基于多傳感器的高速 ＣＮＣ機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018-1-22 來(lái)源：旅游職業(yè)學(xué)院信息工程 鄭州旅游職業(yè)學(xué)院 作者：王珂 陳婉
摘要：復(fù)雜工況對(duì)于高速 ＣＮＣ機(jī)床加工的精度以及其安全都有很大的影響，因此要設(shè)定檢測(cè)參數(shù)閥值，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)期對(duì)比來(lái)判斷加工工況是否安全。設(shè)計(jì)了基于多傳感器技術(shù)的高速 ＣＮＣ 機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件以及開(kāi)發(fā)了 ＰＬＣ 軟件程序，另外對(duì)傳感器選型進(jìn)行了說(shuō)明，并且完成多傳感器與８４０Ｄ／８２８Ｄ 數(shù)控系統(tǒng)的無(wú)縫銜接。最后通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)證明了該監(jiān)控系統(tǒng)提高了高速 ＣＮＣ機(jī)床在復(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(shí)使得生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量以及其效率得到了保障。
關(guān)鍵詞：高速車(chē)削；工況預(yù)測(cè)；集成監(jiān)控；多傳感器
可靠 的 工 況 狀 態(tài) 是 高 速 ＣＮＣ 機(jī) 床 的 生 產(chǎn) 效率、加工產(chǎn)品質(zhì)量以及設(shè)備安全性的重要保障。因?yàn)楦咚?ＣＮＣ機(jī)床加工的過(guò)程具有柔性化及動(dòng)態(tài)化等特點(diǎn)，所以加工過(guò)程及其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控均包含有明顯的復(fù)雜性［１－３］。盡管我國(guó)當(dāng)前自主研制的機(jī)床的定位及反復(fù)定位精度已經(jīng)很高，但是由于加工的過(guò)程很復(fù)雜，同時(shí)伴隨有振動(dòng)、刀具損耗和熱力耦合變形等要素影響，從而致使生產(chǎn)精度及穩(wěn)定性等特性降低，所以生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn) 定性及可 靠性、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率等方面和先進(jìn)國(guó) 家還有很大的距離［４－５］。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝參數(shù)的合理選擇、切削振動(dòng)、刀具磨損、受熱變形等諸多影響因素致使加工成品與理論模型之間存在誤差，設(shè)備性能的發(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(kāi)加工過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)。對(duì)加工裝備和加工過(guò)程的監(jiān)控可以有 效保證產(chǎn)品的最終加工精度及全面掌握機(jī)床運(yùn)行 過(guò)程中各單元的運(yùn)行狀況，提高機(jī)床工作性能，消除廢品的產(chǎn)生、降低成本。監(jiān)控技術(shù) 可以提 高加工過(guò)程 的可靠性和可控性，要提高加工穩(wěn)定性 和 可靠性、加工質(zhì)量和加工效率，不但要加強(qiáng)機(jī)床設(shè)計(jì)和工藝的基礎(chǔ)研究，還要善于運(yùn)用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化技術(shù)和監(jiān)控手段，增強(qiáng)加工裝備和加工過(guò)程的感知和控制功能。
機(jī)床和加工過(guò)程的監(jiān)控技術(shù)是獲取信息、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的途徑，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字制造、智能 制造的前提和基礎(chǔ)，是進(jìn)行高效、高質(zhì)、安全、可靠 加工的有利保障，只有對(duì)機(jī)床、刀具和加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才能獲知設(shè)備和過(guò)程狀態(tài)信息，從而據(jù)此進(jìn)行智能優(yōu)化控制，所以說(shuō)先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造和使機(jī)床變聰明的基礎(chǔ)和唯一可行的途徑。因此本文設(shè)計(jì)了基于多傳感器技術(shù)的高速 ＣＮＣ 機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)復(fù)雜工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行全程的控制和評(píng)測(cè)。
