基于多傳感器的高速CNC機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 珂，陳 婉

(1.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院信息工程系，河南 鄭州 450000；2.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院信息網(wǎng)絡(luò)中心, 河南 鄭州 450000)

基于多傳感器的高速CNC機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 珂1，陳 婉2

(1.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院信息工程系，河南 鄭州 450000；2.鄭州旅游職業(yè)學(xué)院信息網(wǎng)絡(luò)中心, 河南 鄭州 450000)

復(fù)雜工況對(duì)于高速CNC機(jī)床加工的精度以及其安全都有很大的影響，因此要設(shè)定檢測(cè)參數(shù)閥值，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)期對(duì)比來判斷加工工況是否安全。設(shè)計(jì)了基于多傳感器技術(shù)的高速CNC機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件以及開發(fā)了PLC軟件程序，另外對(duì)傳感器選型進(jìn)行了說明，并且完成多傳感器與840D/828D數(shù)控系統(tǒng)的無縫銜接。最后通過實(shí)際試驗(yàn)證明了該監(jiān)控系統(tǒng)提高了高速CNC機(jī)床在復(fù)雜工況下工作的安全性以及生產(chǎn)過程的可控性，同時(shí)使得生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量以及其效率得到了保障。

高速車削；工況預(yù)測(cè)；集成監(jiān)控；多傳感器

可靠的工況狀態(tài)是高速CNC機(jī)床的生產(chǎn)效率、加工產(chǎn)品質(zhì)量以及設(shè)備安全性的重要保障。因?yàn)楦咚貱NC機(jī)床加工的過程具有柔性化及動(dòng)態(tài)化等特點(diǎn)，所以加工過程及其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控均包含有明顯的復(fù)雜性[1-3]。盡管我國(guó)當(dāng)前自主研制的機(jī)床的定位及反復(fù)定位精度已經(jīng)很高，但是由于加工的過程很復(fù)雜，同時(shí)伴隨有振動(dòng)、刀具損耗和熱力耦合變形等要素影響，從而致使生產(chǎn)精度及穩(wěn)定性等特性降低，所以生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性及可靠性、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率等方面和先進(jìn)國(guó)家還有很大的距離[4-5]。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于工藝參數(shù)的合理選擇、切削振動(dòng)、刀具磨損、受熱變形等諸多影響因素致使加工成品與理論模型之間存在誤差，設(shè)備性能的發(fā)揮和壽命的保障、加工效率和成本等都是需要考慮的因素，這些都離不開加工過程監(jiān)測(cè)技術(shù)。對(duì)加工裝備和加工過程的監(jiān)控可以有效保證產(chǎn)品的最終加工精度及全面掌握機(jī)床運(yùn)行過程中各單元的運(yùn)行狀況，提高機(jī)床工作性能，消除廢品的產(chǎn)生、降低成本。監(jiān)控技術(shù)可以提高加工過程的可靠性和可控性，要提高加工穩(wěn)定性和可靠性、加工質(zhì)量和加工效率，不但要加強(qiáng)機(jī)床設(shè)計(jì)和工藝的基礎(chǔ)研究，還要善于運(yùn)用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化技術(shù)和監(jiān)控手段，增強(qiáng)加工裝備和加工過程的感知和控制功能。

機(jī)床和加工過程的監(jiān)控技術(shù)是獲取信息、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的途徑，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字制造、智能制造的前提和基礎(chǔ)，是進(jìn)行高效、高質(zhì)、安全、可靠加工的有利保障，只有對(duì)機(jī)床、刀具和加工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能獲知設(shè)備和過程狀態(tài)信息，從而據(jù)此進(jìn)行智能優(yōu)化控制，所以說先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造和使機(jī)床變聰明的基礎(chǔ)和唯一可行的途徑。因此本文設(shè)計(jì)了基于多傳感器技術(shù)的高速CNC機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行全程的控制和評(píng)測(cè)。

