现代数控机床毕业论文

数控机床旋转进给系统的状态空间模型及性能分析摘要：高性能多坐标数控机床的摆头、转台等旋转进给系统多采用永磁同步伺服电机进行直接驱动，其控制问题较常规进给系统更为复杂。因此建立更为科学的适用于直接驱动的永磁同步电机的数学模型对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出在矢量控制的基础上建立直接驱动用永磁同步电机的状态空间模型的方法，并运用现代控制理论对系统的能控性、可观测性及稳定性等进行分析和计算以及对系统进行极点配置，并用Simulink进行了系统仿真，为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论基础和分析方法。关键词：旋转进给；直接驱动；永磁同步电机；中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2007)08-0040-05State space model and performance analysis of numerical controlmachine rotary feed systemZHANG Ao, ZHOU Kai(Department of Precision Instrument and Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract: Rotary feed system such as pendulum head and revolving table of high-powered multicoordinatesnumerical control machine adopts PMSM to drive directly. It's more complex tocontrol than the conventional feed system. So it's significative to set up mathematic modelof PMSM which is applicable for the direct drive more scientifically in order to improve thecontrol level of rotary feed system. Thus a modeling of PMSM method for state spaceequation modeling of PMSM based on vector control is proposed. The controllability,observability, stability and Pole assignment are analysed by modern control theory. And thesystem emulation is finished by Simulink. This method offers theoretical basic and analyticalmethod for rotary feed servo system designing of numerical control machine.Key words: rotary feed; direct drive; PMSM; state space equation0 前言高性能数控机床的旋转进给伺服系统，特别是直接驱动伺服系统（即取消了从电动机到执行机构或负载之间的一切机械中间传动环节，把传动链的长度缩短为零。）广泛使用永磁同步电机(permanentmagnet synchronous motor, PMSM)作为控制对象。其优点是结构简单，运行可靠，通过在结构上采取措施，如采用高剩磁感应、高矫顽力和稀土类磁铁等，可比直流电动机的外形尺寸约减少1/2，重量轻60%，转子惯量可减小到直流电动机的1/5 。[2]还应该看到，传统驱动系统由于传动环节的存在，控制环节的受力较小，系统对扰动的敏感度相对较低，而直接驱动伺服系统，负载与控制环节之间几乎是直接相联，没有传动链的缓冲，因此控制环节受力较大，对扰动比较敏感，这可能会对系统的动态性能造成影响；同时，摆头与转台的特点是要承受低速大负载，因此其大负载条件下的低速平稳性也是系统设计中的一个重要问题。因此，对于此类数控机床转台、摆头等旋转进给直接驱动系统而言，其控制问题较常规进给系统更为复杂。在工程实际中多采用基于矢量变换控制的经典3 环控制方法进行系统控制，其建立控制模型的基础是经典控制理论，即对系统使用传递函数加以描述，将某个单变量（如转速等）作为输出，直接和输入（如电压等）联系起来。但实际上系统除了输出量外还包含其它相互独立的变量，而微分方程或传递函数对这些内部的中间变量是不便描述的，因而不能包含系统的所有信息，不能完全揭示系统的全部运动状态。而若应用现代控制理论的状态空间法分析系统，其动态特性是由状态变量构成的一阶微分方程组来描述的，它能反映系统全部独立变量的变化，确定系统全部内部运动状态，方便地处理初始条件。因此可以更为全面的表征系统以及系统内部变量的关系，尤其适合应用于非线性、多输入－多输出系统。[5]综上所述，旋转进给直接驱动伺服系统是一个强耦合、非线性的复杂系统，因此用状态空间法来进行建模是更为科学和有效的。