智能數控機床加工狀態監測EtherCAT從站設計

韋文姬，何嶺松，吳玉葉

（華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074）

在德國工業4.0和《中國制造2025》的大背景下，我國的智能制造領域開始進入了高速發展的階段。數控機床作為基礎的制造設備，逐步由模擬、脈沖式跨越到全數字、總線式，向智能化方向轉變，如我國最大的數控機床生產廠商沈陽機床選擇Ether－CAT作為其最新的i5智能數控機床控制平臺的內部總線[1]。數控機床在加工過程中產生大量的運行狀態數據，自感知是智能機床的主要功能之一，為了全方位感應加工過程中產生的狀態變化并及時自適應調節，智能機床需要各種傳感器進行信號收集。結合大數據的數據思維，一些高檔數控系統已開始利用總線技術傳輸底層傳感器數據，通過“指令域示波器”大數據分析工具[2]將主軸振動、電機電流等狀態數據與指令建立起對應關系，實現機床狀態可視化和加工狀態智能化[3]。數控系統對于外部傳感器信號的采集，目前主要采用的方法為通過總線I/O單元，設置采樣通道，將外部傳感器數據實時地全部采進數控系統，如華中數控有限公司的楊祥等人在華中8型總線式數控系統中插入HIO-1075溫度采集板卡實時監測相關部位的溫度變化，對機床運動部件的熱位移誤差進行實時補償[4]。智能化數控機床的總線多為基于工業以太網技術，傳輸速度快，帶寬較傳統的現場總線技術有了很大提高，然而，這種采集方式仍存在著一些不足。一方面，對于一些要求高采樣率的物理信號類型，如聲音信號，采樣周期遠高于總線通訊周期，不易于直接采集；另一方面，隨著外接傳感器數目的增加，數據量急劇增大，數控系統作為整個數控機床的控制中心和運算中心，計算負荷也隨之加重。

為了解決以上提出的不足，考慮到EtherCAT是目前主流的智能數控機床總線技術之一，本文提出一種基于EtherCAT的機床加工狀態監測從站設計方法，利用從站擴展外部傳感器信號采集并對原始的傳感器數據進行有效篩選，僅向數控系統提供有價值的特征量，協助數控機床完成特定的加工監測任務。

1 EtherCAT總線式智能數控機床

EtherCAT是一種基于工業以太網的主從結構總線體系，支持多種設備連接拓撲結構，最常用的是線型結構。在采用EtherCAT總線的數控機床中，數控系統作為主站，操作面板、IO單元、伺服驅動器和外部監測單元等作為從站，如圖1所示。其中，主站使用帶一個數據收發端口的標準以太網控制器，從站使用分別帶輸入和輸出數據收發端口的EtherCAT從控制器；主站和從站間，以及從站彼此間使用網線相連，十分便于以串行的方式進行從站的增減。

圖1 EtherCAT總線式數控機床架構

運行模式上，數控系統在開機啟動階段迅速完成EtherCAT網絡配置后，便進入分布式時鐘同步模式與從站建立周期性過程數據通信，通常按1個插補周期的時間間隔發送EtherCAT幀。EtherCAT幀順序經過每一個從站時，從站的FMMU單元過濾向其發送的數據，并將輸入數據加載到轉發的幀中，最后由末端從站將報文按原網絡路徑返回給數控系統，從而完成一次通訊過程[5]。

每個EtherCAT數據幀最多可容納1 486字節的過程數據，通過合理分配各從站的I/O數據區長度，可以在一條總線上加入多個從站。

2 數控機床加工狀態監測EtherCAT從站的設計方法

2.1 系統總體架構

數控機床加工狀態監測從站的架構如圖2所示。一方面，通過外接傳感器采集機床本體產生的物理信號，如振動、溫度、切削力等；另一方面，通過EtherCAT總線從數控系統獲取機床工作任務數據[6]，如G指令行號、進給速度、主軸轉速等；然后，由從站內部結合兩方面數據對機床加工狀態進行實時分析，再通過EtherCAT總線將計算得到的加工狀態特征量[7]上傳給數控系統。

