数控机床使用可靠性关键技术探析

刘文学

(安徽省第一轻工业学校,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

数控机床作为现代制造业中的重要设备,具有效率高、精度高、自动化程度高等优点,被广泛应用于各种机械制造领域。随着技术的不断发展,数控机床的功能和性能得到了大幅度提升,成为制造企业提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本的重要手段[1-3]。

数控机床的在线监测技术、故障诊断技术和数字孪生技术在现代制造业中扮演着至关重要的角色。在线监测技术能够实时监测机床的运行状态和关键参数,有助于优化生产计划,实现更加高效的生产过程和资源利用。同时,随着机床的复杂性不断增加,传统的故障排查方法已经不能满足需要,引入机器学习和专家系统等技术,能使故障诊断更加准确、快速。制造商可以依靠故障诊断模型和故障数据库,迅速找到故障根源并采取有效措施。有助于缩短停机时间,提高机床的可用性和生产效率[4]。数字孪生技术将实际物理对象与数字化仿真模型相结合,为制造业带来了全新的转型机遇,借助数字孪生技术,相关企业及制造厂可以在设计阶段对机床进行优化,预测机床在不同工况下的性能,提高机床的工作效率和稳定性[5]。

本文旨在深入探讨数控机床的在线监测技术、故障诊断技术和数字孪生技术,系统论述其基本工作原理与应用方法,能够更好地理解数控机床的运行机理和优化手段,进而为现代制造业的发展和竞争提供新的思路和方法。

1 数控机床的基本结构和工作原理

1.1 基本结构

数控机床的基本结构通常包括以下几个部分[6]。

1)机床主体。数控机床的主要结构部分,包括床身、床板、立柱、工作台、工作台滑座、主轴等部分。

2)数控系统。数控机床的核心部件,包括计算机、控制器、编程器、输入输出设备等。

3)运动部件。数控机床的驱动和控制部分,包括伺服电机、伺服驱动器、螺杆、导轨、滑块等。

4)工具刀具。用于加工物料的工具,包括车刀、铣刀、钻头等。

5)液压和气动系统。用于控制机床各个部件的液压和气动元件,包括油泵、气缸、液压阀等。

6)辅助装置。包括夹具、自动换刀系统、自动润滑系统、冷却系统等,用于辅助机床进行加工操作。

以上是数控机床的基本结构,不同类型的数控机床可能会有所不同,但总体上都包括以上几个部分。在实际应用中,数控机床的结构和部件都需要经过精心设计和优化,以满足不同加工任务的要求。

1.2 工作原理

数控机床的工作原理是基于数控系统的指令控制下,通过自动化的加工流程,将工件按照要求进行加工的过程。数控机床的工作流程一般分为以下几个步骤[7-8]。

1)设计加工程序。首先,使用CAD(计算机辅助设计)软件设计出所需加工工件的三维模型,并将其转换为机床可读取的加工程序。加工程序包括加工路径、加工速度、刀具转速和进给速度等加工参数。

2)加载加工程序。将加工程序传输到数控系统中,并将其加载到机床控制器中。

3)调整机床。根据加工程序的要求调整机床的位置和姿态,以使工件能够正确地进入机床工作区域,并进行加工。

4)自动加工。启动数控系统,机床按照程序指令进行自动加工。在加工过程中,数控系统会根据预设的加工参数自动调整工具的转速、进给速度和加工路径等,确保加工的精度和效率。

5)检查加工结果。加工完成后,使用检测仪器检查加工结果是否符合要求。如有需要,可进行二次加工或调整。

6)结束加工。加工结束后,将机床恢复到初始状态,清理机床,为下一次加工作准备。

2 数控机床关键技术

2.1 在线监测技术

数控机床在线监测系统是基于浏览器或服务器的应用程序,旨在实时监测数控机床的运行状态和关键参数,主要结构通常包括以下三个层次:用户层、服务器层和数据库层(图1),用户层与用户直接交互,服务器层进行数据处理和监测控制,数据库层负责数据的存储和管理,这种结构的设计使得数控机床在线监测系统能够实现实时监测和远程控制,为用户提供更便捷、高效的机床管理和维护手段[9]。

图1 数控机床在线监控系统总体结构

数控机床在线监测技术的原理是通过安装各种传感器和数据采集系统,实时监测数控机床的运行状态和关键参数,传感器会持续地收集机床的各项数据,如温度、振动、电流、压力等,并将这些数据传输到数据采集系统。数据采集系统会对收集到的数据进行实时处理和分析,以便及时发现机床的异常情况或潜在故障(图2)。

图2 数控机床在线监测技术原理

2.2 故障诊断技术

2.2.1 数控机床故障诊断系统整体结构

数控机床故障诊断系统主要是基于MATLAB APP进行开发,通过设计故障诊断软件和试验台采集数据交互完成软件开发,进而形成数控机床故障诊断系统,目前常见的设计方案如图3所示,主要包括硬件搭建和软件设计共两个部分。

图3 数控机床故障诊断系统总设计方案

1)硬件搭建。硬件搭建部分主要涉及试验台的构建和传感器的安装。试验台是用于模拟数控机床运行的平台,可以在实验室环境中模拟机床的工作状态。试验台上需要安装各种传感器,用于实时采集数控机床的运行数据,包括振动传感器、温度传感器、电流传感器等。这些传感器将连接到数据采集设备,将收集到的数据传输给计算机进行处理。

2)软件设计。软件设计部分是数控机床故障诊断系统的核心,基于MATLAB APP进行开发,故障诊断算法利用传感器采集的数据,通过MATLAB的数据处理和分析功能进行实时处理。这些算法可能包括信号处理、模式识别、机器学习等技术,用于判断机床的运行状态和故障情况。