本文在矢量控制的基础上通过状态空间法建立永磁同步电机状态空间模型，并应用现代控制理论的各种方法对模型进行全面的分析，为进一步应用先进的控制方法对系统进行控制打下坚实的基础。1 PMSM 的数学模型我们考虑的是正弦型永磁同步电动机系统。该电动机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也为正弦波形。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组。基于电动机统一理论的结论可以得到，转子坐标系（d－q轴系）中永磁同步电动机定子磁链方程为：（1）其中：——转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq——永磁同步电动机的直、交轴主电感；、 ——定子电流矢量的直、交轴分量。PMSM 定子电压方程为： （2）其中， 、——定子电压矢量us的d、q轴分量；w——转子电角频率。PMSM 的转矩方程为： （3）电动机转矩系数Kt 为：Kt ＝ pmyr此外，电动机系统还要满足基本运动方程：（ 4）其中，n ——电动机转速；wr ——转子机械角速度，w=pmwr ；Td、TL ——电动机的电磁转矩和负载转矩。采用现代控制理论的状态方程对永磁同步电机进行数学建模。若采取矢量控制，一般要求id=0，但是状态方程中不出现md和id是不合理的。因为在id=0的控制模式中，只是要求id的取值等于0，但id的实际值并不一定总是等于0（特别是在动态过程中）。同时，ud的实际数值也不会等于0。因此，必须将ia也作为状态变量，将md 也作为控制变量，由控制器根据所有状态变量（包括id）的取值进行控制。因此取状态变量 ，q 为转子位置角。将（1）式带入（2）式的第2 式，由（3）式和（4）式可得，则永磁同步电机的状态方程为( ) ：(5)由此可见，该系统是一个非线性时变系统，且在系数矩阵中含有wr，id，iq状态变量的交叉相乘项，因此需要进行系统解耦，令因此采取id=0的矢量控制方法，uq'=uq，TL'=TL，系统可化为线性系统。取ud，uq 为控制量，负载转矩TL 作为扰动处理，因此单独提出，则系统化为=AX+BU+B0TL 的形式，则原系统化为：(6)2 PMSM 系统的分析PMSM 的参数如下：则系统状态空间方程为：2.1 多项式模型将状态空间模型转换为多项式模型，系统的传递矩阵为：2.2 能控性与可观测性分析状态完全能控的充分必要条件是系统的能控矩阵的秩为n。状态完全能观测的充分必要条件是能观测矩阵的秩为n。计算可得，系统的能控矩阵秩为4，满秩，则系统状态是完全能控的。系统的能观测矩阵的秩为4，满秩，则系统状态是完全可观测的。2.3 控制系统的稳定性分析对于由状态空间模型表示的系统，其系统稳定的充分必要条件是：系统矩阵A 的特征值全部具有负实部。eig(a)'=1.0e+002 *[0 -1.2069 - 0.8066i -1.2069 +0.8066i -2.1212]由于系统矩阵a 的特征值中有一个是零，因此该系统是临界稳定的。由于能控矩阵的秩为4，满秩，因此可以通过状态反馈配置极点使得系统稳定。2.4 多输入控制系统的极点配置对于多输入系统的极点配置的基本思路是：首先求一状态反馈，使得其闭环系统对某一输入（例如第一个输入）是能控的，再按单输入系统配置极点的方法进行极点配置[5]。图1 极点配置的闭环系统框图期望极点为：1.0e+002 *[-0.1 -1.2069 -0.8066i -1.2069 + 0.8066i -2.1212]（1）构造Q、S 矩阵。，由系统可得，n=4,m=2，u1+u2=4，a 为Q-1 的最后一行向量。（2）先按能控标准型进行极点配置。对 单输入系统进行极点配置。的特征多项式为，所期望的特征多项式为，则增益阵为:（3）求化为能控标准型的变换矩阵T，即则增益阵返回原坐标系为（4）使原系统（A，B）实现极点配置的状态反馈为:2.5 系统仿真系统位置状态向量对阶跃信号的响应：图2 极点配置前位置状态向量的阶跃响应图3 极点配置后位置状态向量的阶跃响应系统位置状态向量对速度信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）：图4 极点配置前的速度信号跟踪曲线系统位置状态向量对正弦信号的响应（虚线为输入位置信号，实线为输出位置信号）图5 极点配置后的速度信号跟踪曲线图6 极点配置前的正弦信号跟踪曲线图7 极点配置后的正弦信号跟踪曲线由此可见，通过极点配置使系统稳定，且对各种输入信号的响应有很大改善，具有很好的跟踪性能，这对于随动系统来说是十分重要的。3 总结使用状态空间方程表征系统，可以把系统的状态与系统的输入和输出联系起来，并在系统的内部变量与外部输入和测量输出之间建立联系，保存系统内部特性的信息，因此模型更为精确和科学。本文即在矢量控制的基础上提出了一种建立完整的永磁同步电机状态空间模型的方法。根据此模型，运用现代控制理论的各种方法对系统性能进行了分析和计算，分析表明该系统具有完全能控性、完全可观测性以及临界稳定性，通过状态反馈配置极点的方法使得系统稳定，使状态变量对输入信号有很好的跟踪性能。为进一步分析和设计控制系统提供了有效的方法和思路。参考文献：[1] 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计[M].北京:国防工业出版社,2001.