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基於多傳感器的高速ＣＮＣ機床（chuáng）集成（chéng）監控係統設（shè）計

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

摘要：複雜工況對於高速（sù）ＣＮＣ機（jī）床加工的精（jīng）度（dù）以及其安全都有很大的（de）影響，因此要設（shè）定檢測參數閥值，通過檢測數據預期對比（bǐ）來判斷加工工況是否安全。設計了基於多傳感器技術的高速ＣＮＣ機床集成監控係統，對該係統的工藝進行了設計，同時（shí）還設計了係統硬（yìng）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，並且完成多傳感器與８４０Ｄ／８２８Ｄ數控（kòng）係統的（de）無縫銜（xián）接。最後通過實際（jì）試驗證明了該監控係統提高了高速ＣＮＣ機床在複雜工（gōng）況下工作的（de）安全性以及生產過程的可控性，同時（shí）使得生產產品質量以及其效率得（dé）到了保障。

關鍵詞（cí）：高速車削（xuē）；工況預測；集成監控；多傳感器

可靠的工況狀態是高速ＣＮＣ機床的生產效（xiào）率（lǜ）、加工產品質量以及設備安（ān）全性的重要保障（zhàng）。因為高速ＣＮＣ機床加工的（de）過程具（jù）有柔性化及動態（tài）化（huà）等特點，所以（yǐ）加工過（guò）程及其運行狀態（tài）的監控均包含有明顯的複雜性［１－３］。盡管我國（guó）當前自主研製的機床的定位及反複定位精度已經很高，但是由於加（jiā）工的（de）過程很（hěn）複雜，同時伴（bàn）隨有振（zhèn）動、刀（dāo）具損耗和（hé）熱力耦合變形等要素影（yǐng）響（xiǎng），從而致使生產精度及穩定性等特性降低，所以生產過程的穩定性及可靠性、產（chǎn）品質量及生產效率等方麵和（hé）先進國家還有很大的（de）距離（lí）［４－５］。實際生（shēng）產過程中，由於工藝參數的合理選擇、切削振動、刀具磨損、受熱變（biàn）形等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（xìng）能的發（fā）揮和壽命的保障、加工效率和成本等都是需要考慮的因素，這些都離不開加工過程監測技術。對加工裝備（bèi）和加工過程的監控可以有效保證產品的最終加工精度及全麵掌（zhǎng）握機床運行過（guò）程中各單元的運行狀（zhuàng）況，提高機床工作性能（néng），消除廢品的產生、降低成本。監（jiān）控（kòng）技術可（kě）以提高加工過程（chéng）的可靠性和可控性，要提高加工穩定性（xìng）和可（kě）靠性、加工（gōng）質量和加工（gōng）效率，不但要（yào）加強機床設計和工（gōng）藝（yì）的基礎研（yán）究，還要善於運用現代化的計算（suàn）機技術和信息化（huà）技術和監控手段，增強加工裝備和加工過程的感（gǎn）知和控製功能（néng）。

機床和加工（gōng）過程的監控技（jì）術是獲取信息、發現問題和解決問題的途徑，是實（shí）現數（shù）字製造、智能（néng）製造的前提和基礎，是進行高效、高質、安全、可靠加（jiā）工的有利保障，隻有對機床、刀具和加工過（guò）程進行監測，才能獲知設備和過程（chéng）狀（zhuàng）態信息，從而據（jù）此（cǐ）進行智能優化（huà）控製，所以說先進的監控技術是實現智能製造和使機床變聰（cōng）明的基礎和（hé）唯一可行的途徑。因此本文設計了基於多（duō）傳感（gǎn）器技術的高速ＣＮＣ機床（chuáng）集成監控係統，對複（fù）雜工況進行（háng）實時（shí）監（jiān）控，對加工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見圖１，在加工開始（shǐ）之前，利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至數據庫，同時作為工況的辨別以及其參數優化的參考依據。