1 集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

高速CNC機(jī)床復(fù)雜工況下集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程見圖1，在加工開始之前，利用虛擬測(cè)試過程實(shí)現(xiàn)每一項(xiàng)代表性工況的檢測(cè)工作并將其特性保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)作為工況的辨別以及其參數(shù)優(yōu)化的參考依據(jù)。多傳感器的監(jiān)控將涉及全部生產(chǎn)過程，針對(duì)如碰撞、刀具破損、崩刃、超載及顫振等突發(fā)性事故完成實(shí)時(shí)檢測(cè)甄別，然后動(dòng)態(tài)檢測(cè)刀具的損耗程度以及切削的振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到刀具損耗時(shí)開啟機(jī)器視覺過程以此來確定其損耗程度，在線檢測(cè)過程完成主要節(jié)點(diǎn)以及加工結(jié)束的檢測(cè)，以此來確保生產(chǎn)質(zhì)量。

該集成監(jiān)控系統(tǒng)利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工況的控制，將測(cè)頭及CCD看成刀具安設(shè)在對(duì)應(yīng)的位置，利用數(shù)控程序及機(jī)床自身的工作實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)，因此該集成監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅含有對(duì)硬件的集成而且還有對(duì)軟件的集成。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將檢測(cè)到的主軸電機(jī)功率信號(hào)及切削振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)?40D/828D數(shù)控系統(tǒng)及上位機(jī)，并且通過840D/828D HMI R變量模式可以對(duì)保存在200～203范圍內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，同時(shí)利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理檢測(cè)數(shù)據(jù)并實(shí)行對(duì)應(yīng)的控制步驟，然后利用上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

圖1 集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

傳感器的選型包括加速度傳感器和功率傳感器，如表1所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各硬件接口即加速度、電機(jī)電流及溫度等信號(hào)接口的數(shù)據(jù)采集以及傳送[6]，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理見圖2。

表1 傳感器參數(shù)及安裝位置

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

加速度傳感器的信號(hào)輸出運(yùn)用4線制連接到前置專用信號(hào)采集模塊CS2ACSF/CS2ACPW 將其轉(zhuǎn)變成以太網(wǎng)信號(hào)輸出再連接到嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口[7]，從而完成檢測(cè)數(shù)據(jù)采集，其采集的頻率是10Hz；同理功率傳感器的信號(hào)輸出運(yùn)用5線制連接到前置專用信號(hào)采集模塊CS2ACPW轉(zhuǎn)變成以太網(wǎng)信號(hào)輸出再連接到嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)接口，從而完成檢測(cè)數(shù)據(jù)采集，其采集的頻率是10Hz。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)非正常工況的急迫程度來設(shè)定其優(yōu)先等級(jí)，該集成監(jiān)控系統(tǒng)按照工況的優(yōu)先等級(jí)從高到低的次序往復(fù)掃描，同時(shí)自動(dòng)采用相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法。設(shè)定最高優(yōu)先等級(jí)的工況是超載、超限等可能致使嚴(yán)峻事故或者損傷設(shè)備的狀況，如果檢測(cè)到振動(dòng)或者功率超越設(shè)定的最高閥值，同時(shí)連續(xù)時(shí)間超越設(shè)定最高時(shí)間，那么系統(tǒng)將鳴起警笛并照亮警燈，與此同時(shí)系統(tǒng)對(duì)該報(bào)警進(jìn)行記錄存檔。依據(jù)每一道加工工序條件以及系統(tǒng)的規(guī)定范圍設(shè)定各自的最高閥值及其連續(xù)時(shí)間。設(shè)定像發(fā)生刀具毀損或碰撞等緊急事件時(shí)的連續(xù)時(shí)間通常小于等于15ms，從而保證在沒有導(dǎo)致設(shè)備損傷之前啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)同時(shí)實(shí)施相應(yīng)措施；設(shè)定像刀具磨損等非緊急事件時(shí)的連續(xù)時(shí)間適宜延長(zhǎng)60～90ms。

2.4 PLC開發(fā)程序設(shè)計(jì)

通過PLC自動(dòng)控制集成監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，其部分PLC開發(fā)程序見圖3。

圖3 PLC開發(fā)程序

2.5 與CNC的無縫銜接設(shè)計(jì)

