基于嵌入式系统的数控机床信息采集与监测技术的研究.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8 卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 8 ． 0 3 3 基于嵌人式系统的数控机床信息采集与监测技术的研究 王姣 ，宫政 大连交通大学软件学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 8 摘要针对国内很多传统老式数控机床不能直接进行数据采集和状态监测的缺陷，设计一个基于 A R M微处理器和嵌 入式 L i n u x系统的嵌入式平台，实现对老式数控机床的信息采集和状态监测，并阐述利用该嵌入式平台进行信息采集和状 态监测的具体方法。 关键词嵌入式系统；数控机床 ；信息采集；状态监测 中图分类号 T P 2 7 4 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 8 0 9 0 3 Re s e a r c h O i l I nf o r ma t i o n Co l l e c t i o n a n d S t a t e M o n i t o r i ng o f NC M a c h i ne To o l Ba s e d o n Embe d de d S y s t e m WAN G J i a o ．GONG Z h e n g C o l l e g e o f S o f t w a r e ，D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 8 ，C h i n a Ab s t r a c t Da t a c o l l e c t i o n a n d s t a t e mo n i t o ri n g c a n n o t b e d i r e c t l y t a k e n o n ma n y t r a d i t i o n a l o l d f a s h i o n e d NC ma c h i n e t o o l s i n d o me s t i c ． To o v e r c o me t hi s d e e t ，a n e mbe d d e d pl a tfo r m b a s e d o n ARM mi c r o p r o c e s s o r a n d emb e d de d s y s t e m Li n u x wa s d e s i g ne d t o i mp l e me n t i n f o rm a t i o n c o l l e c t i o n an d s t a t e mo n i t o ring O n o l d CNC ma c h i n e t o o l s ． T he me t h o ds o f i n f o rm a t i o n c o l l e c t i o n an d s t a t e mo n i t o ti n g we r e d e s c ri b e d u s i n g t h e e mb e d d e d p l a tf o rm ． Ke y wo r d s Emb e d d e d s y s t e m ； N C ma c h i n e t o o l ；I nfo rm a t i o n c o l l e c t i o n ； S t a t e mo n i t o ri n g 随着集成制造技术的不断发展 ，数控机床越来越 朝着高速度、高智能、多功能、网络化的方 向发展， 传统老式数控机床已不能满足网络化、智能化的生产 要求。目前国内大多数企业 中，老式数控机床占很大 比重 ，更新换代有一定的困难。随着嵌入式技术的 日 益成熟，其具有成本低、体积小、高集成度、高可靠 性 的优点 ，用基于 A R M 处理器 的嵌 入式 系统模块 与 老式数控机床相结合，能够实现对老式数控机床的集 中控制和管理 、信息采集 和状态监测等操作 ，这对提 高生产效率和经济效 益 、充分 利用资源和加快企业信 息化、自动化发展有着重要的现实意义。 