机械制造系论文—生命周期导向机床的发展.doc

外 文 翻 译学 院：机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化班 级：学 号：学生姓名：指导教师： 2009年 月 日（要求在第6周周五（2009年4月3日）前完成）生命周期导向机床的发展B. Denkena1, A. Harms1, J. Jacobsen1, H.-C. Mhring1, D. Lange2, H. Noske31德国汉诺威大学生产工程和机械工具研究所 2德国阿尔迪斯帕有限公司3 德国诺斯克博士研究实验所摘要：对于投资决策新的生产设备，担保生命周期成本（寿命周期费用）的总额变得越来越常见。在由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的研究项目“惟一”中，方法是减少开发、运行和回收阶段的生命周期成本。被作为模范，具有创新性的立式车床的发展表明了各种不同的的策略都是尽量减少寿命周期费用。技术交换模块扩展了经济生活而监测选定的机器部件有助于避免没考虑到的服务停顿。一个寿命周期费用导航软件能够使采购和相应费用之间的平衡得到优化。关键词：寿命周期，机械，监测1 导言在汽车行业对寿命周期费用计算的普遍倾向是显而易见的。机床制造商有义务为他们先前界定的产品的一生预见和保证相应的费用。如果需要的服务和维修比预期的更多，那么机床供应商的利润将减少。停机时间少，服务间隔时间较长的机床变得更加有利可图。因此，较高的机床质量，更长的和可预见的部分寿命变得越来越重要。因此，汽车行业的投资者不再有喜欢有最低投资费的机床的倾向了。修改后的计算基数有几个关于机床设计的结果。更高质量组件可以适用。液压供应，通常需要它驱动主轴夹紧系统，导致了高额的维护费用。一种方法是放弃所有的液压元件。这方法避免了这些费用，把费用用在研究项目“唯一”中一个新的机床系列上。这机床是一个缩写生命周期的面向机床。监测的机械部件例如滚珠丝杠，在必要的时候允许更换部件，而不是生活在所计算好的时间内。这也扩大了服务间隔。在设计阶段，该软件工具可以帮助优化选择有低寿命周期费用要求的部件。它也可用于发展机床功能部件，例如夹紧装置。因为它提供了明确确定主要成本因素（包括寿命周期费用）的机会，它可以得出哪些组件是值得加以监测其寿命周期。2 顾客对制造商要求最终用户的机器工具不得不以灵活的反应面对不断变化的市场需求，以生产高品质且品种越来越多的产品，但规模缩小很多。现在的机械工具和生产系统有10年至15年的寿命。正在生产的系列产品一般来说寿命有着明显的降低。它可能出现这样的情形：不得不仍然由那些旧生产设施制造的新产品的后代，使旧机床设备过度劳累。为了克服这些局限性，公司要投资到灵活机床和可重构机床，这些机床在最低的设置时间内能提供各种各样的加工工序。这种多功能和灵活的机床的运作对财政会计而言可能是低效的，因为许多中小型机床运营公司无法预测自己制造流程明确的未来。因此，实事求是地讲他们不知道他们是否需要质量过高的机床。 因此，投资规划的目的应是评价机床，而买机床要考虑他们的能力和成本效益。除了生产设施的纯投资成本，越来越多的公司也考虑到全寿命周期费用因为考虑到投资成本，维修成本，能源成本和生产力有显著的差异。这导致车床每一部件在价格上有差异从而被相互比较。机床制造商要以低生产成本生产机器同时又可提供一个高度多样性的机床类型。此外他们希望更有效地设计和生产，希望降低服务成本和保修期内工作（图1）。客户需求 生产力，品质，灵活性 过程导向的机床 高可用性和可靠性 开发的机器鈥充分能力 成本透明度购买和使用 客户 导向 销售 会话 服务 /维修机床制造商的要求 在低生产成本最高，多样性 价值分析和遵守成本 更有效率的设计和生产 降低服务成本和工作 透明的费用发展 图1 ：客户的需求与制造商的要求 随着越来越多的公司倾向于购买只有生命周期成本的机器，机床制造商不得不采取措施创造适当的优惠。在技术设备的寿命周期费用上一个共同困难是把技术特点和条件转化为经济价值。