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基於多傳感器的高速ＣＮＣ機床集成監控係統設計

2018-1-22 來源：旅遊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機床加工的精度以及其（qí）安全都有很大的影響，因此要設定檢測參數（shù）閥值，通過檢測數據預期對比來判斷加工工況是否安全。設計了基於多傳感（gǎn）器技（jì）術的高速ＣＮＣ機床集成（chéng）監控係統，對該係統（tǒng）的工藝進行了設計，同時還設計了係統硬件以及開（kāi）發（fā）了ＰＬＣ軟件程序，另外對傳感器選型進行了說明，並且完成多傳感器與８４０Ｄ／８２８Ｄ數控係統的（de）無縫銜接。最後通過（guò）實際試驗證明了（le）該監控係統提高了高速ＣＮＣ機床在複雜工況下工作的安全性以及生產（chǎn）過程的（de）可控性，同時使得生產（chǎn）產品質量以及其效（xiào）率得到了保障。

關鍵詞：高速車削；工況預測；集成監控；多傳感（gǎn）器

可靠的工況狀（zhuàng）態是高（gāo）速ＣＮＣ機床的生（shēng）產效率、加工產品質量以及設備安全性的重要保障。因為高速ＣＮＣ機床加工（gōng）的過程具有柔（róu）性化及動態化等特點，所以加工過程及其運（yùn）行狀態的監控均包含有明顯（xiǎn）的複雜性［１－３］。盡管我國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）工的過程很複雜，同時伴隨有振動、刀具損耗和熱（rè）力耦合變形等要素影響，從而致使生產精度及穩定性（xìng）等特（tè）性降低，所以生產過程的穩定性及可靠性、產品質（zhì）量及生產效率等方麵和先進國家還有很大的距離［４－５］。實（shí）際生（shēng）產過程（chéng）中，由於工藝參（cān）數（shù）的合理選擇（zé）、切削振動、刀具磨損、受熱變形（xíng）等諸多（duō）影響因素致使加工成（chéng）品與（yǔ）理論模型之間（jiān）存在誤差，設（shè）備性能（néng）的發揮（huī）和（hé）壽命的保障（zhàng）、加工效率和成本等都是需要考慮的因素（sù），這些都（dōu）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以（yǐ）有效保證（zhèng）產品的最終加工精度及（jí）全麵掌握機床運行過程中各單元的運行狀況，提高（gāo）機床工作性能，消除廢品的產生、降低成本。監控技術可以（yǐ）提高加工過程的可（kě）靠性和可控性，要提高加工穩定（dìng）性和可靠性、加工質量和（hé）加工效率，不但（dàn）要加強機床設計和工藝的基礎研究（jiū），還要善於運用現代化的計算機技術和（hé）信息化技術（shù）和監控手段，增強加工裝（zhuāng）備和加工過程的感知和控製功能。

機床和加工過程（chéng）的監控技術是獲取信息、發現問題和解決問題的途徑，是實現數字製造、智能（néng）製造的前提和基礎，是（shì）進（jìn）行高效、高質、安全、可靠加工的有利保障，隻有對機床、刀（dāo）具和加（jiā）工過（guò）程進行監測，才（cái）能獲知（zhī）設備和過程狀態信息，從而據（jù）此進行智能優化控製，所以說先進（jìn）的（de）監控技術是（shì）實現智能製造和使（shǐ）機床（chuáng）變聰明的基礎和唯一可行（háng）的（de）途徑。因此本文設計了基於多傳感器技術的高速ＣＮＣ機床集成監控係統，對複雜工況進行實時監控，對加（jiā）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（gōng）況下（xià）集成監控係統工藝流程（chéng）見圖１，在加工開（kāi）始之前，利用（yòng）虛擬測試過程（chéng）實現每一項代表性工況的檢測工作並將其特性保存至數據庫，同時作為工況（kuàng）的辨別以及其參數優化的參考依據。

多傳感器的監控將涉及全部（bù）生產（chǎn）過程，針對如碰撞、刀具破（pò）損、崩刃、超（chāo）載及顫（chàn）振等突發性事故完成實時（shí）檢測甄別（bié），然後動態（tài）檢測刀具的損耗程度以及（jí）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（de）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（tǒng）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（wèi）置，利用數（shù）控程序及機床自身的工作實現其檢測（cè），因此該集成監控（kòng）係統不僅僅含有對（duì）硬件的集成而且還有對軟件的集成。

２　、監控係統設計

將（jiāng）檢測到的主軸電機功（gōng）率（lǜ）信號及（jí）切削振（zhèn）動信實時傳輸（shū）到８４０Ｄ／８２８Ｄ數控係統及上位機，並且通過８４０Ｄ／８２８ＤＨＭＩ　Ｒ變量模式可以對保存在２００～２０３範（fàn）圍內的檢測數（shù）據進行實時（shí）查看，同時利用數控係統實時處理檢測數據並實行（háng）對應的控製步驟，然後利用上位（wèi）機監（jiān）控界麵實（shí）現對檢測數據的實時顯示（shì）。

