摘要：復(fù)雜工況對于高速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)定檢測參數(shù)閥值，通過檢測數(shù)據(jù)預(yù)期對比來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)硬件以及開發(fā)了ＰＬＣ軟件程序，另外對傳感器選型進(jìn)行了說明，并且完成多傳感器與８４０Ｄ／８２８Ｄ數(shù)控系統(tǒng)的無縫銜接。最后通過實(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。

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)楦咚伲茫危脵C(jī)床加工的過程具有柔性化及動(dòng)態(tài)化等特點(diǎn)，所以加工過程及其運(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)國家還有很大的距離［４－５］。實(shí)際生產(chǎn)過程中，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，這些都離不開加工過程監(jiān)測技術(shù)。對加工裝備和加工過程的監(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)加工裝備和加工過程的感知和控制功能。

機(jī)床和加工過程的監(jiān)控技術(shù)是獲取信息、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的途徑，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，只有對機(jī)床、刀具和加工過程進(jìn)行監(jiān)測，才能獲知設(shè)備和過程狀態(tài)信息，從而據(jù)此進(jìn)行智能優(yōu)化控制，所以說先進(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)，對復(fù)雜工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對加工質(zhì)量進(jìn)行全程的控制和評測。

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)工藝流程見圖１，在加工開始之前，利用虛擬測試過程實(shí)現(xiàn)每一項(xiàng)代表性工況的檢測工作并將其特性保存至數(shù)據(jù)庫，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)過程，針對如碰撞、刀具破損、崩刃、超載及顫振等突發(fā)性事故完成實(shí)時(shí)檢測甄別，然后動(dòng)態(tài)檢測刀具的損耗程度以及切削的振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)檢測到刀具損耗時(shí)開啟機(jī)器視覺過程以此來確定其損耗程度，在線檢過程完成主要節(jié)點(diǎn)以及加工結(jié)束的檢測，以此來確保生產(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)對復(fù)雜工況的控制，將測頭及ＣＣＤ看成刀具安設(shè)在對應(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，因此該集成監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅含有對硬件的集成而且還有對軟件的集成。

２、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將檢測到的主軸電機(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福玻福臄?shù)控系統(tǒng)及上位機(jī)，并且通過８４０Ｄ／８２８ＤＨＭＩＲ變量模式可以對保存在２００～２０３范圍內(nèi)的檢測數(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)處理檢測數(shù)據(jù)并實(shí)行對應(yīng)的控制步驟，然后利用上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對檢測數(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６０～９０ｍｓ。

圖２監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

２．４ＰＬＣ開發(fā)程序設(shè)計(jì)

通過ＰＬＣ自動(dòng)控制集成監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，其部分ＰＬＣ開發(fā)程序見圖３。

圖３ＰＬＣ開發(fā)程序

２．５與ＣＮＣ的無縫銜接設(shè)計(jì)

通過運(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個(gè)軟鍵，實(shí)現(xiàn)界面的跳轉(zhuǎn)；第四，設(shè)計(jì)開發(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。通過軟硬件上的集成，完成了監(jiān)控系統(tǒng)與ＣＮＣ的無縫銜接。

３、試驗(yàn)結(jié)果

ＨＴＣ２５５０ｈｓ高速數(shù)控車削中心，數(shù)控系統(tǒng)西門子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)果見表２。對于預(yù)設(shè)的過載、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)測到刀具磨損時(shí)，會(huì)調(diào)用基于機(jī)器視覺的刀具狀態(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)用戶可以很簡單、方便、直觀的運(yùn)用該系統(tǒng)，在很大程度上提高了其對復(fù)雜工況的預(yù)測感知能力以及監(jiān)控能力。