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零（líng）件加工過程機床運行數據在線監測方法研（yán）究

2020-6-23 來源：西京學院機（jī）電技術係作者：趙慧娟

摘要: 工件加工過程機床的位置信息（xī）是研（yán）究切（qiē）削參數與工件加工品（pǐn）質映射關係的重要數據之一。以Sinumerik 802D數控係統為例，研究（jiū）了（le）零件加工過程（chéng）機（jī）床運行數據( 機床各軸實（shí）時位置（zhì）、主軸轉速以及（jí）進（jìn）給速度（dù）) 的在線采集方法，首先設計了數據采集整體方案，然後設計了信號（hào）轉換模塊與在線監測係（xì）統，詳細描述了數據獲取流程，實現了零件加工過程機床運行數據的在（zài）線實時獲取。

關鍵（jiàn）詞: 數控係統; 在線監測; 信號轉換; 數（shù）據采集

傳統的機械加工（gōng）技術通常根據工人的經驗或機床操作使用手冊選擇（zé）加（jiā）工參數，整個加工過程采取開環控製，往往隻關心加工結果，不（bú）關心加工過程，致使加工設備的潛能不能很好的（de）利用，由此導致加工效（xiào）率較低，加工成本較高。數字化加工技術的推進，使得（dé）工件的加工（gōng）精度和加工效（xiào）率不斷提（tí）高。

隨著智能加工的提出和發展，工件的（de）加工過程不斷的受到人們的（de）重視，很多的優化算（suàn）法逐漸的運用到加工過程中，然而，絕大多數（shù）的優化算法都是（shì）在加（jiā）工之前（qián）通過理論建模或者計算機仿真進行，忽視了加（jiā）工過程（chéng）的時變性。實際的加（jiā）工（gōng）過程通常具有複（fù）雜多變的特性，僅（jǐn）僅通過（guò）加工前的優化無法得到最優結果。

智（zhì）能加（jiā）工技術要求工件的（de）加工（gōng）逐步實現全過（guò）程的在線監測與調控，對整個加工過程進行閉環控製［1－2］。近年來（lái）很多學者都致力於數控機床通訊方麵的研究。王誌成3］等人設計一種現場總線可靠通信機製，建立數控係統通信可靠性評價的指標，並通過（guò）概率統（tǒng）計方法（fǎ），對該機（jī）製的可靠性（xìng）進行數學分析。楊斌［4］等人設計（jì）了一個能夠遠程檢（jiǎn）測（cè）數控機床的運行狀態在線檢測（cè）係統。塗（tú）芬芬［5］等人（rén）為了實現通過個人電腦控（kòng）製（zhì）機床運行，開發了一套可用於多軸數控（kòng）機床運動（dòng）控製的主－從式控製係統。周勝凱［6］等人（rén）設計了一種開放式數控係統。為了實現數控係統參數（shù）在個人電腦端的可視化，吳慧傑［7］等人提出一種（zhǒng）數控係統人機界麵二（èr）次開發設計方法，能（néng）夠根據用戶的（de）需求進行定（dìng）製設計。蔣明柯［8］等（děng）人為了在 AＲM 與（yǔ） DSP 之間進行通訊（xùn），設計了一種專用的（de）串行通訊協議。提高了數據傳（chuán）輸的效率與可靠性。

這些方法的研（yán）究和應用都是研究（jiū）機床數（shù）據的（de）備份和故障的（de）診斷，減少了機床故障和維修時間。在線監測是實現智能加工的前提，然而所（suǒ）謂在線（xiàn）監測（cè）就是采（cǎi）用相關的手段采集工件加工過程的機床運

行數據( 如機床位置、主軸（zhóu）轉速以及進給速度) 和（hé）切削物理數據（jù）( 如切削力（lì）、切削熱、加工振動等) 等真實數據（jù）。

綜合分析（xī）加工（gōng）結果與在線監測（cè）數據，可以得到導致非正（zhèng）常加工（gōng）結果（guǒ）的真實原（yuán）因，並對加工過程優化，對獲得高品質工件具有重要的意義。萬海波［9］等人通過對振動信號進行傅裏（lǐ）葉變換（huàn）和頻譜分析（xī），開發了一套機（jī）床主軸振（zhèn）動在線檢測係統。王明微［10］等人研究了貝葉（yè）斯網絡（luò）學習方法，提出一種在線檢測零件加工表麵粗糙度的方法。劉（liú）雄［11］等人為（wéi）了對加工過程進行控製和（hé）補償，針對開放（fàng）式數控係統研究了加工數據實時采集方法。張高尉［12］在西門子 840D 數控係統機床上（shàng），開發（fā）了數控機床狀態檢測係統。然而，現有的方法不能夠在加工過程實時的監測機（jī）床的（de）位置信息，使得工件加工過程無法與工（gōng）件具體的位置對應。

