基于机床做功量的监控系统开发.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 1 卷 第2 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S J a r L 2 0 1 3 Vo 1 ． 4 1 No ． 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 3 9 基于机床做功量的监控系统开发 李平，黄泽森 绵阳职业技术学院机电工程系，四川绵阳6 2 1 0 0 0 摘要在分析机床维护保养不 良是影响机床可靠性的关键因素的基础上，将一种新的可靠性思想用户监控维护方 法引入数控机床可靠性研究领域中。提出了机床定功维护的概念，并以丝杆螺母副维护保养为例，建立了丝杆螺母副与电 机做功关系的数学模型。给出了主轴电机功率的获取方法 ，并通过对数控系统西门子 8 4 0 D进行二次编程，开发了基于用 户角度来提高机床可靠性的用户监控维护系统。该系统在数控机床上的成功应用为机床可靠性的研究提供了一种新的思路 和方 法。 关键词数控机床；维护保养；丝杆螺母副 ；可靠性 中图分类号T H 1 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1【 2 0 1 3 21 1 3 5 De v e l o p me n t o f M o ni t o r i ng S y s t e m Ba s e d o n t he W o r k Lo a d o f M a c h i n e To o l LI Pi ng。 HUANG Ze s e n Me c h a n i c a l E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t me n t ， Mi a n y a n g V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c al C o l l e g e ， Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f p o o r ma i n t e n a n c e o f NC ma c h i n e t o o l i s t h e k e y f a c t o r o f i n flu e n c i n g t h e mach i n e t o o l r e l i a b i l i t y，a n e w me t h o d w h i c h c a l l e d U s e r Mo n i t o r a n d Ma i n t e n a n c e wa s i n t r o d u c e d ，a n d a c r e a t i o n a l c o n c e p t o f ma i n t e n an c e b a s e d o n w o r k t o t h e fi e l d o f NC ma c h i n e r e l i a b i l i t y r e s e a r c h wa s p u t f o r w a r d ．B y t h e e x a mp l e o f ma i n t e n a n c e o f b a l l s c r e w a n d n u t ，t h e ma t h mo d e l b e t w e e n t h e b a l l s c r e w a n d n u t ，a n d t h e w o r k o f e l e c t r o mo t o r w a s e s t ab l i s h e d ．Th e me t h o d o f o b t a i n i n g p o we r o f ma i n s p i n d l e mo t o r w a s g i v e n， a n d t h e S y s t e m o f U s e r Mo n i t o r a n d Main t e n a n c e b a s e d o n s e c o n d a r y d e v e l o p me n t o f NC S i me n s 8 4 0 D s y s t e m b y u s e r s t o i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f NC ma c h i n e t o o l w a s d e v e l o p e d ．