面向數(shù)控機(jī)床的多源信息采集系統(tǒng)研究??

李 波 熊 迪 溫 鵬

(①湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北襄陽441053；②襄陽市數(shù)字裝備制造及先進(jìn)加工技術(shù)重點實驗室，湖北襄陽441053；③襄陽華中科技大學(xué)先進(jìn)制造工程研究院技術(shù)中心，湖北襄陽441053)

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制造業(yè)正在進(jìn)行著“第四次工業(yè)革命”，云計算和大數(shù)據(jù)處理是智能制造的重要標(biāo)志，其可有效利用制造過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，推動制造工藝水平和自動化水平的提升。工業(yè)大數(shù)據(jù)的高效采集是業(yè)界熱點問題，直接關(guān)系到后續(xù)研究工作的順利開展。

數(shù)控機(jī)床是工業(yè)生產(chǎn)中的重要裝備，其大量應(yīng)用于制造過程中，推動著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。作為綜合性機(jī)電一體化設(shè)備，采集系統(tǒng)相當(dāng)于數(shù)控機(jī)床的感官，可顯著提升數(shù)控機(jī)床的性能和功能，對于制造效能的提升有著推動作用。同時隨著MES系統(tǒng)的建設(shè)推廣應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床智能化采集已成為數(shù)字化車間建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，采集系統(tǒng)性能影響著制造企業(yè)整體自動化水平的高低。數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中大量存在著反饋控制環(huán)節(jié)，通常需要對過程中的溫度、振動、壓力和位移等信號進(jìn)行采集，多類型信號采集質(zhì)量影響著數(shù)控機(jī)床性能。

國內(nèi)外關(guān)于數(shù)控機(jī)床的信息采集進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]提出了一種用于數(shù)控加工監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器融合框架，有效提升了傳感器的適應(yīng)度。文獻(xiàn)[2]介紹了數(shù)控機(jī)床磨損采集信息的高效處理方法，并基于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)開展了磨損狀態(tài)的診斷與預(yù)測。文獻(xiàn)[3]基于CPS系統(tǒng)，研制了具有三層體系的數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控系統(tǒng)，其具有感知、分析、決策、控制、反饋等環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[4]開發(fā)了基于無線通信和OPC技術(shù)的監(jiān)控與管理系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程獲取數(shù)控機(jī)床加工工藝參數(shù)和狀態(tài)信息，實現(xiàn)了機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控。文獻(xiàn)[5]研制了一種面向數(shù)控機(jī)床的多通道傳感數(shù)據(jù)采集卡，其可實現(xiàn)八路模擬信號與六路數(shù)字信號同步鎖定，達(dá)到傳感數(shù)據(jù)同步上傳。文獻(xiàn)[6]研究了基于MTConnect進(jìn)行數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的方法，搭建了一個符合MTConnect框架的數(shù)控雕刻機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，驗證了方法的有效性。文獻(xiàn)[7]基于RFID與ZigBee技術(shù)，開發(fā)了制造車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了產(chǎn)品加工過程全生命周期的數(shù)據(jù)采集。文獻(xiàn)[8]針對異構(gòu)數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集問題，提出了機(jī)床聯(lián)網(wǎng)解決方案，并構(gòu)建了采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，實現(xiàn)了車間生產(chǎn)線機(jī)床狀態(tài)信息的實時讀取。文獻(xiàn)[9]開展了多參數(shù)指標(biāo)下的刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測研究，其通過采集加速度信號的時域和頻域分析，有效判斷加工過程中刀具的實時磨損狀況。文獻(xiàn)[10]討論了串口采集數(shù)控信息的方法，通過自定義M代碼完成信息采集，并開發(fā)系統(tǒng)驗證方法的有效性。文獻(xiàn)[11]研究了開放式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)控設(shè)備集成方法，構(gòu)建了分層次、可擴(kuò)展的機(jī)床信息模型，設(shè)計了制造車間管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了加工過程機(jī)床信息可視化。

針對數(shù)控機(jī)床多源信息的采集問題，本文提出了一種支持Modbus協(xié)議的分層架構(gòu)，其可快捷擴(kuò)展溫度、壓力、振動等電流、電壓形式的信號采集，以及外部多路的輸出控制。同時，開展了信息采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件功能模塊設(shè)計，將其應(yīng)用于短電弧機(jī)床的實際運(yùn)行中，取得了良好的效果。

1 采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能分析

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制核心，為實現(xiàn)高精度加工以及其他自動化控制，需借助傳感器采集多種外部環(huán)境信息，同時需要輸出信號控制外部繼電器、電磁閥、電動機(jī)等部件。由此，采集系統(tǒng)不僅可處理開關(guān)量輸入輸出信號，同時能處理電流、電壓模擬量輸入輸出信號。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)字化車間越來越多采用工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)平臺，其具有傳輸速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、集成度高等特點，正逐步取代串口通訊。同時，作為開放協(xié)議中的典型代表Modbus協(xié)議，其可直接部署在以太網(wǎng)裝置中，具有應(yīng)用成本低、擴(kuò)展性特點，大量應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。為此，采集系統(tǒng)需具備Modbus功能，支持Modbus TCP及Modbus RTP兩種協(xié)議。

1.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

采集系統(tǒng)主要包括主模塊、調(diào)解電路、溫度采集模塊等三部分，如圖1所示。其中多個主模塊與數(shù)控系統(tǒng)之間通過網(wǎng)線連接，采用Modbus TCP協(xié)議通信；主模塊與多個溫度采集模塊之間通過485總線連接，采用Modbus RTP協(xié)議通信；調(diào)解電路主要是實現(xiàn)輸入、輸出信號的濾波、放大等功能。

