木工机床远程互联监测点位的仿真优化 徐杨1,2， 刘猛1,2， 杨春梅1,2， 薛勃1,2， 武

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木工机床远程互联监测点位的仿真优化

徐 杨1,2， 刘 猛1,2， 杨春梅1,2， 薛 勃1,2*， 武金鹏3

(1.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨；3.哈尔滨森鹰窗业股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

摘 要：随着电子技术和计算机技术的深入发展，实现木工机床的联网并进行数据采集已成为必然的发展趋势，而对于新型木工机床来说，要对木工机床进行远程监测，则需要对主要部件进行状态监测，尤其是主轴。在监测过程中，对机床主轴的监测点位的选择值得思考。因此，可以准确地监测主要零部件、及时了解机床的运行状态、提高设备使用率成为了迫切需求。在使用Solid Works simulation进行分析的基础上，对机床远程互联监测进行点位优化，极大地方便了参数信息的获取，也为下一步搭建监测平台做准备。

关键词：木工机床；点位优化；有限元仿真

[size=1em]21世纪以来，全球新一轮科技革命和产业变革不断深入发展，正在重构全球创新版图，重塑全球经济结构。基于物联网的远程互联可以对机器进行全方位、全天候的监测，这是发展的趋势，也将给木工机械带来新的发展契机并赋予崭新的内涵。对于传统的木工机械行业来说，往往是机床出现问题，甚至停止运作，才开始维修，导致工厂设备的维护以及故障维修一直是技术人员的难点，同时人员维护和差旅的费用成本也是一笔相当大的支出。在机器构造和加工特性上，木工机床和通用机床有共同之处，也有不同之处。在木材加工时，会产生粉尘，粉尘和粉尘相互碰撞的过程中会进入主轴内，若不及时清理，主轴会受到严重磨损。随着主轴的不断旋转，温度也不断上升，这也是容易出现故障的一个因素。若能远程监测木工机床，则可以实现预测性维护，及时发现潜在隐患，防止事故发生，减少设备停机时间，从而提高生产效率。当隐患超出机器本身所能解决的界限，用户也可以远程诊断并控制机器的加工，减少不必要的损失。<p][size=1em]针对现有的远程监测机床点位不精准的问题，进行基于SolidWorks simulation的机床远程互联监测的点位优化，致力于找到主轴升温最严重的部位以及最适合监测主轴的振动与转速的位置，优化监测点位，得到更精准的数据。1 木窗双端复合精铣机床整体结构

[size=1em]本文所研究的木窗双端复合精铣机床，可以铣削不同尺寸的木窗，整机结构如图1所示。

[size=0.8em]图1 双端复合精铣机床整机结构

[size=1em]需要重点监测的地方，就是双端复合精铣的四根主轴，根据不同的情况，优化监测点位以及决定是否进行监测。针对此木工机床的加工特性，重点监测的内容有主轴温度、转速及振动。主轴温度的监测，因为木工机床粉尘大，主轴容易被粉尘堵塞，升温情况严重，升温会影响主轴寿命，需要监测，而要找出主轴升温最严重的地方，则是本文需要探讨研究的问题。主轴振动的监测能反映出主轴工作状态是否稳定。如果振动过大，可能是内部有异物导致振动不平衡或者共振，影响机床加工精度。

[size=1em]远程监测机床可以使用户实时得到机床的状态信息。状态监测是可以更好地了解机器工作状态，以及运行过程中出现的特殊变化，通过相应的监测、分析，对异常状况进行报警提示，并进一步提供故障信息和数据的过程。现有的机床远程互联监测还存在着监测不准确的问题，就温度参数的监测来说，监测到了温度的变化，但是这个温度变化的位置不是需要监测的位置，或者不是升温最严重的位置，同理，振动的监测也存在诸如此类的问题。

[size=1em]新型制造模式下的木工机床，它的结构和功能很复杂，一旦出现故障，对其诊断的难度很大，因此，需要在容易出现问题的地方进行监测和采集。通过对温度因子、振动因子等进行采集，可以预判潜在的问题，发出报警信息，并进行停机，从而使问题得到及时解决，降低设备的损坏率，使数控机床的利用率提高。但往往监测点位的位置会影响到最终数据的监测精确程度。