圖2 數控機床加工狀態從站架構圖

本從站主要由三部分組成：采集前端、主控板和EtherCAT從站接口。其中，采集前端為傳感器信號提供了必要的信號調理、A/D轉換等功能；EtherCAT從站接口實現了主從站間的數據交互功能；主控卡則是系統的運算與控制核心，實現數據采集、分析與存儲等功能。

本從站為數控系統搭建了一個可編程外部監控平臺，可以根據不同的監測任務設計相應的數據處理算法，提取所需的特征變量。例如，在指令域示波器應用中，從站可以將采集到的傳感器信號按G指令行號進行分割，提取出各行G指令所對應的特征數據[8]，讓數控系統直接獲取特征量并顯示指令域波形圖；在機床加工過程顫振監測應用中，從站可以對振動信號或噪聲信號進行功率譜分析并結合從數控系統采集到的主軸轉速、刀齒數等數據[9]，更有效地識別顫振，只需向數控系統發送機床是否產生顫振的診斷值。

2.2 系統硬件結構

監測從站的整體硬件結構如圖3所示，主要由采集前端電路、主控電路和EtherCAT從站接口電路三部分組成。采集前端電路為可拓展模塊，根據實際的傳感器類型設計相應的激勵、調理和外置AD轉換等電路，通過數字接口接入主控板中。EtherCAT從站接口電路的以太網接口采用“PHY+網絡變壓器+RJ45 網口”結構[10]，通過 MII接口與 ESC（EtherCAT Slave Controller，EtherCAT從站控制器）芯片相連；ESC與微處理器通過PDI接口交換總線上下行數據，其接口類型由EEPROM存儲的從站配置信息確定。電源適配器將市電轉化為5 V直流電壓，為整個系統供電。

圖3 數控機床加工狀態從站硬件結構框圖

2.3 系統軟件設計

系統軟件運行在微處理器上，工作流程圖如圖4所示。首先，對外設進行初始化操作，包括外置ADC、SD卡、PDI接口以及ESC寄存器等，以及對Ether－CAT從站協議棧進行初始化，計算過程數據對象的容量并為其分配內存空間；然后，處理從站狀態機并等待EtherCAT總線進入OP態，與數控系統建立起周期性過程數據通信；當檢測到機床開始執行加工程序，系統同步采集傳感器信號與機床工作任務數據；緩存區獲得足量的數據后，根據給定的機床加工任務和運行狀態數據的約束條件，對傳感器信號進行時域和頻域的分析，將提取到的加工狀態特征值由EtherCAT總線反饋給數控系統；系統重復數據采集與分析功能，直到機床的加工程序執行完畢。

圖4 系統軟件工作流程圖

其中，數控系統向從站發送機床工作任務數據、從站向數控系統反饋加工狀態特征值都是采用EtherCAT周期性過程數據通信方式實現的。在分布時鐘模式下，ESC的分布時鐘控制單元向微處理器發送同步信號脈沖SYNC0，通知微處理器本次總線通訊的輸出數據已被復制到ESC SM2管理的存儲區，SM3管理的存儲區的輸入數據已被發送到總線中去，從而觸發系統進入中斷服務例程處理過程數據。輸入輸出數據交互過程如圖5所示：系統調用讀PDRAM函數，將起始地址和長度參數設置為ESC SM2通道管理的內存區起始地址和數據長度，將數據保存到輸出過程數據緩存區，并映射為機床工作任務變量；同理，系統將加工狀態特征量映射到輸入過程數據緩存區，調用寫PDRAM函數，將數據寫到SM3通道管理的內存區。

圖5 微處理器與E S C的過程數據交互示意圖

3 應用示例

為了驗證加工狀態監測從站的可用性，本文將從站接入到運行華中8型數控系統的高速雕銑機ES-650B中，對一批相同尺寸的毛胚加工過程中產生的振動信號進行實時監測。當機床發生異常振動時，工件表面加工質量往往也會受到影響。利用該從站識別振動異常狀態并向數控系統發送報警信號，可以及時檢測出問題工件且將其剔除掉。

