基于網絡的具有在機監測與智能維護的可重構數控系統技術

王太勇 丁彥玉 韓志國 劉振忠 邵明堃

1.天津大學,天津,300072 2.天津輕工職業技術學院,天津,300161

基于網絡的具有在機監測與智能維護的可重構數控系統技術

王太勇1丁彥玉1韓志國2劉振忠1邵明堃1

1.天津大學,天津,300072 2.天津輕工職業技術學院,天津,300161

構建了一個基于網絡的可監控數控系統。為適應開放式數控系統的發展趨勢,構建了一個四層次的開放式系統架構模型,該模型可滿足功能結構調整與后續功能擴展的需求;為實現數控系統的功能集成、機床運行狀態的監測與加工質量的實時獲取以及免二次裝卡的需求,建立了基于嵌入式監測單元與在機質量檢測單元的數控系統原型。在分析機床監測發展現狀的基礎上,組建了基于DSP+ARM架構的嵌入式監測單元,該單元可進行機床運行狀態的實時監測,并通過現場總線方式與數控系統實現無縫連接,還可依據監測目標的改變與需求進行柔性化的軟硬件配置;利用開放式架構,嵌入質量檢測單元,可實現被加工工件幾何信息的在機獲取。研究結果為數控裝備維護與系統功能集成提供了一種可行的方案。

數控系統;狀態監測;質量檢測;層次化;總線

0 引言

隨著現代機械加工對復雜化、精密化、大型化以及自動化要求的不斷提高,一些中高檔精密數控機床逐漸得到廣泛應用。這些設備對加工質量及效率起著關鍵乃至核心作用,往往造價相當昂貴;某些加工出來的產品,由于復雜性或精密性或大型化等特征,其單件造價或加工成本亦相當驚人[1-3]。在此情況下,加工設備損壞或產品報廢甚至僅僅是加工效率的降低都可能造成巨大的損失。為了保證數控機床的正常工作,保證加工質量,實現故障的及早預防并及時排除,數控機床的狀態監測、質量檢測技術迅速發展起來。

傳統上采用專門的檢測設備,以巡檢或定期檢測的方式對加工設備進行檢測。而現有的監控系統均采用獨立于數控系統的外掛式形式[4-5],兩者未能實現無縫集成。目前,國內外一些學者及知名數控系統制造商已經以數控系統為監測平臺開展了針對機床性能的遠程監測研究[6],但這些監測研究只能在非工作狀態下對機床特定參數進行檢測與評估,無法實現加工環境下制造系統的監測與診斷。

另外,數控系統已從簡單的運動軌跡控制器轉變成貫穿數字化制造全過程的系統級平臺,與此同時,隨著IC器件的發展,數控系統可以進行高密度立體安裝,硬件集成度進一步提高。高性能DSP(digital signal processing)處理器使得數控系統的數據處理能力大大增強;SERCOS、PROFIBUS、FSSB、CAN等現場串行總線用于連接數控裝備的CNC裝置、伺服系統、主軸驅動系統、操作面板、機械手以及I/O單元,可有效降低系統連線的復雜性,進一步提高系統的可靠性、可擴展性和易維護性[7-9]。

基于此,本文研發了一種利用發達的網絡與總線技術,集成在機狀態監測、質量檢測與智能維護功能的層次化開放式結構數控系統[10]。

1 系統整體架構

系統分為上下兩層,分別為數控系統在機監測單元和遠程故障診斷中心。底層數控系統在機監測單元在實現數控加工正常控制的同時,還以高性能MCU架構控制器為核心構成底層監測節點,完成現場信號的采集、監測與上傳。上層遠程監控診斷中心結合了Internet技術和數據庫技術,采用B/S架構的信息交互模式,并以數據庫為核心,將底層數控系統上傳的數據存儲在數據庫服務器中,從而實現全系統的數據共享。上下層之間的數據通信通過安裝在控制器上的網絡傳輸模塊實現。系統結構如圖1所示。

圖1 數控機床在機監測與智能維護系統框架

2 數控系統的設計

數控系統的本質功能是實現機床電機的軌跡控制及開關元件的合理邏輯控制,因此,運動控制與邏輯控制構成了數控系統的基本功能。同時,數控系統正日益被賦予更多的功能期望[11],并且作為開放式數控系統,還須具備接納后續新技術/新功能的能力。這些功能可以被認為是作為數控系統的擴展功能而存在。故在系統設計之初應遵循以下幾個準則[12-13]:

