零件加工過程機床運行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測方法研究
2020-6-23 來源： 西京學院機電技術(shù)系 作者：趙慧娟
摘要: 工件加工過程機床的位置信息是研究切削參數(shù)與工件加工品質(zhì)映射關(guān)系的重要數(shù)據(jù)之一。以Sinumerik 802D數(shù)控系統(tǒng)為例，研究了零件加工過程機床運行數(shù)據(jù)( 機床各軸實時位置、主軸轉(zhuǎn)速以及進給速度) 的在線采集方法，首先設(shè)計了數(shù)據(jù)采集整體方案，然后設(shè)計了信號轉(zhuǎn)換模塊與在線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細描述了數(shù)據(jù)獲取流程，實現(xiàn)了零件加工過程機床運行數(shù)據(jù)的在線實時獲取。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng); 在線監(jiān)測; 信號轉(zhuǎn)換; 數(shù)據(jù)采集
傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)通常根據(jù)工人的經(jīng)驗或機床 操作使用手冊選擇加工參數(shù)，整個加工過程采取開環(huán)控制，往往只關(guān)心加工結(jié)果，不關(guān)心加工過程，致使加工設(shè)備的潛能不能很好的利用，由此導致加工效率較低，加工成本較高。數(shù)字化加工技術(shù)的推進，使得工件的加工精度和加工效率不斷提高。
隨著智能加工的提出和發(fā)展，工件的加工過程不斷的受到人們的重視，很多的優(yōu)化算法逐漸的運用到加工過程中，然而，絕大多數(shù)的優(yōu)化算法都是在加工之前通過理論建模或者計算機仿真進行，忽視了加工過程的時變性。實際的加工過程通常具有復雜多變的特性，僅僅通過加工前的優(yōu)化無法得到最優(yōu)結(jié)果。
智能加工技術(shù)要求工件的加工逐步實現(xiàn)全過程的在線監(jiān)測與調(diào)控，對整個加工過程進行閉環(huán)控制［1－2］。近年來很多學者都致力于數(shù)控機床通訊方面的研究。王志成3］等人設(shè)計一種現(xiàn)場總線可靠通信機制，建立數(shù)控系統(tǒng)通信可靠性評價的指標，并通過概率統(tǒng)計方法，對該機制的可靠性進行數(shù)學分析。楊斌［4］等人設(shè)計了一個能夠遠程檢測數(shù)控機床的運行狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)。涂芬芬［5］等人為了實現(xiàn)通過個人電腦控制機床運行，開發(fā)了一套可用于多軸數(shù)控機床運動控制的主－從式控制系統(tǒng)。周勝凱［6］等人設(shè)計了一種開放式數(shù)控系統(tǒng)。為了實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)在個人電腦端的可視化，吳慧杰［7］等人提出一種數(shù)控系統(tǒng)人機界面二次開發(fā)設(shè)計方法，能夠根據(jù)用戶的需求進行定制設(shè)計。蔣明柯［8］等人為了在 AＲM 與 DSP 之間進行通訊，設(shè)計了一種專用的串行通訊協(xié)議。提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c可靠性。
這些方法的研究和應(yīng)用都是研究機床數(shù)據(jù)的備份和故障的診斷，減少了機床故障和維修時間。在線監(jiān)測是實現(xiàn)智能加工的前提，然而所謂在線監(jiān)測就是采用相關(guān)的手段采集工件加工過程的機床運
行數(shù)據(jù)( 如機床位置、主軸轉(zhuǎn)速以及進給速度) 和切削物理數(shù)據(jù)( 如切削力、切削熱、加工振動等) 等真實數(shù)據(jù)。
綜合分析加工結(jié)果與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到導致非正常加工結(jié)果的真實原因，并對加工過程優(yōu)化，對獲得高品質(zhì)工件具有重要的意義。萬海波［9］等人通過對振動信號進行傅里葉變換和頻譜分析，開發(fā)了一套機床主軸振動在線檢測系統(tǒng)。王明微［10］等人研究了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學習方法，提出一種在線檢測零件加工表面粗糙度的方法。劉雄［11］等人為了對加工過程進行控制和補償，針對開放式數(shù)控系統(tǒng)研究了加工數(shù)據(jù)實時采集方法。張高尉［12］在西門子 840D 數(shù)控系統(tǒng)機床上，開發(fā)了數(shù)控機床狀態(tài)檢測系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有的方法不能夠在加工過程實時的監(jiān)測機床的位置信息，使得工件加工過程無法與工件具體的位置對應(yīng)。