Th e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m o n t h e NC ma c h i n e t o o l p r o v i d e s a n e w me t h o d a n d i d e a for t h e r e s e arc h o f NC ma c h i n e t o o l s r e l i a b i l i t y ． Ke y wo r d s NC ma c h i n e t o o l ；Ma i n t e n a n c e ；B a 1 l s c r e w and n u t ；Re l i a b i l i t y 1 监控 系统开发的背景 机床整机的可靠性除了与机床设计过程、装配过 程密切相关外，还与机床维护保养状况有非常大的关 系，如油冷机过滤网堵塞后不更换，引起主轴温升过 高 ，导致主轴精度下降，甚至出现主轴烧坏的严重故 障。图 1 是通过对某机床厂系列加工中心近两年来的 售后维修数据进行统计得到的图表。可以看出由于 对机床 的维护保养不 当引起 机床故障 的比率 约 占 1 8 ％。因此，有必要建立机床用户监控维护系统，对 关键运行参数进行实时监测，当超过规定值时发出报 警 ，及时提醒操作人员对机床进行合理的维护和保 养，从用户使用角度来提高机床的可靠性。 机床在运行过程中可以分为精加工、粗加工和空 运转 3种工作状态。在这 3种状态下 ，机床的实际功 率是不相等的，因此 ，机床各功能部件的损耗程度也 是不同的，需要对其采取的相应维护保养措施在一定 时间内也是不同的。而 目前 ，对机床采取的定时维护 保养或者定件维护保养并不能满足这种情况。为此 ， 作者创造性地提出机床定功维护的概念 ，对机床功能 部件的做功量参数进行实时监控 ，当做功量累积值超 过机床功能部件定功维护保养值时发出警报，及时提 醒操作人员对机床功能部件进行相应维护和保养。文 中以丝杆螺母副的维护保养为例，对监控系统开发作 详细说明。 图 1 加工中心故障原因分析图 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 0 1 作者简介李平 1 9 8 2 一 ，男，工学硕士，讲师，研究方向为机械制造和数控加工技术。Ema i l l i p i n g ． 0 2 2 7 y a h o o ．c o m． c n。 第 2期 李平 等 基于机床做功量的监控系统开发 1 1 5 取，因此采取获取主轴 电机功率的方法。通过嵌入 在数控系统里面的 V B界面和数控系统的信息交互 ， 基于 D D E方式来实现对主轴实际功率 的动态获取 ， 并把获取的瞬时功率值运算成机床主轴电机做功累积 值 ，再通过机床主轴做功与进给轴驱动电机做功 关系 W k W 其中 k 为在一定时间内，加工典型零 件测得的实验数据 ，计算出驱动电机做功累积值 并存入 A c c e s s 数据库，然后通过试验获得当磨损量 达到 △ ， 日 寸 ，丝杆是否需要采取维护措施。将此时驱 动电机做功量 设为机床定功维护值 ，判断当前做 功累积值 是否超过机床定功维护保养值 。如果 超过 ，则将当前做功累积值 存人 A c c e s s 数据库以 便以后查询 ，同时发送报警信号给 P L C ，以提醒用户 对丝杆螺母副采取维护措施。 图 4是本系统的软件流程图。 心 地 轴 鞲 图4 机床监控维护系统软件流程图 3 ． 2 关键功能、程序设计 1 V B界面和数据库设计 该监控系统的显示界面设计完全在 V B下进行 ， 其过程实际上是编写一个 V B多窗体程序 。每一个 窗口作为单独的子功能，以子窗口的形式被调用 ，多 个窗体一起组成整个界面功能。根据监控维护系统的 功能要求 ，同时考虑到软件 良好的人机交互功能，将 软件的结构分为做功实时监控信息显示、报警历史记 录查询两部分。 在该系统中，做功累积值 、中间表的累积值 、显示表的累积值 都需要进行保存和调用。因 此 ，选择 A c c e s s 2 0 0 3设计出累积表、中间表、报警 表 。 2 机床功率的获取 在该系统开发的界 面上，需要时刻更新主轴功 率，这就需要通过 D D E读取 N C K变量，这里选取 N C K变量 L O A D来读取。在程序设计之前，先设置 N C D D E s e r v e r为本 地操作 模式 ，设 置 N c d d e S e r v e r - N a m e 为 n c d d e 。读取功率的代码为 T e x t 1 ．