面向數控機床的多源信息采集系統研究??

李 波 熊 迪 溫 鵬

(①湖北文理學院機械工程學院，湖北襄陽441053；②襄陽市數字裝備制造及先進加工技術重點實驗室，湖北襄陽441053；③襄陽華中科技大學先進制造工程研究院技術中心，湖北襄陽441053)

隨著互聯網經濟的發展，制造業正在進行著“第四次工業革命”，云計算和大數據處理是智能制造的重要標志，其可有效利用制造過程中產生的海量數據，推動制造工藝水平和自動化水平的提升。工業大數據的高效采集是業界熱點問題，直接關系到后續研究工作的順利開展。

數控機床是工業生產中的重要裝備，其大量應用于制造過程中，推動著現代工業的發展。作為綜合性機電一體化設備，采集系統相當于數控機床的感官，可顯著提升數控機床的性能和功能，對于制造效能的提升有著推動作用。同時隨著MES系統的建設推廣應用，數控機床智能化采集已成為數字化車間建設的重要環節，采集系統性能影響著制造企業整體自動化水平的高低。數控機床運行過程中大量存在著反饋控制環節，通常需要對過程中的溫度、振動、壓力和位移等信號進行采集，多類型信號采集質量影響著數控機床性能。

國內外關于數控機床的信息采集進行了大量的研究。文獻[1]提出了一種用于數控加工監控系統的多傳感器融合框架，有效提升了傳感器的適應度。文獻[2]介紹了數控機床磨損采集信息的高效處理方法，并基于動態貝葉斯網絡開展了磨損狀態的診斷與預測。文獻[3]基于CPS系統，研制了具有三層體系的數控機床智能監控系統，其具有感知、分析、決策、控制、反饋等環節。文獻[4]開發了基于無線通信和OPC技術的監控與管理系統，可遠程獲取數控機床加工工藝參數和狀態信息，實現了機床的遠程監控。文獻[5]研制了一種面向數控機床的多通道傳感數據采集卡，其可實現八路模擬信號與六路數字信號同步鎖定，達到傳感數據同步上傳。文獻[6]研究了基于MTConnect進行數控機床聯網的方法，搭建了一個符合MTConnect框架的數控雕刻機監控系統，驗證了方法的有效性。文獻[7]基于RFID與ZigBee技術，開發了制造車間現場數據采集系統，實現了產品加工過程全生命周期的數據采集。文獻[8]針對異構數控機床數據采集問題，提出了機床聯網解決方案，并構建了采集系統的軟硬件設計方法，實現了車間生產線機床狀態信息的實時讀取。文獻[9]開展了多參數指標下的刀具磨損狀態在線監測研究，其通過采集加速度信號的時域和頻域分析，有效判斷加工過程中刀具的實時磨損狀況。文獻[10]討論了串口采集數控信息的方法，通過自定義M代碼完成信息采集，并開發系統驗證方法的有效性。文獻[11]研究了開放式網絡環境中的數控設備集成方法，構建了分層次、可擴展的機床信息模型，設計了制造車間管理系統，實現了加工過程機床信息可視化。

針對數控機床多源信息的采集問題，本文提出了一種支持Modbus協議的分層架構，其可快捷擴展溫度、壓力、振動等電流、電壓形式的信號采集，以及外部多路的輸出控制。同時，開展了信息采集系統的硬件電路設計和軟件功能模塊設計，將其應用于短電弧機床的實際運行中，取得了良好的效果。

1 采集系統整體結構設計

1.1 系統功能分析

數控系統是數控機床的控制核心，為實現高精度加工以及其他自動化控制，需借助傳感器采集多種外部環境信息，同時需要輸出信號控制外部繼電器、電磁閥、電動機等部件。由此，采集系統不僅可處理開關量輸入輸出信號，同時能處理電流、電壓模擬量輸入輸出信號。

隨著工業互聯網的發展，數字化車間越來越多采用工業以太網作為網絡平臺，其具有傳輸速度快、擴展性強、抗干擾能力強、集成度高等特點，正逐步取代串口通訊。同時，作為開放協議中的典型代表Modbus協議，其可直接部署在以太網裝置中，具有應用成本低、擴展性特點，大量應用于工業控制領域。為此，采集系統需具備Modbus功能，支持Modbus TCP及Modbus RTP兩種協議。

1.2 系統整體架構

采集系統主要包括主模塊、調解電路、溫度采集模塊等三部分，如圖1所示。其中多個主模塊與數控系統之間通過網線連接，采用Modbus TCP協議通信；主模塊與多個溫度采集模塊之間通過485總線連接，采用Modbus RTP協議通信；調解電路主要是實現輸入、輸出信號的濾波、放大等功能。