要实现数控机床制造过程中的自动化和智能化控 制，除了与系统控制和管理等技术相关，数控机床加 工过程 中的状态监测 也至关 重要 。数控机床设 备的运 行状况以及刀具的磨损状况直接影响数控机床的加工 精度、加工工件质量以及加工安全问题，这是关系到 企业生存与发展的头等大事。因此对数控机床加工设 备的状态监测 ，是生产高质量、高精度的产品、提高 生产效率与保障生产安全的重要保证。对数控机床状 态信息的采集 和处理是状态监测 的基础 ，所以采用有 效的信息采集技术、方法，充分、实时、准确地获得 制造过程中设备的各类状态信息是设备加工过程中状 态监测 的重 中之重。 1 状态监测系统的构架和信息采集方法 1 ． 1 系统硬件 平 台的设计 嵌入式系统模块的核心为 A R M 9 微处理器 ，其他 外围的器件包括传感器、放大器、滤波器和 A ／ D转 换器 。A R M9 微处理器具有丰 富的外 围接 口，强 大的 运算和控制功能，而且还有高性能和低功耗等特点， 完全可以满足数控机床信息采集和数据的处理工作， 进而实现对数控机床进行智能化控制 、管理 以及加工 过 程中的设备状态监测 。 1 ． 2 系统 软件 平 台的设 计 嵌入式 系统模块 的软件平 台采用嵌入式 L i n u x作 为操 作系统 。L i n u x 系统在 嵌入式 领域 的应 用相 当广 泛 ，它是一个 多用 户 、多任务 的操 作 系统 ，具 有 可 靠、稳定和高效等特点，且开放源码，便于内核裁剪 和移植 。虽然嵌入式 L i n u x 系统 的实时性较 弱 ，但 可 以通过软件方式添加实时模块，能够满足数控系统的 多任务 和实时性的要求 。基于嵌入式 L i n u x系统 的嵌 入式模块主要负责信息采集、数据分析处理以及与上 位机实时传输数据等功能的实现。监测系统结构图如 图 1所示。 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 3 l 作者简介王姣 1 9 7 0 一 ，女，硕士，副教授，主要研究领域为机电一体化控制，嵌入式系统。电话0 4 1 18 8 2 2 2 0 8 2 ， E ma i l wi n g g e l 1 63 ．c o m 。 第 8 期 王姣 等基于嵌入式系统的数控机床信息采集与监测技术的研究 ‘ 9 1 羹 『 I 篓 『1 N c 机床f 入 式 Li n ux 图 I 监测系统结构图 I ． 3 数 控机床 的信 息 采集 方法 针对数控机床的信息采集，主要分为刀具状态信 息和加工设备运行状况信息。数控机床的刀具状态信 息一般采用传感器技术采集。传感器可将数控机床加 工过程中的诸多物理量转换为电信号，对这些电信号 进行分析可以获得设备加工过程的状态信息。例如采 用加速度传感器采集数控机床刀具的振动信号，通过 对刀具振动信号的分析来判断刀具的磨损或是破损状 况 。 利用 宏程序外部输 出指令采集数控机床加工过程 中的设备运行状况信息。由于大部分的老式数控机床 只具备 R S 2 3 2串 口，因此 可 以在数 控 机床 的 控制 程 序里加入特定 的宏程序指令 ，在数控程序的运行过程 中返回数控机床运行的一些状态信息，如机床坐标、 程序名称 、加工开始 、结束 、主轴转速 、进 给速度 等 信息 ，并通过 R S 2 3 2接 口传给嵌入式模块达到信息 采集 的 目的。 1 ． 4数控 机床 的状 态监 测方 法 数控机床状态监 测是指 对数控 机床加 工过程 中的 某些工作状态信息进 行采集 ，通过嵌入式平 台对采集 到的信 息进行分析 和处理 ，提取 出状态特征值 ，同时 根据采集 到的信息 的相关参数建立一种识别模式 ，通 过将特 征参数 与正常值进行 比较 ，从而掌握数控机床 的实际工作状态，了解设备工作是否正常合理，同时 为故障诊断和预测提供依据。 2 数控机床信息采集的具体实现 2 ． 1 利用传感器的信 息采集方法 数控机床在铣 削过程 中 ，铣刀 、刀柄 和主轴部分 可看作是悬臂梁结构 。在切 削力的作用下悬臂产生弯 曲 ，当弯曲所产生 的最大变形能等于 回到原位的动能 时，悬臂梁产生简谐振动，其频率即为铣刀的固有频 率 。当刀具状态发生变化时 ，如磨损 或破损 ，会直接 影响加工过程的动态特性，引起激振频率及幅值的变 化，因此，通过检测刀具的振动信号能够了解刀具的 状态。