基于運行可靠性的電火花加工機床監(jiān)控維護系統(tǒng)設(shè)計
2018-2-12 來源：北京市電加工研究所 電火花加工技術(shù)實驗 作者：孫東江 伏金娟 何虎 姜浩
摘 要: 電火花加工機床因不正確的操作和維護而引發(fā)的故障率較高。為此研究并設(shè)計了電火花加工機床監(jiān)控維護系統(tǒng)，實現(xiàn)對機床狀態(tài)的監(jiān)測和機床的維護，提升了機床的運行可靠性。考慮到監(jiān)控維護系統(tǒng)自身的可靠性是實現(xiàn)監(jiān)控準確可靠的必要條件，因此從硬件可靠性設(shè)計角度對各模塊的設(shè)計進行了深入探討，所形成的裝置已在電火花加工機床的監(jiān)控系統(tǒng)上得到應(yīng)用和驗證。
關(guān)鍵詞: 電火花加工機床; 監(jiān)控維護系統(tǒng); 運行可靠性
電火花加工機床使用過程中，某些電器元件或機械零部件可能出現(xiàn)損壞或故障，降低機床運行的可靠性。如何通過可靠性設(shè)計提升電器元件和機械零部件的應(yīng)用可靠性，預(yù)防各種故障，實現(xiàn)預(yù)測性維護保養(yǎng)，進而提高機床的無故障工作時間和使用壽命是可靠性工作尤其是運行可靠性工作的核心問題。
張根保教援在他的文章中指出: 機床運行因素引起的故障會占總故障的 20% 左右。圖 1 為唐賢進學(xué)者獲得的某廠數(shù)控臥式加工中心的故障統(tǒng)計情況。從圖可以看出，機床使用過
程中引發(fā)的故障占 58． 73% ，其中保養(yǎng)不當占比達18． 09% 。數(shù)據(jù)進一步說明，數(shù)控機床正確的維護保養(yǎng)對于機床的可靠性是至關(guān)重要的。
2000 年英國可靠性專家 O'CONNOＲ指出: 現(xiàn)有的可靠性研究局限于概率統(tǒng)計方法，闡述了在解決工程實際問題時容易產(chǎn)生誤導(dǎo)和無效的原因。2009 年意大利學(xué)者 ZIO提出: 利用狀態(tài)監(jiān)測來確保系統(tǒng)可靠的運行，以減少故障，提高生產(chǎn)率。我國學(xué)者張根保運用模糊集理論，建立了數(shù)控機床模糊可靠性分配指標體系和權(quán)重來解決傳統(tǒng)可靠性理論的缺陷; 開發(fā)了用戶開機強制維護保養(yǎng)界面，強制用戶在機床運行前對機床進行保養(yǎng)，提升運行可靠性 。
本文為提升電火花加工機床的運行可靠性，設(shè)計了機床監(jiān)控維護系統(tǒng)，對電火花加工機床本體、脈沖電源進行監(jiān)控和維護保養(yǎng)提醒; 同時，針對監(jiān)控維護系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，對監(jiān)控主板接口電路進行了可靠性設(shè)計。
1、電火花加工機床監(jiān)控維護系統(tǒng)總體設(shè)計
電火花加工機床主要包含機床本體、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)控維護系統(tǒng)需要依據(jù)機床狀態(tài)信息的實時采集、歷史維護數(shù)據(jù)等制定維護策略，并通過人機接口、蜂鳴器等方式預(yù)警，報警給操作和維護人員。
如圖 2 所示，電火花加工機床監(jiān)控維護系統(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、GPS 等機床工作環(huán)境信息; 通過 ＲS485 總線實現(xiàn)各從設(shè)備監(jiān)控節(jié)點傳感器的分布式數(shù)據(jù)采集; 通過以太網(wǎng)或者無線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控系統(tǒng)和服務(wù)器進行通訊。
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)、維護提醒，也可以配置設(shè)備編號和遠程服務(wù)器地址。
2、主控制器硬件及接口可靠性設(shè)計
圖 3 是電火花加工機床監(jiān)控維護系統(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 主要功能是進行電壓、電流、溫度、高度等數(shù)據(jù)的采集和通過以太網(wǎng)或者 3G 無線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)控系統(tǒng)通訊，并且進行數(shù)據(jù)處理和維護策略等運算。
協(xié)處理器MCU 主要功能是讀取 GPS 數(shù)據(jù)、采集震動參數(shù)、進行智能電池電源管理等。主監(jiān)控 CPU 與協(xié)處理器 MCU之間通過串口進行通訊。
2． 1 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計
主控制器通過以太網(wǎng)上傳監(jiān)控數(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，通過接口可靠性設(shè)計提升監(jiān)控可靠性。圖 4 是設(shè)計的電火花加工機床監(jiān)控維護系統(tǒng)主控制器以太網(wǎng)接口的原理圖。
在圖 4a 中，四對差分線阻抗控制為 100 Ω，通過 1: 1千兆變壓器隔離保護內(nèi)部電路; 在圖 4b 中，在變壓器輸出到連接器之間通過 TVS 管及串接電阻實現(xiàn)對靜電和浪涌電流的吸收; 在圖 4c 中，通過氣體放電管實現(xiàn)接口的雷擊防護。
2． 2 控制器
ＲS485 接口主控制器與機床的傳感器及采集節(jié)點往往在不同的位置，需通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街骺刂破鳎员銓崿F(xiàn)監(jiān)控和管理。ＲS485 總線采用平衡發(fā)送和差動接收方式實現(xiàn)通信，具有很高的通信可靠性，同時因其簡單、成熟、低廉、便于維護等特點廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場中。