[2] 张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002.[3] 李三东,薛花.基于Matlab永磁同步电机控制系统的仿真建模[J].江南大学学报,2004,(2):115-120.[4] 杨平,马瑞卿,张云安.基于Matlab永磁同步电机控制系统的建模仿真方法 [J].沈阳工业大学学报,2005,(4):195-199.[5] 侯媛彬,嵇启春,张建军,杜京义.现代控制理论基础[M].北京大学出版社,2006.[6] 孙亮. MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京:北京工业大学出版社,2006国物流管理逐渐走向社会化和供应链化的形势下，必须接合具体企业的物流运作管理实际，根据精益物流的基本原则和企业信息化状况，通过理论与应用的研究，在精益供应链物流管理原型系统的基础上不断修改和完善，不断地进行研究和实践，以此来推动我国制造企业精益供应链物流管理信息系统的发展。参考文献：[1] 乌跃.论精益物流系统[J].中国流通经济,2001(5):11-13.[2] (美)詹姆斯·P. 沃麦克, (英)丹尼尔·T. 琼斯, 沈希瑾,张文杰,李京生.精益思想:消灭浪费,创造财富[M].北京:商务印书馆,1999．[3] RICHARD Wilding. Lean, Leaner, Leanest[J]. InternationalJournal of Physical Distribution & Logistics Management1996,25(3/4)20.[4] 王之泰. 物流工程研究[M].北京:首都经济贸易大学出版社,2004．[5] 田宇,朱道立.精益物流[J].物流技术,1999(6):19-21.[6] LIU X Q, MA S H. Supply chain logistics circulation quantityand response time calculation model[J].WSEAS Transactionson Systems, 2006,5(4):643-650.__PLC 在机床数控改造中的典型应用邵晓嵬, 任有志, 王燕丽(河北科技大学机械电子工程学院, 石家庄050054)摘要: 讨论了利用可编程控制器对机床进行数控改造的具体方案和一般步骤,并以锯片切割机的改造为例介绍了利用西门子公司S7 - 200 系列可编程控制器进行改造的具体过程,阐述了机床数控改造后的应用效果及其未来的社会和经济效益。关键词: 可编程控制器; 机床; 数控改造中图分类号: TG51 文献标志码: A 文章编号:100320794 (2007) 1120147202Typical Application of PLC in NC Transformation for Machine ToolSHAO Xiao - wei , REN You - zhi , WANGYan - li(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Hebei University of Science & Technology , Shijiazhuang 050054 ,China)Abstract :Discussed how to use the programmable logical controller (PLC) to deal with the transformation inmachine tool , particularly introduced the whole process of transformation on incise machine based on SIEMENSS7 - 200 PLC. Finally expatiate the effect of NC transformation and its coming benefit .Key words :programmable logical controller (PLC) ; machine tool ; NC transformation0 前言在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式,这些机床触点多、线路复杂,使用多年后,故障多、维修量大、维护不便、可靠性差,严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作,但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产工艺要求。对这些机床进行改造势在必行,改造既是企业资源的再利用,走持续化发展的需要,也是满足企业新生产工艺,提高经济效益的需要。1 解决方案利用PLC 对旧机床控制系统进行改造是一种行之有效的手段。采用PLC 进行控制后,机床控制电路的接线量大大减少,故障率大大降低,提高了设备运行的稳定性和使用率,增强了可靠性,减小了维修,维护工作强度。当机床加工程序发生变化时,只需要修改PLC的程序就可以进行新的加工,更改较方便,有助于提升机床的应用。由于具有通信功能,采用可编程控制器进行机床改造后,可以与其他智能设备联网通信,在今后的进一步技术改造升级中,可根据需要联入工厂自动化网络中。