(1)以應用軟件為主實現系統的開放特征,同時支持具備標準接口特征的第三方硬件設備的接入。

(2)以滿足專有技術或新技術的嵌入、第三方組件接入以及系統功能擴展為主要目標,并在可控的范圍內有限支持自主配置。

(3)建立分層的系統體系結構,基于功能相關性構建單元模塊,形成系統多級開放策略與實現手段。

在此基礎上,系統構建了一個四層次的參考模型(圖2),四層次即外設接口層、系統硬件層、系統軟件層以及應用軟件層?；趹密浖优c外設接口層,可實現用戶的特殊功能配置,而操作系統層通常不具備用戶級的可配置性。

為提高系統的實時性,系統硬件平臺支持多處理器結構以提供并行運算處理服務。各處理單元通過內部總線進行信息交互。除操作系統及應用系統非實時任務由主CPU進行處理外,實時精插補與位置控制、PMC實時邏輯控制、數據采集以及狀態分析與優化等具有大運算量與資源消耗或較高實時性要求的持續性任務均可采用單獨的嵌入式微處理器或高速DSP來執行。

圖2 系統開放式架構參考模型

在硬件可插拔的系統接口方面,采用數字通信方式的現場總線技術具有信號精度高、抗干擾、可實現雙向傳輸等諸多優勢,對于控制系統的開放化、網絡化以及形成真正的分布式控制模式具有積極的促進作用,已成為工業控制系統的新型通信標準[14-16]。因此,在系統的參考結構模型中,以現場總線作為與外圍控制設備進行通信的主要手段,允許用戶基于現場總線進行現場設備控制網絡的快速構建。

為實現與傳統的設備級模擬量(4～20mA/0～5V DC等)和開關量信號(24V DC)控制方式兼容,模型中保留了模擬控制接口,并通過軸適配器及I/O適配器實現對功率器件的連接控制。軸適配器接收系統指令脈沖或外接脈沖發生器信號,經調理放大轉換為實際輸出控制電壓;同時可接收編碼器、光柵尺等反饋脈沖,交由軸控制模塊實現位置伺服控制。I/O適配器則主要完成開關量信號的隔離、功放處理以及反向與極性的調整,以此實現不同類型的外接電氣對系統透明。在參考模型中,配備標準接口的軸適配器及I/O適配器掛接于系統局部總線,輸出模擬控制信號。每個軸適配器可支持一個或多個進給電機或主軸電機驅動器。I/O適配器則可根據控制點數進行選配。通過掛接不同的適配器及功率器件,用戶可從底層硬件層次上完成自定義的適應性配置。

控制系統與除機床電氣設備外的其余外圍設備進行的互聯由PC標準外部總線實現,該總線支持現行的多種標準通信協議。擴展接口則主要用于支持采用專用接口的標準設備,如外接交互設備擴展等。

系統軟件層包括三個層面,分別用于設備驅動、操作系統內核管理以及為應用程序提供接口。硬件抽象與驅動層位于操作系統內核與底層硬件之間,為上層應用提供設備驅動功能并屏蔽硬件細節,實現設備的初始化與釋放、與上層的數據通信、響應服務請求及異常處理等操作。操作系統(OS)主要提供內存管理、文件系統管理、任務調度、時鐘管理、資源分配等系統服務功能。系統API層為上層應用軟件提供統一的系統服務及設備調用程序接口。

應用軟件層由不同功能模塊(FM)組成,完成數控系統的各具體功能,每個功能模塊實現一組具有目標趨同性以及較高耦合性且整體相對獨立的功能。每個模塊具備獨立的數據結構以及對象管理與任務處理機制,其組成功能模塊分別稱為基模塊與擴展模塊。這些功能模塊構成系統功能體系的次級劃分。模塊內部通常又包含一個或多個功能組件(FC),它們是一種經過預編譯的可執行體。這些功能組件成為實現用戶自定義或第三方功能軟件“可插拔”的基本單元。

3 嵌入式監測單元的系統設計

數控機床整體運行性能是由各個關鍵功能部件的集成來實現的,同時與機床的加工方式、加工工件、加工參數、刀具選擇等密切相關?；诖?嵌入式監測單元采用基于目的分類監測的方法,進行實時加工過程的監測、刀具運行狀態的監測、進給系統的監測、過程型設備動作的監測等,從而解決數控裝備運行中的加工優化問題、刀具自身狀態的預判問題、進給系統以及主軸運行狀態的健康評估問題等,完成數控裝備早期故障預警以及突發事件處理,保障數控裝備的安全運行,提高工作效率。

