數(shù)控機(jī)床安全加工網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)研究

梁毅峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000)

校園數(shù)控機(jī)床實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)因機(jī)床轉(zhuǎn)速高、對(duì)操作者技術(shù)要求高等原因，安全事故頻發(fā)，并且對(duì)于機(jī)床出現(xiàn)的故障不能及時(shí)排除。針對(duì)校園數(shù)控機(jī)床實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)安全加工實(shí)際情況，采用串行通信與網(wǎng)絡(luò)通訊并聯(lián)的模式，創(chuàng)建數(shù)控機(jī)床組的安全加工通信與管理監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)?shù)控機(jī)床的狀態(tài)、參數(shù)、攝像畫(huà)面等信息采集與管理，實(shí)現(xiàn)總控制計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)床組之間的正常加工控制、緊急控制和遠(yuǎn)程維護(hù)。

1 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

1.1 RS232-C和以太網(wǎng)通訊接口

RS232- C接口是由EIA(美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì))制定的一種國(guó)際通用的串行硬件接口，傳輸程序準(zhǔn)確度高，目前廣泛的應(yīng)用于機(jī)床的加工程序和機(jī)床參數(shù)的傳輸。利用數(shù)據(jù)傳送線將計(jì)算機(jī)主機(jī)后端的com1或com2接口連接到數(shù)控機(jī)床的RS232-C串行接口, 可以應(yīng)用機(jī)床的線加工功能，把較大的加工程序分段傳送給數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床運(yùn)行完一部分程序后, 會(huì)清空之前程序所占內(nèi)存，請(qǐng)求計(jì)算機(jī)再發(fā)送一部分,直至整個(gè)大程序加工完成。

機(jī)床以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)連接方式靈活，可直接用電纜與外部計(jì)算機(jī)連接，也可以先連接到集線器，再由集線器連接到局域網(wǎng)，機(jī)床可以通過(guò)局域網(wǎng)再連接到其他計(jì)算機(jī)上。RS232-C及以太網(wǎng)通訊接口連接如圖1所示。

圖1 RS232-C及以太網(wǎng)通訊接口連接圖

1.2 RS232-C通訊接口參數(shù)設(shè)置

目前Mastercam、UG、Pro- E和Caxa等國(guó)內(nèi)使用的主流 CAD/ CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造)軟件都帶有后處理功能模塊，通過(guò)參數(shù)設(shè)置可實(shí)現(xiàn)與 RS232- C通訊接口的連接。以Mastercam X3為例，設(shè)置連接RS232-C通訊接口參數(shù)如圖2所示。

1.3 安全加工網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控原理

圖2 Mastercam X3通訊參數(shù)設(shè)置

在總控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件，數(shù)控機(jī)床組和監(jiān)控?cái)z像頭通過(guò)串行接口和以太網(wǎng)接口與總控機(jī)連接。總控機(jī)在連接狀態(tài)下可以實(shí)時(shí)采集機(jī)床加工參數(shù)和運(yùn)行情況圖像，動(dòng)態(tài)監(jiān)視機(jī)床加工情況，能夠接收和發(fā)送機(jī)床加工控制程序，控制機(jī)床安全運(yùn)轉(zhuǎn)。在數(shù)控機(jī)床工作組上安裝高性能攝像頭，發(fā)揮視頻技術(shù)實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控作用，能夠動(dòng)態(tài)傳輸、比對(duì)及保存機(jī)床加工狀態(tài)畫(huà)面。通過(guò)機(jī)床組刀具周邊安裝的電壓、速度、溫度、液壓、位移或激光傳感器來(lái)檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的刀具磨損、切削力變化、切削位移情況，以及數(shù)控機(jī)床內(nèi)機(jī)械或電氣部件的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)地發(fā)送數(shù)控機(jī)床異常報(bào)警信息到總控機(jī)[2]。通過(guò)比對(duì)監(jiān)控?cái)z像采集畫(huà)面，總控機(jī)發(fā)送指令及時(shí)處理安全隱患或加工參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的錯(cuò)誤。如總控機(jī)發(fā)現(xiàn)加工異常，可立即發(fā)送控制切削速度、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的指令或緊急停止等指令[3]。