本文以西門子 Sinumerik 802D 數(shù)控系統(tǒng)為研究實例，研究了機床運行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測方法，開發(fā)了與之配套的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)機床運行數(shù)據(jù)的在線實時獲取，并進行存儲。
1 、數(shù)控機床在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計
數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機床的控制中樞，通過解析數(shù)控代碼直接控制伺服系統(tǒng)，伺服電動機按照數(shù)控程序的意圖驅(qū)動機床各運動軸運行，實現(xiàn)工件的加工。伺服系統(tǒng)自身構(gòu)成閉環(huán)回路實現(xiàn)精確控制，其次，數(shù)控機床的每一個運動軸都通過編碼器或光柵尺與機床數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成大閉環(huán)。數(shù)控系統(tǒng)通過對編碼信號解析，得到機床運行的位置、度以及加速度信息并存儲于寄存器中。然而，目前絕大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)沒有給用戶提供寄存器數(shù)據(jù)讀取接口，需要用戶自己開發(fā)。
為了讀取數(shù)控系統(tǒng)寄存器中實時參數(shù)，本文設(shè)計了如圖 1所示的總體方案。根據(jù)通訊協(xié)議，工控機端的數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)與信號轉(zhuǎn)換模塊進行通訊，信號轉(zhuǎn)換模塊與機床數(shù)控系統(tǒng)進行通訊，最終實現(xiàn)機床運行數(shù)據(jù)的在線采集、顯示與存儲。
1.1監(jiān)測系統(tǒng)
在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝并運行于工控機上，負責整個加工過程的監(jiān)測、顯示與存儲，其中工控機的通訊接口為 ＲS232 串行通訊模塊。首先，根據(jù)采集變量定義指令代碼，具體如表 1 所示。
表 1 參數(shù)獲取指令代碼表
進行數(shù)據(jù)采集時，在線監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)指令代碼表通過工控機的通信模塊向信號轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送參數(shù)采集指令; 當在線監(jiān)測系統(tǒng)接收到工控機通訊模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行解析和顯示，同時將采集數(shù)據(jù)存放于寄存器中，當數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對數(shù)據(jù)進行保存。
1. 2 信號轉(zhuǎn)換模塊
由于工控機的常備通信信號與 802D 數(shù)控系統(tǒng)的通信接口不匹配，工業(yè)控制計算機常備通信接口為ＲS232 串行通信接口，而數(shù)控系統(tǒng)的通信接口則是24V 的 IO 并行接口，因此，設(shè)計信號轉(zhuǎn)換模塊，將工控機與數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)指令格式進行轉(zhuǎn)換，使之成為能夠被相互識別的有效信號，從而實現(xiàn)工控機與數(shù)控系統(tǒng)之間的相互通信。
信號轉(zhuǎn)換模塊主要包括電壓調(diào)節(jié)、信號分離、信號轉(zhuǎn)換三個模塊以及 ＲS232 和 ISP 兩個接口。其中電壓調(diào)節(jié)模塊由數(shù)控系統(tǒng)供電，起降壓和穩(wěn)壓的作用; 信號分離模塊是采用光電耦合器對工況機和數(shù)控系統(tǒng)的信號進行隔離，避免兩個系統(tǒng)之間信號相互干擾; 信號轉(zhuǎn)換模塊主要包括一個 AVＲ 微控制器和外圍電路，主要負責數(shù)據(jù)的運算和傳輸。ＲS232串口電路與工控機 ＲS232 連接，
ISP 接口與數(shù)控系統(tǒng)I －O 接口連接。
信號轉(zhuǎn)換模塊原理圖與實物圖如圖2 中 a 和 b 所示。
查詢 802D 數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試手冊可得本文所采集變量在數(shù)控系統(tǒng)中的寄存地址如表 2 所示。
表 2 變量地址表
信號轉(zhuǎn)換模塊的微控制器收到在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的參數(shù)獲取指令后，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中的變量地址讀取寄存器中的變量值。從數(shù)控系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號分離模塊口進入信號轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后經(jīng)ＲS232 接口發(fā)送到工控機端的在線監(jiān)測系統(tǒng)。