采集系統(tǒng)主模塊與數(shù)控系統(tǒng)均有IP地址，其可通過網(wǎng)線直連實現(xiàn)單主模塊與數(shù)控系統(tǒng)的通訊，也可通過交換機(jī)實現(xiàn)多主模塊與數(shù)控系統(tǒng)的通訊，連接示意圖如圖2所示。

2 采集系統(tǒng)軟硬件部分設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

采集系統(tǒng)主模塊采用STM32F103ZE作為控制芯片，其為基于最新Contex-M3內(nèi)核的32位高速ARM微處理器，具有功率小、工作頻率高等特點，滿足數(shù)控系統(tǒng)采集用。其硬件電路框架圖如圖3所示。

主模塊包括STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、電流模擬量輸入模塊、電流模擬量輸出模塊、電壓模擬量輸入模塊、電壓模擬量輸出模塊、網(wǎng)口模塊、串口電路模塊等，具體電路設(shè)計如下:

(1)借助RCV420芯片將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后通過信號濾波和運(yùn)放后，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號。電路圖如圖4所示。

(2)通過DAC8563芯片完成電壓信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過放大電路、濾波電路，輸出電壓信號。另外，電壓信號通過XTR111芯片轉(zhuǎn)為電流信號。電路圖如圖5所示。

(3)串口電路中利用高速光耦合器TLP105實現(xiàn)光耦隔離，并通過串口RS485總線級聯(lián)多個同系列串口I/O聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。電路圖如圖6所示。

采集系統(tǒng)主模塊實物圖如圖7所示。

采集系統(tǒng)主模塊性能參數(shù)見表1。

表1 采集系統(tǒng)主模塊性能參數(shù)

2.2 軟件功能設(shè)計

采集主模塊采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus TCP通訊協(xié)議與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。首先定義各項基本參數(shù)包括波特率、主循環(huán)的使能變量、工作模式等等；然后進(jìn)行Modbus寄存器初始值、開關(guān)量初始值、看門狗等的初始化；接著進(jìn)行IP地址設(shè)定，若IP地址自動獲取，通過DHCP服務(wù)器分配IP地址；若不為自動獲批，直接設(shè)置靜態(tài)IP地址；再完成Modbus通訊協(xié)議的初始化，進(jìn)行與數(shù)控系統(tǒng)通訊，同時開展模擬量信號采集和輸出控制，自動判斷信號種類，調(diào)用相應(yīng)外圍電路處理。數(shù)據(jù)通信過程流程圖如下圖8所示。

在主模塊主程序中，首先定義主循環(huán)的使能變量為White_Poll，串口波特率UlBaudRate為9600，工作模式為work_mode，完成各項參數(shù)的基本設(shè)定；接著初始化MODBUS寄存器初始值，初始化延時函數(shù)，并調(diào)用SPI相關(guān)函數(shù)reg_wizchip_cbfunc進(jìn)行注冊。

其部分偽代碼如下:

GetLockCode()//獲取加密序列

Modbus_Reg_Control()//初始化Modbus寄存器

Delay_inti()//初始化延時函數(shù)

TIM4_Int_inti(9，7199)//提供時鐘 1ms

Digital_In_init()//開關(guān)量輸入初始化

ADS8341_Init()//w5500初始化及函數(shù)注冊

Reg_wizchip_cbfunc()//調(diào)用SPI相關(guān)函數(shù)注冊

Network_init()//網(wǎng)絡(luò)初始化

EXTI_DOG_Init()//外部看門狗初始化，溢出時間為1.6s

Modbus_tcps(502，usRegHoldingBuf_temp[106])//端口 502 的 TCP服務(wù)器

Modbus_Reg_Save()//Modbus寄存器保存

3 采集系統(tǒng)測試與驗證

3.1 信息采集及控制單元

基于LabView開發(fā)了上位機(jī)測試系統(tǒng)，其通過網(wǎng)線直接與采集系統(tǒng)連接，其電流與電壓信號采集實例如圖9所示。

基于華中8型數(shù)控系，開展了短電弧數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中水、氣的壓力和流量，以及溫度的采集和控制。在測試分析前，華中數(shù)控內(nèi)核移植了 TCP MODBUS協(xié)議，設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)IP地址及端口號，其可實現(xiàn)采集模塊各通道數(shù)值讀取，完成預(yù)定動作。

4 結(jié)語

針對數(shù)控系統(tǒng)的多源信息采集，提出了包括主模塊、溫度采集模塊、調(diào)解電路的采集系統(tǒng)架構(gòu)，其具有良好擴(kuò)展性和可靠性；接著進(jìn)行了主模塊硬件電路、軟件功能設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)與主模塊之間的Modbus tcp協(xié)議連接，以及主模塊與溫度采集模塊之間的Modbus tcp協(xié)議；最后進(jìn)行了采集系統(tǒng)的性能測試與功能驗證，測試結(jié)果表明:該采集系統(tǒng)可完成多路模擬信號的輸入、輸出，與數(shù)控系統(tǒng)之間的通信交互穩(wěn)定可靠，滿足了機(jī)床的外部信息采集要求，適用于智慧車間的機(jī)床大數(shù)據(jù)采集。

.知識窗.

自動潤滑軸承(self-lubricating bearing)一種粉末金屬的滑動軸承，具有包含潤滑劑的多孔結(jié)構(gòu)，在軸承與軸的表面進(jìn)行相對運(yùn)動的期間，潤滑劑能逐漸釋放出來，對軸進(jìn)行潤滑。