本文以西（xī）門子 Sinumerik 802D 數控係統為研究實例，研究了機床運行數據在線（xiàn）監測方法，開發（fā）了與（yǔ）之配套的在線監測係統，實現機床運行數據的在線實時獲取，並進行存儲。

1 、數控機床在線監測係統總體設計

數控（kòng）係統作為數控（kòng）機床的控（kòng）製中樞，通過解析數控代碼直接控製伺服係統，伺（sì）服（fú）電動機按（àn）照數控程序（xù）的意圖驅動機（jī）床各（gè）運動軸運（yùn）行，實現工件的加工。伺服係統自身構成閉環回路實現精確控（kòng）製，其次，數控機（jī）床的每一個運動軸都通過編碼（mǎ）器（qì）或光柵尺與機床（chuáng）數控係統構成大閉環。數控（kòng）係統通過對編碼信號解析，得到機床運行的位置（zhì）、度以及加速度信息並存儲於寄存器中。然而，目前絕大多數的數控係統沒有給用戶提供寄存器數據讀取接口，需要用戶自己開發。

為了讀取數控係統寄存器中實時參數，本文設計（jì）了（le）如圖 1所示的總體方案。根（gēn）據通訊協議，工控機（jī）端（duān）的數（shù）據在線監測係統與信號轉換模塊進行通訊，信號轉換模塊與機床數（shù）控係統進行通訊（xùn），最（zuì）終實現機床運行數據的在線采集（jí）、顯示與存儲。

1.1監測係統

在線監（jiān）測係統安（ān）裝（zhuāng）並運行於工控機上，負責整個加工過程（chéng）的監測、顯示（shì）與存儲，其中工控機的通訊接口為ＲS232 串行（háng）通訊模塊。首先，根據采集（jí）變量定（dìng）義指令（lìng）代碼，具體如表 1 所示。

表 1 參（cān）數獲取指令代碼表（biǎo）

進（jìn）行數據采集（jí）時，在線監測係統根據（jù）參數指令（lìng）代碼表通過（guò）工控機的通信模（mó）塊向信號轉換模塊發（fā）送參（cān）數采集指令; 當在線監測係統接收到工控機通訊模塊發回的數據之後（hòu），對數據進行解（jiě）析和顯示，同時（shí）將采集數據存放於寄（jì）存器中，當數據采集（jí）結束後，對數據進行保存。

1. 2 信號轉換（huàn）模塊

由於工控機的常備通信信號（hào）與 802D 數控係統的通信接口不匹配（pèi），工業控製計算機常備通信接口為ＲS232 串行通信接（jiē）口，而數控係統的通信接（jiē）口則是24V 的 IO 並行接口，因此，設計信號轉換模塊，將工控機（jī）與數（shù）控係統之（zhī）間的（de）數據指令格式進行轉換，使之成為能（néng）夠被相互識別（bié）的有效信號，從而實現工控機與數控係（xì）統之間的相互通信。

信號轉換（huàn）模塊主要包括電壓調節、信號分離、信號轉換三個模塊以及ＲS232 和 ISP 兩個接口。其中電壓調節（jiē）模塊由數控係統供電，起降（jiàng）壓和穩壓的作用; 信號（hào）分離模塊是采用光（guāng）電耦合器對工況機和數控係統的信號進行隔離，避免兩個係統之間信號相（xiàng）互幹擾; 信號轉換模（mó）塊主要包括（kuò）一個 AVＲ微（wēi）控製器和外圍電路，主要負責數據的運算和傳輸。ＲS232串口電路與工控機ＲS232 連接（jiē），