1. 3 數(shù)據(jù)獲取流程
本文所提出的在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時采集流程如圖 3 所示，具體可分為 7 個步驟:
( 1) 發(fā)送指令。在數(shù)據(jù)采集之前，由操作者在在線監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)定采樣頻率和采樣精度，并點擊開始。在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求指令，指令通過ＲS232 通訊口傳送到信號轉(zhuǎn)換模塊。
( 2) 信號轉(zhuǎn)換。信號轉(zhuǎn)換模塊接收到在線監(jiān)測系統(tǒng)通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)請求指令后，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)可以識別的并行數(shù)字信號，并將其繼續(xù)傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。
( 3) 指令解析。數(shù)控系統(tǒng)接收到信號轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送來的指令后，通過指令表，解析指令的含義，確定需要讀取的參數(shù)。
( 4) 讀取參數(shù)。根據(jù)變量地址表，在數(shù)控系統(tǒng)寄存器中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
( 5) 數(shù)據(jù)反饋。將讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)送給信號轉(zhuǎn)換模塊。
( 6) 信號轉(zhuǎn)換。信號轉(zhuǎn)換模塊接收到數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換為工控機可以接收識別的串行數(shù)字信號，并將其繼續(xù)傳送到工控機的通信模塊中。
( 7) 接收數(shù)據(jù)。在線監(jiān)測系統(tǒng)通過其通信模塊獲取得到加工過程中當前的工藝參數(shù)，并進行顯示與存儲。
2 、在線監(jiān)測系統(tǒng)界面設(shè)計
為了更加直觀地觀察加工過程的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了機床數(shù)據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)人機界面。為了方便管理在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用，設(shè)計了在線監(jiān)測系統(tǒng)登錄窗口，用戶通過用戶名和登錄密碼登錄系統(tǒng)，不同的操作人員分配不同的用戶名和登錄密碼，機床登錄界面信息如圖 4 所示。
用戶在再圖 4 所示的機床信息登錄界面中輸入用戶名和登錄密碼即可進入如圖 5 所示的在線監(jiān)測系統(tǒng)界面。進入在線監(jiān)測系統(tǒng)后，首先根據(jù)需要設(shè)置采樣頻率和采樣精度，然后點擊開始，在線監(jiān)測系統(tǒng)便開始以固定的采樣頻率從數(shù)控系統(tǒng)采集機床運行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，點擊保存按鈕，系統(tǒng)將彈出數(shù)據(jù)保存窗口，根據(jù)需要選擇數(shù)據(jù)格式( . xls 或 . txt) 與數(shù)據(jù)存儲位置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。
采集數(shù)據(jù)可用于后續(xù)分析使用。
3 、結(jié)語
本文以配有西門子 Sinumerik 802D 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床為例，研究了數(shù)控機床運行數(shù)據(jù)在線獲取方法。為了數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計了信號轉(zhuǎn)換模塊和人機界面，實現(xiàn)了數(shù)控機床數(shù)據(jù)的在線實時讀取和存儲。采用本文提出的工件加工過程在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠在線實時監(jiān)測工件加工時機床的運行數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)為工件的真實加工數(shù)據(jù)，為研究優(yōu)化工件加工工藝參數(shù)與工件加工品質(zhì)映射關(guān)系，現(xiàn)智能加工技術(shù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
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