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基（jī）於運行可靠性的電火花加工機床監控維護係統（tǒng）設計

2018-2-12 來源：北（běi）京市電加工研究所電火花加工技術實驗作者：孫東江（jiāng）伏金娟何虎薑浩

摘（zhāi）要: 電火花加工（gōng）機（jī）床因不正（zhèng）確的操作和維護而引發的故障率較高。為此研究並（bìng）設計了電火花（huā）加工機床監控維護係統，實現對機（jī）床狀態的監測和機床的維護，提升了機床的運行可靠性。考慮到監控維護係統自身的可靠性是實現監控準確可靠的必（bì）要條（tiáo）件，因此（cǐ）從硬件可靠性設計角度（dù）對各模塊的設計進（jìn）行了深（shēn）入探討，所形成（chéng）的裝置已在電火花加工機床的監控係統上得到應用和驗證。

關鍵詞: 電火花加工機床; 監控維護係統; 運行可靠性

電火花加工（gōng）機床使用過程中，某些電器元件或機械零（líng）部件可能出（chū）現損壞或故障，降低機床運行的可靠性。如何通過（guò）可靠（kào）性（xìng）設計提升電器元件和機械零部件的應用可靠性，預防各種（zhǒng）故障，實現預測性（xìng）維（wéi）護（hù）保養，進而提高機床的無（wú）故（gù）障工（gōng）作時間和使（shǐ）用壽命是可靠性工作尤其是運行可靠性工作的核（hé）心問（wèn）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 為唐賢進學者獲得的某廠（chǎng）數控（kòng）臥（wò）式加工中心的故障統計情況。從圖可以看出，機床使用（yòng）過

程中引發的故障占 58． 73% ，其中保（bǎo）養（yǎng）不當占比達18． 09% 。數據進一步說明，數控機床正確的維護保養對於機（jī）床的可靠性是至（zhì）關重要的（de）。

2000 年英國（guó）可（kě）靠性專家 O'CONNOＲ指出: 現有的（de）可靠性研究（jiū）局限於概率統計方法，闡述（shù）了在解（jiě）決工程實際問題時容易產生誤導和無效的原因。2009 年意大利（lì）學者（zhě） ZIO提（tí）出: 利用狀（zhuàng）態監測來（lái）確保係統可靠的運行，以減少故（gù）障，提高生產率。我國學者張根保運用模糊（hú）集理論，建立了數控機床模糊可靠性分配（pèi）指標（biāo）體係和權重來解決傳統可靠（kào）性理論的缺陷; 開發了（le）用戶開機（jī）強製（zhì）維護保養界麵，強製用戶在機床運行（háng）前對機床進行保養，提升運（yùn）行可靠（kào）性。

本文為提升電火花加工機床的運行可靠性，設計了機床監控維護係統，對電火花加工機床本（běn）體、脈（mò）衝電源進行監控和（hé）維護保養提醒; 同時，針對監（jiān）控維護係統的應用可靠性，對監控主板接口電路（lù）進行了可靠性設計。

1、電火（huǒ）花加（jiā）工機（jī）床（chuáng）監控維護（hù）係統總體設計

電火（huǒ）花加工機床主要包含機床本體、數（shù）控係統、脈（mò）衝電源、工作液係統（tǒng）、氣路係統等部分。監控維護係統需要依據機床狀（zhuàng）態（tài）信息的實時采集（jí）、曆史維護數據等製定維護策略（luè），並通過人機接口、蜂鳴器等方式預警，報警給操作和維（wéi）護（hù）人員。

如圖 2 所示，電火花（huā）加工機床監控維護係統包含主控製器和（hé）從設備兩部分。主控製器采集溫濕（shī）度、高度、震動、GPS 等機床工作環境信息; 通過ＲS485 總線實現各從設備監控節點傳感器的（de）分布式數據采集; 通過以太網（wǎng）或者無線網絡與數控係統和服務（wù）器進行通（tōng）訊。

