一種基于數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控加速度的方法
2021-12-24 來(lái)源： 武漢華中數(shù)控股份有限公司 作者：雷桂陽(yáng) 韓林君 鄭紅強(qiáng)
1.引言
數(shù)控機(jī)床扎刀，是指刀具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中突然扎入工件，導(dǎo)致刀損、工件報(bào)廢甚至使機(jī)床精度受損，在加工中要避免出現(xiàn)扎刀。
數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中產(chǎn)生的扎刀故障，其中包括確定性故障和隨機(jī)性故障。確定性故障是指控制系統(tǒng)主機(jī)中的硬件損壞或只要滿足一定的條件，數(shù)控機(jī)床必然會(huì)發(fā)生的故障 ; 隨機(jī)性故障是指數(shù)控機(jī)床在工作過(guò)程中偶然發(fā)生的故障此類故障的發(fā)生原因較隱蔽，很難找出其規(guī)律性。
其中高速加工過(guò)程中，由于加速度異常偶爾導(dǎo)致的扎刀故障，就屬于一種隨機(jī)性故障，該問(wèn)題出現(xiàn)概率較低，但這種隨機(jī)性故障產(chǎn)生影響較大。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有加速度自監(jiān)測(cè)功能，如果數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控加速度，加速度異常時(shí)給出報(bào)警，再通過(guò)基于華中 8 型故障錄像回放功能，對(duì)錄像文件的回放和分析，可以對(duì)故障進(jìn)行診斷。
一種基于數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控加速度的方法，是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng) PLC 預(yù)先設(shè)置正常加工時(shí)的加速度范圍，當(dāng)實(shí)際加工運(yùn)行時(shí)，加速度超過(guò)設(shè)置范圍，PLC 給出報(bào)警信息，機(jī)床暫停加工。本文使用的通過(guò) PLC 監(jiān)測(cè)加速度的診斷方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的加速度，當(dāng)加速度異常時(shí)，PLC 給出報(bào)警，可暫停加工，從而減少由于扎刀引起的各種不必要損害。
2.常見(jiàn)的的扎刀問(wèn)題分析流程
數(shù)控系統(tǒng)加工過(guò)程中出現(xiàn)扎刀問(wèn)題，發(fā)生扎刀的原因一般為誤操作、加工程序問(wèn)題和機(jī)床故障、CNC 數(shù)控系統(tǒng)故障。一般數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)扎刀問(wèn)題的分析流程如下圖一所示。
圖一 扎刀問(wèn)題分析流程圖
3.加速度監(jiān)控及機(jī)床故障診斷方法
現(xiàn)有加速度監(jiān)控及機(jī)床故障診斷方法軟件有 :
1）SSTT 軟件 :SSTT 是伺服調(diào)整工具（Servo Self Test Tools）的簡(jiǎn)稱，主要用于配備華中 8型數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床在線調(diào)試、診斷過(guò)程，也可以作為一種離線數(shù)據(jù)分析工具。
2）華中 8 型故障數(shù)據(jù)記錄儀 : 通過(guò)預(yù)先配置需要觸發(fā)錄像的報(bào)警，以及機(jī)床發(fā)生故障時(shí)需要錄像的采樣數(shù)據(jù)，從而在數(shù)控系統(tǒng)報(bào)警時(shí)記錄下相應(yīng)的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)錄像數(shù)據(jù)的回放和分析，可以對(duì)機(jī)床的故障進(jìn)行診斷。
利用現(xiàn)有 SSTT 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，第一 :需要外接設(shè)備，提供電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣，在用戶現(xiàn)場(chǎng)使用不便 ; 第二 : 加速度異常時(shí) SSTT軟件可采集到數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)信息龐大，無(wú)效數(shù)據(jù)較多，分析較困難。第三 :SSTT 只可采集數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)分析，無(wú)法與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，避免扎刀問(wèn)題 ; 利用故障錄像功能，只可對(duì)已知對(duì)已知故障配置采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)加速度。因此，數(shù)控系統(tǒng)如果具有加速度自監(jiān)測(cè)功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度大小，加速度異常時(shí)通給出報(bào)警，再結(jié)合基于華中 8 型故障錄像診斷功能，對(duì)故障的捕捉和數(shù)據(jù)獲取分析提供了一種全流程的故障診斷及新的思路。
下面主要針對(duì)偶爾出現(xiàn)加速度異常導(dǎo)致機(jī)床實(shí)際位置過(guò)沖引起的扎刀問(wèn)題，數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)加速度方法，數(shù)控系統(tǒng)如何獲取加速度，如何監(jiān)控加速度異常時(shí)給出報(bào)警，如何獲取加速度異常時(shí)的有效數(shù)據(jù)，做主要分析。分析流程圖如圖二所示。