多傳感（gǎn）器的監控將涉及全部生產過程，針對如碰撞、刀具破損、崩刃（rèn）、超載及顫振等突發性事故完成實時檢測甄別，然後動態檢測（cè）刀具（jù）的損耗程（chéng）度以及切削的振動狀態，當檢測到刀具損耗時開啟機器視（shì）覺（jiào）過（guò）程以此（cǐ）來確定其損耗程度，在線檢過程（chéng）完成主（zhǔ）要節（jiē）點以及加工結束的檢測，以此來確保生（shēng）產質量。

該集成監控係統利用數控係統實現對複雜工況（kuàng）的控製，將測（cè）頭及ＣＣＤ看成刀具安設在對應的位置，利用數控程序及機床自身的工作實現其檢測，因（yīn）此該集成監控係統（tǒng）不僅僅（jǐn）含有對硬件的集成而且還有對（duì）軟件的集成。

２　、監控係統設計

將（jiāng）檢測到的主軸（zhóu）電機（jī）功率信號及切削振（zhèn）動信實時傳輸到８４０Ｄ／８２８Ｄ數（shù）控係統及上位機，並（bìng）且（qiě）通過８４０Ｄ／８２８ＤＨＭＩ　Ｒ變（biàn）量模式可以對保存（cún）在２００～２０３範圍內的檢測數據進行實時查看，同時利用數控係統實時處理（lǐ）檢測數據並實行對應的（de）控（kòng）製（zhì）步驟，然後利用上位（wèi）機監控（kòng）界麵實現對檢測數據的實時顯（xiǎn）示。

圖１　集成監控係統工藝設計

２．１　傳感器選型

傳感器的選型包括加速度傳感器和功（gōng）率傳感器，如表１所示（shì）。

２．２　硬件設計

利用嵌入（rù）式監控係統實現各硬件（jiàn）接（jiē）口即加速度、電機電流及溫（wēn）度等信號接口的數據采集以及傳送［６］，監控係（xì）統結構原理見圖２。

表１　傳感器參（cān）數及安裝位置

加速（sù）度傳感器的信號輸出運用４線製連接到前置專用信號采集模塊ＣＳ２ＡＣＳＦ／ＣＳ２ＡＣＰＷ將其轉（zhuǎn）變成以太網信號輸出再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（qí）采集的頻率是１０Ｈｚ；同理功率傳感器的（de）信號輸（shū）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出再連（lián）接到嵌入式監（jiān）控（kòng）係統以太（tài）網接（jiē）口，從而完（wán）成檢測數據采集，其采集的頻率是１０Ｈｚ。

２．３　監控係（xì）統軟件設計

依據非正常工況的急迫程（chéng）度來設定其優先等級（jí），該集成監（jiān）控（kòng）係統（tǒng）按照工況（kuàng）的優先等級從高到低的次序往複（fù）掃描，同時自動采用相應的應對方法。設（shè）定最高優先等級的工況是超載（zǎi）、超限等可能致使嚴峻（jun4）事故或者損傷（shāng）設備的狀況，如（rú）果檢測到振動或者功率超越設定的最（zuì）高閥值，同時連續時間超越設定最高時間，那麽係統將鳴起警笛並照（zhào）亮警燈，與此同時係統對該報警進行記錄存檔（dàng）。

依據每一道加工工序條件以及係統的規定範（fàn）圍設定各自的最高閥值（zhí）及其連續時間。設定像發生刀（dāo）具毀（huǐ）損或碰撞等緊急（jí）事件時的連續時間通常（cháng）小於等於１５ｍｓ，從而保證在（zài）沒有（yǒu）導致設備損傷之前啟動報警係統同時實施相應措施；設（shè）定像刀具磨（mó）損等非緊急事件時的連續時間適宜（yí）延長６０～９０ｍｓ。