2 改造过程、步骤及应用实例(1) 深入了解原有机床的工作过程,分析整理其控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系,以及相关的保护和联锁控制,尽可能地与实际操作人员充分交流,了解是否需要对现有机床的控制操作加以改进,提高精度、可操作性和安全性等;如有需要,在后续的设计中予以实现。(2) 根据分析整理的结果,确定所需要的用户输入P输出设备。由于是对旧机床的改造,在保证完成工艺要求的前提下,最大限度地使用原有机床的输入P输出设备,如: 按钮、行程开关、接触器、电磁阀等,以降低改造成本。(3) PLC 机型选择。根据输入P输出设备的数量与类型,确定所需的IPO 点数。确定IPO 点数时,应留有20 %左右的裕量,以适应今后的生产工艺变化,为系统改造留有余地。由IPO 点数,利用一条经验公式:总内存字数= (开关量输入点数+ 开关量输出点数) ×10 + 模拟量点数×150来估算内存容量。在估算出内存字数后,再留25 %的裕量。据此,选择合适的机型。(4) 设计并编制IPO 分配表,绘制IPO 接线图。应注意到:同类型的输入点或输出点应尽量集中在一起,连续分配。(5) 进行程序设计。可借鉴机床原有继电器控制电路图,加以修改和完善。完成程序设计后,应进行模拟调试。(6) 模拟调试后,进行现场系统调试。调试中出现的问题逐一排除,直至调试成功。最后还应进行技术资料整理、归档。图1 IPO 接线图下面是对某锯片切割机的数控改造过程,机床的各控制过程如下:(1) 主轴电机的控制。起动,停止;(2) 进给电机控制。工作台纵向进给到与锯片相切的位置,之后工作台横向快速进给锯片,完成后工作台慢速移动后退,其间锯片主工作台变速旋转一个锯齿的角度,两运动同时进行插补出一个锯齿圆弧;(3) 冷却泵电机的起动控制以及相关的保护、联锁控制,工作台的各运动方向的超程保护,各运动方向的联锁控制等。确定所需的用户输入P输出设备。根据设备的硬件条件分析出,面板上有6 个按钮需占6 个数字输入口,一个BCD 拨码开关占用4 个输入口,一条直线光栅尺占用3 个输入口,一个三位状态旋钮占2 个输入口,执行元件为3 个步进电机和2 个异步电机,其中3 个步进电机共需8 个数字输出口,砂轮主电机和冷却泵各需1 个输出口,报警指示灯和上电指示灯各需1 个输出口。为保证安全起见,热继电器不接入输入端,而直接接在PLC 的输出端;合计输入点数15 点,输出点数12 点。考虑到要留有20 %左右的裕量,所以IPO 点数要在30 个点以上。因此,选用西门子公司S7 - 200 系列226 型号的PLC ,其输入点数24 点,输出点数16 点, IPO 总点数40 点;编制IPO 分配表(见表1) ,绘制IPO 接线图(见图1) ;借助机床原有的继电器控制电路图,进行程序设计,编写STL 结构化程序语言;模拟调试及现场系统调试,完成技术资料的归档。表1 IPO 分配表输入输出I0. 0 BCD 拨码开关1 位Q0. 0 W轴CP 端I0. 1 BCD 拨码开关2 位Q0. 1 X轴PY轴CP 端I0. 2 BCD 拨码开关3 位Q0. 2 W轴DIR 端I0. 3 BCD 拨码开关4 位Q0. 3 W轴FREE 端I0. 4 启动Q0. 4 X轴DIR 端I0. 5 暂停Q0. 5 X轴FREE 端I0. 6 光栅尺A 相输入Q0. 6 Y轴DIR 端I0. 7 光栅尺B 相输入Q0. 7 Y轴FREE 端I1. 0 光栅尺Z相复位Q1. 0 主电机继电器I1. 1 锯片直径输入确定Q1. 1 冷却泵继电器I1. 2 砂轮直径输入确定Q1. 2 报警指示灯I1. 3 三位状态旋钮输入1 Q1. 3 上电指示灯I1. 4 三位状态旋钮输入2I1. 5 冷却泵启动I1. 6 急停3 改造后效果可实现加工的柔性自动化,效率比传统锯片机提高5～6 倍。加工的锯齿精度高,尺寸分散度小,提高了锯齿的强度。拥有自动报警、自动监控、补偿等多种自我调节功能,可实现长时间无人看管加工。由于锯片采用的是某新型合金钢,齿磨损后修补的成本很高,采用该锯片机以后,为工厂节省了可观的维修成本,真正提高了工厂的效益。4 结语利用PLC 对传统机床进行数控化改造,能够有效地解决复杂、精密和小批多变的零件加工问题,满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求,适应各种机械产品迅速更新换代的需要,同时为企业节省了大量的设备改造成本,提高了企业的经济效益和社会效益,提升了企业的产品竞争力,使企业更容易在竞争激烈的市场环境里生存与发展。参考文献:[1 ]陈立定. 电气控制与可编程控制器[M] . 广州:华南理工大学出版社,2001.[2 ]张新义. 经济型数控机床系统设计[M] . 北京:机械工业出版社,1994.作者简介: 邵晓嵬(1981 - ) ,河北邯郸人,河北科技大学研究生,研究方向为机电一体化,电话:0310 - 5368092.基于网络的数控机床远程管理汪惠芬, 刘婷婷, 张友良(南京理工大学机械工程学院, 江苏南京210094)摘要: 网络化制造是21世纪的主要生产模式, 采用网络技术来管理数控机床也就成为必然。本文在分析数控机床联网及远程管理的需求基础上, 提出一种基于TCP / IP的、能够与企业其它信息管理系统实现无缝集成的数控机床联网及远程管理系统方案, 详细介绍该系统的结构和功能, 并给出了应用实例。