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基於多傳感器的高速ＣＮＣ機床集成監控（kòng）係統設（shè）計

2018-1-22 來源：旅遊職業學院信息工程鄭州（zhōu）旅遊職業學院（yuàn）作者：王珂陳婉（wǎn）

摘要：複雜（zá）工況對於高速ＣＮＣ機床加工的精度以及其安全都有很大（dà）的影響，因此要設（shè）定檢（jiǎn）測參（cān）數（shù）閥值，通過檢測數據預期對（duì）比來判斷加工工（gōng）況是否安全。設計（jì）了基於多傳感器技（jì）術的高速ＣＮＣ機床集成（chéng）監控係統，對該係統的工藝進（jìn）行了設計，同時還設計了係統硬件以及開發了ＰＬＣ軟件程序，另外對傳感器選（xuǎn）型進行了說明，並且完（wán）成多傳感器與８４０Ｄ／８２８Ｄ數控係統的無縫銜（xián）接（jiē）。最後通過實際試驗證明了該監控係統提（tí）高了高速ＣＮＣ機床在複（fù）雜工況下工作的安全性以及生產（chǎn）過（guò）程的可控性，同時使（shǐ）得生產產品質量以及其效率得到了保障。

關鍵詞：高速（sù）車削；工況預測（cè）；集成監控；多傳感器

可靠（kào）的工況狀態是高速（sù）ＣＮＣ機床的生（shēng）產效率、加工產品（pǐn）質量以（yǐ）及設備安全性的重要保障（zhàng）。因為高速ＣＮＣ機床加工的過程具有柔性化及動態化（huà）等特（tè）點，所以加工過程及（jí）其運行狀態的監控均包含有明顯的複雜性［１－３］。盡管我國當前（qián）自主研製的機床的定位及反複定位精度已經很高，但是由（yóu）於加工的過程很複雜，同時伴隨有振動（dòng）、刀具損耗和熱力耦（ǒu）合變形（xíng）等要素影（yǐng）響，從而致使生產精度及穩定性等特性降低，所（suǒ）以生產過程的穩（wěn）定性及（jí）可靠性、產品質量及生產效率等方麵和先進國家還（hái）有很（hěn）大的（de）距離［４－５］。實際生產過程中，由於工藝參（cān）數的合理選擇（zé）、切削振動（dòng）、刀具（jù）磨損、受熱變形（xíng）等（děng）諸多影響因素致使加工成品與理論模（mó）型之間存在誤差，設備性能的發揮和（hé）壽命的保障、加（jiā）工效率和成本等都是需要考慮（lǜ）的因素，這些（xiē）都離（lí）不開加（jiā）工過程監測（cè）技術（shù）。對（duì）加工裝備和加工過程的監控（kòng）可以有效保證（zhèng）產品的（de）最終加工精度及全麵掌握機床運行過程中各單元的運行狀（zhuàng）況，提高機床工作性能，消除廢品的產生、降低成本。監控技術可以提高加工過程的可靠性和可控性，要提高加工穩定（dìng）性和可靠性、加工質量和加工效率，不但要加強機床設計和工藝（yì）的基礎研究，還要善於運用現代化（huà）的計算機技術和信息化技（jì）術和監控手段，增強加工（gōng）裝備和加工過程的感知和控製功能。

機床和加工過程的監控技術（shù）是獲取信（xìn）息、發現問題和解決問題的途徑，是實現數字製造、智能製造的前（qián）提和基礎，是進行高（gāo）效、高質（zhì）、安全、可靠加（jiā）工的（de）有利（lì）保障，隻有對機床（chuáng）、刀具和加工過程進行監測，才能獲知設備和過程狀態信（xìn）息（xī），從而據此進行智能優化控製，所以說先進的監控（kòng）技術是實現智能製（zhì）造和（hé）使機床（chuáng）變聰（cōng）明的基礎和唯一可（kě）行的途徑。因此本文設計了基於多傳感器技術的高速ＣＮＣ機床集成監（jiān）控（kòng）係統，對複雜工況進（jìn）行實時監控，對加工（gōng）質量進行全程的控製和評測。

