數(shù)控機床安全加工網(wǎng)絡監(jiān)控技術(shù)研究

梁毅峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學院，安徽 淮北 235000)

校園數(shù)控機床實習實訓因機床轉(zhuǎn)速高、對操作者技術(shù)要求高等原因，安全事故頻發(fā)，并且對于機床出現(xiàn)的故障不能及時排除。針對校園數(shù)控機床實習實訓安全加工實際情況，采用串行通信與網(wǎng)絡通訊并聯(lián)的模式，創(chuàng)建數(shù)控機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)控機床的狀態(tài)、參數(shù)、攝像畫面等信息采集與管理，實現(xiàn)總控制計算機與數(shù)控機床組之間的正常加工控制、緊急控制和遠程維護。

1 監(jiān)控網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)

1.1 RS232-C和以太網(wǎng)通訊接口

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

機床以太網(wǎng)接口與計算機連接方式靈活，可直接用電纜與外部計算機連接，也可以先連接到集線器，再由集線器連接到局域網(wǎng)，機床可以通過局域網(wǎng)再連接到其他計算機上。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)設置

目前Mastercam、UG、Pro- E和Caxa等國內(nèi)使用的主流 CAD/ CAM(計算機輔助設計、制造)軟件都帶有后處理功能模塊，通過參數(shù)設置可實現(xiàn)與 RS232- C通訊接口的連接。以Mastercam X3為例，設置連接RS232-C通訊接口參數(shù)如圖2所示。

1.3 安全加工網(wǎng)絡監(jiān)控原理

圖2 Mastercam X3通訊參數(shù)設置

在總控計算機上運行網(wǎng)絡控制系統(tǒng)軟件，數(shù)控機床組和監(jiān)控攝像頭通過串行接口和以太網(wǎng)接口與總控機連接。總控機在連接狀態(tài)下可以實時采集機床加工參數(shù)和運行情況圖像，動態(tài)監(jiān)視機床加工情況，能夠接收和發(fā)送機床加工控制程序，控制機床安全運轉(zhuǎn)。在數(shù)控機床工作組上安裝高性能攝像頭，發(fā)揮視頻技術(shù)實時顯示、監(jiān)控作用，能夠動態(tài)傳輸、比對及保存機床加工狀態(tài)畫面。通過機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檢測數(shù)控機床的刀具磨損、切削力變化、切削位移情況，以及數(shù)控機床內(nèi)機械或電氣部件的運行狀態(tài)，及時地發(fā)送數(shù)控機床異常報警信息到總控機[2]。通過比對監(jiān)控攝像采集畫面，總控機發(fā)送指令及時處理安全隱患或加工參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的錯誤。如總控機發(fā)現(xiàn)加工異常，可立即發(fā)送控制切削速度、主軸轉(zhuǎn)速和進給量的指令或緊急停止等指令[3]。

2 網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計

基于數(shù)控機床的安全加工網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)設計需要滿足可靠性、開放性、靈活性、集成性的要求，配置系統(tǒng)應具有友好的人機交互界面和優(yōu)良的兼容性，能夠暢通連接遠程故障診斷專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。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簡潔的界面中進行，人機界面友好、可靠性高、操作靈活、易于掌控。遠程監(jiān)控系統(tǒng)利用各類傳感器和高清攝像頭進行數(shù)據(jù)和圖像采集，分析研判數(shù)控機床的工作狀態(tài)信息，可以完成一系列如發(fā)送數(shù)控程序、機床控制指令，顯示刀具位移軌跡等功能如圖3。能夠?qū)Χ鄠€車間的多個機床組的使用人員、機床使用的狀態(tài)及毛坯加工情況進行及時的監(jiān)控，能夠緊急處理數(shù)控機床組可能發(fā)生的安全隱患，及時控制和妥善處理機床一般性故障[4]。

圖3 數(shù)控機床安全加工網(wǎng)絡監(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床的運轉(zhuǎn)和加工情況。目前國內(nèi)外數(shù)控機床生產(chǎn)廠家和相關(guān)研究機構(gòu)對刀具狀態(tài)的監(jiān)控的進行了很多的研究，主要有直接法和間接法兩種刀具狀態(tài)及磨損情況監(jiān)測方式，利用電壓檢測器、光學檢測儀、振動和超聲波監(jiān)測儀器等檢測電壓、切削力、電流和功率的變化，再反映出刀具的實時狀態(tài)。當出現(xiàn)刀具磨損異常、切削力過大、撞刀事故、刀具參數(shù)丟失或因電網(wǎng)電壓波動等被意外更改故障時，通過監(jiān)控網(wǎng)絡對數(shù)控機床異常情況及時控制，對刀具參數(shù)網(wǎng)絡重置，解決手工現(xiàn)場恢復刀具參數(shù)效率低、速度慢的問題。

在監(jiān)控系統(tǒng)功能擴展方面，可研究增加熱誤差監(jiān)測。國內(nèi)外研究者在研究提高機床加工精度時注重研究誤差補償，尤其是熱誤差補償。機床運行過程中，由于伺服電機發(fā)熱、機械部件摩擦、切削熱傳遞等的影響及外部環(huán)境變化導致熱量變化，熱量在傳遞過程中造成機床各個部件產(chǎn)生的溫升不同，溫度的升高會使數(shù)控機床發(fā)生非線性、非平穩(wěn)熱變形，對加工精度造成很大的影響[5]。本系統(tǒng)可進一步擴展研究將溫度傳感器布置于機床溫度敏感點測量其溫度值，將預測參數(shù)集成于溫度檢測模塊中，溫度檢測模塊接收溫度模擬量信號并對其進行處理，通過將采集的溫度值與溫度檢測模塊的預測值比對，可以計算出變形量和插補值，通過RS232-c串行通信的方式將補償值傳遞到總控機，由總控機發(fā)送給數(shù)控機床插補修正指令，從而在安全加工的基礎上，進一步提高加工精度。

3 結(jié)束語

本文深入研究了數(shù)控機床安全加工網(wǎng)絡監(jiān)控技術(shù)，闡述了網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的接口使用和系統(tǒng)主要組成硬件功能，并設計了基于校園安全加工監(jiān)控系統(tǒng)的連接方案。通過應用數(shù)控機床組安全加工監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以大大提高數(shù)控機床安全生產(chǎn)系數(shù)，及時排除安全隱患和機床故障，最大限度地保證機床設備的良好運行，還可以對多車間加工管理流程進行統(tǒng)一規(guī)劃，易于構(gòu)建數(shù)字化車間安全加工標準化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)并且具有擴展性，具有很好的應用前景。