关键词: 网络化制造; 数控机床; 远程管理中图分类号: TG659 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 3881 (2007) 10 - 070 - 4RemoteManagemen t of NC Mach ine Tool Ba sed on NetworkWANG Huifen, L IU Tingting, ZHANG Youliang( School ofMechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)Abstract: Networked manufacturing ismain manufacturing paradigm in 21 st century, so that it is necessary trend to manage NCmachine tool based on network. Based on the analysis of requirements for networking and remote management of NC machine tools,TCP / IP2based networking scheme and remote management system that can be integrated with other information management systems inenterp rise forNC machine toolswas put forward. Then architecture and main functions of this system was discussed. An examp le ofapp lication was introduced.Keywords: Networked manufacturing; NC machine tool; Remote management0 引言网络化制造是21 世纪制造业的主要生产模式,网络化设计制造系统是一种由多种、异构、分布式的制造资源, 以一定互联方式, 利用计算机网络组成的、开放式的、多平台的、相互协作的、能及时灵活地响应市场需求变化的系统。其特点是在组织上的动态联盟, 其目标是将现有的各种在地理位置上或逻辑上分布的制造系统连接到计算机网络中, 以提高各单位间的信息交流与合作能力, 进而实现各种资源的共享, 快速地设计和制造产品, 响应市场的需要。它是21世纪制造企业缩短产品开发周期、改善产品质量、降低产品成本, 增强企业的竞争能力的主要技术措施[ 1 - 3 ]。数控机床与计算机通信是实现制造设备集成控制和管理的基础和必要条件, 也是实现网络化制造的关键之一。随着数控技术使用的不断深入, 计算机技术、网络技术的不断发展, 企业数控机床的数量越来越多, 而传统的单机管理模式因技术手段落后、生产效率低、管理与维护费用高昂等弊端已不能适应企业发展的需要, 采用网络技术来管理数控机床也就成为必然[ 4 ]。数控机床网络DNC技术在我国经过二十多年的发展, 也经历了从纸带到单机, 再到简单网络,最后发展成为高级网络的艰难历程。纸带方式已经基本完全抛弃; 在机床数量较少时, 有些用户还在使用单机通讯模式; 当机床数量发展到一定数量时, 机床用户一般都采用了网络DNC的方式[ 5 ]。我国数控机床的网络DNC目前主要存在着两种结构: 一种是采用单台计算机对应单台机床的方式, 这些计算机再通过局域网联结; 另一种是采用单台计算机对应多台机床的方式, 其中大部分是基于RS2232串口通讯或基于国外的通讯软件产品[ 6 - 10 ] , 也有部分基于TCP / IP的国产软件[ 11 - 13 ]。但是, 随着市场经济和企业信息化的发展, 企业使用了多种信息管理系统, 如ERP、PDM、MES、CAD /CAPP /CAM 等, 各种系统之间还必须考虑信息共享, 以避免信息化孤岛, 因此, 使用集成式DNC技术对数控设备群进行管理势在必行。本文在分析数控机床联网及远程管理的需求基础上, 提出一种基于TCP / IP的、能够与企业其它信息管理系统实现无缝集成的数控机床联网及远程管理系统方案, 并详细介绍了该系统的实现技术及应用实例。1 数控机床远程管理系统结构111 系统需求分析目前, 在实施网络化制造的进程中, 越来越多的企业逐步实施了企业信息化工程, 单机作业的数控机床成为制约企业快速响应市场的瓶颈, 为了更好地满足生产发展的需求, 迫切需要将企业的数控机床进行联网改造, 实现信息系统对数控机床的远程管理以及车间生产任务的实时调度。数控机床远程管理系统的设计需要满足以下要求:(1) 开放性。随着新技术的发展, 系统应具有可扩展性和可裁剪性, 易于增加和更新系统的功能,系统的配置应具有良好的通用性、兼容性、可移植性和互操作性。(2) 灵活性。系统支持多操作系统(Windows98 /NT 410 /2000) , 应适应控制器类型、设备数量、任务