圖二 加速度異常數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控流程圖
4. 通過(guò)華中 8 型故障錄像功能采集
加速度過(guò)大 PLC 報(bào)警時(shí)的有效數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控到加速度異常時(shí)，PLC 給出報(bào)警，此時(shí)可利用華中 8 型故障數(shù)據(jù)記錄儀，將出現(xiàn)故障前最后 10S 的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存，通過(guò)示波器對(duì)錄像文件進(jìn)行回放，對(duì)錄像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷，能夠幫助確認(rèn)問(wèn)題的原因。故障錄像配置流程圖如下圖三。
圖三 故障錄像配置流程圖
5.一種基于數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加速度的使用方法
5.1 加速度概念:
加速度（Acceleration）是速度變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值 Δv/Δt，是描述物體速度變化快慢的物理量，通常用 a 表示，單位是m•s-2 或 m/s2，a=dv/dt。
5.2 獲取系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)正常加速度值
通過(guò)坐標(biāo)軸參數(shù) “加工加減速時(shí)間常數(shù)” 設(shè)置的參數(shù)值，計(jì)算正常運(yùn)行時(shí)的加速度值大小。加工加減速時(shí)間常數(shù)指 : 直線軸加工運(yùn)動(dòng)（G01、G02 等）時(shí)從 0 加速到 1000mm/min 或從 1000mm/min 降速到 0 的時(shí)間。該參數(shù)決定了軸的加工加速度大小。
5.3 通過(guò)PLC進(jìn)行監(jiān)測(cè)加速度與正常運(yùn)行時(shí)加速度大小進(jìn)行比較
通過(guò)在 PLC 中獲取軸在移動(dòng)時(shí) 1 個(gè)周期（1ms）的位置增量，即為對(duì)應(yīng)的加速度，將加速度與 5.2 步驟中設(shè)定的參數(shù)值計(jì)算出的加速度進(jìn)行比較，超過(guò)范圍時(shí)，PLC 給出報(bào)警 “對(duì)應(yīng)軸—加速度過(guò)大”
表 1 數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)加速度寄存器使用說(shuō)明
6.應(yīng)用舉例
6.1 問(wèn)題描述
客戶現(xiàn)場(chǎng)有一臺(tái)加工中心機(jī)床，在加工了一個(gè)月左右，在運(yùn)行程序的時(shí)候，突然 XY 跑偏，導(dǎo)致撞機(jī)。
6.2 問(wèn)題分析
根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)提供的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，X 軸位置跑偏時(shí)，實(shí)際位置成波浪形曲線，存在 5mm 的偏差，此時(shí) X 軸的指令加速度達(dá)到1.8g，正常時(shí)加速度為 0.6g，分析問(wèn)題原因?yàn)?:X軸的指令加速度異常，軸實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在過(guò)沖，導(dǎo)致軸實(shí)際位置跑偏，零件加工時(shí)存在撞刀。加速度異常數(shù)據(jù)分析如下表 2。
表 2 加速度異常數(shù)據(jù)分析
6.3 復(fù)現(xiàn)過(guò)程
該問(wèn)題為偶爾問(wèn)題，出現(xiàn)概率較低，通過(guò) 5.2步驟分析可知，正常運(yùn)行時(shí)加速度大小 0.6g 左右，通過(guò) PLC 設(shè)置加速度范圍，當(dāng) PLC 超過(guò) 1g時(shí)，PLC 增加 G3015.7 加速度過(guò)大報(bào)警，并通過(guò)故障錄像采集該報(bào)警信息，配置相關(guān)采樣點(diǎn)位，利用自動(dòng)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)程序，復(fù)現(xiàn)該問(wèn)題后，再通過(guò)對(duì)故障錄像文件的診斷和分析反饋給開(kāi)發(fā)部，確認(rèn)為系統(tǒng)軟件問(wèn)題。
7．結(jié)語(yǔ)
一種基于數(shù)控系統(tǒng) PLC 實(shí)時(shí)監(jiān)控加速度的方法，當(dāng)加速度異常時(shí)，PLC 給出報(bào)警，再通過(guò)華中 8 型故障數(shù)據(jù)記錄儀記錄故障前最后 10S的數(shù)據(jù)，對(duì)問(wèn)題分析起到很大的幫助。
該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠直接在數(shù)控系統(tǒng)上使用，無(wú)需借助外部設(shè)備或儀器，可有效避免用SSTT 實(shí)時(shí)采樣，需要借助外部電腦設(shè)備，采樣數(shù)據(jù)龐大，無(wú)效數(shù)據(jù)過(guò)多，分析困難的問(wèn)題。
對(duì)于用戶現(xiàn)出現(xiàn)隨機(jī)性的扎刀問(wèn)題有很大的幫助。為加速度異常導(dǎo)致的扎刀問(wèn)題跟蹤提供了一種新的思路，可有效避免由于加速度異常引起扎刀所造成的損害。
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