L i n k To p i c” n c d d e I nc u 8 4 0 d” T e x t 1 ． L i n k I t e m” ／ D r i v e H s a ／ S t a t e ／ l o a d [ u 1 ] ” T e x t 1 ． L i n k Mo d e 1 ／ ／ 连接模式为热连接 3 数据处理与存储 当主轴动态功率获取后 ，需要把其计算成驱动电 机做功值，并把做功值进行叠加存储，同时把当前做 功值与上一次报警值的差值和定功维护保养值进行比 较，如果差值比定功维护保养值大，则机床报警提醒 用户采取维护措施和存储报警记录；反之，则继续叠 加做功值，然后把差值与定功维护保养值进行比较， 如此反复不断地进行。 为实现这一过程 ，第一步以间隔时间 t 为周期 对主轴功率进行动态获取，得到 P ；第二步使 P 与 t 相乘 ，得到 Wi ；第三步对各 进行叠加并乘 以系数 k ，把结果赋给变量 并存储在 A c c e s s 数据 库的累积表中；第四步 使 与中间表的累积值 的差值 WI 一 和定功维护保养值 进行 比较； 第五步如果 一 ，则机床报警并把 赋 给 以及把 赋给报警表的累积值 。如果 一 ，则 继续叠加等待下一次比较。图 5为运 算与存储程序流程图。 图5 运算与存储程序流程 4 P L C报警设计 在该监控系统中，当做功累积达到丝杆螺母副定 功维护值时，需要报警以提示用户，采用 P L C用户 报警 O M设置。 编辑报警文本所使用的编辑器为 Mi c ro s o ft的 D o s 环境下的 A S C I I 编辑器 ，通过在 D o s 提示符下键人 E d i t 可进入编辑器。文本内容为 1 1 6 机床与液压 第4 l 卷 ％ 一N jl A N K O N G C H C O M／ ／ 文件名， 中文显示 ； MYMP a t h／ 一NMBD I R／ ／ 文件存储 目录 7 0 0 1 5 0 0 0“ 请对丝杆螺母副采取维护保养措施” ／ ／ 7 0 0 1 5 0为报警号 编辑完报警文本后，需要在 F ＼MM C 2、M B D D E ． I N I 中定义报警文件才能生效，格式为 [ T e x t F i l e s ] U s e r P L C” F ” ＼ d h ＼ m b ． d i r ＼ j i a n k o n g 一 编辑激活报警程序，在 P L C程序 中，需要添加 以下程序 。 A M1 0 0 ． 0／ ／ 当 M1 0 0 ． 01时， 屏幕显示 7 0 0 1 5 0 错误信息 DB 2． DBX1 9 1 ． 2 C AL L F C1 0 3 ． 3 嵌入技术设计及 实现 1 创建语言动态链接库 在西门子系统的界面上，有 8个水平软键和 8 个 垂直软键，其中报警文本不是在 V B中编辑的，而是 用 V C 语言开发数据库链接进来的，同时包括对 话框、消息、标签等文本 ] 。在创建之前，先建立 R C源文件。其内容为要实现的文本与软键等控件有 一一 对 应 的关 系 。利 用 V C 选 项 M F C A p p Wi z a r d d l 1 ，然后选择 R e g u l a r D L L u s i n g s h a r e d M F C D L L ， 再 根 据R C 源 文 件，创 建 该 系 统 语 言D L L j i a n k o n g ． d l 1 ，并将其移至 O E M指定 目录下。下面 是该系统的部分 R C源文件。 S TRI NGT AB I E DI S CARDA B LE BEGI N 0“ 1 0 ” ／ ／ 水平软键 的起始地址 1“ 5 0 ” ／ ／ 对话框 ， 消息， 或出错等文本的起始 地址 l 0“ 报警记录”／ ／ 第一个界面的第一个水平软键 的文本 1 1 “ ” 1 2 “ ” 1 3 “ ” l 4 “ ” 1 5 “ ” 1 6“ 退出”／ ／ 第一个界面的第七个水平软键的文 本 1 7 “ ” END 在语言 D L L文件编辑完成后，必须有下列 的语 句，读取语言 D L L的内容。 r e t L o a d S t r i n g g - h L a n g u a g e L i b H a n d l e ， 1 0 ， c h t m p S t r i n g ， M A X S T R I N G L E N L a b l e 1 ． C a p t i o nc h t r n p S t r i n g’ L a b l e l的内容显示 为“ 报警记录 ” 2 嵌入界面与数据库“ 叫 该系统的显示界面需要嵌入到西门子系统中，从 而实现机床的自动监控。这必须借助于 O E M开发软 件。 