圖（tú）１　集成監控係統工藝設計

２．１　傳感（gǎn）器選型

傳感器的選（xuǎn）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

利用嵌入式監控係統實現各硬件接口即加速度、電機電流（liú）及溫度等信號接口的（de）數據采集以及傳送［６］，監控係統結構原（yuán）理（lǐ）見圖２。

表１　傳感器參數及安裝位置

加（jiā）速度傳感器的信號輸出運（yùn）用４線製連接到前（qián）置專用信號（hào）采集模塊ＣＳ２ＡＣＳＦ／ＣＳ２ＡＣＰＷ將其轉變（biàn）成以太網信號（hào）輸出再連接（jiē）到嵌入式監控係統的以太網接口［７］，從而完成檢（jiǎn）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（zhì）連接到前置專（zhuān）用（yòng）信號采集模塊ＣＳ２ＡＣＰＷ轉變成以太網信號輸出再連接到嵌入式監控係（xì）統以太網接口，從而完成檢測數（shù）據采集（jí），其采集的（de）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，該集成監控係（xì）統按照工況的優先等（děng）級從高到（dào）低的次（cì）序往（wǎng）複掃描，同時自動采用相（xiàng）應的應對方法。設（shè）定最高優先等級（jí）的工況是超載、超限等可能致使嚴（yán）峻事故（gù）或者損傷（shāng）設備的狀況，如果檢測到（dào）振動或者（zhě）功率（lǜ）超（chāo）越設定的最高閥值，同時連續時間超越設定最高時（shí）間，那麽係統將鳴（míng）起（qǐ）警笛並照亮警燈，與此同時係統對該報警進行記錄存檔。

依據每一道加工工序條件以及係統的規（guī）定範（fàn）圍設定（dìng）各自的最高閥值及其連續時間。設定像發生刀具毀損或碰撞等（děng）緊急（jí）事件時的連續時間通常小於等於１５ｍｓ，從而保證（zhèng）在（zài）沒有導致（zhì）設備損傷之前啟動報警係統同時實施相應措施；設定（dìng）像刀具磨損等非緊急事件（jiàn）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開發程序設計

通過ＰＬＣ自（zì）動（dòng）控製集成監控係（xì）統的運行，其部分ＰＬＣ開發程序見（jiàn）圖３。

圖３　ＰＬＣ開發（fā）程序

２．５　與ＣＮＣ的無縫銜接設計

通過運用８４０Ｄ／８２８Ｄ擴展接口（kǒu）編輯集成監控ＨＭＩ窗口實現與ＣＮＣ的無縫集成。首先，設計自動及程序兩種（zhǒng）方（fāng）式啟（qǐ）動集成監控係統界（jiè）麵，其相應的配置（zhì）文件是ＭＡ＿ＡＵＴＯ．ＣＯＭ及ＰＲＯＧ．ＣＯＭ，其存儲在ＰＣＵ５０的硬盤中且保存路徑是：＼ＤＨ＼ＣＵＳ．ＤＩＲ＼；其次創建界麵顯（xiǎn）示文本：設定界麵文本保（bǎo）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水平（píng）及垂直方向各８個（gè）軟鍵，實現界麵的跳轉；第四，設計開發的集（jí）成監控係統集成在ＨＭＩ界麵的ＨＥＢＵＴ軟鍵中，點擊ＨＥＢＵＴ軟（ruǎn）鍵（jiàn）進入高速ＣＮＣ機床集成監控（kòng）係（xì）統界，采用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（jiān）控係（xì）統與ＣＮＣ的無縫銜接。

３　、試驗結果

ＨＴＣ２５５０ｈｓ高速數（shù）控車削（xuē）中（zhōng）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、電機功（gōng）率及最高扭矩分別是０～６０００轉、２０．５／１５ｋＷ及１６２Ｎ·ｍ，Ｘ軸（zhóu）及Ｚ軸的移動速度和進給電機（jī）功率分（fèn）別（bié）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，人為設定六種不同的工況條（tiáo）件，其試（shì）驗結（jié）果見表２。對於（yú）預設的（de）過載、碰撞、顫振、刀具嚴重磨損的異常工況識別和處理（lǐ），不（bú）同級（jí）別的警報響起，警燈點亮，並記錄下此時（shí）的最（zuì）大值和持（chí）續時間。

多傳感器監測到刀具磨（mó）損時（shí），會（huì）調用基於機器視覺的刀具狀（zhuàng）態診斷功能。由（yóu）於環境噪聲、毛胚或材料的瑕疵可能造（zào）成（chéng）的傳（chuán）感器（qì）誤報（bào），會導致錯（cuò）誤的控（kòng）製決策，所以（yǐ）采用多傳感器（qì）實時（shí）監控與（yǔ）ＣＣＤ分時監控手段，確保刀具工況及時準確的識（shí）別與（yǔ）控製。確認為（wéi）磨損狀態後，以（yǐ）ＰＬＣ變量的（de）方式反（fǎn）饋換（huàn）刀信息和（hé）刀補值。

根（gēn）據（jù）試驗（yàn）結果說明該集成監控係統能夠及時（shí）精確的（de）鑒別（bié）高速ＣＮＣ機床的各（gè）種複雜（zá）工況，並且根據工（gōng）況（kuàng）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（jié）果與應對措施

４　、結　論

基於多傳感器的（de）高速ＣＮＣ集（jí）成監控係統不僅提升了加工過程（chéng）的可靠性及可控性，而且還提升了其（qí）穩定性以及加工質量與（yǔ）效率。同時用（yòng）戶可以很簡單、方便（biàn）、直觀的運用該係統，在很大程度上提高了其對複雜工況的（de）預測感（gǎn）知能力以及監控能（néng）力。

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