本設(shè)計采用 ADUM2587 進行接口可靠性設(shè)計。ADUM2587 具有 2. 5 k V rms 隔離電壓，± 15 k VESD 保護，開路、短路故障保護等特性，并集成隔離DCDC 轉(zhuǎn)換器。利用ADUM2587 的開路、短路故障保護功能，在單個設(shè)備節(jié)點出現(xiàn)異常時不會影響其他節(jié)點的通訊。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，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的接地問題常常被忽視，誤認為 ＲS485
不需要信號地，認為節(jié)點間只需要一根雙絞線將 A、B 端連接起來就可以了。
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。因為接收端的共模電壓等于發(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，進而影響通信的可靠性，甚至損壞接口。
因此，采用低阻的信號線或屏蔽層將兩端接口的工作地連接起來，使地電位差為零，是總線通訊可靠性設(shè)計不可或缺的工作。
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 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) 來確保 A、B 線之間有一個確定的空閑電位。ＲS485 總線 只是 定 義了 接 口 電 平等 物 理 層 標準，上層協(xié)議尚需根據(jù)實際工程的需要來定義。通常數(shù)據(jù)包協(xié)議格式由引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)、校驗碼、尾碼等組成，協(xié)議不夠簡練。Mod-bus 協(xié)議以其簡練、開放、成熟等特點在工控、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)議來進行主設(shè)備和各從設(shè)備之間的通信。
3 、電火花加工機床監(jiān)控維護系統(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功能: 一是通過各傳感器及節(jié)點獲取機床實時狀態(tài); 二是對數(shù)據(jù)進行分析匯總，并在本地和遠端呈現(xiàn)給維護人員機床狀態(tài)和維護提醒。首先，系統(tǒng)上電后，進行初始化操作，主要包括設(shè)置通訊接口、定時器、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，包括節(jié)點數(shù)量、節(jié)點地址、節(jié)點通訊速率等內(nèi)容。從設(shè)備節(jié)點配置完成后，控制器開始對從設(shè)備節(jié)點進行掃描，并對獲取到的節(jié)點報文進行處理。
控制器將來自服務(wù)器的報文分為服務(wù)器配置報文、服務(wù)器查詢報文、服務(wù)器維修知識庫更新報文三類; 控制器接收從設(shè)備節(jié)點報文后，結(jié)合維護知識庫，執(zhí)行維護決策算法，并在 HMI 更新維護提醒。參見圖7 所示程序流程圖。本控制器的設(shè)計中，控制器可以將狀態(tài)及維護信息上傳到遠端服務(wù)器; 同時，控制器可以脫離服務(wù)器單獨運行，并通過
HMI 實時呈現(xiàn)機床狀態(tài)和維護提醒信息; 控制器還可以根據(jù)掃描節(jié)點數(shù)的多少及故障狀態(tài)情況，自動配置節(jié)點、調(diào)整掃描時間間隔等，既降低了通信故障率，又可以通過提升故障掃描間隔來準確獲取故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，進而提高機床的可靠性與安全性。
3． 2 控制器人機界面設(shè)計
控制器的人機界面按照簡單可靠的原則進行設(shè)計。圖 8 界面主要包含機床監(jiān)控和維護兩個部分。系統(tǒng)分別對油泵、過濾系統(tǒng)、各核心模塊的溫濕度、各軸狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并在監(jiān)控菜單顯示; 系統(tǒng)依據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)及各模塊維護的歷史經(jīng)驗，制定維護策略，通過進度條直觀地顯示在維護菜單上。
4 、結(jié)語
( 1) 為提升電火花加工機床的運行可靠性，本文設(shè)計了一種電火花加工機床監(jiān)控維護系統(tǒng)，詳細討論了電火花加工機床監(jiān)控維護系統(tǒng)控制器的可靠性設(shè)計內(nèi)容和需要注意的問題
( 2) 系統(tǒng)采用分布式總線實現(xiàn)控制器與節(jié)點、控制器與服務(wù)器的通訊，控制器可獨立工作，節(jié)點具有很強的容錯能力，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)計完成的電火花機床監(jiān)控維護系統(tǒng)控制器裝置，在 A35 數(shù)控電火花成形加工機床上進行了初步應(yīng)用和驗證，達到了的預(yù)期的目的。
本文對電火花加工機床的運行可靠性工作進行了初步的探討，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床數(shù)據(jù)，優(yōu)化維護策略，進而更好地提升電火花加工機床的運行可靠性。
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