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数控机床可维修性设计及其关键技术研究摘要]故障作为随机事件是不可避免的,而可靠性设计从某种意义上讲又是靠大量的可靠性测量分析与储备。为此人们在设计中,在对关键的零部件进行适当的可靠性储备的同时,应更多地注重于产品的可维修性设计,可维修性设计虽然会使成本有所增加,但较之在产品开始产生之后,再对设计进行修改而带来的经济损失和声誉损失,仍然是相当经济的。本文重点从设计措施入手研究提高数控设备维修性的新途径,使数控产品的故障诊断和维修既方便又快捷,并在此基础分析冗余设计的维修性设计技术。[关键词]数控机床;可维修性设计;设计准则;技术分析;冗余设计设计质量对于产品而言至关重要,而以最少的成本获得高质量的产品已经成为当今产品设计的主要追求。可维修性设计就是其中一个非常重要的内容,可维修性设计就是把维修性纳入产品设计过程,通过设计与验证实现维修性要求,这不仅是提高产品质量水平的客观需要,也是用户的迫切需求。因为一件产品的维修工作越简单,那么它对顾客的吸引力也就越大。随着数控技术的发展,设计人员在产品设计中引入了大量的电子技术元件,这一方面改善了数控产品的性能,而另一方面给产品的可靠性设计也带来了新问题。因为故障作为随机事件是不可避免的,而可靠性设计从某种意义上讲又是靠大量的可靠性测量分析与储备。为此人们在设计中,在对关键的零部件进行适当的可靠性储备的同时,应更多地注重于产品的可维修性设计,使产品的故障诊断和维修既方便又快捷。1维修性方案人们现在所关心的已不仅仅是产品的初始性能,而是产品在整个生命周期中的性能变化。而产品的使用性能受到其使用方法的影响。因此一方面,我们需要知道产品是如何被使用的,这些信息可以从它的前代产品中得到。另一方面,设计者在设计时可以采取一定措施来改变产品将来被使用以及维修的方式。例如,设计者需要判断那种零件更加耐磨,以及零件的替换方式等等,这些都将直接关系到产品的拆卸性能、维修性能。因此我们需要做的不仅仅是预测产品或部件的故障发生率,则是要求以最少的操作和成本完成一件产品或一个系统的维修工作。现在,制造商们已经意识在产品设计和制造过程中考虑产品的可维修性。现代设计的数控设备不仅要功能佳,而且也要使用、维修方便,这样整台设备的综合效率才高。在产品论证、方案设计时,设计者要有现代设计意识,采用并行工程的原理,考虑到从产品概念到投入使用过程中的整个寿命周期中所有的因素,包括设计、制造、安装、调试、使用、维修等阶段。因此,设计者在产品设计建模时,就应当考虑到产品拆卸的可能性及修理的结构工艺性,整台设备不能有不可到达的死角,所有部件尽量采用快速解脱装置,以便拆装。2维修性设计与分析2. 1可达性设计可达性就是在进行设备维修、更换时,能够方便地接近维修部位和进行维修作业,是一种设计布局与装配特性。可达性又分为:安装场所可达性;设备外部可达性;内部可达性三类。良好的可达性,能减少维修牵连和差错,使维修作业方便舒适。在进行可达性设计过程中,可以重点从以下几个方面去把握:(1)所有的零部件都应在不拆卸其他零部件的情况下也能直接看到或碰到; (2)更换零部件时间:为了缩短更换零部件的时间,从布局观点应考虑,把故障出现频数多的零部件、更换时间长的零部件,放在可达性好的部位; (3)零部件的尺寸与质量:对于大的、重的零部件等,在布局时应考虑尽可能放置在开口部分近旁;并且在更换时不致损坏其他零部件的部位; (4)诊断的难易:机器内零部件配置应多考虑进行诊断的程序,即维修人员一边直接检查零部件,一边判定故障位置。一般来说,零部件的配置方法可分为下面四类:A标准配置:配置零部件时,要考虑其重量、热分布、工作性能等方面,也要考虑其强度、耐久性和制造工艺性,但对下述方法不作考虑; B零部件的分类配置:把同类的结构单元、零部件(例如继电器)等安装在一起,这种方法对定期的预防维修(定期检果、定期更换等)是方便的; C电路的分类配置:这是电子设备中常用的一种方法,它是把由多个零部件组成的结构单元(用途不同也可以)集中在一处。这样,有利于实现元部件的标准化,并可简化测试程序和缩短测试时间;D逻辑式配置:按照功能方框图的各方框来进行配置。维修人员在理解了工作原理之后,就能很容易地对照框图来寻求故障位置。(5)设整检查的难易:最现想的零部件配置是,不用打开机器就能检查或设整机器。即使机器内有调整处,也必须使其不停机就能进行调整; (6)零部件周围的空间:在更换零部件时,如无适当的空间,就会严重妨碍作业。(7)目视:在配置零部件时为了能用目视,应考虑以下几点:A、拆下盖板时,要能以正常的视角看到所有的零部件; B、取放零部件时,要能从开口部分看到零部件; C、配置零部件时,要使零部件上的金属件、螺丝等能看到清而不受其他零部件遮蔽,也不受工作人员的手和工具的遮蔽; D、为了能识别,要在机体上和零部件上作出标记; E、需要调整的零部件,既要看得见调整外,又要在机体上或对应的显示器上显示其调整范围。2. 2模快化设计在整体式结构中,失效的零部件或元器件是分立而离散分布的,判明故障点比较困难,在维修中往往需大拆大卸,并受工具、测试设备、操作空间等维修条件的限制,不仅修复和更换速度慢,而且易影响维修后的质量,并且对维修人员的技术和技能要求比较高。模块是将一个单元体、组件、部件或零部件,设计成一个可以单独处理的单元,使其便于供应和安装、使用、维修。由于整机中的模块便于拆装、测试,所以模块化对维修有特别重大的意义,它使维修工作产生了革命性的变化,或者说,模块化带来了维修工作的革命。(1)简化维修,缩短维修时间:从维修着眼,模块是以从整机上整个地拆下来的设计部件,维修是以模块为单位进行的。