１ 、集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)
高速 ＣＮＣ機(jī)床復(fù)雜工況下集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖１，在加工開(kāi)始之前，利用虛擬測(cè)試過(guò)程實(shí)現(xiàn)每一項(xiàng)代表性工況的檢測(cè)工作并將其特性保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)作為工況的辨別以及其參數(shù)優(yōu)化的參考依據(jù)。
多傳感器的監(jiān)控將涉及全部生產(chǎn)過(guò)程，針對(duì)如碰撞、刀具破損、崩刃、超載及顫振等突發(fā)性事故完成實(shí)時(shí)檢測(cè)甄別，然后動(dòng)態(tài)檢測(cè)刀具的損耗程度以及切削的振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到刀具損耗時(shí)開(kāi)啟機(jī)器視覺(jué)過(guò)程以此來(lái)確定其損耗程度，在線檢過(guò)程完成主要節(jié)點(diǎn)以及加工結(jié)束的檢測(cè)，以此來(lái)確保生產(chǎn)質(zhì)量。
該集成監(jiān)控 系統(tǒng)利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工況的控制，將測(cè)頭及 ＣＣＤ 看成刀具安設(shè)在對(duì)應(yīng)的位置，利用數(shù)控程序及機(jī)床自身的 工作實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)，因此該集成監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅含有對(duì)硬件的集成而且還有對(duì)軟件的集成。
２ 、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
將檢測(cè)到的主軸電 機(jī)功率 信號(hào)及切削振動(dòng)信實(shí)時(shí)傳輸?shù)剑福矗埃模福玻福?數(shù)控系統(tǒng)及上位機(jī)，并且通過(guò)８４０Ｄ／８２８Ｄ ＨＭＩ Ｒ 變 量 模 式 可 以 對(duì) 保 存 在２００～２０３范圍內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，同時(shí)利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理檢測(cè)數(shù)據(jù)并 實(shí)行對(duì)應(yīng)的控制步驟，然后利用上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。
圖１ 集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)
利用嵌入式監(jiān)控 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各 硬 件接口即加速度、電機(jī)電流及溫度等信號(hào)接口的數(shù)據(jù)采集以及傳送［６］，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖２。
表１ 傳感器參數(shù)及安裝位置
加速度傳感器的信號(hào)輸出運(yùn)用４線制連接到前置專用信號(hào)采集模塊 ＣＳ２ＡＣＳＦ／ＣＳ２ＡＣＰＷ 將其轉(zhuǎn)變成以太網(wǎng)信號(hào)輸出再連接到嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口［７］，從而完成檢測(cè)數(shù)據(jù)采集，其采集的頻率是１０Ｈｚ；同理功率傳感器的信號(hào)輸出運(yùn)用５線制連接到前置專用信號(hào)采集模塊 ＣＳ２ＡＣＰＷ 轉(zhuǎn)變成以太網(wǎng)信號(hào)輸出再連接到嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)接口，從而完成檢測(cè)數(shù)據(jù)采集，其采集的頻率是１０Ｈｚ。
２．３ 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
依據(jù)非正常工況 的急迫程度 來(lái) 設(shè)定其優(yōu)先等級(jí)，該集成監(jiān)控系統(tǒng)按照工況的優(yōu)先等級(jí)從高到低的次序往復(fù)掃描，同時(shí)自 動(dòng)采 用相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法。設(shè)定最高優(yōu)先等級(jí)的工況是超載、超限等可能致使嚴(yán)峻事故或者損傷設(shè)備的狀況，如果檢測(cè)到振動(dòng)或者功率超越設(shè)定的最高閥值，同時(shí)連續(xù)時(shí)間超越設(shè)定最高時(shí)間，那么系統(tǒng)將鳴 起警笛并照亮警燈，與此同時(shí)系統(tǒng)對(duì)該報(bào)警進(jìn)行 記錄存檔。