2.1 客户调查结果为了评估机床用户的需要，在一些有不同公司规模和分支机构的机床用户之间的一份调查已经完成。正使用且用于金属切削的机床数目从5到1500不等。从调查中得出有关投资决定和生产力的两个重要结论列在这里了。对所有客户而言，技术和质量是投资决定最高的优先考虑。次要的是有寿命周期费用和投资成本。调查显示，只有一些较大的公司往往会根据所保证的寿命周期费用来决定其投资。例如，开发商的TCO 标准（总拥有成本） ，戴姆勒克莱斯勒根据一个 TCO合同只购买机床和生产线。依合同这总生命周期成本为10年1。其他公司在未来会采用这一模式。机床的生产率、可用性、和进程安全对用户来说是最最重要的而速度和加速度是次位的。 2004年调查图2：客户调查结果2.2 生命周期导航成本的透明度 “设计到成本”是当今机床发展最优先考虑的，这一个发展过程的结果是，购买价格让机床得到优化。但是，这一结果是最佳的生命周期成本的机床吗，进而节省客户的资金吗？如果现在机床的任何寿命周期费用计算都做得话，那么它的作用在机床今后发展过程中就会被意识到。如果最低的生命周期成本是设计基准，如何把机床的设计进行修改？ 罗意威研究项的目的是为了生命周期成本优化的机床的发展。该研究项目的部分供应商是伯格国际有限公司，弗兰兹凯斯勒有限公司和曼尼斯曼，并有阿尔迪斯帕有限公司和西门子的参与。鉴于德意威机床的表现，这主要思想指导机床的整个发展进程。和传统机床相比，如果只有德意威机床显示出更好的寿命周期费用日程安排，意德威机床购买费用高于常规机床的购买费用是可以接受的（图3）。 图3：意机床与传统机床成本时间表在此研究项目中，有一软件费用导航软件，是增强的寿命周期费用导航软件，在机床和其他重要设备的一般设计-成本项目中能起很好的作用2。用了寿命周期费用导航软件，包括制造和售后服务费用的机床生命周期成本在整个作业过程中能被推断出来。在最早的设计阶段，做有关应用程序和每一个组件设计的决定会考虑到寿命周期费用导航软件计算出的价值。德意威机床工件夹紧装置的设计是寿命周期费用导航软件应用的模范展示。通常一个液压夹紧装置用于车床的工件加紧功能。从寿命周期费用的角度考虑到钳位功能，项目中一个完整的新的解决方案实现了工件加紧。10年内液压加紧装置成本的主要部分是维修费，特别是液压供应单位的维修费（图4）。整个夹紧设备在10年作业期间的维修费上升甚至超过购买费用。意机床新的电气夹紧装置是免费维修和保养的，因此在其整个寿命周期费用中没有维修费用。只有在购买成本上，传统夹紧装置相对于意机床才有优势，因为它有较低的设备购置费用。仅仅在推断整个寿命周期费用后，客户的受益才非常明显。意机床的其他组成部分的寿命周期费用也得以优化，如滚珠丝杠、线性轴承单位和以寿命周期费用计算为基础的控制单元的组成部件。它可以概括为：一个寿命周期费用最优化的机床的设计（设计到寿命周期费用）和只在采购成本各方面优化的设计相比具有明显的差异。3 组合机床所涉及的机床制造商吉特迈工作重点是允许使用尽可能多标准部件的机床系列的模块化概念。在几个延长的阶段（即主要锭的数量，其最大的扭矩和转速，不同的塔楼和加工系统）机床系列是可以实现的，但是所有类型的机床系列的基础保持不变。能降低生命周期成本且有综合功能的立式车床一个模型如图5所示。 图4：意机床与传统机床工件加紧 图5：生命周期导向机床的模型系统的寿命周期费用推断尽管机床样机在模块化设计上得到发展，但它很难确保能得到一个广泛的重构机床。在由机床制造商完成的机构重新配置和可由机床操作员完成的机构重新配置两者之间不得不做出选择。3.1 机床制造商的重构该立式车床可在几个阶段扩展名。基本版配有标准的没有B轴的主轴。为了给这样的机床重新配置B轴，大范围的结构变化是必要的，这对机床制造商而言这是唯一可行的。因此X轴和Z轴的交叉滑动不得不改变。这也意味着机床内部机构的改变。所有类型机床相同的部件是床身，床上飞碟，外壳，电气控制单元箱，冷却装置和操作面板。3.2 机床操作员的重构在机器中，意机床采用了能让机床用户使用专门技术模块的平台（图5）。这个平台结合了一个标准的对接系统，该系统在机器内部允许相关定位和模块的箝位。借助平台，操作员可以轻松地用机床完成加工过程。