主控製器的液晶屏可以顯示這（zhè）些從設備采集的數據、維護提醒，也可以配置設備編號和遠程服務（wù）器地址。

2、主控（kòng）製器硬件及接口可靠性設計

圖 3 是（shì）電火花加工（gōng）機床監（jiān）控（kòng）維護係統（tǒng）主控製器硬件框圖。控製器采用具有高性能、低功耗、多接（jiē）口的AＲM Cortex － A8 內核微處理器（qì）作為主處理器，協處理器采用超低功（gōng）耗

AＲM Cortex － M3 微處理器。主監控CPU 主（zhǔ）要功能是進行電壓、電流、溫度、高度（dù）等數據的采集和通過以太網或者 3G 無（wú）線網絡與數控係統通訊，並且進行數據處理和維護策略等運算。

協處理器MCU 主要功能是讀取 GPS 數據（jù）、采集震動參數、進行（háng）智能電池電源管理等。主監控 CPU 與協處理器 MCU之間通過（guò）串口進行通訊。

2． 1 網絡（luò）接口設計

主控製器通（tōng）過以太（tài）網上傳（chuán）監控數據。本係（xì）統采用千兆以太網接口，充（chōng）分考慮傳輸帶寬的同時，通過接口（kǒu）可靠性設計提升監控可靠性。圖 4 是設計的電火花加工機床監控維護係統主控製器以太（tài）網接（jiē）口（kǒu）的原理圖。

在圖 4a 中，四對差（chà）分線阻抗（kàng）控製為 100 Ω，通過 1: 1千（qiān）兆變壓器隔離保護內部電路; 在圖 4b 中，在變壓器輸（shū）出到連接器之間通過 TVS 管及串接電阻實現對靜電和浪湧電流的吸收; 在圖 4c 中，通過氣體放電管實現接口的雷擊防（fáng）護（hù）。

2． 2 控製（zhì）器

ＲS485 接口主控製器與機床的傳感（gǎn）器及采集節點往往在不同的（de）位置，需通過現場總線將數據實（shí）時（shí）傳輸到主控製器，以便實現監（jiān）控和管理。ＲS485 總（zǒng）線采用（yòng）平衡發送和（hé）差動接收方式實現通信，具有（yǒu）很高的通信可靠性，同時因其簡單（dān）、成熟、低廉、便於維護等（děng）特點廣泛應用於工業現場中（zhōng）。

本設計采用 ADUM2587 進行接口可靠性設計。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，並集成隔離DCDC 轉換器（qì）。利用ADUM2587 的開路、短路故障保護功能，在單個設備節點出現異常（cháng）時不會影響（xiǎng）其他節點的通訊。圖 5 為其典型電路原理圖。

據此，並充分考慮可靠性設計，主控製器的ＲS485電路原理圖優化為如圖 6a 所示。圖 6b 中 J24 的 1 腳為主（zhǔ）控製器的接口地。ＲS485的接地問題常常被忽視，誤認為ＲS485

不需要信號地，認為節點間隻需要一根雙絞線將（jiāng） A、B 端（duān）連接起來就可（kě）以了。

雖然（rán）這種方式在某些情況（kuàng）下也可（kě）以工作，但ＲS485 的收發器（qì）隻有在共模電壓不超出－ 7 ～ +12V 的條件下才能正（zhèng）常工（gōng）作。因為接收端的共模電（diàn）壓等於發送端的（de）共模電壓（yā）加上地電位差（chà），若兩端接地線未（wèi）連接，共模電壓可能超出上（shàng）述（shù）正常工作範圍，進而影響通信的可靠性，甚至損壞接口。

因此，采用（yòng）低阻的信號線或屏蔽層將兩端接口的工作地連接起來，使（shǐ）地電位差為零，是總線通（tōng）訊可靠性設計不可或缺的工作（zuò）。

根據傳輸線（xiàn）理論，在ＲS485 網絡的兩端加入終（zhōng）端電阻 ( 圖 6b 的Ｒ99 ) 來吸收網絡上的反射幹擾。ＲS485 總線處於空（kōng）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（gè）確定的（de）空閑（xián）電位。ＲS485 總線隻是（shì）定義了接口電平等物理層標（biāo）準，上（shàng）層協議尚需根據實際工程的需要來定義。通常數據（jù）包協議格式由引導碼、長（zhǎng）度碼、地址（zhǐ）碼、命令（lìng）碼、數據、校驗碼、尾碼等組成，協議不夠簡（jiǎn）練（liàn）。Mod-bus 協議以其簡練、開（kāi）放、成熟等特點在工控、水文、電力等行業的設備及係統中得到了廣泛（fàn）的（de）使用。