通過運(yùn)用840D/828D擴(kuò)展接口編輯集成監(jiān)控HMI窗口實(shí)現(xiàn)與CNC的無縫集成。首先，設(shè)計(jì)自動(dòng)及程序兩種方式啟動(dòng)集成監(jiān)控系統(tǒng)界面，其相應(yīng)的配置文件是MA_AUTO.COM及PROG.COM，其存儲(chǔ)在PCU50的硬盤中且保存路徑是：DHCUS.DIR；其次創(chuàng)建界面顯示文本：設(shè)定界面文本保存文件名是ALUC_XX，存儲(chǔ)路徑是：OEM，文本代碼區(qū)間85000～89899；第三，設(shè)計(jì)編程各界面中的水平及垂直方向各8個(gè)軟鍵，實(shí)現(xiàn)界面的跳轉(zhuǎn)；第四，設(shè)計(jì)開發(fā)的集成監(jiān)控系統(tǒng)集成在HMI界面的HEBUT軟鍵中，點(diǎn)擊 HEBUT 軟鍵進(jìn)入高速CNC機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)界面，采用PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)其間的通訊工作。通過軟硬件上的集成，完成了監(jiān)控系統(tǒng)與CNC的無縫銜接。

3 試驗(yàn)結(jié)果

HTC2550hs高速數(shù)控車削中心，數(shù)控系統(tǒng)西門子828D系列，選取加工直徑是600mm的45鋼棒料，主軸的轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率及最高扭矩分別是0～6000轉(zhuǎn)、20.5/15kW及162N·m，X軸及Z軸的移動(dòng)速度和進(jìn)給電機(jī)功率分別是60m/min和4.71kW，Z軸(主軸)、X軸的最高進(jìn)給抗力分別是1290N、1720N，人為設(shè)定六種不同的工況條件，其試驗(yàn)結(jié)果見表2。

對(duì)于預(yù)設(shè)的過載、碰撞、顫振、刀具嚴(yán)重磨損的異常工況識(shí)別和處理，不同級(jí)別的警報(bào)響起，警燈點(diǎn)亮，并記錄下此時(shí)的最大值和持續(xù)時(shí)間。

多傳感器監(jiān)測(cè)到刀具磨損時(shí)，會(huì)調(diào)用基于機(jī)器視覺的刀具狀態(tài)診斷功能。由于環(huán)境噪聲、毛胚或材料的瑕疵可能造成的傳感器誤報(bào)，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的控制決策，所以采用多傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控與 CCD 分時(shí)監(jiān)控手段，確保刀具工況及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別與控制。確認(rèn)為磨損狀態(tài)后，以 PLC 變量的方式反饋換刀信息和刀補(bǔ)值。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果說明該集成監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)精確的鑒別高速CNC機(jī)床的各種復(fù)雜工況，并且根據(jù)工況界別結(jié)果做出對(duì)應(yīng)的控制措施。

表2 六種工況及相應(yīng)的識(shí)別結(jié)果與應(yīng)對(duì)措施

4 結(jié) 論

基于多傳感器的高速CNC集成監(jiān)控系統(tǒng)不僅提升了加工過程的可靠性及可控性，而且還提升了其穩(wěn)定性以及加工質(zhì)量與效率。同時(shí)用戶可以很簡(jiǎn)單、方便、直觀的運(yùn)用該系統(tǒng)，在很大程度上提高了其對(duì)復(fù)雜工況的預(yù)測(cè)感知能力以及監(jiān)控能力。

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Design of the integrated monitoring system based on multi-sensor of high-speed CNC machine

WANG Ke1, CHEN Wan2

(1.Department of Information Engineering, Zhengzhou Tourism College, Zhengzhou 450000, China;2.Information Network Center, Zhengzhou Tourism College, Zhengzhou 450000, China)

The complex conditions for the high-speed CNC machining accuracy and its safety has a great impact, it is necessary to set the detection parameter threshold, by comparing the expected data to determine whether the safe processing conditions. Speed CNC machine tool integrated monitoring system based on multi-sensor technology is designed. The hardware of the system is designed and the software program of PLC is developed. In addition, the sensor selection is described and the multi-sensor and multi- 840D/828D numerical control system seamlessly. Finally, the practical test shows that the monitoring system can improve the safety of the high-speed CNC machine in complex working conditions and the controllability of the production process, at the same time, the quality of the products and the efficiency are guaranteed.

high speed turning; forecast conditions; integrated monitoring; multi-sensor

2016-06-20

王珂(1980-)，女，河南鄭州人，漢族，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究；

陳婉(1979-)，女，河南原陽人，漢族，碩士研究生，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

TP277

A

1004-4051(2016)12-0170-04