这一加工过程对配置标准的机床是不可能实现的。在机床工作空间内部给平台配备托盘系统能允许使用各种额外的制造工艺且这些工艺很容易安装。这些工艺可以是大直径钻孔，磨削等。以技术模块为基础的托盘，例如磨削纱锭，必须配备能源供应和压缩空气以及适当的电连接，其能传递监测传感器信号。把这些连接整合到机械界面当中的解决方案正在研究。4 结合信息和组件为了鉴定该设备所存储数据具体组成部分，如制造商，类型，串行数目以及生命周期相关的维修信息，意机床原型机相关部分将配备数据存储设备。四个已选定的组件，如滚珠丝杆驱动，电动夹紧装置，技术模块和主轴，配置了以转发器为基础的RFID芯片。电动夹紧系统配备了RFID芯片，该芯片能储存机床控制自动化配置的所有相关资料。此外，集成RFID芯片将被用于存储与生命周期有关的数据。即使是脱离了机床，这项技术也能确定元件及其实际状况。为了能读转发器芯片，天线必须靠近RFID芯片固定，因为数据和能量经无线电频率领域传输。取决于所需的数据速率，所以运行在各种传输频率和范围中的不同系统都可以使用。为了保证一个可接受的传输距离即到RFID芯片的距离可达7mm并有2kb的记忆能力，金属表面必须是绝缘的而且是在地面上安装的。经常被交换的机床部件，如调色板加紧系统，配备一个融入固定部分的硬电线和一个集成到可交换部分的RFID芯片。其他配置在机床部件上的RFID芯片，如滚珠丝杠驱动器，在整个生命周期中不得不安装一到两次，同时为了控制安装和维护，它配置有一个连接到机床的手持天线。图6：结合信息和组件5 元器件监控 5.1 滚珠丝杠剩余寿命的估计 机床利用的时间往往是超过球螺钉寿命。经过一定的回转时间的积累，不管这些球螺钉磨损状态如何，如果没有特殊情况，他们要被更换。这是行业规定以降低意外失败的风险。螺杆因磨损而不合格那么轴的精度会降低，尤其是拆卸变得更加困难。所以选择出长期稳定的控制参数是不可能的。滚珠丝杆上的污垢或碎片可能导致滚珠或球轨道在达到正常寿命之前加速磨损。由于超过本身公差要求，滚珠或导轨同样需要被更换。特别是在自动化的流水线上，一个小时甚至几天的停机会造成重大损失。因此，对机床用户而言，为了避免额外的费用，滚珠丝杆的可靠的监测手段是非常重要的。通过磨损监测和剩余寿命的预测来决定是否更换螺杆以避免意外停机。预加载的损耗在加载受力最重的主轴处，自动磨损测量应该被采用。因为导线测量路径需要一些空间且在主轴边缘测试无法执行。滚珠丝杆制造商的经验表明滚珠丝杠步道同样会对滚珠产生磨损。所以在机床轴的其他位置，替代磨损测量的是螺杆的平均磨损量。下面列举了两种可行的磨损测试方法。由于减少了球直径孔受点蚀的影响，两者都是基于预负载损耗检测。对被横向安装的滚珠丝杆的调研是他们的基础，这研究是在由东风集团（德国研究基金会）资助的项目中进行的3。这些调研的目的是使用尽可能少的传感器。最好的方法是只使用控制综合信号，像线性和旋转编码器和名义扭矩。固有频率轴的固有频率受旋转质量，参与力传递的球螺母某一部分的刚度和螺母的刚度影响。因此，固有频率取决于轴的转动位置和球的磨损状况尤其是球直径的减少量。图7显示预加载依赖频率响应。预加载的损耗导致图中大量弹簧状的球螺钉系统的低频率，如图中灰色平面上光滑的直线所示。机内垂直轴的分析更加复杂，因为几个模态频率叠加了滚珠丝杠的频率。磨损依赖的频率的提取可能是有困难的。 图7 ：频率与预加载非线性弹簧特性滚珠丝杠未磨损的滚珠丝杆有近线性的弹簧特征。与线性和旋转编码器相比，偏转量可以测量出来同时补偿位置取决于滚珠丝杠的刚度。当滚珠已磨损后，根据传输特性螺钉就要被清除。在轻载低刚度的滚珠上更是如此。前面提到的线性弹簧特性变得像一个“S”形。图8的第一个图显示了弹性曲线与横向安装的滚珠丝杠的预加载的依赖关系。 图8 ：测量弹性特征和模型特性摩根-默瑟增长模型公式拥有一个与遵守弹性特征的非线性微分方程相似的形状。该模型参数可作调整，以适应测量曲线获得滚珠丝杠预加载损耗的平滑模型，该模型如第二图所示。使用这种人造纤维模型，可以制定试验周期以确定预加载储备。磨损损失总的趋势通过实验可以找到，或参考德国规范标准 31051来估算滚珠丝杠剩余寿命。