１　、集成監控係統工藝設計

高速ＣＮＣ機床複雜工況下集成監控係統工藝流程（chéng）見圖１，在加（jiā）工開（kāi）始之前，利（lì）用虛擬測試過程實現每一項代表性（xìng）工況的檢測工作並將其特性保存（cún）至數據（jù）庫，同時作為（wéi）工況的辨別以（yǐ）及其參數優化的參考依據。

多傳（chuán）感器的監控將涉及全部生產過程，針對如碰撞、刀具破損、崩刃、超載及顫振等突發性事故完成實時檢測甄別，然後（hòu）動態檢測刀具的損耗程度以（yǐ）及切削的振動狀態，當檢測到刀（dāo）具損耗時開啟機器（qì）視覺過程（chéng）以此來確定其損耗程度，在線檢過程完成主要節點以及加工結束的檢測，以此（cǐ）來確保生產質量。

該集成監控係統利用數控係統實現對複（fù）雜工況的控製，將測頭及（jí）ＣＣＤ看成刀具安設在對應的位置，利用數控程序及機床（chuáng）自身的（de）工作（zuò）實現其檢測，因此該集成（chéng）監控係統不僅僅含有對硬件（jiàn）的集成而且還有對軟件的集成。

２　、監控係統設計

將檢測到（dào）的主軸電機功率信號及切削振動信實時傳輸到８４０Ｄ／８２８Ｄ數控係統及上位機（jī），並且通過８４０Ｄ／８２８ＤＨＭＩ　Ｒ變量模式可以對保（bǎo）存在２００～２０３範（fàn）圍內的檢測數據（jù）進行實時查看，同時利用數控係統實時處理檢測數據並實行對應的控製步驟，然後利用上位機監控界麵實現對檢測數據的實時顯示。

圖１　集成監控係統工藝設計

２．１　傳感器選型

傳感器的（de）選型包括加速度傳感（gǎn）器（qì）和功率傳感器，如表１所示。

２．２　硬件設計

利用嵌入式監控係統實現各硬件接口即加速度、電機電流及溫度（dù）等信號接口的數據（jù）采集以及傳送［６］，監控係統結構（gòu）原理見圖２。

表１　傳感器參數（shù）及安裝位置

加速度傳感器的信號輸出運用４線製連（lián）接到前置專用信號采集模塊ＣＳ２ＡＣＳＦ／ＣＳ２ＡＣＰＷ將其轉變成以太網（wǎng）信號輸出再（zài）連接到嵌入式監控係統的以太網接口［７］，從而完成檢測數據采集，其采集（jí）的頻率是１０Ｈｚ；同理功率傳感器的信號輸出運用５線製連接到前置專用信號采集模塊ＣＳ２ＡＣＰＷ轉變成以太網信號輸（shū）出再連接到（dào）嵌入式監控係統以太網接口，從（cóng）而完成檢測數據采集，其采集的頻率是１０Ｈｚ。

２．３　監控係統軟件設計

依據非正常工況的急迫程（chéng）度來設定其（qí）優先等（děng）級（jí），該集成監控係統按照工況的優先等級從高到低的次序往複掃描，同時自動采用相應的應對方法。設定最高優先等級的工況是超載、超限等可能致使嚴峻（jun4）事故或者損傷（shāng）設備的狀（zhuàng）況，如果檢測到（dào）振（zhèn）動或者功（gōng）率超越（yuè）設定的最高（gāo）閥值，同時（shí）連續時間（jiān）超越設（shè）定最高時間，那麽係統將鳴起警笛（dí）並照亮警燈，與此同時係（xì）統對該報警（jǐng）進行記錄存檔。

依據（jù）每一（yī）道加工工序條件以及係（xì）統的規（guī）定範（fàn）圍設定各自（zì）的最高閥值及其連續時間（jiān）。設定（dìng）像發生刀具毀（huǐ）損或碰撞等緊急事件時的連續時間（jiān）通常小於等於１５ｍｓ，從而保證在沒有導（dǎo）致設備損傷之前啟動報警係統（tǒng）同時實施相應措施；設定像刀具磨損等非緊（jǐn）急事件時的連續時間適宜延長６０～９０ｍｓ。