建立 程序 管理 文件 r e g i e ． i n i ，将 其移 至 ⋯⋯／ O E M ／ 下，r e g i e ． i n i 是一个 对基本模块 、应用程 序、 动态链接库和 V B X文件的柔性管理的控制文件，用 文本进行编辑。各应用是由 R e g i e 开始管理启动，其 信息一起置于中 r e g i e ． i n i ，构成程序管理文件。 ro m e ． i n i 此文件包含所有的用户特定设定 ，能在 此处设定颜色和语言。在该监控系统的开发中，沿用 标准用户界面 MM C 2中的 m m c ． i n i ，不再另行设置。 建立初始化文 件 j i a n k o n g ． i n i ，将其 移至 ⋯⋯／ O E M ／ 下，其作用是控制着子窗口和控制文件的管理。 用文本编辑，内容为 [ C O N T R O L ] MD I L i s t j i a n k o n g ． m d i C o n t r o l F i l ej i a n k o n g ． Z U S 其 中 ，MD I L i s t 是子窗 口的列表 ，所 有 的子 窗 口 列表都在位于 j i a n k o n g ． m d i 中，C o n t r o l F i l e表示控制 的文件 ，如状态和动作都位于文件 j i a n k o n g ． Z U S 中。 子窗 口列表文件 j i a n k o n g ． m d i 的内容 为 “ O E M F O R M1 ”1／ ／ 监控状 态窗 口， 1 表 示第一 个 状态 “ O E M F O R M2 ”2／ ／ 报警记 录窗 口， 2表 示第二 个 状态 j i a n k o n g ． Z U S 也是用写字板编辑的，存放着所有 的状态矩阵，状态矩阵描述着状态中的软件如何分配 任务。每一个状态的结构一般是一个 1 7 8的矩阵 表，每行对应着一个状态序号 ，由状态／ 动作 、入 口 等级、水平键文本 、垂直键文本、子窗口、返 回值、 标识符、注释组成。下面为该系统界面 1的状态矩阵 人 口等级为默认等级，无注释 ，其内容为 [ 0 ] 0 0“ O E MF O R M1 ⋯ 一’ ‘ ‘ 0 ” 0 0 一】 一1 “ ” “ 0” 】 1 一l 一1“ ” 2 1 1“ ” 3 1 1“ ” 4 1 1“ ” 5 1 1“ ” 6 1 1“ ” 7 1 1 “ ” 8 1 1 “ ’ ’ 9 1 1 “ ” 1 0 1 1 “ ” 1 1 1 1“ ” ‘ ‘ 1 ”0 “ 2”0 “ 3”0 “ 4”0 “ 5 ”0 “ 6”0 “ 7”0 “ 8”O “ 9”0 “1 0”0 “1 1 ”0 第 2期 李平 等 基于机床做功量的监控系统开发 1 1 7 l 2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 一l 1 6 1 “1 2”0 “1 3”0 “1 4”0 “l 5”0 “1 6”0 嵌入 V B执行文件 j i a n k o n g ． e x e ，将 j i a n k o n g ． e x e 移至⋯⋯／ O E M ／ 下。至此 ，整个 O E M设计过程完成， 其框架结构如图6 。 OEM j i a n k o n g ． d l l j i a n k o n g ． e x e r e g i e ．i n i ，mmc ． i n i j i a n k o n g , i n i 【 jj i i a a n n k k 。 o n n 昏 g ,m z u d s i 图6 O E M框架结构 4 监控系统的应用 通过试验测得 ，当磨损量 ，为 0 ． 51 0 m m 时，需要对丝杆螺母副采取维护措施 ，此时驱动电机 做功可以通过式 1 0 和图 3求得 ，WI 3 ． 61 0 MJ 。 把该系统应用在 T H M 6 3 8 0卧式加工 中心上，运 行的界面如图 7所示，当累积做功达到 3 ． 61 0 M J 时 ，机床会 自动报警。 图7 用户维护监控系统界面 5结论 以高开放 、高性能的数控系统西门子 8 4 0 D为设 计平 台 ，通 过 V B开发 的用户 界面和 V C动态链接 库 在 O E M软件开发环境中嵌入 ，开发出了基于用户角 度来提高可靠性的用户监控维护系统， 提高机床的智 能化程度。 文中将一种新的可靠性方法用户监控维护思 想引入数控机床可靠性研究领域中，创造性地提出定 功维护的概念 ，通过建立丝杆螺母副与电机做功的数 学模型 ，为定功维护提供理论依据 ；为提高机床可靠 性提出新的方法和思路。 所应用的研究方法使用户对机床的维护保养更合 理、更优化 ，而且该思想方法也可用于其他设备维 护 ，具有 良好 的工程应用前景 。 