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基於多傳感器的高速ＣＮＣ機（jī）床（chuáng）集（jí）成監控係統設計

2018-1-22 來源（yuán）：旅遊職業學院信息工（gōng）程鄭州旅遊職業學院作者：王珂陳婉

摘要（yào）：複雜工況對於高速ＣＮＣ機（jī）床加工的精度（dù）以及其安全都有很大的（de）影響，因此要設定檢測參數閥值，通過（guò）檢測數據（jù）預期（qī）對比來判斷加工工況是否安全。設（shè）計了基於多傳感器技術的高速ＣＮＣ機床集成監控係統，對該（gāi）係統的工（gōng）藝進行了設計，同時還設計了係統硬件以及開發（fā）了ＰＬＣ軟件程序，另外對傳感器選型進行（háng）了說明，並（bìng）且完成多傳感器與（yǔ）８４０Ｄ／８２８Ｄ數控係統的無縫銜（xián）接。最後（hòu）通過實際試驗證明（míng）了該監控係統提高（gāo）了高速ＣＮＣ機床在複雜工況下工作的安（ān）全性以及生產過程的可控性，同（tóng）時（shí）使得生產（chǎn）產品質量（liàng）以（yǐ）及其效率得到了保障。

關鍵詞（cí）：高速車削；工況預測；集成（chéng）監控（kòng）；多傳感器

可靠的工況狀態是高速ＣＮＣ機（jī）床的生產效率、加工產品（pǐn）質（zhì）量以及設（shè）備（bèi）安全性（xìng）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等特點，所以（yǐ）加工過程及其運行（háng）狀態的監控均包含有明顯的複（fù）雜性［１－３］。盡管我國當前自主研（yán）製的機（jī）床的定位及反複定位精度（dù）已經很高，但是由於加工的過程（chéng）很複雜（zá），同時伴隨有振動、刀具損耗和熱力耦合變形等要素影響，從而致使（shǐ）生產精度及穩定性等特性降低，所（suǒ）以生產過程的穩（wěn）定性及可靠性、產品質（zhì）量及生產效（xiào）率等方麵和先進國家（jiā）還有（yǒu）很大（dà）的距（jù）離［４－５］。實際生（shēng）產過程中，由於工藝參數的合理選擇、切（qiē）削振動、刀具磨損、受熱變形等諸（zhū）多（duō）影（yǐng）響（xiǎng）因素致使加工（gōng）成品與理論模型之（zhī）間存在（zài）誤差，設（shè）備性能的發揮和壽命（mìng）的保障、加工效率和成本等都是需要考慮的因素，這些（xiē）都離不開加工過程監測技術。對加工裝備和加工過程的監控可（kě）以有效（xiào）保證產品的最（zuì）終加工精度及全（quán）麵掌（zhǎng）握機床運行（háng）過程中各單（dān）元的運行狀況，提高機床工作性能，消除廢（fèi）品的產生（shēng）、降低成本。監控技術可以提高加工過程的可靠性和可控（kòng）性，要提高加工穩定性（xìng）和可靠性、加工質量和（hé）加工效率，不但要加強機床設計和工藝的基（jī）礎研究，還要善（shàn）於運用現代（dài）化的計算機技術和信息化技術和監控手段，增強加工裝備和加工過程（chéng）的感（gǎn）知和控製功能。

機床和加工過程的監控技術是獲取信息、發現問題和解決問題的途徑，是實現數（shù）字製造、智能製造的前提和基礎，是進行（háng）高效、高（gāo）質、安全、可靠加工的有利保障，隻有對機床、刀具和加工過（guò）程進行監（jiān）測，才能獲（huò）知設備和過程狀態信息，從而據此進行（háng）智能優化控製，所以說先進的（de）監控技（jì）術是實現智（zhì）能製造和使機床變聰明（míng）的基礎和唯一（yī）可行的途徑。因此本文設計了（le）基於多傳感器技（jì）術的（de）高速ＣＮＣ機（jī）床集成監（jiān）控係統，對複（fù）雜工況進行實（shí）時監控，對加工質量進行全程的控製和評測。