2 温度部分监测点位的优化

[size=1em]对于木工机床而言，在设备运行的过程中，肯定会产生热量，使结构发生形变，若温度过高，超过承受范围，将会导致工件无法正常工作，可能还会烧坏零部件，因而对于温度的采集是非常必要的。通常容易发生热变形的是主轴，因为在木工机床主轴高速旋转时，加工产生的粉尘大，容易被主轴吸收，升温更严重，所以接下来对主轴进行热分析，也是为了能够更好地选择相应的温度传感器。

[size=1em]首先，我们应该理解传热的本质是内部能量从高温物体传递到低温物体的过程，这是能量相互传递的一种方式。根据传热机理不同，传热的基本方式分为热传导、热对流和热辐射。

[size=1em]热传导的基本定律是傅里叶定律，它指出单位时间内传输的热量与温度梯度和垂直于热流方向的横截面积成正比，即：

[size=1em](1)

[size=1em]式中：Q—热量在单位时间内传递的总量，称为传热速率；

[size=1em]S—与热流方向垂直的横截面积，称为导热面积；

[size=1em]λ—导热系数。式中的负号表示温度梯度方向相反于热流方向。

[size=1em]整个换热表面上局部传热系数的积分平均值为换热表面的平均传热系数。微分方程为：

[size=1em](2)

[size=1em]qx=αx(tw-tf)x)

[size=1em](3)

[size=1em](4)

[size=1em]式中：qx—换热壁面上x处的局部对流换热系数；

[size=1em]αx—该处的局部对流换热系数。

[size=1em]物体以电磁波形式传输能量的过程称为辐射，传输的能量被称为辐射能。当物体因热而产生电磁波辐射时，这种辐射即称为热辐射。热辐射机理为

[size=1em]Qa+QR+QD=Q

[size=1em](5)

[size=1em](6)

[size=1em]式中：物体的吸收率，无因次；

[size=1em]物体的反射率，无因次；

[size=1em]物体的透过率，无因次。

[size=1em]在木窗双端复合精铣机床中，主轴材料是40Cr钢，是用途最广泛的钢之一。经过淬火和回火处理后，它具有良好的综合力学性能、良好的低温冲击韧性和较低的缺口敏感性。该材料密度7 890 kg/m3，弹性模量E为209 GPa，泊松比为0.268。化学参数如下：C:0.37～0.44；Si:0.17～0.37；Mn:0.50～0.80；Cr:0.80～1.10；Ni≤0.30；P≤0.035；S≤0.035；Cu≤0.030；Mo≤0.10。

[size=1em]主轴对流换热系数可经过查询相关资料得出，大约为178.36 W/(m2·℃)。首先对主轴模型进行网格的划分，网格划分采用Voronoi-Delaunay网格化方案进行，经过综合考量，选用SOLID45单元对主轴部件进行离散分网。SOLID45单元是八节点等参数三维单元，每个节点有3个自由度，分别沿着x、y、z方向进行平移。主轴有限元网格模型如图2所示。

[size=0.8em]图2 有限元网格模型

[size=1em]为了更好地选择温度传感器，添加参数并运行得到温度场模型,进一步对主轴添加热量、热对流系数等参数，得到温度场模型如图3所示，可以看出，温度最集中的地方是轴承。

[size=0.8em]图3 温度场模型

[size=1em]轴承有限元模型如图4所示，利用有限元分析轴承部位向外热的传导，得到轴承温度场模型，温度场模型如图5所示，可以看出轴肩部位是热量最集中的部位。

[size=0.8em]图4 轴承有限元模型

[size=0.8em]图5 轴承温度场模型

[size=1em]考虑到主轴的温度分布不均匀，实际生产时，最高温度可达305 ℃，升温最大的地方在主轴的轴承处。因此，要将传感器布置在此附近。根据仿真的温度结果，考虑成本问题，进行测温传感器选择。温度测量方法可分为接触式和非接触式两种方式。接触式温度测量只能在与温度传感器达到热平衡后测量被测物体的温度，响应时间长，并且测量数值容易受到环境温度的影响；而红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，它不接触被测物体，具有温度分辨率高、响应快、温度测量范围宽、不受温度测量上限限制、稳定性好等特点，所以我们选择使用非接触式红外测温传感器MLX90614。此传感器的优点还在于输出数据和物体温度呈线性比例，具有高精度和高分辨率。它的温度测量范围介于-70～382.2 ℃，使用环境温度最好在-40～125 ℃之间，带有M3螺丝底孔，方便使用人员进行安装和固定，适合作为监测主轴温度的传感器。