圖２　監控係統結構原理圖

２．４　ＰＬＣ開發程序設計

通過ＰＬＣ自動控製集成監控係（xì）統的運行，其部分ＰＬＣ開發程序見圖３。

圖（tú）３　ＰＬＣ開發程序

２．５　與ＣＮＣ的無縫銜接設計

通過運用（yòng）８４０Ｄ／８２８Ｄ擴展接口編輯集成監控ＨＭＩ窗口實現與ＣＮＣ的無（wú）縫集成。首先，設計自動及程序兩種方式（shì）啟動集（jí）成監控係統界麵，其相應的配置文件是ＭＡ＿ＡＵＴＯ．ＣＯＭ及（jí）ＰＲＯＧ．ＣＯＭ，其存儲（chǔ）在ＰＣＵ５０的硬盤（pán）中且保存路徑是：＼ＤＨ＼ＣＵＳ．ＤＩＲ＼；其次創建界（jiè）麵顯示文本：設定界麵文（wén）本保存文件名是ＡＬＵＣ＿ＸＸ，存儲路徑是：＼ＯＥＭ＼，文本代碼（mǎ）區間８５０００～８９８９９；第三，設計編程各界麵中的水平及（jí）垂直方向各８個軟鍵，實現（xiàn）界麵的跳（tiào）轉；第四（sì），設計開發的（de）集（jí）成監控係（xì）統集成在ＨＭＩ界麵的ＨＥＢＵＴ軟鍵中，點擊ＨＥＢＵＴ軟鍵進入高速ＣＮＣ機床集成監控係統界（jiè），采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ總（zǒng）線（xiàn）實現其間的通（tōng）訊工作。通過（guò）軟硬件上的集成，完成了監（jiān）控係統與ＣＮＣ的無縫銜接。

３　、試驗結果（guǒ）

ＨＴＣ２５５０ｈｓ高速（sù）數控車削中心，數控係統西門子８２８Ｄ係列，選取加工直徑是６００ｍｍ的４５鋼棒料，主軸的轉速（sù）、電機功率及最高扭矩分別（bié）是（shì）０～６０００轉、２０．５／１５ｋＷ及１６２Ｎ·ｍ，Ｘ軸及Ｚ軸的移動速度和進（jìn）給（gěi）電機功率分別是６０ｍ／ｍｉｎ和４．７１ｋＷ，Ｚ軸（主（zhǔ）軸）、Ｘ軸的最高進給抗力分別是１２９０Ｎ、１７２０Ｎ，人為設（shè）定六種不同的工況條件，其試（shì）驗結（jié）果見表２。對於（yú）預設的過載、碰撞、顫振、刀具嚴（yán）重磨損的異常工況識別和處理，不同級別（bié）的（de）警報響起，警燈點亮，並記錄（lù）下此（cǐ）時的最大值和持續時間。

多傳感（gǎn）器監測（cè）到刀具磨損時（shí），會調用基於機器視覺（jiào）的刀具狀（zhuàng）態診斷功能。由於環境噪聲、毛胚或（huò）材料的瑕（xiá）疵可能造成的傳感器誤報，會導致錯誤的控製決策，所以采用多傳感（gǎn）器實時監控（kòng）與ＣＣＤ分時監控手段，確保刀具工況及時準確的識別（bié）與控製。確認為磨損狀態後，以ＰＬＣ變量（liàng）的方式反饋換刀信（xìn）息和刀補值。

根據試（shì）驗結果說（shuō）明該集成監控係統能夠及（jí）時精確的鑒別高速ＣＮＣ機床的各（gè）種複雜工況，並且根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（yīng）的識別結果與應對措施

４　、結　論

基於多傳感器的高速ＣＮＣ集成監控係統不僅提升了加工過程的可靠性及可（kě）控（kòng）性，而且還提升了其穩定性以及（jí）加工質量與效率。同時用戶（hù）可以很簡單（dān）、方便、直觀的運用該係統，在很大（dà）程度上提高了其對（duì）複雜工況的預測感知能力以（yǐ）及監控能力（lì）。

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