１　、集成（chéng）監控係統工藝設計

高速ＣＮＣ機床複（fù）雜工況下集成（chéng）監控係統工藝流程見圖１，在（zài）加工開始之前，利用虛擬測試過程實現每一項代表性（xìng）工況的檢測（cè）工作並將其特性保存至數據（jù）庫，同時作為工況的（de）辨別以及其參數優（yōu）化的參考依據（jù）。

多傳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（zhèn）等（děng）突發性事故完（wán）成實時檢（jiǎn）測甄別（bié），然後動態檢測刀（dāo）具的損耗程度以及切削的振動狀態，當檢測到刀具損耗時（shí）開啟機器（qì）視覺（jiào）過程以此（cǐ）來確定其損耗程度，在線（xiàn）檢過程完成主要節點以及加工結束的檢測，以此來確（què）保生產質量。

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

２　、監控係統設計

將檢測到（dào）的主軸（zhóu）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（shàng）位機，並且通過８４０Ｄ／８２８ＤＨＭＩ　Ｒ變量模（mó）式可以對保存在２００～２０３範圍內（nèi）的檢測數據進行實時查看，同時利用數控係統實時處理檢測數據並實行（háng）對應的控（kòng）製步驟，然後利用上位機監（jiān）控界麵實現對檢測數據的實時顯示（shì）。

圖１　集成監控係統（tǒng）工藝設計

２．１　傳感器選型

傳感器的選型包括加速度傳感器和功率傳感器，如表１所示。

２．２　硬件設計

利用嵌入式（shì）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（hào）接口的數據采集以及傳送［６］，監（jiān）控係統結構原（yuán）理見圖２。

表１　傳感器參數及安裝位（wèi）置

加速度（dù）傳感器的信號（hào）輸出運用４線製連接到前置專用信號采集模塊ＣＳ２ＡＣＳＦ／ＣＳ２ＡＣＰＷ將（jiāng）其（qí）轉變成以太網信號（hào）輸（shū）出再連接到嵌入式監控（kòng）係統的以太網接口［７］，從而完成檢測數據采集，其采集的頻率是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（cǎi）集模塊（kuài）ＣＳ２ＡＣＰＷ轉變成以太網信號輸出再連接到嵌（qiàn）入式監（jiān）控係統（tǒng）以（yǐ）太（tài）網接口，從而（ér）完成檢測數據采集，其采集的頻率（lǜ）是１０Ｈｚ。

２．３　監控係統軟件設計

依據非正常（cháng）工況的（de）急（jí）迫程度來設定其（qí）優先等級，該集成監控係統按照工況的（de）優先等級從高到低的次序往複掃描，同時自動（dòng）采用相應的應對（duì）方法。設定最高優先等級的工況是超載（zǎi）、超限等可能致使嚴峻事故或者損傷設備的狀況，如果檢測到振動（dòng）或者功率（lǜ）超（chāo）越設定的最高閥值（zhí），同（tóng）時連續時間超越設定最高時間，那麽係（xì）統將鳴起警笛並照亮警燈，與此同時係統（tǒng）對該報警進行記錄存檔。

依據每一道加工工序條件以及（jí）係統的（de）規（guī）定範圍設定各自（zì）的最高閥值及其連續時間。設定像發生刀具毀損或碰撞等緊急事件時的連續時間通常小於等於１５ｍｓ，從而（ér）保（bǎo）證（zhèng）在沒有導致設備損傷之前啟動報警係統同（tóng）時實施相應措施；設定（dìng）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（jiān）控係統結構原理圖（tú）