理論上，數控機床在重復加工同一種零件時，在相同G指令時刻采集到的振動特征量應該是重復一致的[6]，如圖6所示，若出現不一致，則可判斷為異常狀況。根據此監測原理，從站以100 ms短時能量值作為振動特征量，首先采集第1件毛胚加工過程中的G指令行號數據和振動加速度信號，將振動特征量與G指令建立映射關系，生成標準樣本文件用作監測過程的參考，存儲于SD卡。然后保持傳感器安裝位置不變，在后續的毛胚加工過程中，從站以G指令運行時刻作為對齊標準，將實時采集的振動短時能量值與標準樣本數據作比較，當檢測到持續一段時間內兩者存在較大偏差時，識別為異常狀態。

圖6 數控加工過程的振動監測原理

3.1 實驗設計

本文專門設計了一個實驗，對一批60 mm×60 mm×50 mm的鋁塊使用相同的G代碼進行加工，銑削60 mm×60 mm的平面。實驗使用的刀具為直徑10 mm的三刃鋁合金立銑刀，切削深度1 mm.加工動作為銑刀在Y軸方向上來回進給銑削，每次在Y軸方向上走完一次行程，往X軸負方向進給5 mm.加工G代碼內容如下：

N001 G54 G01 Z50 F500

N002 X0 Y0 M03 S6000

N003 X38 Y38

N004 Z-1

N005 X35

N006 Y-38

N007 X30

N008 Y38

N009 X25

……

N033 X-35

N034 Y-38

N035 X-38

N036 Z50

N037 M05

N038 M30

在這批毛胚中加入一個異常工件，其加工表面的中心挖了一個2 mm深、直徑為10 mm的圓槽，如圖7所示。與正常工件的加工過程相比，當銑刀走到異常工件的圓槽時，切削力會發生變化，導致機床的振動信號也會發生變化，由此模擬出一種加工異常現象，如果從站在此時刻能及時檢測出振動異常，則證明從站起到了狀態監測的作用。

圖7 工件模型

根據監測任務，從站接入DYTRAN公司的3262A1型號3軸加速度傳感器，采樣率設為10 kHz.傳感器利用磁座吸附在夾具上，實驗場景如圖8所示。在數控系統上，為從站設置好輸入輸出信號地址及含義，添加PLC讀寫變量功能模塊到梯形程序中，將G指令行號傳遞到從站的輸出信號地址，以便從站獲取該數據。為了增強實驗效果，從站加入了液晶屏來顯示實時監測狀態。

圖8 實驗場景

3.2 實驗結果

圖9 （a）為銑削異常工件表面時，從站液晶屏上顯示的監測效果圖。其中，左側上方的波形為標準樣本數據，下方的波形為實時加工過程監測到的振動短時能量數據，右側顯示的是數控系統實時運行的G指令。可以看到，當銑刀未走到圓槽缺陷時，實時數據與樣本數據的趨勢基本一致，當加工程序執行到第18行G指令，銑刀進給到圓槽的邊緣處時，產生較大沖擊，效果如圖中矩形區域所示，從站檢測到異常，立即向數控系統發送警報值，數據映射到X100寄存器上。在圖9（b）的數控系統界面上，X100寄存器的值由正常狀態0變為異常狀態1.

圖9 振動異常監測效果圖

在本應用示例中，加工狀態監測從站發揮了自身的計算能力，在內部對振動數據基于指令域分析，直接診斷加工過程的振動是否存在異常。從站只向數控系統發送實時的振動狀態值，有效減少了總線上的數據傳輸量，同時未消耗數控系統的計算資源，數控系統只需根據該從站提供的報警信息進行下一步動作。

4 結束語

本文提出了一種機床加工狀態監測從站設計方法，可應用于EtherCAT總線型的數控機床中。該從站結合機床工作任務對外接傳感器采集的機床運行狀態數據進行快速、準確的分析，能夠讓數控系統直接獲取篩選后的特征量數據。根據EtherCAT良好的可擴展性能，數控系統可接入多個監測從站，同時進行多種加工狀態監測，而無需提升自身的軟硬件資源水平。該從站在數控機床智能化、大數據采集等場合中，具有開闊的應用前景。