嵌入式監測單元采用DSP+ARM(advanced RISCmachines)的主從式架構[17-19],利用DSP實現運行狀態信號的采集和預處理,將主處理器ARM從繁重的計算任務中解放出來,主要負責接口控制及數據存儲、傳輸等任務,并將分析的結果通過現場總線傳輸到數控系統。基于該理念設計的監測模式,可以充分發揮兩種處理器的優勢,既能實現數據信號的精確采集,又能保證運算處理的實時性與準確性,而且嵌入式監測單元作為獨立的單元實體完成信號的處理功能,避免了占用數控系統太多的資源,同時采用現場總線進行通信又保證了信息交互的實時性。

嵌入式監測單元的硬件平臺主要由信號調理模塊、數據采集模塊和數據分析模塊三部分組成,如圖3所示。

圖3 嵌入式監測單元系統硬件示意圖

信號調理模塊的主要功能是濾除工頻干擾、截止頻率以外不需要的頻率成分以及自動調節增益。

數據采集模塊主要是進行數據信號采集,其CPU采用DSP+FPGA(field p rogrammab le array)的模式。DSP作為采集模塊的主CPU,完成對整體模塊的控制;FPGA作為采集模塊的從CPU,用于ARM 與DSP的通信及握手電路的設計,同時為采集模塊提供必要的時鐘信號和控制信號。另外,在采集模塊中還有一些必要的存儲單元:FLASH(2M)用于存儲DSP的運行程序,SDRAM(32M)用于暫時存儲采集數據。

數據分析模塊的主要功能是實現數據的存儲和分析。數據分析單元由ARM作為CPU,通過雙端口RAM完成對采集數據的接收、存儲和信號分析,并通過現場總線與數控系統進行信息交互,從而實現真正的無縫連接。基于模塊的結構設計方案以及利用現場總線與外部進行交互,保證單元具有柔性化和可移植性。圖4為嵌入式監測單元的程序流程圖。圖5、圖6為監測單元的監測對象實時界面。

圖4 嵌入式監測單元系統程序流程圖

4 在機質量檢測單元的設計

圖5 機床各運動軸負載實時顯示圖

圖6 機床各物理狀態實時顯示圖

監測狀態信息分數控加工設備(包括數控機床及數控系統)運行狀態信息和被加工工件幾何信息兩大類。數控加工設備運行狀態信息由上述嵌入式檢測單元進行處理,而被加工工件幾何信息的檢測則由數控系統在機檢測模塊實現。

在機檢測模塊以外部三維測頭的觸發信號作為輸入標志量。測頭可選用國產或國外品牌紅寶石接觸式三維測頭,測頭規格、測針長度及測球直徑等參數根據機床床身及工件尺寸進行選擇。數控加工過程中,當完成某一特定工序后,開始進入工件幾何信息檢測流程,該流程主要是分析此前工序結束后工件的幾何精度。在機檢測模塊檢測到測頭輸入標志量后,經系統總線從運動控制模塊獲取反饋的當前測量點實際坐標[20]。所有測量點測量完后測量數據將被送入誤差評定單元。所有測量點測量數據以及誤差評定單元分析結果以日志形式保存在在機檢測存儲區,作為后續工藝調整及故障診斷的信息源。在機質量檢測流程如圖7所示,圖8為在機質量檢測模塊對加工質量進行初步分析的截圖。

5 系統開發的遠程診斷中心

圖7 在機質量檢測流程示意圖

圖8 在機質量檢測初步分析結果截圖

遠程診斷中心是基于Internet網絡實現的,它為數控機床的故障診斷分析提供了詳盡的功能支持。它對底層的監測節點(數控系統)傳輸過來的信息進行存儲、分析、故障確診與預測、結果顯示、打印以及將分析結果通過網絡傳輸給底層監測節點(數控系統),然后數控系統可以以此來進行相關操作,以保障機床的安全運行[21-22]。按照功能劃分的遠程診斷中心主要分為兩個部分:服務器數據庫、應用分析系統。