振动信号突出特点是频响范围宽，对切削过程 中的异常敏感 ，受环境条件 限制较少 ，检测装置 比较 简单，安装灵活，调整方便，在生产条件下容易实 现。 工程振动量 的物理参数常用位移 、速度和加速度 来表示 。由于在通常的频 率范围内振 动位移 幅值 量很 小 ，且位移 、速度 和加速度之 间都 可相互转换 ，所 以 在 实际应 用中一 般用加速 度 的值 度量振 动量 的大小 。 检测数控机床的刀具振动信号一般采用加速度传感 器 ，其他 外围器件 还包括 放大 器 、低通滤 波器 和 A ／ D转换器 ，在采集之前要设置好采样频 率 、采样长度 等参数。首先将传感器产生的微弱的电荷信号传送到 电荷放大器进行电荷放大并转换成电压，然后经过低 通滤波器 由于振动信号属于低频信号，低通滤波 器的作用是消除过高频率的干扰信号 ，再由 A ／ D转 换器将模拟信号转换成计算机能采集、分析和处理的 数字信号。采集到的数字信号进入嵌入式模块的缓冲 区等待进一步分析和处理。工作流程图如图 2 所示。 图2 刀具状态信息采集流程图 2 ． 2 宏程序外部输 出指令的信 息采集方法 所谓宏程序是指为 了完成某一功 能而用特殊指令 编辑的一组程序⋯。用户宏程序由于允许使用变量算 术 和逻辑运算及条件转移 ，使得编制 同样 的加工程序 更简 单 、更 灵 活。除 了标 准 的 用 户 宏 命 令 外， F A N U C系统 还提 供 一些 指 令 被称 作 外 部输 出指 令 ， 如 P O P E N 、B P R N T ／ D P R N T 、P C L O S等 ，使用 这些 指 令可以获取数控机床加工状态的相关数据。 开始命令 P O P E N。执 行 数据 输 出命 令之 前 ，建 立系统与外部 I ／ O连接 。 数据输出命令 B P R N T或 D P R N T 。指定需要输出 的数据 ，包括系统地址 、字符 、其他任何数值。 结束命令 P C L O S 。在所有数据输出命令完成之 后 ，指定这个命令，中断外部 I ／ O设备 ] 。 要获得数控机床加工状态的信息，需要在数控程 序的指定位置加入上述外部输出指令，当数控机床执 行到这些指令时 ，数控机床就会 向串 口返 回当前状态 信息。以一段数控程序为例 0 0 0 01 GO 0 GOl X2 F1 ． 0 S 8 0 0 Z1 0 M3 O 如果要采集数控程序的程序号、加工开始 日期和 时间，则应该将数控程序修改为带外部输出指令的数 控程序 O 0 0 0l P0PEN D P R N T [ C 4 1 1 5 [ 4 0 ] 3 0 1 1 [ 8 0 ] 3 0 1 2 [ 6 0 ] ] PC LOS Gg 0 G O1 X2 F1 ． 0 8 0 0 1 0 机 v上 企业母域网 9 2 机床与液压 第 3 8卷 M3O 当数控系统运行到此程序时 ，会 自动 的向系统反 馈实时数据 ，例如返 回 0 0 0 0 1 2 0 0 9 0 3 1 5 1 7 0 2 2 0 表示数控程序 0 0 0 0 1 在 2 0 0 9年 3月 1 5日 1 7点 O 2分 2 0秒开始加工 。同样还 可 以通过添 加其 他变量 得 到 诸如主轴转速、主轴给进速率 、当前刀具号等状态信 息 。工作流程 图如 图 3所示 。 婺 萋 荟 H 星 蚕 彝 星 程序 I I序 l l序 l I⋯～ 图 3 外部输出命令信息采集流程图 3 嵌入式数控系统监测功能的实现 嵌入式数控系统监测功能的实现是建立在信息采 集以及对信息准确地 、实 时地分析 和处理 的基础 上。 由于传感器检 测 到的原 始数 据很 难直 接用 于状 态识 别 ，需要通过特征分析找 出能够直接反映数控设备状 态变化的特征量才能进一 步实现设备 的状态监测。一 般的设备状态监测 系统 除了包括信息采集外 ，还包括 特征提取和状态识别这两个 主要方面 。监测系统的基 本组成如图 4所示 。 传 监 感 信 时域 分析 特 状 测 _ 器 号 频域 分 柝 征 ． ． ． ． j ＼ 模 式识 别 态 对 信 _ _ 处 1 ， 时 频分 析 1 ， 提 - _ 1 ， 神经 网络 识 象 号 等 方法 取 等 方法 检 理 别 测 信 号采 集 特 征提 取 状 态 识别 图 4 监测 系统 基本组成 图 特征提取是状态监测 中最关键 、最 核心 、难度最 大 、理论性最强的一个环节。