周小超 曹昌勇 林華 程振邦 王子權(quán)

摘 要：為了提高數(shù)控車床自動(dòng)刀架維修實(shí)驗(yàn)的效果，通過(guò)分析自動(dòng)刀架診斷技術(shù)和常見(jiàn)故障，建立了自動(dòng)刀架的故障樹(shù)，設(shè)計(jì)了數(shù)控車床自動(dòng)刀架故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái).實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有原理演示、故障診斷引導(dǎo)、檢測(cè)案例和生成報(bào)告的功能，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程形象化、直觀化.

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;自動(dòng)刀架;診斷;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TG519.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）01-0058-03

1 前言

數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)和制造信息集成的重要組成，是《中國(guó)制造2025》實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重點(diǎn)領(lǐng)域[1].數(shù)控機(jī)床是集機(jī)、電、光和液于一體的復(fù)雜機(jī)電設(shè)備，發(fā)生故障的形式多樣.自動(dòng)刀架是數(shù)控車床的主要部件之一，其發(fā)生故障的頻數(shù)為11.3%[2].因此，分析數(shù)控機(jī)床自動(dòng)刀架的故障征兆和故障原因，研究故障檢測(cè)和故障維修技術(shù)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)具有重要的意義.

數(shù)控車床自動(dòng)刀架故障診斷是數(shù)控技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的重要組成.本文通過(guò)對(duì)數(shù)控車床自動(dòng)刀架診斷技術(shù)和常見(jiàn)故障的分析，設(shè)計(jì)輔助數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

2 數(shù)控車床自動(dòng)刀架診斷技術(shù)

數(shù)控車床自動(dòng)刀架診斷技術(shù)的基本原理和工作程序如圖1所示，它包括故障檔案庫(kù)的建立及特征提取、故障分析、故障檢測(cè)和故障排除等工作程序.

故障檔案庫(kù)是數(shù)控車床自動(dòng)刀架故障狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，是自動(dòng)刀架所有可能發(fā)生的故障的集合，是通過(guò)對(duì)故障的特征進(jìn)行提取并歸類整理得到.故障檔案庫(kù)是基于自動(dòng)刀架的工作原理和常見(jiàn)故障之上建立的，是診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要組成部分.

故障分析是數(shù)控車床自動(dòng)刀架診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要組成部分，故障分析技術(shù)有故障樹(shù)分析FTA（Failure Tree Analysis）和故障模式及影響分析FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）.本文主要采用FTA進(jìn)行分析.

故障檢測(cè)是通過(guò)有效的技術(shù)手段，對(duì)故障原因進(jìn)行確認(rèn)的過(guò)程.

故障排除是通過(guò)維修、更換失效零部件，恢復(fù)自動(dòng)刀架正常工作的過(guò)程.

3 數(shù)控車床自動(dòng)刀架故障庫(kù)及故障樹(shù)

3.1 自動(dòng)刀架常見(jiàn)故障

數(shù)控車床自動(dòng)刀架主要由電動(dòng)機(jī)、蝸輪蝸桿、中軸、定位盤、發(fā)信體和定位銷等組成.

數(shù)控車床自動(dòng)刀架是通過(guò)加工程序指令控制的，自動(dòng)換刀過(guò)程包括刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位和刀架夾緊.刀架抬起和刀架轉(zhuǎn)位的動(dòng)作都是由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的.刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置后，發(fā)信體發(fā)出信號(hào)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，刀架下降，通過(guò)定位盤和定位銷實(shí)現(xiàn)定位.電動(dòng)機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，通過(guò)蝸輪蝸桿鎖緊刀架，當(dāng)鎖緊力矩達(dá)到一定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束.

根據(jù)數(shù)控車床自動(dòng)刀架的結(jié)構(gòu)和工作原理，整理出常見(jiàn)故障模式和故障特征見(jiàn)表1所示[3-6].

3.2 自動(dòng)刀架故障樹(shù)

故障樹(shù)分析是將系統(tǒng)故障形成的原因從總體到部分按樹(shù)枝圖形進(jìn)行編排，將造成故障的各種因素對(duì)應(yīng)起來(lái).

采用演繹法構(gòu)建故障樹(shù)時(shí)，首先把系統(tǒng)中不希望發(fā)生的故障作為頂端事件，再把導(dǎo)致頂端事件的原因作為下一級(jí)事件，如此逐級(jí)向下演繹.一般故障樹(shù)邏輯圖包含頂端事件、中間事件和底端事件.根據(jù)表1中的內(nèi)容，構(gòu)建的數(shù)控車床自動(dòng)刀架的故障樹(shù)如圖2所示.