2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于數(shù)控機(jī)床的安全加工網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足可靠性、開(kāi)放性、靈活性、集成性的要求，配置系統(tǒng)應(yīng)具有友好的人機(jī)交互界面和優(yōu)良的兼容性，能夠暢通連接遠(yuǎn)程故障診斷專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)的文件傳輸、端口監(jiān)控和配置以及系統(tǒng)管理等操作要在一個(gè)簡(jiǎn)潔的界面中進(jìn)行，人機(jī)界面友好、可靠性高、操作靈活、易于掌控。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用各類傳感器和高清攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像采集，分析研判數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)信息，可以完成一系列如發(fā)送數(shù)控程序、機(jī)床控制指令，顯示刀具位移軌跡等功能如圖3。能夠?qū)Χ鄠€(gè)車間的多個(gè)機(jī)床組的使用人員、機(jī)床使用的狀態(tài)及毛坯加工情況進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，能夠緊急處理數(shù)控機(jī)床組可能發(fā)生的安全隱患，及時(shí)控制和妥善處理機(jī)床一般性故障[4]。

圖3 數(shù)控機(jī)床安全加工網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)硬件結(jié)構(gòu)圖

在監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控刀具狀態(tài)是重要環(huán)節(jié)，刀具的狀態(tài)情況能夠基本反映機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)和加工情況。目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)刀具狀態(tài)的監(jiān)控的進(jìn)行了很多的研究，主要有直接法和間接法兩種刀具狀態(tài)及磨損情況監(jiān)測(cè)方式，利用電壓檢測(cè)器、光學(xué)檢測(cè)儀、振動(dòng)和超聲波監(jiān)測(cè)儀器等檢測(cè)電壓、切削力、電流和功率的變化，再反映出刀具的實(shí)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)刀具磨損異常、切削力過(guò)大、撞刀事故、刀具參數(shù)丟失或因電網(wǎng)電壓波動(dòng)等被意外更改故障時(shí)，通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)控機(jī)床異常情況及時(shí)控制，對(duì)刀具參數(shù)網(wǎng)絡(luò)重置，解決手工現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)刀具參數(shù)效率低、速度慢的問(wèn)題。

在監(jiān)控系統(tǒng)功能擴(kuò)展方面，可研究增加熱誤差監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)外研究者在研究提高機(jī)床加工精度時(shí)注重研究誤差補(bǔ)償，尤其是熱誤差補(bǔ)償。機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，由于伺服電機(jī)發(fā)熱、機(jī)械部件摩擦、切削熱傳遞等的影響及外部環(huán)境變化導(dǎo)致熱量變化，熱量在傳遞過(guò)程中造成機(jī)床各個(gè)部件產(chǎn)生的溫升不同，溫度的升高會(huì)使數(shù)控機(jī)床發(fā)生非線性、非平穩(wěn)熱變形，對(duì)加工精度造成很大的影響[5]。本系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)展研究將溫度傳感器布置于機(jī)床溫度敏感點(diǎn)測(cè)量其溫度值，將預(yù)測(cè)參數(shù)集成于溫度檢測(cè)模塊中，溫度檢測(cè)模塊接收溫度模擬量信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)將采集的溫度值與溫度檢測(cè)模塊的預(yù)測(cè)值比對(duì)，可以計(jì)算出變形量和插補(bǔ)值，通過(guò)RS232-c串行通信的方式將補(bǔ)償值傳遞到總控機(jī)，由總控機(jī)發(fā)送給數(shù)控機(jī)床插補(bǔ)修正指令，從而在安全加工的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高加工精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究了數(shù)控機(jī)床安全加工網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，闡述了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的接口使用和系統(tǒng)主要組成硬件功能，并設(shè)計(jì)了基于校園安全加工監(jiān)控系統(tǒng)的連接方案。通過(guò)應(yīng)用數(shù)控機(jī)床組安全加工監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以大大提高數(shù)控機(jī)床安全生產(chǎn)系數(shù)，及時(shí)排除安全隱患和機(jī)床故障，最大限度地保證機(jī)床設(shè)備的良好運(yùn)行，還可以對(duì)多車間加工管理流程進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，易于構(gòu)建數(shù)字化車間安全加工標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)并且具有擴(kuò)展性，具有很好的應(yīng)用前景。