ISP 接（jiē）口與數控係（xì）統I －O 接口連接。

信號（hào）轉換模塊原理圖與（yǔ）實物圖如圖2 中 a 和 b 所示。

查詢 802D 數控係統調試手冊可（kě）得本文所采集變量在數控係統中的寄（jì）存地址如表 2 所示。

表 2 變量地址表

信號轉換模塊的微控（kòng）製器收到在線監測係統發送（sòng）的參數獲取指令後，根據數控係統中的變量地址讀取寄存器中的變量（liàng）值。從數控（kòng）係統讀取的數據經過信號分離模塊口進入信號轉換模塊，經數據格式轉換後經ＲS232 接口發送到工控機端的在線監測係（xì）統。

1. 3 數據獲（huò）取流程

本文所提出的在線監測係統數據實時采集流程如圖 3 所示，具體可（kě）分為 7 個步驟:

( 1) 發送指令。在數據采集之前，由操作者在在線（xiàn）監測係統中設定采樣頻率和采樣（yàng）精度，並點擊開始。在線監測係統發送數據采集請求指令，指令通過ＲS232 通訊口傳（chuán）送到信號轉換模塊。

( 2) 信號轉換。信號轉（zhuǎn）換模塊接收到在線監測係統通信模塊發送的數據請求指令後，將其轉換為數控係統可以識別的並（bìng）行（háng）數字信號，並將其繼續傳送到數控係統中。

( 3) 指令解析。數控係統接收到（dào）信號轉換模塊發送來的（de）指令（lìng）後（hòu），通過指（zhǐ）令表，解（jiě）析（xī）指令的含義，確定需要讀取的參（cān）數。

( 4) 讀取參（cān）數（shù）。根據變量（liàng）地址表（biǎo），在數控係統寄存器中（zhōng）讀取相應的數據。

( 5) 數據反饋。將讀取到的（de）數據（jù）發送給信號轉換模塊。

( 6) 信號（hào）轉換。信號轉（zhuǎn）換模塊接收到數控（kòng）係統的數據後，將其轉（zhuǎn）換為工控機可以接收（shōu）識（shí）別的串行數（shù）字信號，並將其繼續傳送到工（gōng）控機的通信模塊中。

( 7) 接（jiē）收數據。在線監測係統通過其通信模塊獲取得到加工過程中當前的工藝（yì）參數，並進行（háng）顯示與存儲（chǔ）。

2 、在線監測係統界麵設（shè）計

為了（le）更加直觀地觀察加工過（guò）程的數據，本文設計了機床數據在線監測係統人機界麵。為了方便管理在線監（jiān）測係統的使用，設計（jì）了在線監測（cè）係統登錄窗口，用戶通過用戶名和登錄密碼登錄係統，不同的操（cāo）作人員分配不同的用戶名和登（dēng）錄密碼，機床登錄界（jiè）麵信息如圖 4 所示。

用（yòng）戶在再（zài）圖 4 所（suǒ）示的機床信息登錄界麵中輸入用戶名和登錄密碼即可進入如圖 5 所示的在線（xiàn）監測係統界麵。進入在線監測係統後，首先根據需要設置采樣頻率和采樣精度（dù），然（rán）後點擊開（kāi）始，在線監測係統便開始以固定的采樣頻率從數控係統采集機床運（yùn）行數據。數據（jù）采集結束後，點擊保存按鈕，係統將彈出數據保存窗口，根據需要選（xuǎn）擇（zé）數據（jù）格（gé）式( . xls 或 . txt) 與數據存儲位置，實現數據的存儲。

采集數據可用於後續（xù）分析使（shǐ）用（yòng）。

3 、結語

本文以配有西門子 Sinumerik 802D 數控係統的數控（kòng）機床為例，研究了數控機床運（yùn）行數（shù）據在（zài）線獲（huò）取方法。為了數據的傳輸，設（shè）計了信（xìn）號轉換模塊（kuài）和人機（jī）界麵，實現了數控機床數據的在線實時讀（dú）取和存儲。采用（yòng）本文提出的工件加工過程在線監測係統能夠在線實時監測工（gōng）件加工時機床的運行數據，所采集的數據為工件的真實加工數據，為研究優化工件加工工藝參數與工件加工品質映射關係，現智（zhì）能加工技術提供了技術基礎。

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