由圖2可知，自動(dòng)刀架故障是頂端事件，中間事件包括電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)、刀架不轉(zhuǎn)或卡死和刀架卡死等，底端事件是對(duì)應(yīng)中間事件的原因.

4 數(shù)控車床輔助診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.1 診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程圖

數(shù)控車床自動(dòng)刀架輔助診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是模擬維修專家的經(jīng)驗(yàn)和思維，采用分步遞進(jìn)方法進(jìn)行診斷.輔助診斷流程圖如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信息提示是根據(jù)故障樹(shù)中間事件列出.用戶選擇是指學(xué)生根據(jù)自動(dòng)刀架的故障特征選擇對(duì)應(yīng)的事件.故障檢測(cè)是指用具體的檢測(cè)手段判斷導(dǎo)致中間事件的底端事件.對(duì)底端事件的維修，排除自動(dòng)刀架的故障則實(shí)驗(yàn)結(jié)束，否則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)故障的排除.

4.2 診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

（1）工作原理演示功能

數(shù)控車床自動(dòng)刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為加深學(xué)生對(duì)其工作原理的理解，奠定故障診斷的基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)動(dòng)畫演示的方法形象直觀展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程.

（2）故障診斷功能

故障診斷功能是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的診斷功能引導(dǎo)學(xué)生找出故障的原因，熟悉診斷過(guò)程，積累經(jīng)驗(yàn).

（3）故障檢測(cè)方法

故障樹(shù)中底端事件通常需要通過(guò)檢測(cè)工具和檢測(cè)手段才能確認(rèn).對(duì)于一些較復(fù)雜的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供具體的檢測(cè)方法和相應(yīng)的案例.

（4）生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程生成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

4.3 診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

（1）主界面

數(shù)控車床自動(dòng)刀架輔助故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，其主界面如圖4所示.主界面中“工作原理”按鈕是用于播放自動(dòng)刀架工作原理演示文件.通過(guò)對(duì)其原理的學(xué)習(xí)，理論結(jié)合實(shí)際開(kāi)展下一步診斷實(shí)驗(yàn).點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕則進(jìn)入自動(dòng)刀架故障診斷界面，如圖5所示.

（2）故障診斷界面

故障診斷界面是根據(jù)圖2中自動(dòng)刀架故障樹(shù)中間時(shí)間順序列出.實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所列的故障特征選項(xiàng)，結(jié)合實(shí)際自動(dòng)刀架所表現(xiàn)的故障，做出相應(yīng)的選擇即可.確定自動(dòng)刀架的故障特征后，點(diǎn)擊“確定”按鈕進(jìn)入故障樹(shù)的底端事件，如圖6所示.

（3）故障檢測(cè)界面

圖6為故障檢測(cè)界面，該界面列出了中間事件（電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)）所有可能問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)中學(xué)生需要具體判斷問(wèn)題所在，通過(guò)點(diǎn)擊進(jìn)入按鈕，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)給出相應(yīng)的檢測(cè)方法和排除方法，通過(guò)逐一排除找到故障原因.根據(jù)排除方法排除故障后點(diǎn)擊“確定”按鈕，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)彈出實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)話框，如圖7所示.

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面

排除自動(dòng)刀架的故障后，重新執(zhí)行刀架轉(zhuǎn)動(dòng)指令，觀察刀架運(yùn)轉(zhuǎn)情況，若自動(dòng)刀架運(yùn)行正常，則點(diǎn)擊圖7中“是”按鈕，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)彈出“導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告”對(duì)話框，如圖8所示，點(diǎn)擊“導(dǎo)出至.txt文檔”，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)結(jié)束.若重新執(zhí)行刀架轉(zhuǎn)動(dòng)指令自動(dòng)刀架仍然不能正常工作，則點(diǎn)擊圖7中“否”按鈕，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)返回至圖5的故障診斷界面，繼續(xù)其他故障的診斷，直至故障全部排除.

5 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)中，數(shù)控車床自動(dòng)刀架輔助診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)縮小了故障檢查范圍，彌補(bǔ)了學(xué)生經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題.提出的故障診斷排除方法，縮短了故障的排除時(shí)間，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中故障樹(shù)內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擴(kuò)容，以便使平臺(tái)不斷完善.

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