参考文献 【 1 】 X U J i a n s h e n g ， Z H O U L a n ， Z H A O Y u a n ． C o m p o s i t i o n o f t h e S u rf a c e L a y e r R u b b e d u n d e r t h e S e l e c t i v e[ C] ／ ／ T r a n s f e r C o n d i t i o n 3 r d I n t e r n e t i o n a l S y mp o s i y m ， 1 9 9 0 4 8 14 8 4 ． 【 2 】 徐建生 ， 赵源． 轧机压下装置中重载丝杆 一 螺母副的磨 损 自补偿 系统磨损模型的建立[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 1 ， 1 2 2 1 1 9 21 9 4 ． 【 3 】 郭圣路 ， 张荣圣． V i s u a l B a s i c 6 ． 0中文版从入门到精通 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 4 】 M I C H A L O S K I J o h n ， B I R L A S u s h i l ， Y E N J e r r y ． S o f t w a r e M o d e l s f o r S t a n d ard i z i n g t h e Hu ma n Ma c h i n e i n t e rfa c e C o n n e c t i o n t o a Ma c h i n e C o n t r o l l e r [ J ] ． C h i c h e s t e r J o h n Wi l e y and S o n s L t d， 2 O 0 3 ． 【 5 】陈顺红 ， 张桂香， 孔宇， 等． 基于 8 4 0 D的凸轮轴磨床数 控 O E M软件 的开发 [ J ] ． 数控专栏 ， 2 0 0 8 3 1 4 7 1 5 0． 【 6 】 张晓华． 数据库基础及应用 A c c e s s 2 0 0 3操作基础及应 用[ M] ． 重庆 重庆出版社， 2 0 0 9 ． 【 7 】 S i n u m e r i k 8 4 0 D _ 8 I O D简明调试手册[ M] ， 2 0 0 5 ． 【 8 】刘春辉， 徐建飞． V i s u a l C 程序设计学习笔记[ M] ． 北 京 电子工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 9 】 吴艳花． 基于 V B下西门子 8 4 0 D数控系统界面的二次 开发[ D] ． 兰州 兰州理工大学 ， 2 0 0 5 ． 【 1 0 】 S i m e n s ． 8 4 0 D H M I P r o g r a m m i n g P a c k a g e [ M ] ． 上接 第 1 0 3页 参考文献 【 1 】姜继海， 于安才 ， 沈伟 ， 等． 基于 C P R网络的全液压混合 动力液压挖掘机[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 9 4 4 4 9 ． 【 2 】张延廷 ， 王庆丰 ， 肖清 ， 等． 混合动力液压挖掘机液压马 达能量 回收的仿真与试验 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7 8 2 1 82 2 2 ． 【 3 】 邢树鑫， 林明智 ， 戴群亮． 混合动力挖掘机回转系统设计 [ J ] ． 工程机械， 2 0 1 0 ， 1 2 6 3 8 4 0 ． 【 4 】 宋德朝 ， 刘刚， 罗军， 等． 混合动力挖掘机动力系统方案 设计与仿真研究 [ J ] ． 机电一体化， 2 0 0 9 8 8 8 9 1 ． 【 5 】 刘刚， 宋德朝， 陈海明， 等． 并联混合动力挖掘机系统建模 及控制策略仿真[ J ] ． 同济大学学报， 2 0 1 0 7 7 9 8 4 ． 【 6 】肖清， 王庆丰， 张彦廷， 等． 液压挖掘机混合动力系统建 模及控制策略研究 [ J ] ． 浙江大学学报， 2 0 0 7 3 4 8 1 4 8 3 ． 【 7 】张远深， 王书武， 沈欢 ， 等． 混合动力挖掘机模拟试验台 设计 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 5 7 3 7 4 ．