２．４　ＰＬＣ開發程序設計

通過ＰＬＣ自動控製集成監（jiān）控係統的運行，其部分ＰＬＣ開發程序見（jiàn）圖３。

圖３　ＰＬＣ開發程序

２．５　與（yǔ）ＣＮＣ的無縫銜接（jiē）設計

通過運（yùn）用８４０Ｄ／８２８Ｄ擴展接（jiē）口編輯集成監控ＨＭＩ窗口實現與ＣＮＣ的無縫集成。首先，設計自動及程序兩（liǎng）種方式（shì）啟動集成監控係統界麵，其相應的配（pèi）置文件是ＭＡ＿ＡＵＴＯ．ＣＯＭ及ＰＲＯＧ．ＣＯＭ，其存儲在ＰＣＵ５０的硬盤中且（qiě）保存路徑是：＼ＤＨ＼ＣＵＳ．ＤＩＲ＼；其次創（chuàng）建界（jiè）麵顯示（shì）文本（běn）：設定界麵文本保存文（wén）件名是ＡＬＵＣ＿ＸＸ，存（cún）儲路徑是：＼ＯＥＭ＼，文本代碼區間８５０００～８９８９９；第三，設計編程（chéng）各界麵中的水平（píng）及垂直（zhí）方向各８個軟鍵，實現界麵（miàn）的跳轉；第（dì）四，設計開發的集成監（jiān）控係統（tǒng）集成在ＨＭＩ界麵的ＨＥＢＵＴ軟鍵中，點擊ＨＥＢＵＴ軟鍵進入高速（sù）ＣＮＣ機床（chuáng）集成（chéng）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（yìng）件上的集成，完成了監控係統與ＣＮＣ的無（wú）縫銜接。

３　、試驗結果

ＨＴＣ２５５０ｈｓ高速數（shù）控車削中（zhōng）心，數控係統西門（mén）子８２８Ｄ係列，選取加工直徑是６００ｍｍ的４５鋼棒料（liào），主軸的轉速、電機功率及最高（gāo）扭矩分別是０～６０００轉（zhuǎn）、２０．５／１５ｋＷ及１６２Ｎ·ｍ，Ｘ軸及Ｚ軸的（de）移動速度和進給電機功率分別是６０ｍ／ｍｉｎ和４．７１ｋＷ，Ｚ軸（主軸）、Ｘ軸的最高進給抗力分別（bié）是１２９０Ｎ、１７２０Ｎ，人（rén）為（wéi）設定（dìng）六種不同的工況條件，其試驗結果見表（biǎo）２。對於預設（shè）的過載（zǎi）、碰撞、顫振、刀具嚴重磨損的異常工況識別和處理，不同級別的警報響起，警燈點亮，並記錄下（xià）此時的最大值和持續時間。

多（duō）傳感器監測到刀具磨損（sǔn）時，會調用基於（yú）機器視覺的刀具狀態診斷功能。由於環境噪聲、毛胚或材料的瑕疵可能造成的傳感器誤報，會導致錯誤（wù）的控製決策，所以采用（yòng）多傳感器實（shí）時監控（kòng）與ＣＣＤ分時監控手段，確保刀具工況及時準確的識別與控製。確認為磨損狀（zhuàng）態後，以ＰＬＣ變量（liàng）的方式反饋換刀信息和（hé）刀補值。

根據試驗結果說明該集成監控係統（tǒng）能夠及時精（jīng）確的鑒別高速ＣＮＣ機床的各種複雜工況，並（bìng）且（qiě）根（gēn）據工況界別結果做出對應的控製措（cuò）施。

表２　六種工況及相應的識別結果與應對（duì）措施（shī）

４　、結　論

基於多（duō）傳感器的高速ＣＮＣ集成監控係統（tǒng）不僅提升了加工過程的可靠性及可控性，而且還提（tí）升了其穩定性以（yǐ）及加工質量（liàng）與效率。同時用戶（hù）可以很簡單、方便、直觀的運（yùn）用該係統，在很大程度上提高了其對複雜工況的預測感知能力以及監（jiān）控能力。

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