采集系統主模塊與數控系統均有IP地址，其可通過網線直連實現單主模塊與數控系統的通訊，也可通過交換機實現多主模塊與數控系統的通訊，連接示意圖如圖2所示。

2 采集系統軟硬件部分設計

2.1 硬件電路設計

采集系統主模塊采用STM32F103ZE作為控制芯片，其為基于最新Contex-M3內核的32位高速ARM微處理器，具有功率小、工作頻率高等特點，滿足數控系統采集用。其硬件電路框架圖如圖3所示。

主模塊包括STM32最小系統、電源模塊、開關量輸入輸出模塊、電流模擬量輸入模塊、電流模擬量輸出模塊、電壓模擬量輸入模塊、電壓模擬量輸出模塊、網口模塊、串口電路模塊等，具體電路設計如下:

(1)借助RCV420芯片將電流信號轉化為電壓信號，然后通過信號濾波和運放后，再進行AD轉換，模擬信號轉化為數字量信號。電路圖如圖4所示。

(2)通過DAC8563芯片完成電壓信號的數模轉換，然后經過放大電路、濾波電路，輸出電壓信號。另外，電壓信號通過XTR111芯片轉為電流信號。電路圖如圖5所示。

(3)串口電路中利用高速光耦合器TLP105實現光耦隔離，并通過串口RS485總線級聯多個同系列串口I/O聯網設備。電路圖如圖6所示。

采集系統主模塊實物圖如圖7所示。

采集系統主模塊性能參數見表1。

表1 采集系統主模塊性能參數

2.2 軟件功能設計

采集主模塊采用標準Modbus TCP通訊協議與數控系統進行數據交互。首先定義各項基本參數包括波特率、主循環的使能變量、工作模式等等；然后進行Modbus寄存器初始值、開關量初始值、看門狗等的初始化；接著進行IP地址設定，若IP地址自動獲取，通過DHCP服務器分配IP地址；若不為自動獲批，直接設置靜態IP地址；再完成Modbus通訊協議的初始化，進行與數控系統通訊，同時開展模擬量信號采集和輸出控制，自動判斷信號種類，調用相應外圍電路處理。數據通信過程流程圖如下圖8所示。

在主模塊主程序中，首先定義主循環的使能變量為White_Poll，串口波特率UlBaudRate為9600，工作模式為work_mode，完成各項參數的基本設定；接著初始化MODBUS寄存器初始值，初始化延時函數，并調用SPI相關函數reg_wizchip_cbfunc進行注冊。

其部分偽代碼如下:

GetLockCode()//獲取加密序列

Modbus_Reg_Control()//初始化Modbus寄存器

Delay_inti()//初始化延時函數

TIM4_Int_inti(9，7199)//提供時鐘 1ms

Digital_In_init()//開關量輸入初始化

ADS8341_Init()//w5500初始化及函數注冊

Reg_wizchip_cbfunc()//調用SPI相關函數注冊

Network_init()//網絡初始化

EXTI_DOG_Init()//外部看門狗初始化，溢出時間為1.6s

Modbus_tcps(502，usRegHoldingBuf_temp[106])//端口 502 的 TCP服務器

Modbus_Reg_Save()//Modbus寄存器保存

3 采集系統測試與驗證

3.1 信息采集及控制單元

基于LabView開發了上位機測試系統，其通過網線直接與采集系統連接，其電流與電壓信號采集實例如圖9所示。

基于華中8型數控系，開展了短電弧數控機床運行過程中水、氣的壓力和流量，以及溫度的采集和控制。在測試分析前，華中數控內核移植了 TCP MODBUS協議，設置數控系統IP地址及端口號，其可實現采集模塊各通道數值讀取，完成預定動作。

4 結語

針對數控系統的多源信息采集，提出了包括主模塊、溫度采集模塊、調解電路的采集系統架構，其具有良好擴展性和可靠性；接著進行了主模塊硬件電路、軟件功能設計，實現了數控系統與主模塊之間的Modbus tcp協議連接，以及主模塊與溫度采集模塊之間的Modbus tcp協議；最后進行了采集系統的性能測試與功能驗證，測試結果表明:該采集系統可完成多路模擬信號的輸入、輸出，與數控系統之間的通信交互穩定可靠，滿足了機床的外部信息采集要求，適用于智慧車間的機床大數據采集。

.知識窗.

自動潤滑軸承(self-lubricating bearing)一種粉末金屬的滑動軸承，具有包含潤滑劑的多孔結構，在軸承與軸的表面進行相對運動的期間，潤滑劑能逐漸釋放出來，對軸進行潤滑。