)器單獨(dú)運(yùn)行，并通過(guò)
HMI 實(shí)時(shí)呈現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)和維護(hù)提醒信息; 控制器還可以根據(jù)掃描節(jié)點(diǎn)數(shù)的多少及故障狀態(tài)情況，自動(dòng)配置節(jié)點(diǎn)、調(diào)整掃描時(shí)間間隔等，既降低了通信故障率，又可以通過(guò)提升故障掃描間隔來(lái)準(zhǔn)確獲取故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高機(jī)床的可靠性與安全性。
3． 2 控制器人機(jī)界面設(shè)計(jì)
控制器的人機(jī)界面按照簡(jiǎn)單可靠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖 8 界面主要包含機(jī)床監(jiān)控和維護(hù)兩個(gè)部分。系統(tǒng)分別對(duì)油泵、過(guò)濾系統(tǒng)、各核心模塊的溫濕度、各軸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在監(jiān)控菜單顯示; 系統(tǒng)依據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及各模塊維護(hù)的歷史經(jīng)驗(yàn)，制定維護(hù)策略，通過(guò)進(jìn)度條直觀地顯示在維護(hù)菜單上。
4 、結(jié)語(yǔ)
( 1) 為提升電火花加工機(jī)床的運(yùn)行可靠性，本文設(shè)計(jì)了一種電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)，詳細(xì)討論了電火花加工機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)控制器的可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容和需要注意的問(wèn)題
( 2) 系統(tǒng)采用分布式總線實(shí)現(xiàn)控制器與節(jié)點(diǎn)、控制器與服務(wù)器的通訊，控制器可獨(dú)立工作，節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，有效地提高系統(tǒng)的可靠性、安全性。
( 3) 圖 9 是本文依據(jù)上述研究設(shè)計(jì)完成的電火花機(jī)床監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)控制器裝置，在 A35 數(shù)控電火花成形加工機(jī)床上進(jìn)行了初步應(yīng)用和驗(yàn)證，達(dá)到了的預(yù)期的目的。
本文對(duì)電火花加工機(jī)床的運(yùn)行可靠性工作進(jìn)行了初步的探討，拋磚引玉，希望引起業(yè)界學(xué)者的關(guān)注，后續(xù)工作還需積累更多的機(jī)床數(shù)據(jù)，優(yōu)化維護(hù)策略，進(jìn)而更好地提升電火花加工機(jī)床的運(yùn)行可靠性。
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