由于模块易于从整机中拆卸和组装,简化了维修工作,缩短了维修时间。(2)易于测试诊断:模块间有明确的功能分割,能单独调试,且常有故障指示,出现故障后易于判断,并迅速找到有故障模块,缩短了故障诊断、定位时间。(3)降低对维修人员水平的要求:由于维修方式和维修条件和改善,可大大降低对维修人员的技术水平和技能的要求,并易于保证维修质量。如有备用模块、甚至设备的操作者就可及时进行快速更换。(4)减少预防性维修工作量:由于模块易于与产品剥离,许多模块可以拆下来,拿回到维修室进行维修,维修环境良好,维修工具齐全,可减少或避免现场维修;有时由于机器已装上备用模块而正常运转,对损坏的模块可从容不迫地进行维修,有助于保证修复性维修的质量。(5)有助于实施改进性维修:由于模块是“黑箱”型部件,有确定的功能和输入、输出接口,新技术模块只要功能与接口能相兼容,就可方便地用于改造老产品。(6)有助于售后服务(维修):现代企业都有一支数量不小的售后服务队伍,以便让用户满意。模块化产品不仅易于测试、诊断,并且由于模块通用性大、寿命长、生产批量大,大多数备件都是新产品上还在使用的零部件,易于取得,甚至可在市场上购得。(7)模块化设计对维修除有上述的技术性好处外,还可大大简化维修管理。2. 3测试诊断设计最基本的要求就是,测试诊断应准确、迅速、简捷。(1)对测试点配置的要求:A、测试点的种类与数量应适应各维修级别的需求,并考虑到测试技术不断发展的要求。B、测试点的布局要便于检测,并尽可能集中或分区集中,且可达性良好。其排列应有利于进行顺序的检测与诊断。C、测试点的选配应尽量适应原位检测的需要。产品内部及需修复的可更换单元还应配备适应数量供修理使用的测试点。D、测试点和测试基准不应设置在易损坏的部位。(2)对测试方式和设备的要求:A、应尽量采取原位(在线,实时与非实时的)测试方式。重要部位应尽量采用性能监测(视)和故障报警装置。对危险的征兆应能自动显示,自动报警。B、对复杂的设备系统,应采用机内测试(BIT),外部自动测试设备,测试软件,人工测试等,形成高的综合诊断能力,保证能迅速,准确地判明故障部位。要注意被测单元与测试设备的接口匹配。C、在机内测试、外部自动测试与人工测试之间要进行费用、效能的综合权衡,使系统诊断能力与费用达到最优化。D、测试设备应与主装备同时进行选配或研制、试验、交付使用。研制时应优先选用现行系统中适用的或通用的测试设备;必要时考虑测试技术的发展,研制新的测试设备。E、测试设备要求体积和质量小、在各种环境条件下可靠性高、操作方便、维修简单和通用化、多功能化。(3)故障诊断的一般要求:对于一个系统来说,故障诊断应该满足以下要求:A、对系统在各种方式和状态下均能可靠地进行检测,并能指出系统在各种方式下处于正常工作、发生故障、抑或性能退化的状态。B、能检测显示95%的系统故障,并能把其中90%的故障定位到更换单元。C、避免或尽量少使用外部测试仪器。D、故障检测和定位电路的失效率,不超过系统总失效率的5%。E、错误告警概率应小于1%。错误告警包括: a虚警:监控电路指示有故障,而实际上并不存在功能性故障; b故障没有被发现:发生了故障,但未显示出来; c故障识别错误:故障部位或性质显示的错误。(4)测试性设计一般准则:测试性是指产品(系统、子系统、设备或模块)能及时准确地确定其状态(可工作、不可工作、性能下降)和隔离其内部故障的一种设计特性。也就是须在产品设计时就考虑测试要素,使产品方便测试和(或)产品本身就能完成某些测试功能。测试性设计的一般要求如下: A、合理划分功能单元:只要有可能,应根据结构表示物理和电气的划分。因为实际维修单元是结构分解所得的模块。B、应为诊断对象配置内部和外部测试装置,并应确保BITE(内部测试装置)性能的修复和校准。C、测试过程(程序)和外部激励源,对部件本身及有关设备或整个系统不产生有害效果。尤其需注意检查会否构成影响安全的潜在通路。D、所有的总线系统对各种测量应都是可访问的。E、对于通用功能,应设计和编写诊断应用软件,以便维修人员可以迅速进行检测。F、应考虑维修中所需使用的外部设备及其测量过程,应考虑与外部设备的兼容性和配备必要的测试点。G、诊断系统应能通过相应的测量,对产品的使用功能、设计单元的状态和输出特性作出评价。H、测试方式的转换:每个诊断系统都不可能是完美无缺的,有时会造成对被测件(UUT)的测试不准;此时,可应用常规的、功能定位的测试方法,在可替换模块级确定故障位置,这些维修接口(测试点)也可用来检测模块的运行数据。2. 4防差错的设计防差错设计的一般要求如下: (1)设计时,应避免或消除在使用操作和维修时造成人失误的可能,即使发生失误也应不危机人机安全,并能立即发觉和纠正。(2)外形相近而功能不同的零部件,重要连接部位和安装时容易发生差错的零部件,应从构造上采取防差错措施或有明显的防止差错识别标志。(3)产品上应有必要的为防止差错和提高维修效率的标志。(4)测试点和与其他有关设备的连接点处,均应标明名称或用途以及必要的数据等,也可标明编号或代号。(5)需要进行注油保养的部位应设置永久性标志,必要时应设置标牌。(6)对可能发生操作差错的装置应有操作顺序号码和方向的标志。(7)对间隙较小,周围产品较多且安装定位困难的组合件、零部件等应有定位销、槽或安装位置的标志。(8)标志应根据产品的特点、使用、维修的需要,按照有关标准的规定采用规范化的文字,数字,颜色或光,图案或符号等表示。