圖２　監控係統結構原理圖

２．４　ＰＬＣ開（kāi）發程序設（shè）計

通（tōng）過ＰＬＣ自（zì）動（dòng）控製集成監控係統的運行（háng），其部分ＰＬＣ開發程序（xù）見圖３。

圖３　ＰＬＣ開發程序

２．５　與ＣＮＣ的無（wú）縫銜接設計

通過運用８４０Ｄ／８２８Ｄ擴展接口編輯（jí）集成監控ＨＭＩ窗口實現與ＣＮＣ的無縫集成。首先，設計自動及程序（xù）兩種（zhǒng）方式啟動集成監控係統界麵，其相應的配置文件是ＭＡ＿ＡＵＴＯ．ＣＯＭ及ＰＲＯＧ．ＣＯＭ，其存（cún）儲在ＰＣＵ５０的硬盤中且保存路徑是：＼ＤＨ＼ＣＵＳ．ＤＩＲ＼；其（qí）次創建界麵顯示文本：設定界麵文本保存文件名是ＡＬＵＣ＿ＸＸ，存儲路徑是：＼ＯＥＭ＼，文本代碼區間８５０００～８９８９９；第三，設計編程各界麵中的（de）水平及垂直方向各８個軟鍵，實現界麵的跳轉；第四，設計開發的集成監控（kòng）係統集成在ＨＭＩ界麵的ＨＥＢＵＴ軟（ruǎn）鍵中，點擊ＨＥＢＵＴ軟鍵進（jìn）入（rù）高速ＣＮＣ機床（chuáng）集成監控（kòng）係統界，采（cǎi）用ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線實現其間的通訊工作。通過軟硬件上的集成，完成了監控係統與ＣＮＣ的無縫銜接。

３　、試驗結果

ＨＴＣ２５５０ｈｓ高速數控車削中心，數控係統（tǒng）西門子８２８Ｄ係列，選取加工直徑是６００ｍｍ的４５鋼棒料，主軸的轉速、電機功率及最高扭矩（jǔ）分別是０～６０００轉、２０．５／１５ｋＷ及１６２Ｎ·ｍ，Ｘ軸及Ｚ軸的移動速度和進給電機（jī）功率分別是６０ｍ／ｍｉｎ和４．７１ｋＷ，Ｚ軸（zhóu）（主軸）、Ｘ軸的最高（gāo）進給抗力分別是１２９０Ｎ、１７２０Ｎ，人為設定六種不同的工況條（tiáo）件，其試驗結果見表（biǎo）２。對於預設（shè）的過載、碰撞、顫振、刀具嚴重磨損的異常工況識別和處（chù）理（lǐ），不同級別的警報響起，警燈點亮，並記錄下此時的最大值和持續時間。

多傳感（gǎn）器監測到刀具磨損（sǔn）時，會（huì）調用基於機器視覺（jiào）的刀具狀態診斷功能。由（yóu）於環境噪聲、毛胚或材料的（de）瑕疵可能造（zào）成的傳感器誤報，會導（dǎo）致錯誤的控（kòng）製決策，所以采（cǎi）用多傳感器實時監（jiān）控與ＣＣＤ分時監（jiān）控（kòng）手段，確保刀具工況（kuàng）及時準確的識別與控製。確認為磨損（sǔn）狀態（tài）後，以ＰＬＣ變量的方式反饋換刀信息和刀補值。

根（gēn）據試驗結果說明該集成（chéng）監控（kòng）係統能夠及時精確的鑒（jiàn）別高速ＣＮＣ機床的各種（zhǒng）複雜工況，並且根據工況界別結果（guǒ）做出對應的控製措施。

表２　六種工況及相（xiàng）應的識別結（jié）果與應對（duì）措施

４　、結　論

基（jī）於多（duō）傳感器的高速ＣＮＣ集成監控係統不僅提升了加工過程的可靠性及可控性，而且還提升（shēng）了其穩定性以及加工質（zhì）量與（yǔ）效（xiào）率。同時用戶可以很簡單、方便（biàn）、直觀的運（yùn）用該係統，在很大程度上提高了其對複雜（zá）工況的預測感知（zhī）能力以及監（jiān）控能力。

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