特征提取是对监测信号 进行进一步加工处理 ，从 大量信 号中提取 出与加工状 态变化相关 的参数 ，一方 面在 于提 高信号 的信 噪 比， 提高 系统 的抗干扰能力 ；另一方 面可 以减少后期数据 的处理量 ，提高运 算速度 。提取 的特征参数的品质对 监测 系统 的性能和可靠性具有重要的影 响。特征选择 的好 与坏也直接影响模式识别或模 型的准确性 ，对识 别 的结果有很大影响 ，也是监测 系统设计成功 的一个 重要因素。通过对信号的处理提取出与刀具磨损状态 密切相关的特征是一个关 键。 目前采用 的特征提取的 主要方法有统计分析法 均值、幅值、方差等 ； 时域分析法 差分 、滤波、相关系数等 ；频域分析 法 F f Y I ’ 、功率谱 、谱 能量等 ，以及 近年 来新 兴 的 时频分析法 短时 F F T 、维格尔 分布 、小波分 析等 等 。 提取特征之后 ，需要根据特征提取结果来分析和 判断设备系统的运 行状态 ，其实质就是状态识别 。状 态识 别主要 通过建立信号特征和监测对象之 间的数学 模型 ，根据特征提取所获得 的特征参数 对加工过程的 状态进行分类判 断。该过程的关键是模 型的建立 ，当 前建模 的方 法主要有统计方法 、模式识别 、模糊推理 判断 、专家 系统和神经网络等 J 。 4结语 由于一些传统老式数控机床不具备数据采集和状 态监测能力，在很大程度上降低了生产效率，不利于 企业信息化和工业 自动化 的进一步发展 。作者提 出了 用基于高性能 A R M微处理 器 的嵌入式 系统模块 辅助 数控机床进行信息采集 和状态监测 ，论述了针对刀具 状态信息采集和数控机床加工过程中的设备状态信息 采集两种信息采集方法 ，在总体上论述了一个完整监 测系统的基本组成 和相关理论 、技术。在 当前条件下 可以满足企业信息化 、自动化的生产要求 ，具有一定 的实际价值 。 参考文献 【 1 】孙德茂． 数控机床车削加工直接编程技术[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】卢艳军． 数控机床状态监测系统的研究[ J ] ． 制造业 自 动化 ， 2 0 0 8 8 3 43 6 ． 【 3 】王毅栋， 楼佩煌， 范兴柱． D N C信息采集系统研究 与开 发 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 2 1 4 3 4 5 ． 【 4 】高振清， 孙厚芳， 沈卓． 串行通信机床信息采集与远程监 测技术研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 4 9 2 9 7 ． 【 5 】陈国金， 王召鹏． 数控设备数据采集方法研究[ J ] ． 机电 工 程 ， 2 0 0 5 9 2 93 2 ． 上接 第 3 4页 以通过系统到服务器上进行下载或者在线浏览。 文件管理 中的专 用后 处 理文件 ，指的是 M a s t e r - C A M 9 ． 0的后置处理器 ，由企业针 对每个机床定 制而 成。它们是 由企业 内部员工 在 M a s t e r C A M 9 ． 0中选 择 通用后处理 M P F A N ． P S T ，然后 针对企 业 中特定 的数 控系统和数控机床所需要 的 N C文件格式对它进 行修 改最终形成。 4结 束语 作者给出了网络化数控设备资源共享 系统设计方 案和功能框架。随着 网络化制造技术 的发展 ，网络化 数控设备资源共享系统必将得到广泛的应用。 参考文献 【 1 】范玉顺 ， 刘飞， 祁国宁， 等． 网络化制造系统及其应用实 践[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】 杨兴伟． 网络化制造设备资源信息共享系统运行模式与 支持技术的研究 [ D] ． 重庆 重庆大学 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】王淑营， 殷成风 ， 赵慧娟 ， 等． 软件资源共享及其在网络 化制造系统中的应用[ J ] ． 计算机集成制造系统， 2 0 0 3 ， 9 7 6 0 86 1 2 ．