本文采用 Modbus 協議來（lái）進行主設備和各從（cóng）設備之間的通信。

3 、電火花加工機床監控維（wéi）護係（xì）統軟件開發

3． 1 主控製（zhì）器程序流程

主控製器（qì）主（zhǔ）要完成（chéng）兩個功能: 一是通過（guò）各傳感器及節點獲取機床（chuáng）實（shí）時狀態; 二（èr）是對數據進行分析（xī）匯總，並在本地和遠端（duān）呈現（xiàn）給維護人員（yuán）機床狀態和維護提醒。首先，係統（tǒng）上電後，進行初始化操作，主要包括設置通訊接口、定時器、開門（mén）狗、傳感器等內容。

初始化完（wán）成後，主控製器配置（zhì）從設備節點，包括節點數量、節點地址、節點通訊速率等內容。從設備節點配置完成後，控製器開始對從設備（bèi）節（jiē）點進行掃描（miáo），並對（duì）獲取到的節點報文進行處理。

控製（zhì）器將來自服務器的報文分為服務器配（pèi）置報文、服務器查詢（xún）報文（wén）、服務器維修知識庫更新報文三類; 控製器接收從設備節點報文後，結合維護知（zhī）識庫，執行（háng）維護決策算法，並在（zài） HMI 更新維護（hù）提醒。參見圖7 所示程序流程圖。本控製器的（de）設計中，控製器（qì）可以（yǐ）將狀態及維護信息上傳到遠端服務器; 同時，控製器可（kě）以脫離服務器單獨運行，並通（tōng）過

HMI 實（shí）時呈現機（jī）床狀態和（hé）維護（hù）提（tí）醒信息; 控製器還可（kě）以根據掃描（miáo）節點數的多少（shǎo）及故障狀態情況，自動配置節點、調整掃描時間（jiān）間隔等，既（jì）降（jiàng）低了通信故障率，又可以通過提升故障（zhàng）掃描間隔來準確獲取故障狀態數據，進（jìn）而提高機（jī）床的可靠性與安（ān）全性。

3． 2 控製器人機界麵設計

控製器的人機界麵按照簡單可靠的原（yuán）則進（jìn）行設計。圖（tú） 8 界麵主要包含機床監控和（hé）維護兩（liǎng）個部（bù）分。係（xì）統（tǒng）分別對油泵、過（guò）濾係統、各核心（xīn）模塊的溫濕度、各軸狀態進行實時監控，並在監控菜單顯示; 係統依據監（jiān）控數據及各模（mó）塊維護的曆史經驗，製定維護策（cè）略，通過進度條直觀地顯示在維護菜單上。

4 、結語

( 1) 為提升電火花加工機床的運行可靠（kào）性（xìng），本文設計了一種電火花加工機床監控維護係統（tǒng），詳細討論了電火花加工（gōng）機床監控維護係統控製器的可靠性設計內容和（hé）需要注意的問（wèn）題

( 2) 係統采用分布式總線實現控製（zhì）器與（yǔ）節點、控製器與服務器（qì）的通訊，控製器可獨立工作（zuò），節點（diǎn）具有很強的容錯能力，有效地提高（gāo）係統的可靠性、安（ān）全性。

( 3) 圖 9 是本文（wén）依據上述研究設計完成（chéng）的電火花機床（chuáng）監控維（wéi）護係統控製器裝置，在 A35 數控電火花成形加（jiā）工機床上進行（háng）了初步應用和（hé）驗證，達到了的預期（qī）的目的（de）。

本文對電火花（huā）加工機床的運行可靠性工作進行了初步的探討，拋磚引玉，希望引起業界學者的關注（zhù），後續工作還（hái）需積（jī）累更多的機床數據，優化維護策（cè）略，進而更好地提升電（diàn）火花加工機床（chuáng）的運行可靠性。

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