一種基于數(shù)控系統(tǒng)實時監(jiān)控加速度的方法
2021-12-24 來源： 武漢華中數(shù)控股份有限公司 作者：雷桂陽 韓林君 鄭紅強
1.引言
數(shù)控機床扎刀，是指刀具在運動過程中突然扎入工件，導致刀損、工件報廢甚至使機床精度受損，在加工中要避免出現(xiàn)扎刀。
數(shù)控機床在加工過程中產(chǎn)生的扎刀故障，其中包括確定性故障和隨機性故障。確定性故障是指控制系統(tǒng)主機中的硬件損壞或只要滿足一定的條件，數(shù)控機床必然會發(fā)生的故障 ; 隨機性故障是指數(shù)控機床在工作過程中偶然發(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。
其中高速加工過程中，由于加速度異常偶爾導致的扎刀故障，就屬于一種隨機性故障，該問題出現(xiàn)概率較低，但這種隨機性故障產(chǎn)生影響較大。因此，數(shù)控系統(tǒng)應具有加速度自監(jiān)測功能，如果數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控加速度，加速度異常時給出報警，再通過基于華中 8 型故障錄像回放功能，對錄像文件的回放和分析，可以對故障進行診斷。
一種基于數(shù)控系統(tǒng)實時監(jiān)控加速度的方法，是通過數(shù)控系統(tǒng) PLC 預先設(shè)置正常加工時的加速度范圍，當實際加工運行時，加速度超過設(shè)置范圍，PLC 給出報警信息，機床暫停加工。本文使用的通過 PLC 監(jiān)測加速度的診斷方法的優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)控系統(tǒng)運行時的加速度，當加速度異常時，PLC 給出報警，可暫停加工，從而減少由于扎刀引起的各種不必要損害。
2.常見的的扎刀問題分析流程
數(shù)控系統(tǒng)加工過程中出現(xiàn)扎刀問題，發(fā)生扎刀的原因一般為誤操作、加工程序問題和機床故障、CNC 數(shù)控系統(tǒng)故障。一般數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)扎刀問題的分析流程如下圖一所示。
圖一 扎刀問題分析流程圖
3.加速度監(jiān)控及機床故障診斷方法
現(xiàn)有加速度監(jiān)控及機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）的簡稱，主要用于配備華中 8型數(shù)控系統(tǒng)的機床在線調(diào)試、診斷過程，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 : 通過預先配置需要觸發(fā)錄像的報警，以及機床發(fā)生故障時需要錄像的采樣數(shù)據(jù)，從而在數(shù)控系統(tǒng)報警時記錄下相應的數(shù)據(jù)。通過對錄像數(shù)據(jù)的回放和分析，可以對機床的故障進行診斷。
利用現(xiàn)有 SSTT 軟件進行數(shù)據(jù)采樣，第一 :需要外接設(shè)備，提供電腦進行實時數(shù)據(jù)采樣，在用戶現(xiàn)場使用不便 ; 第二 : 加速度異常時 SSTT軟件可采集到數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)信息龐大，無效數(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，無法與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，避免扎刀問題 ; 利用故障錄像功能，只可對已知對已知故障配置采樣數(shù)據(jù)進行分析，無法實時檢測加速度。因此，數(shù)控系統(tǒng)如果具有加速度自監(jiān)測功能，實時監(jiān)測加速度大小，加速度異常時通給出報警，再結(jié)合基于華中 8 型故障錄像診斷功能，對故障的捕捉和數(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。
下面主要針對偶爾出現(xiàn)加速度異常導致機床實際位置過沖引起的扎刀問題，數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)測加速度方法，數(shù)控系統(tǒng)如何獲取加速度，如何監(jiān)控加速度異常時給出報警，如何獲取加速度異常時的有效數(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. 通過華中 8 型故障錄像功能采集
加速度過大 PLC 報警時的有效數(shù)據(jù)當數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控到加速度異常時，PLC 給出報警，此時可利用華中 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)進行記錄保存，通過示波器對錄像文件進行回放，對錄像數(shù)據(jù)進行分析和診斷，能夠幫助確認問題的原因。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)實時監(jiān)測加速度的使用方法
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)運行時正常加速度值
通過坐標軸參數(shù) “加工加減速時間常數(shù)” 設(shè)置的參數(shù)值，計算正常運行時的加速度值大小。加工加減速時間常數(shù)指 : 直線軸加工運動（G01、G02 等）時從 0 加速到 1000mm/min 或從 1000mm/min 降速到 0 的時間。該參數(shù)決定了軸的加工加速度大小。
5.3 通過PLC進行監(jiān)測加速度與正常運行時加速度大小進行比較
通過在 PLC 中獲取軸在移動時 1 個周期（1ms）的位置增量，即為對應的加速度，將加速度與 5.2 步驟中設(shè)定的參數(shù)值計算出的加速度進行比較，超過范圍時，PLC 給出報警 “對應軸—加速度過大”
表 1 數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)測加速度寄存器使用說明
6.應用舉例
6.1 問題描述
客戶現(xiàn)場有一臺加工中心機床，在加工了一個月左右，在運行程序的時候，突然 XY 跑偏，導致撞機。
6.2 問題分析
根據(jù)客戶現(xiàn)場提供的采樣數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，X 軸位置跑偏時，實際位置成波浪形曲線，存在 5mm 的偏差，此時 X 軸的指令加速度達到1.8g，正常時加速度為 0.6g，分析問題原因為 :X軸的指令加速度異常，軸實際運行時存在過沖，導致軸實際位置跑偏，零件加工時存在撞刀。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 復現(xiàn)過程
該問題為偶爾問題，出現(xiàn)概率較低，通過 5.2步驟分析可知，正常運行時加速度大小 0.6g 左右，通過 PLC 設(shè)置加速度范圍，當 PLC 超過 1g時，PLC 增加 G3015.7 加速度過大報警，并通過故障錄像采集該報警信息，配置相關(guān)采樣點位，利用自動測試臺進行長時間運行現(xiàn)場程序，復現(xiàn)該問題后，再通過對故障錄像文件的診斷和分析反饋給開發(fā)部，確認為系統(tǒng)軟件問題。
7．結(jié)語
一種基于數(shù)控系統(tǒng) PLC 實時監(jiān)控加速度的方法，當加速度異常時，PLC 給出報警，再通過華中 8 型故障數(shù)據(jù)記錄儀記錄故障前最后 10S的數(shù)據(jù)，對問題分析起到很大的幫助。
該方法簡單實用，能夠直接在數(shù)控系統(tǒng)上使用，無需借助外部設(shè)備或儀器，可有效避免用SSTT 實時采樣，需要借助外部電腦設(shè)備，采樣數(shù)據(jù)龐大，無效數(shù)據(jù)過多，分析困難的問題。
對于用戶現(xiàn)出現(xiàn)隨機性的扎刀問題有很大的幫助。為加速度異常導致的扎刀問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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