大功率激光切割機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017-4-27 來源：華北科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 作者：卜祥麗，徐 斌，李孝平，黎 冠
摘 要: 針對(duì)現(xiàn)有大功率激光切割機(jī)床產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化不足、維護(hù)效率低、維護(hù)成本高等問題，結(jié)合目前成熟的 GPＲS 移動(dòng)通信技術(shù)，提出了基于云服務(wù)器的高功率切割機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)造遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控多臺(tái)激光切割機(jī)床設(shè)備。針對(duì)高功率激光切割機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集智能終端，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過 GPＲS 技術(shù)傳送到云端，為高功率激光切割故障的快速診斷與處理提供了數(shù)據(jù)支撐。
關(guān)鍵詞: 激光切割; 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 云服務(wù); GPＲS; STM32
0.引言
目前，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光加工技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。激光加工已廣泛應(yīng)用于鈑金切割、雕刻、打孔、焊接、表面處理等領(lǐng)域。激光切割過程是將激光束聚焦到工件表面，利用其釋放的能量瞬間使工件融化并蒸發(fā)，從而達(dá)到切割和雕刻的目的。激光加工具有切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的切割技術(shù)，切割精度高，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排版加工，且不受切割圖案限制，切口平滑等特點(diǎn)，將在切割市場(chǎng)占有越來越多的市場(chǎng)份額［1 － 4］。隨著電子、通信以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光加工也朝著大功率，高速度等方向快速發(fā)展，同時(shí)，激光切割機(jī)床信息化和智能化技術(shù)也得到了越來越多的重視。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)鈑金加工車間工作環(huán)境相對(duì)較差，加工粉塵、輻射、噪聲等都會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)操作人員身體造成不同程度的危害，因此，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控激光切割機(jī)床工作狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)成為激光加工機(jī)床制造業(yè)重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)問題之一［5］。文獻(xiàn)［6］針對(duì) FANUC 等 3 種不同的數(shù)控系統(tǒng)，利用一臺(tái)服務(wù)器，基于通用的通信接口，實(shí)時(shí)采集數(shù)控設(shè)備的加工狀態(tài)和工藝過程參數(shù)等信息; 文77第 13 卷第 3 期2016 年 6 月華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)Journal of North China Institute of Science and TechnologyVol. 13 No. 3Jun. 2016獻(xiàn)［7］利用網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)、系統(tǒng)報(bào)警信息、PLC 控制信號(hào)、伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)、系統(tǒng)故障診斷、機(jī)床維護(hù)信息等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理; 文獻(xiàn)［8］利用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，采用 AＲM Cortex － M3 嵌入式芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了基于 Web 環(huán)境的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。伴隨著 GPＲS 技術(shù)的不斷完善發(fā)展，越來越多的應(yīng)用于機(jī)床監(jiān)控領(lǐng)域［9 － 11］。本文提出針對(duì)大功率激光切割機(jī)床，利用 GPＲS無線通信技術(shù)，在激光切割機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)時(shí)將激光切割機(jī)床的加工狀態(tài)和環(huán)境信息傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光切割機(jī)床狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1.總體方案設(shè)計(jì)
目前一些先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)具有通信接口，能夠?qū)?shù)據(jù)參數(shù)傳送出來，通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)分散的數(shù)控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。GPＲS 能夠?qū)崟r(shí)在線，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)同傳，傳輸時(shí)延小，滿足一般監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。隨著國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，絕大部分地區(qū)已經(jīng)覆蓋了GPＲS 網(wǎng)絡(luò)，因此為大范圍的設(shè)備在線監(jiān)控提供了基礎(chǔ)條件，系統(tǒng)的傳輸容量大，能很好滿足傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的需要，且通信費(fèi)用越來越低，應(yīng)用方便。隨著智能手機(jī)的普及，維修人員可以通過應(yīng)用程序?yàn)g覽云端數(shù)據(jù)，進(jìn)而得知數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障前后的數(shù)據(jù)，為快速診斷奠定了應(yīng)用的基礎(chǔ)。
本文以發(fā)格激光切割機(jī)床作為控制對(duì)象，基于串口通信和 GPＲS 移動(dòng)通信技術(shù)構(gòu)建高功率激光切割機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光切割機(jī)床狀態(tài)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控。激光切割機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由 6 部分組成: 現(xiàn)場(chǎng)激光切割機(jī)床、攝像機(jī)、車間環(huán)境采集模塊、現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控終端模塊、云服務(wù)器以及遠(yuǎn)處監(jiān)控客戶端，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。
2.硬件設(shè)計(jì)
硬件部分主要涉及現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控終端模塊，本系統(tǒng)以 STM32 微處理器和 GPＲS 無線通信模塊為核心，現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控終端通過串口數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)通過 GPＲS 無線通信模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫恕Ｔ贫朔?wù)器自動(dòng)記錄上傳的數(shù)據(jù)，任何聯(lián)網(wǎng)的電腦通過云端均可獲取當(dāng)前機(jī)床的工作狀態(tài)。