[size=1em]在中间轴承与右侧轴承处各安装一个非接触式传感器，目的一是监测两端温度值，二是监测温度的差值。通过传感器监测的数值来预判主轴的状态。在正常情况下，左侧轴承处长时间保持低温，右侧轴承长时间保持高温，主轴两侧的温度差值应为恒定值，但如果温差达到一定程度，证明变形程度就会更大，那么可以初步判断，主轴可能达到了疲劳寿命，这就达到了通过布置传感器来监测主轴状态是否健康的目的。

3 振动监测点位的优化

[size=1em]在机床主轴运行的过程中，如存在问题将会直接或是间接地通过机床主轴振动显现出来，那么通过对木工机床主轴进行监测，并记录分析机床主轴运行过程中所产生的振动，可以及时避免故障的发生。其次，几乎所有木工机床的主轴都带动刀具做高速旋转运动，如果主轴不平衡，就易产生振动，当主轴的振动传递到刀具及其他构件时会产生很大的噪声，主轴的正摆越厉害，那么噪声也必然升高。所以做好主轴振动的监测很有必要。

[size=1em]分析主轴的前四阶模态计算结果，得到了相应的模态分析结果，如图6所示。从模态分析中可以看出，除了第一阶和第二阶之外，在其余两阶的振型图中，最大变形部分出现在主轴前端，并对主轴前端进行了响应分析。对前四阶模态图解进行比较，并给出各个模式下XYZ三个方向的频率对比见表1。

[size=0.8em]图6 前四阶模态图

[size=0.8em]表1 三个方向的频率

[size=1em]由图6、表1可以确定频率范围，并且监测主轴振动的传感器的一般选择原则是测试精度高，干扰影响小。结合以上要求，选用DIN导轨式结构的非接触式电涡流传感器KD2306，拥有30种传感器头可供配置，覆盖量程0.5～60 mm，可测量铁磁和非铁磁所有金属材料，还可根据需求，选择延长电缆、温度补偿等。

[size=1em]为了保证监测木工机床主轴运行过程中振动数据的准确性，选择合适的安装位置尤为重要。在安装涡流传感器时应遵循两个原则：首先，被监测点应该可以激起尽可能多的模态，安装时需要避开每阶模态的节点和节线位置，以及诸如此类的特殊位置。其次，安装点的监测信号应清晰且信噪比良好。主轴是进行回转类的设备，故而径向振动更集中，所以在机床主轴上安装振动测试传感器主要集中在相互成90°的x、y方向，以获取主轴的振动信息。监测振动的方法主要是将传感器的探头沿主轴轴向位置安装，并通过传感器测量主轴相对某个结构件的位移变化。由于转子在机组运行速度范围内具有不同的振动模式，模式不同，转子的弯曲变形也不同，因此，在相同的测量条件下，可以在不同的轴向位置测量不同的轴振动值。

4 小结

[size=1em]本文基于Solid Works Simulation对机床主轴监测点位的位置选取进行优化，通过有限元分析，确定了更合适的监测位置，并根据每个参数的限制要求选取了更合适的非接触式传感器，极大地方便了参数信息的获取，也为下一步搭建监测平台做好了准备。

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[size=1em]XU][size=1em](1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University Harbin Heilongjiang 150040，China; 2.Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center Harbin Heilongjiang 150040，China; 3.Harbin Sayyas Window Industry Co., Ltd，Harbin Heilongjiang 150000，China)

[size=1em]Abstract：With the rapid development of electronic technology and mobile devices, it has become an inevitable development trend to realize the networking and data acquisition of woodworking machine tools.For new woodworking machine tools, in order to remotely monitor woodworking machine tools, it is necessary to monitor the status of main components, especially the spindle.Though this flow path, the selection of suitable spindle detection point needs the attention of relevant personnel.Therefore, it is an urgent need to accurately monitor the main parts, in a timely manner to understand the operating state of the machine tool and enhance the use efficiency of the facility.Based on the analysis using SolidWorks simulation, this topic optimizes the point position of remote interconnection monitoring of machine tools.

[size=1em]Key words：woodworking machine tools; point optimization; finite element simulation

[size=1em]中图分类号：S777<p][size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2023)01-0016-04

[size=1em]收稿日期：2022-09-12

[size=1em]基金项目：黑龙江省重点研发项目(GA21A405)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572020DR12)

[size=1em]第一作者简介：徐杨，高级工程师，硕士，研究方向为木工机械，E-mail：13804570809@126.com

[size=1em]*通讯作者：薛勃，副教授，博士，研究方向为林业与木工机械，E-mail:496368861@qq.com。