标志的大小和位置要适当,鲜明醒目,容易看到和辨认。(9)标牌和标志在装备使用、存放和运输条件下都必须是经久耐用的。3冗余设计容错技术的关键是冗余技术,即采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态,一旦系统出现故障,能自动切换,保持系统不间断地正常工作。冗余控制的概念,严格来讲是采用一定或成倍量的设备或元器件的方式组成控制系统来参加控制。当某一设备或元器件发生故障而损坏时,它可以通过硬件、软件或人为方式,相互切换作为后备设备或元器件,替代因故障而损坏的设备或元器件,保持系统正常工作,使控制设备因意外而导致的停机损失降到最低。提到冗余,这里还有一个概念———同步(synchroniza-tion)。它是指冗余系统的两个或多个处理器之间要经常比较各自的状态,根据一定的规则以决定系统是否工作在正常的状态。这种状态比较和系统可靠性的判定被称作同步。冗余控制的方式在工控领域根据不同的产品和客户不同的需求有多种多样,采用的方式也不尽相同。一般根据产品应用和客户需求的不同,冗余控制可分为: (1)处理器冗余(CPU冗余); (2)通信冗余(网络冗余); (3)I/O冗余; (4)电源冗余。按冗余的实现方式来分大致可分为: (1)硬冗余(hard-redundancy),即采用特殊的硬件模块或PLC中固化的程序来实现PLC同步、故障切换的冗余方式。(2)软冗余(soft-redundancy),即采用编程的方式来实现PLC同步、故障切换的冗余方式。按冗余的切换方式来分大致可分为: (1)热冗余(热备hot-back),即硬冗余方式,当主设备故障时,通过特定硬件判别、备份方式无间隙地自动切换到备用设备上,保持系统正常运行。(2)暖冗余(暖备或温备warm-back),即软冗余方式,主要通过编程方式来实现冗余。由于软冗余的实现受多方因素制约,系统切换的时间较硬冗余稍长,因此部分软冗余可能会使主设备在发生切换时有间隙或需要人为简单干预或预置才得以完善。(3)冷冗余(冷备cold-back),即一套或部分冗余的设备(如: CPU)不通电、不工作,准备待命(人为预置好)。当主设备故障时需要人工恢复系统运行。按照现在的严格定义,这种方式,并不算是冗余,只作备件理解。这种冗余一般应用于实时性不强、工艺连续性要求不高的场合。I/O冗余、电源冗余大多数属于硬冗余范畴,而处理器冗余、通信冗余(网络冗余)既可采用硬冗余实现也可以采用软冗余实现。一般硬冗余与软冗余相比,硬冗余投入较大,冗余实现和系统维护相对简单,系统性能较可靠,系统的切换速度会较快。适合于生产工艺要求较高、反应速度较快的装置和生产线。软冗余投入的成本比硬冗余小,软冗余不需要特殊的冗余模块或软件支持,但在冗余实现和系统维护方面比较繁琐并且一般的软冗余切换的速度稍慢,系统性能主要取决于编程者的编程水平和所选硬件的品质,这类冗余方式比较适用于生产工艺流程要求不太高、反应速度较慢、开停要求不严的装置和生产线。为了提高设备的可靠性,降低故障率,在设计时,对关键的部件或分系统,可采取额外附加部件或采取其他手段。其优点在于设备的一部分发生故障时,整个系统仍能正常工作,改变传统的一坏就修的弊端。冗余性设计有以下3种形式: (1)工作储备设计:对某一关键部件,采用2个以上与其相同的单元,共同完成某一功能的设计,并联、并串联、串并联等就是其常见的形式(2)表决储备设计: n个相同的单元中,只要有k个以上的单元不发生故障,系统就能正常工作,又称“n中取k”储备设计。(3)非工作储备设计:当设备的一个单元(或分系统)发生故障时,另一个未工作的单元(或分系统)通过故障监测装置及转换进入工作状态的设计。这样设计的优点是系统的可靠性高,缺点是增加了转换装置,若采用手动转换,可能会造成暂短的停机损失;若采用自动转换,则会增加设备的制造成本,因此,采用这种设计时,要在设备的高性能与其生产成本之间求得平衡。4结束语在生产过程开始之后再对设计进行修改必将会带来成本的增加,因此设计者如果在设计的初始阶段就考虑到产品的可维修性,那么此时更改设计所带来的损失相对较小。可维修性设计所带来的收益包括:降低操作成本和生命周期费用。实行可维修性设计的着眼点在于用户产品使用中(上接第52页)的维修经济性,目的是获取潜在的、长期的经济和社会效益。可维修性设计虽然会使成本有所增加,但较之在产品开始产生之后,甚至在用户使用过程中发现维修性问题,再对设计进行修改而来经济损失和声誉损失,仍然是相当经济的。[参考文献][1]甘茂治.维修性设计与验证[M].北京:国防工业出版社, 1995.[2]童时中.模块化原理、设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社, 2000.[3]陈璐,蔡建国.可维修性设计及其技术方法研究[J].机械设计与研究, 2002, (2).[4]范永海,齐铁力.液压系统可维修性设计研究[J].液压与气动, 2003, (8).[5]赵中敏.容错技术在数控机床中的应用研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2003, (10).[6]张会奇,陈春良,高连华.维修性对装备维修工作量的影响分析[J].装甲兵工程学院学报, 2005, (2).[7]赵中敏. 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