依據(jù)每一道加工工序條件以及系統(tǒng)的規(guī)定范圍設(shè)定各自的最高閥值及其連續(xù)時(shí)間。設(shè)定 像發(fā)生刀具毀損或碰撞等緊急事件時(shí)的連續(xù)時(shí)間通常小于等于１５ｍｓ，從而保證在沒(méi)有導(dǎo)致設(shè)備損傷之前啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)同時(shí)實(shí)施相應(yīng)措施；設(shè)定像刀具磨損等非緊急事件時(shí)的連續(xù)時(shí)間適宜延長(zhǎng)６０～９０ｍｓ。
圖２ 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
２．４ ＰＬＣ開(kāi)發(fā)程序設(shè)計(jì)
通過(guò) ＰＬＣ自動(dòng)控制集成監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，其部分 ＰＬＣ開(kāi)發(fā)程序見(jiàn)圖３。
圖３ ＰＬＣ開(kāi)發(fā)程序
２．５ 與 ＣＮＣ的無(wú)縫銜接設(shè)計(jì)
通過(guò)運(yùn)用８４０Ｄ／８２８Ｄ 擴(kuò)展接口編輯集成監(jiān)控ＨＭＩ窗口實(shí)現(xiàn)與 ＣＮＣ 的無(wú)縫集成。首先，設(shè)計(jì)自動(dòng)及程序兩種方式啟動(dòng)集成監(jiān)控系統(tǒng)界面，其相應(yīng)的配置文件是 ＭＡ＿ＡＵＴＯ．ＣＯＭ 及 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(chuàng)建界面顯示文本：設(shè)定界面文本保存文件名是 ＡＬＵＣ＿ＸＸ，存儲(chǔ)路徑是：＼ＯＥＭ＼，文本代碼區(qū)間８５０００～８９８９９；第三，設(shè)計(jì)編程各界面中的水平及垂直方向各８?jìng)€(gè)軟鍵，實(shí)現(xiàn)界面的跳轉(zhuǎn)；第四，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的集成監(jiān)控系統(tǒng)集成在 ＨＭＩ界面的 ＨＥＢＵＴ 軟 鍵 中，點(diǎn) 擊 ＨＥＢＵＴ 軟 鍵 進(jìn) 入 高 速ＣＮＣ機(jī)床集成監(jiān)控系統(tǒng)界，采用 ＰＲＯＦＩＢＵＳ 總線實(shí)現(xiàn)其間的通訊工作。通過(guò)軟硬件上的集成，完成了監(jiān)控系統(tǒng)與 ＣＮＣ的無(wú)縫銜接。
３ 、試驗(yàn)結(jié)果
ＨＴＣ２５５０ｈｓ高速數(shù)控車(chē)削中心，數(shù)控系統(tǒng)西門(mén)子８２８Ｄ 系列，選取加工直徑是６００ｍｍ 的４５鋼棒料，主軸的 轉(zhuǎn)速、電機(jī) 功率及最高 扭 矩分別是 ０～６０００轉(zhuǎn)、２０．５／１５ｋＷ 及１６２Ｎ·ｍ，Ｘ 軸及 Ｚ軸的移動(dòng) 速 度 和 進(jìn) 給 電 機(jī) 功 率 分 別 是 ６０ｍ／ｍｉｎ 和４．７１ｋＷ，Ｚ軸（主軸）、Ｘ 軸的最高進(jìn)給抗力分別是１２９０Ｎ、１７２０Ｎ，人為 設(shè) 定 六 種 不 同 的 工 況 條 件，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表２。對(duì)于預(yù)設(shè)的過(guò)載、碰撞、顫振、刀具嚴(yán)重磨損的異常工況識(shí)別和處 理，不同級(jí) 別 的警報(bào)響起，警燈點(diǎn)亮，并記錄下此時(shí)的最大值和持續(xù)時(shí)間。
多傳感器監(jiān)測(cè)到刀具磨損時(shí)，會(huì)調(diào)用基于機(jī)器視覺(jué)的刀具狀態(tài)診斷功能。由于環(huán)境噪聲、毛胚或材料的瑕疵可能造成的傳感器誤報(bào)，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的控制決策，所以采用多傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控與 ＣＣＤ 分時(shí)監(jiān)控手 段，確 保 刀 具 工 況 及 時(shí) 準(zhǔn) 確 的 識(shí) 別 與 控制。確認(rèn)為磨損狀態(tài)后，以 ＰＬＣ 變量的方式反饋換刀信息和刀補(bǔ)值。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果說(shuō) 明該集成監(jiān) 控 系統(tǒng)能夠及時(shí)精確的鑒別高速 ＣＮＣ 機(jī)床 的 各種復(fù)雜工 況，并且根據(jù)工況界別結(jié)果做出對(duì)應(yīng)的控制措施。
表２ 六種工況及相應(yīng)的識(shí)別結(jié)果與應(yīng)對(duì)措施
４ 、結(jié) 論
基于多 傳 感 器 的 高 速 ＣＮＣ 集 成 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 不僅提升了 加 工 過(guò) 程 的 可 靠 性 及 可 控 性，而 且 還 提升了其穩(wěn)定性以及加工質(zhì) 量與效率。同時(shí)用戶可以很簡(jiǎn)單、方便、直觀的運(yùn)用該系統(tǒng)，在很大程度上提高了 其 對(duì) 復(fù) 雜 工 況 的 預(yù) 測(cè) 感 知 能 力 以 及 監(jiān) 控能力。
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