5.1 遠程診斷中心的服務器數據庫

圖9 遠程診斷中心服務器登錄參數設置界面

底層監測節點(數控系統)基于TCP協議及FTP協議實現與遠程診斷中心的連接(圖9),將監控數據上傳到中心服務器數據庫,由它對數據進行相關處理,如對數據庫存儲的內容進行存儲、查詢、修改和刪除等操作。數據庫主要分為實時數據庫、歷史數據庫和特征數據庫。實時數據主要有機床當前加工參數與數據采集參數、各通道設置參數、各通道原始波形數據、各通道頻譜數據、過程參數等。歷史數據是實時數據經篩選壓縮后保留下來的有用信息,按年、月、日等進行分檔壓縮存儲,其中各檔存儲間隔和時間長度可設置。歷史數據采用一定的壓縮策略進行存儲,當機床正常運轉時,數據保存密度和數量增加;當機床出現異常情況時,密度和數量減少。特征數據是各監測信號經信號分析處理(時域分析、頻域分析、相關分析、趨勢分析等)后的、表明機床實質狀態的數據。

5.2 機床狀態的遠程診斷中心應用分析系統

監測診斷中心應用分析系統主要是對傳輸到服務器數據庫中的信息進行相關的處理分析,可分為模塊動態測試及信號分析系統、故障診斷與預測系統。圖10為數控系統當機床出現報警時傳遞給中心的相關信息截圖。

圖10 數控系統信息時間快照

6 結束語

針對數控機床監測與運行控制集成中存在的標準化、可靠性低,實時性、柔性化差以及信息共享率低等問題,提出一種基于嵌入式監測單元與在機質量檢測單元的數控系統集成監控的解決方案,給出了系統整體模型以及嵌入式監測單元、在機質量檢測單元的具體構造。利用總線與組建技術的優勢,實現系統各個功能單元實體軟硬件的靈活配置,并使監測、檢測單元具有可移植性與可擴展性,符合數控系統柔性化、集成化的發展趨勢。數據采集及其初步分析、存儲均在數控系統上完成,而數控系統依據此數據以及通過網絡從遠程監控中心獲得的交互信息,實現相應的機床運行狀態顯示與自適應維護策略,并將監測、檢測數據上傳到數據庫服務器中,實現信息的高度共享,為遠程維護模式的應用提供豐富的數據資源。本文設計的方案已經應用于TDNC-H8數控系統中。

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Recon figurab le CNC System w ith Functions of StateMonitoring and IntelligentMaintenance on Machine Based on Networks

Wang Taiyong1Ding Yanyu1Han Zhiguo2Liu Zhenzhong1Shao M ingkun1
1.Tianjin U niversity,Tian jin,300072 2.Tianjin Light Industry V ocational and Technical College,Tianjin,300161

A monitoring CNC system based on networks was designed.Based on the comprehensive p lanning of function module of the CNC system,a four-layer open architecture reference model was proposed,which met demands of the structural ad justment and follow-up extension.To satisfy them ultifucntion integration of CNC system ,machine tool state monitoring,taking the real-time processing quality and avoiding the twice fixturing,the prototype of CNC system based on embedded monitor unit was studied and constructed.Analyzing the situation ofm achine tool statem onitoring,furthermore,the embedded monitor unitmodelw as set up by the structure of DSP(digital signal processing)and ARM(advanced RISC machines).The unit,by which the state ofmachine tools can be accessed,connected w ith CNC system through a bus and can be reconfigured for the target changing or to meet different demands;U sing the open architecture,quality testing unit was embedded to get the geometry information of the part on machine.It provides a feasible program of toolmaintenance and mu ltifunction integration.

com puterized numerical control(CNC)system;statemonitoring;quality testing;layering;bus

TG502;TP1;TP27

1004—132X(2011)11—1327—06

2010—12—30

國家自然科學基金資助項目(50975193);國家科技重大專項(2009ZX04014-101)

book=1332,ebook=403

(編輯 蘇衛國)

王太勇,男,1962年生。天津大學數字化制造與測控技術研究所所長,天津大學機械工程學院教授、博士研究生導師,北京交通大學數字化制造與智能測控技術中心主任。主要研究方向為數字化制造與數控技術、智能診斷與動態測控技術、網絡制造及信息化技術等。獲省部級自然科學和技術進步獎8項,獲國家發明專利10余項。發表論文200余篇。丁彥玉,男,1988年生。天津大學機械工程學院博士研究生。韓志國,男,1973年生。天津輕工職業技術學院機械工程學院副教授。劉振忠,男,1982年生。天津大學機械工程學院博士研究生。邵明堃,男,1986年生。天津大學機械工程學院碩士研究生。