2.2.2 软件模块设计

1)用户管理模块。用户管理模块用于管理用户的身份验证、权限控制和安全性。该模块的功能涵盖用户登录、用户注册和用户密码管理等。通过合理设计和实施用户管理模块,系统能够确保用户在使用过程中的安全性和数据保护,从而提升系统整体的安全性和可信度。为确保用户管理模块的安全性,开发人员需要注意密码加密存储、身份验证机制、防止暴力破解、合法性校验等软件安全性。

2)数据导入模块设计。数据导入模块用于将外部数据导入到系统中,以便在系统中进行进一步处理和分析,设计时需要考虑数据格式的兼容性、数据验证、数据映射和错误处理等关键问题。

数据导入模块应该支持多种数据格式的导入,如CSV、Excel、JSON等常见数据格式,用户可以根据需求,选择合适数据格式进行导入。同时,模块应能够正确识别和解析不同数据格式的内容。

在导入数据前,数据导入模块应该对数据进行验证和清洗,包括检查数据的完整性、准确性和合法性。如果发现数据有错误或不完整,应该及时提示用户并提供相应的错误处理机制。

在导入数据时,外部数据的字段可能与系统内部数据字段不完全匹配。因此,数据导入模块需要提供数据字段映射功能,让用户将外部数据的字段映射到系统内部的字段,确保导入的数据能够正确地对应到系统中的相应数据项。

数据导入过程中可能会出现各种错误,如数据格式错误、重复数据等。模块应该能够捕捉这些错误并提供相应的错误处理机制,例如记录错误日志、跳过错误数据或者回滚导入操作。

对于大量数据的导入,可能需要一定时间完成。模块应该提供导入进度的显示,让用户了解导入的进展情况。同时,导入完成后,模块应该给予用户反馈,确认导入是否成功,并显示导入的结果。

2.3 数字孪生技术

2003年,美国Grieves教授提出了数字孪生概念,将现实世界中的实体或系统与其数字化模型相连接。这种数字模型可以在虚拟环境中模拟实体或系统的行为、性能和运行状态,从而实现实时监测、分析和优化。数字孪生技术的核心思想是通过连接实体和数字模型,实现实体在现实世界的影子或镜像,使得实体的设计、制造、运行和维护过程更加高效和智能化。

数控机床建模主要是建立各个坐标系的变换关系,一般包括平移和旋转两种,模型构建原理及公式如下。

2.3.1 平移变换

平移变换是将坐标系从空间中一个位置沿X、Y、Z三个矢量方向移动到另一个位置形成的新坐标系。

沿X、Y、Z三个矢量方向移动Δx、Δy、Δz时,由齐次坐标变换矩阵描述为

(1)

2.3.2 旋转变换

绕X轴旋转角度θ时,旋转变换由齐次坐标变换矩阵描述为

(2)

绕Y轴旋转角度θ时,旋转变换由齐次坐标变换矩阵描述为

(3)

绕Z轴旋转角度θ时,旋转变换由齐次坐标变换矩阵描述为

(4)

3 数控机床发展趋势

3.1 多功能化

数控机床不仅需要实现高精度加工,还需要具备多功能性能,能够满足不同领域的需求。例如,将数控机床与激光加工、电火花加工、喷雾加工等技术相结合,实现更加灵活多样的加工方式。

3.2 柔性化

随着制造业的不断进步和市场需求的多样化,数控机床需要具备更高的适应性和灵活性,以应对不同加工任务和生产环境。柔性化是数控机床技术的重要发展方向,未来的数控机床将具备更智能、自适应的特性。这种新型数控机床将能够根据不同的工件形状、尺寸和材料特性,自动调整加工程序和参数,实现快速换型和批量生产,将大大提高生产效率,降低生产成本,并为制造业带来更多的灵活性和竞争优势。

3.3 环保化

环保是全球关注的重要议题,制造业在该方面也面临着巨大挑战和责任。数控机床将采用更加节能、环保的加工方式,以减少能源消耗和废弃物产生。其中,水刀和激光等无污染加工方式成为热门选择。

水刀加工是一种利用高压水流和磨料进行切割的加工方式。水刀加工不产生有害气体和粉尘,不会产生污染物,对环境和操作人员的安全非常友好。此外,水刀加工还具有切割范围广泛、适用于多种材料、切割精度高等优点,因此在制造业中得到广泛应用。

激光加工具有非接触式加工特点,不会破坏工件表面,减少了废品产生。与传统机械加工相比,激光加工不需要刀具,节约了材料和能源消耗。此外,激光加工还具有高精度、高效率、灵活性强等优势,特别适用于微细零部件的加工和复杂曲面的加工。

4 结论

数控机床作为现代制造业中的重要设备,在高精度加工和多功能性能的基础上,不断发展进步。本文重点论述了数控机床的在线监测技术、故障诊断技术和数字孪生技术三大关键技术,主要得出以下结论:

1)数控机床的在线监测技术,通过基于浏览器或服务器的系统,实现对机床运行状态的实时监测,有助于提高生产效率,降低故障风险。

2)故障诊断技术的应用则基于MATLAB APP进行开发,能够快速诊断潜在故障并采取预防措施,从而减少停机和生产延误。

3)数字孪生技术则为制造业提供了更智能、高效、可靠的发展方向,实现对物理实体的数字化表示和模拟,帮助制造业优化生产过程和决策。

4)未来数控机床的发展方向呈现出柔性化和环保化的趋势,更加灵活适应不同的加工任务和生产环境。同时,数控机床将采用更加节能、环保的加工方式,减少对环境的污染和资源的浪费,符合全球可持续发展的要求。