动态流速剖面先前显示的结果是以横向安装在坚实试验台上的滚珠丝杠的测量数据为基础。测试垂直安装的滚珠丝杠更复杂。实验平台是如图9所示。它配备有西门子控制，线性和旋转编码器，在主轴螺母处测量预加载的应变计，进给力和振动传感器。两个编码器信号的比较结果就是是滚珠丝杆的偏差，当轴承和其位置依赖滚珠丝杠的刚度时误差可以得到补偿。 图：9 试验台 图：10 流速剖面有不同频率的床身上关联位置的震荡影响测量信号，而进给力来自重力且受轴滑动摩擦的影响。清洗主要影响小的横向进给力。这些小力可以通过驱使上面的塞子来获得以补偿引力。一个缺点是：附加组件是必要的且测试只有在一个被确定的轴的位置上才能进行。另外一个缺点可能是：测试是动态的且时间非常短。在自由降落的情况下，滚珠丝杆的进给力几乎为零。在实验中，由于滚珠丝杆和驱动器的惯性，电机的扭矩不可能几乎为零所以轴被加速。轴承和螺母的摩擦力矩必须合适，而导轨摩擦该得到应有的补偿。变加速度约-1g，这是理想的力，可以设定。一个典型的500kg滑动力和11kN进给力的流速剖面如图10所示。因为运动方向变动的补偿是相当困难的，所以当最大速度获得的时候，测量运动最高点和结束端点。这一速度范围由垂直线标记出。在测量开始之前挺举运动最小化以避免机械振动的干扰。在不久的将来，将使用这种速度剖面法来做磨损测量工作。5.2 监测系统的关键组成部分使用生命周期导向机床，有必要知道机器的情况及其组成部分。该项的目标之一是从实际情况出发，从过去行为出发，从任何额外的信号出发计算组件剩余寿命时间，同样可以见图5.1。因此，应该提前计划好组件的服务和维修任务。为了实现这一任务，状态监测系统必须综合在机床之中。原理如图11所示。中央模块是硬件板，它可以集成在机床的开放控制系统中。这一监测模块是各组件，控制系统，传感器，各种总线系统和驱动装置的通信和接口平台。该监测系统是一个配有系统总线和以太网接口的PCI板。根据机床被使用的情况，不同的组成部件需要加以监测。夹紧系统要适应总线接口，同时这一新装置的条件数据可通过数据总线传送到控制系统和监控系统。为此，夹紧装置的数目以及箝位连接力是可以计算的。为了能测量滚珠丝杠的初始应力，使用了应力计的传感器系统得到发展。该系统被连接到监测系统的传感器总线。该系统还采用了内置硬盘数据的控制系统。通过系统总线，纱锭和轴的扭转数据从数控系统传送到监测系统。有了这一数据，纱锭和驱动器可得以衡量，以确定它们是否安装过紧或损坏。其他机械部件的状况，如滚珠丝杠、机器表的外壳、导轨，也可以进行检查。振动传感器用来检测靠近关键部件的组件的加速度，如主轴和刀柄。为了把振动传感器安装在主轴的外壳上，特殊的小外壳就需定做。振动测量可用做检测轴承损坏和不均衡的手段。图11：生命周期监测系统的原理该控制系统可以连接到一个外部服务器，例如，ePS服务器。更多的数据可以存储在服务器上，并且机床设营造商和监测系统提供者可以共享这一数据。机床营造者可以使用这一数据来了解机床状况的有关信息以及计划可行的服务任务。如果组件供应商需要提供正确的备品备件，他常常面临的问题是，他并不知道到底是哪部分已安装在机器中。与RFID （对象数据存储器）技术结合的ePS服务器，部件供应商可以准确确定哪一部分已被安装在机床上。寿命周期费用导航软件必须链接到机床的监测系统以便能够核实预先计算的成本以及使它与机床实际条件和实际花费相符。和状态监测过程同时进行的是监测系统检查刀具是否破损，刀具是否缺失或切削过程中是否发生超载5。为了实现工具监测过程，同样的来自控制系统和传感器的信号可以使用。6 结论目前人们正重新考虑工业当中的廉价机床和生产线。消费、维修和保养费在过去一般不在考虑之中。机床最低的购买价格对投资决定非常重要。在不久的将来，总生命周期成本将凸现出来，从不同角度看都是高品质的机械设备将面世。在德意威机床研究项目中，调查数种方法来最大限度减少生命周期成本即完全放弃机床中的液压元件。此外，组件监测是一个可行的方法以评估机床组件的技术状态。同样，为了使机床适应不断变化的生产要求，组合机床的设计是必不可少的。寿命周期费用导航软件帮助机床制造商优化了机械设计