高能機(jī)床主軸診斷系統(tǒng)的診斷單元

發(fā)布時(shí)間：2020-10-11 11:57:20點(diǎn)擊率：

基于診斷系統(tǒng)的zui大挑戰(zhàn)，也就是對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行可靠而無錯(cuò)誤報(bào)警的監(jiān)控，從而使無故障生產(chǎn)成為可能，ISPI項(xiàng)目所研制的高能機(jī)床主軸診斷系統(tǒng)的診斷單元提高了生產(chǎn)設(shè)備的可靠性。

對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備來說，重要的不光是加工速度和加工精度，可靠性也同樣重要。所以，有助于提高機(jī)器可靠性和過程質(zhì)量的智能診斷工具，是亞琛WZL機(jī)床講座的核心研究課題之一。

監(jiān)控方案規(guī)定，在過程中采用可靠的高性能傳感器和執(zhí)行器，以便能夠拿到有關(guān)各個(gè)部件工作狀態(tài)或者整個(gè)過程的可靠數(shù)據(jù)。

機(jī)床上的核心部件是主軸。主軸的工作狀態(tài)受一系列與時(shí)間有關(guān)的影響因素的制約，如溫度、轉(zhuǎn)數(shù)、外部負(fù)荷、軸向及徑向振動(dòng)或者環(huán)境條件等。過去做過許多試驗(yàn)，以采集主軸不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。因此，如今幾乎所有快速旋轉(zhuǎn)的主軸都按標(biāo)準(zhǔn)配置了傳感器，用以測(cè)量軸承部位和馬達(dá)線圈上的溫度，個(gè)別機(jī)床還在主軸頭上配置了軸向和徑向移位傳感器，在軸承部位裝配了振動(dòng)傳感器。此外還有監(jiān)控刀具夾緊狀態(tài)的傳感器以及位置傳感器和內(nèi)部控制信號(hào)。

盡管如此，迄今主軸診斷系統(tǒng)在實(shí)踐中經(jīng)受住考驗(yàn)的卻。原因并不在于傳感器信息不足，而在于缺少數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)處理的智能算法，在于傳感器對(duì)干擾的敏感性太高。所以，診斷系統(tǒng)的zui大挑戰(zhàn)依舊是，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行可靠而無錯(cuò)誤報(bào)警的監(jiān)控，從而使無故障生產(chǎn)成為可能。

那么，以什么樣的方式才能對(duì)主軸的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地采集、分析處理并將它們相互關(guān)聯(lián)起來呢？哪些數(shù)據(jù)是提供主軸狀態(tài)的明確信息呢？主軸制造廠家和用戶對(duì)高能機(jī)床主軸診斷系統(tǒng)的興趣有增無減。

聯(lián)邦科研部BMBF的ISPI智能主軸單元項(xiàng)目深入探討了這些問題，研究了高能機(jī)床主軸診斷系統(tǒng)的初步思路。為此在兩條試驗(yàn)主軸上安裝了許多傳感器和執(zhí)行器，以便用傳感方式采集主軸的臨界工作狀態(tài)，并借助執(zhí)行器加以調(diào)節(jié)。比如內(nèi)裝的加速傳感器用于對(duì)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，DMS測(cè)力環(huán)則測(cè)量預(yù)拉力。一體化內(nèi)置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括壓電陶瓷調(diào)節(jié)元件，利用該元件可以調(diào)節(jié)軸承的預(yù)應(yīng)力，另裝有一臺(tái)微型計(jì)量泵，可主動(dòng)對(duì)主軸軸承的微量潤(rùn)滑進(jìn)行調(diào)節(jié)，另外還有各種各樣的控制功能。

ISPI項(xiàng)目取得的部分結(jié)果是一個(gè)微型化的數(shù)據(jù)記錄器，數(shù)據(jù)記錄器也可以附加安裝在機(jī)床的控制裝置上。數(shù)據(jù)記錄器的任務(wù)是，把主軸當(dāng)作一個(gè)機(jī)電一體化的機(jī)器組成部分，給它裝上一種分散的智能（圖2）。這樣，主軸今后不僅能對(duì)環(huán)境的變化自動(dòng)做出反應(yīng)，而且也能進(jìn)行自我診斷。數(shù)據(jù)記錄儀裝有一臺(tái)微處理器和一個(gè)存儲(chǔ)模塊，因而可以作為一個(gè)連接機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)經(jīng)過內(nèi)裝的傳感器采集主軸的工作狀態(tài)。

為了避免出現(xiàn)主軸的臨界工作狀態(tài)，比如需要對(duì)碰撞、過載荷以及溫度的變化進(jìn)行監(jiān)控。為此首先需要對(duì)主軸的臨界工作狀態(tài)以及非臨界工作狀態(tài)全部從測(cè)量技術(shù)上進(jìn)行采集，并保存在一個(gè)共享的數(shù)據(jù)庫里。然后可以根據(jù)這個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，求出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)之間現(xiàn)有的關(guān)聯(lián)并進(jìn)行分析處理。例如一旦當(dāng)前的過程信號(hào)超過了數(shù)據(jù)記錄儀存儲(chǔ)器中保存的極限值，一種簡(jiǎn)單的分析處理算法即可經(jīng)過連接控制裝置的接口啟動(dòng)報(bào)警。根據(jù)工作狀態(tài)的不同，這要么是機(jī)器的一次反應(yīng)（比如碰撞時(shí)緊急停車），要么是向人機(jī)接口發(fā)出的一次報(bào)警信號(hào)（如軸承磨損加重時(shí)）。

數(shù)據(jù)記錄儀今后也將對(duì)預(yù)防性的維護(hù)措施提供支持，方法是數(shù)據(jù)記錄儀的軟件對(duì)當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)額外進(jìn)行分析。每一個(gè)采集到的參數(shù)都要制作直方圖，并進(jìn)行趨勢(shì)分析，然后保存在數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里。這樣，每個(gè)組件的故障概率都可以從時(shí)間上做出估計(jì)，必要時(shí)也可及時(shí)實(shí)施維護(hù)工作。預(yù)定的目標(biāo)還包括與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的連接，因而使維修也可以自動(dòng)地在生產(chǎn)計(jì)劃中得到考慮。使用者可以從數(shù)據(jù)記錄儀中調(diào)出這些信息，并可以圖形的形式在操作界面上顯示出來。打算保護(hù)自己、不讓人家提出無理索賠要求的主軸制造廠家，今后可以從過負(fù)荷狀態(tài)的記錄中得到好處。

對(duì)機(jī)床組件的監(jiān)控將提高生產(chǎn)設(shè)備的可靠性。機(jī)床組件上越來越多地采用傳感系統(tǒng)，結(jié)合對(duì)所采集數(shù)據(jù)的智能處理，對(duì)機(jī)床運(yùn)營(yíng)商來說將大有好處。診斷系統(tǒng)的目標(biāo)是，把機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)得更加可靠，具有更高的可操作性，并大大簡(jiǎn)化維修工作。成本高昂的停產(chǎn)時(shí)間將被縮短，生產(chǎn)成本也將下降。

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