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621000)

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18%。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

2 丝杆螺母副磨损量与电机做功的数学模型

丝杆螺母副是影响机床精度的重要部件，丝杆在机床工作过程中在受轴向力的作用下，滚珠和滚道型面间产生接触应力，对滚道型面上某一点而言，其应力状态为交变接触应力。经过一定的循环次数后，滚珠或滚道型面就会产生磨损，从而使丝杆副的间隙增大，工作性能降低。如果此时不采取适当的维护措施，丝杆螺母副的工作环境恶化，加剧丝杆副的磨损，甚至损坏丝杆螺母副。因此，找到合理的时间点对丝杆螺母副进行维护显得至关重要。文中通过建立丝杆螺母副与电机做功的数学模型，找到了合理的时间点对其进行维护保养，即当磨损量为ΔI时，如果电机做功量超过设定的机床定功维护值W0，机床发现警报提醒用户。

丝杆磨损率与轴向载荷的关系[1－2]为

式中:Ih为丝杆螺母副磨损率;σp为接触应力;

σs为螺母表面材料屈服极限，σs=250～350 MPa;

k1为磨损系数，k1=1×104;

C为试验常数，C=0.5;

β为表面质量系数，β=1;

E为弹性模量，E=2.06×105MPa。

磨损率为单位时间内的材料磨损体积，设磨损量为I，则

接触应力计算公式

式中:Q为轴向载荷;

Z为丝杆工作列数，Z=2;

d为丝杆螺纹公称直径，d=50 mm;

d1为丝杆螺纹内径，d1=44 mm。

滚珠丝杆螺母副属于螺纹传动，螺纹传动的工作原理可等效于放在斜面上的物体被上下推动时所受到的作用，其受力状态为图2所示。

其中，F为径向推力，Q为轴向阻力，f为沿斜面的摩擦力。

在垂直斜面方向与沿斜面方向建立平衡方程:

设斜面的摩擦因数为μ，则

又设φ为摩擦角，则

由式(4)—(6)可得滚珠径向力与轴向力关系

式中:θ为丝杆螺纹螺旋角，θ=5.8°;

φ为摩擦角，φ=3°。

驱动电机力矩与径向力关系

式中:T为驱动电机力矩。

驱动电机功率与力矩关系

式中:P为驱动电机功率;

n为驱动电机转速，取n=1 500 r/min。

联立式(1)— (9)，建立丝杆螺母副磨损量与驱动电机做功的数学模型

图2 受力示意图

以P，t为变量，得出I=f (P，t)的图像如图3所示。

图3 磨损量(mm3)与功率(W)和时间(s)的函数图像

3 监控系统的开发

3.1 系统原理设计

在该监控维护系统中，驱动电机的功率不易获取，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VB 界面和数控系统的信息交互，基于DDE 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W'，再通过机床主轴做功与进给轴驱动电机做功关系W1=kW' (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W1并存入Access 数据库，然后通过试验获得当磨损量达到ΔI时，丝杆是否需要采取维护措施。将此时驱动电机做功量W0设为机床定功维护值，判断当前做功累积值W1是否超过机床定功维护保养值W0。如果超过，则将当前做功累积值W1存入Access 数据库以便以后查询，同时发送报警信号给PLC，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。

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)VB 界面和数据库设计[3－4]

该监控系统的显示界面设计完全在VB 下进行，其过程实际上是编写一个VB 多窗体程序[5]。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W1、中间表的累积值W2、显示表的累积值W3都需要进行保存和调用。因此，选择Access2003 设计出累积表、中间表、报警表[6]。

(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DDE 读取NCK 变量，这里选取NCK 变量LOAD 来读取。在程序设计之前，先设置NCDDE server为本地操作模式，设置NcddeServer-Name为ncdde。读取功率的代码为:

(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Pi;第二步:使Pi与t 相乘，得到Wi;第三步:对各Wi进行叠加并乘以系数k，把结果赋给变量W1并存储在Access 数据库的累积表中;第四步:使W1与中间表的累积值W2的差值(W1－W2)和定功维护保养值W0进行比较;第五步:如果W1－W2＞W0，则机床报警并把W1赋给W2以及把W2赋给报警表的累积值W3。如果W1－W2＜W0，则W1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)PLC 报警设计[7]

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PLC 用户报警OM 设置。

编辑报警文本所使用的编辑器为Microsoft的Dos环境下的ASCII 编辑器，通过在Dos 提示符下键入Edit可进入编辑器。文本内容为:

编辑完报警文本后，需要在F: MMC2 MBDDE.INI 中定义报警文件才能生效，格式为:

编辑激活报警程序，在PLC程序中，需要添加以下程序。

3.3 嵌入技术设计及实现

(1)创建语言动态链接库[8]

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VB 中编辑的，而是用VC++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[9]。在创建之前，先建立RC 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VC++选项MFCAppWizard(dll)，然后选择Regular DLL using shared MFC DLL，再根据 RC 源文件，创建该系统语言 DLL(jiankong.dll)，并将其移至OEM指定目录下。下面是该系统的部分RC 源文件。

在语言DLL 文件编辑完成后，必须有下列的语句，读取语言DLL的内容。为“报警记录”

(2)嵌入界面与数据库[10]

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OEM 开发软件。

建立程序管理文件regie.ini，将其移至……/OEM/下，regie.ini是一个对基本模块、应用程序、动态链接库和VBX 文件的柔性管理的控制文件，用文本进行编辑。各应用是由Regie 开始管理启动，其信息一起置于中regie.ini，构成程序管理文件。

mmc.ini 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MMC2 中的mmc.ini，不再另行设置。

建立初始化文件jiankong.ini，将其移至……/OEM/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:

其中，MDIList是子窗口的列表，所有的子窗口列表都在位于jiankong.mdi中，ControlFile表示控制的文件，如状态和动作都位于文件jiankong.zus中。

子窗口列表文件jiankong.mdi的内容为:

jiankong.zus 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17×8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(入口等级为默认等级，无注释)，其内容为:

嵌入VB 执行文件jiankong.exe，将jiankong.exe移至……/OEM/下。至此，整个OEM 设计过程完成，其框架结构如图6。

图6 OEM 框架结构

4 监控系统的应用

通过试验测得，当磨损量I为0.5×10－3mm3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(10)和图3求得，W1=3.6×103MJ。

把该系统应用在THM6380 卧式加工中心上，运行的界面如图7所示，当累积做功达到3.6×103MJ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840D为设计平台，通过VB 开发的用户界面和VC 动态链接库在OEM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。

【1】XU Jiansheng，ZHOU Lan，ZHAO Yuan.Composition of the Surface Layer Rubbed under the Selective[C]//Transfer Condition 3rd Internetional Symposiym，1990:481－484.

【2】徐建生，赵源.轧机压下装置中重载丝杆－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，2001，12(21):192－194.

【3】郭圣路，张荣圣.Visual Basic 6.0 中文版从入门到精通[M].北京:电子工业出版社，2008.

【4】MICHALOSKI John，BIRLA Sushil，YEN Jerry.Software Models for Standardizing the Human-Machine interface Connection to a Machine Controller[J].Chichester John Wiley and Sons Ltd，2003.

【5】陈顺红，张桂香，孔宇，等.基于840D的凸轮轴磨床数控OEM软件的开发[J].数控专栏，2008(3):147－150.

【6】张晓华.数据库基础及应用:Access2003操作基础及应用[M].重庆:重庆出版社，2009.

【7】Sinumerik 840D_810D 简明调试手册[M]，2005.

【8】刘春辉，徐建飞.Visual C++程序设计学习笔记[M].北京:电子工业出版社，2008.

【9】吴艳花.基于VB 下西门子840D数控系统界面的二次开发[D].兰州:兰州理工大学，2005.

【10】Simens.840D HMI Programming Package[M].