圖 1 激光切割機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框圖
當(dāng)激光切割機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控終端將故障信息通過短信服務(wù)模塊發(fā)送到預(yù)制的手機(jī)電話號(hào)碼。維修人員通過短信即可獲取數(shù)控機(jī)床故障信息，并進(jìn)行故障診斷。
2. 1 現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控模塊的硬件由 32 位微處理器、數(shù)據(jù)顯示單元、GPＲS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成，系統(tǒng)硬件原理圖如圖 2 所示。
圖 2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備硬件原理圖
微處理器選用 STM32 系 列 單 片 機(jī)STM32F103VBT6 作為主控芯片。采用 SIMcom 公司的 SIM800E 模塊進(jìn)行 GPＲS 數(shù)據(jù)傳輸，SIM800E是一種專門用于 GPＲS 數(shù)據(jù)傳輸模塊，SIM800E 支持多種 TCPIP 連接協(xié)議和多種連接方式，單步與多步開發(fā)環(huán)境，傳輸模式可選擇透明與非透明模式，在服務(wù)端或客戶端支持 TCP 和 UDP 協(xié)議棧，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，SIM800E 模塊和 STM32 單片機(jī)的串口 2 相連，實(shí)現(xiàn) GPＲS 模塊與單片機(jī)之間的通信。顯示單元采用 3. 5 寸真彩觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
2. 2 攝像頭監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)
圖像采集選用串口攝像頭模塊，采用成都藍(lán)矩科技生產(chǎn)的 LJ － DSC02 系列串口攝像頭，200萬像素，該模塊內(nèi)置 0 V 系列高性能 CMOS 傳感器，直接輸出 JPEG 圖片，通過 ＲS232 或者 ＲS485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，配置 6 顆 850 nm 夜視燈進(jìn)行紅外補(bǔ)光。在本系統(tǒng)中將 LJ － DSC02 和單片機(jī)的串口 1 相連，實(shí)現(xiàn)攝像頭數(shù)據(jù)的采集。
2. 3 環(huán)境采集模塊硬件設(shè)計(jì)
環(huán)境參數(shù)采集采用 GK － 508F 模塊，該模塊可以采集 16 路模擬量信號(hào)，通信支持 ＲS232、ＲS485 和 MODBUS 協(xié)議接口。在本系統(tǒng)中，主要采集激光切割機(jī)床工作時(shí)的環(huán)境溫度、濕度、壓力、電源電壓、電流、冷卻風(fēng)機(jī)溫度等信號(hào)。
3.軟件設(shè)計(jì)
在 Keil 開發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)終端控制軟件，軟件主要分為系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、觸摸屏顯示模塊、通信模塊等。智能監(jiān)控設(shè)備啟動(dòng)后首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，初始化完成后，開始數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集部分主要包括對(duì)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的采集、對(duì)攝像機(jī)圖像的采集、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的采集。數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)分析模塊、分析完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)，最后進(jìn)入通信子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。數(shù)據(jù)傳送完成后，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，軟件流程如圖 3 所示。
系統(tǒng)初始化主要進(jìn)行時(shí)鐘、中斷、GPIO、串口等初始化工作。完成后依次與數(shù)控機(jī)床、串口攝像機(jī)、環(huán)境采集模塊和 GPＲS 模塊依次通信。激光切割機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的通信采用串口異步通信協(xié)議。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備程序運(yùn)行時(shí)，首先向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送握手請(qǐng)求，握手成功后，接收數(shù)控系統(tǒng)傳出的各種參數(shù)數(shù)據(jù); 握手失敗，發(fā)送故障顯示接口。在數(shù)據(jù)處理分析模塊中，將激光加工機(jī)床的工藝參數(shù)、NC 程序、螺距誤差補(bǔ)償參數(shù)、工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存，通過 GPＲS 傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。當(dāng)接收到云端服務(wù)器更新數(shù)據(jù)請(qǐng)求的命令時(shí)，數(shù)控機(jī)床通信管理模塊通過通知數(shù)控機(jī)床修改通信參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)更新工作。
圖 3 軟件控制流程圖
串口攝像機(jī)模塊通過單片機(jī)獲取攝像頭圖像，設(shè)備上電初始化時(shí)打開串口，設(shè)置圖像分辨率。正常通信時(shí)循環(huán)執(zhí)行開始采集圖像、獲取圖像數(shù)據(jù)、結(jié)束采集圖像并上傳。數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)采集的各種數(shù)據(jù)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，符合報(bào)警條件時(shí)，將信號(hào)發(fā)送至報(bào)警子程序。為了方便人機(jī)交互，設(shè)置了數(shù)據(jù)顯示模塊，采用迪文 4. 3 寸真彩觸摸屏，完成數(shù)據(jù)顯示與報(bào)警信息查看。
為了避免由于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)不能及時(shí)上傳，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將采集到的數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，本地存儲(chǔ)于工業(yè) SD 卡，確保數(shù)據(jù)的安全性。GPＲS 模塊通信時(shí)，首先進(jìn)行參數(shù)初始化，主要參數(shù)有: 手機(jī)卡號(hào)碼、DNS 服務(wù)設(shè)置、GPＲS 服務(wù)密碼、APN 設(shè)置、IP 地址、TCP 端口號(hào)等，系統(tǒng)上電后，自動(dòng)建立一個(gè) TCP 通訊，通信成功后，智能終端模塊和云端的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無線交互。
4.結(jié)論
實(shí)踐表明，利用 STM32 單片機(jī)和 SIM800LGPＲS通信模塊設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控終端，體積小、功耗低，可以與激光切割機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)接，通過該終端，能夠?qū)⒓す馇懈顧C(jī)床現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)，傳送至云端服務(wù)器，通過云服務(wù)監(jiān)控客戶端，維修人員可以給用戶提供方便快捷的技術(shù)支持，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。
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