基于TMS320LF2407的数控机床加工过程远程监控系统.pdf

2 0 1 0年 3月 第 3 8卷 第6期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma r ． 2 0l 0 V0 I ． 3 8 No ． 6 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 6 ． 0 2 8 基于 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7的数控机床加工过程远程监控 系统 陈佩江 临沂师范学院工程学院，山东临沂 2 7 6 0 0 5 摘要为了有效地了解数控机床的工作状态，提出一种基于 D S P处理器 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7的加工过程监控系统。根据功 能将数控机床加工过程监控系统分为 3个组成部分，即数据采集单元 、信号处理单元和故障诊断与监控中心，重点探讨数 据采集、信号分析单元的实现方法。该系统结构简单、性能稳定 、具有较好的可扩展性，可对数控机床的加工过程进行实 时监视，及时发现故障并进行维修，实现数控机床的远程监控和集中管理。 关键词数控机床；加工过程；远程监控；T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 中图分类号T P 3 9 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 6 0 8 0 2 Re mo t e M o n i t o r i ng S y s t e m f o r CNC M a c h i ning Pr o c e s s Ba s e d o n TM S 3 2 O LF2 4 O 7 C HE N P e i j i a n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ，L i n y i N o r m a l U n i v e r s i t y ，L i n y i S h a n d o n g 2 7 6 0 0 5 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e wo r k i n g s t a t e o f t h e C NC ma c h i n e t o o l s ， a ma c h i n i n g p r o c e s s r e mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n DS P p r o c e s s o r T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 w a s p r o p o s e d ． Ac c o r d i n g t o i t s f u n c t i o n， t h e r e mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r CN C ma c h i n i n g p r o c e s s wa s d i v i d e d i n t o t h r e e c o mp o n e n t s d a t a c o l l e c t i o n mo d u l e，s i g n a l a n a l y s i s mo d u l e ， f a u l t d i a g n o s e a n d c o n t r o l mo d u l e ． T h e i mp l e me n t a t i o n me t h o d s o f t h e d a t a c o l l e c t i o n mo d u l e an d s i gn a l a n aly s i s mo d u l e w e r e d i s c u s s e d ． T h e s y s t e m h a s s i mp l e s t r u c t u r e， s t a b l e p e r f o r ma n c e a n d g o o d s e ala b i l i t y， a n d i t c a n r e a l t i me mo n i t o r t h e ma c h i n i n g p r o c e s s o f t h e C NC ma c h i n e t o o l s ，fi n d a n d r e p a i r t h e f a u l t s t i me l y ． T h e r e mo t e mo n i t o r i n g a n d c e n t r a l i z e d ma n a g e me n t o f t h e CN C ma c h i n e t o o l s a r e i mp l e me n t e d ． Ke y wo r d s C NC ma c h i n e t o o l ； Ma c h i n i n g p r o c e s s ；Re mo t e mo n i t o r i n g ； T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 随着计算机、通信和网络技术的迅速发展，制造 系统正向柔性化、智能化、网络化方向发展。数控机 床作为制造系统的核心装备，其复杂程度和智能化程 度不断提高，极大地提高了生产力。然而其结构的复 杂性也给系统的可靠性 、安全性 、可用性、经济性等 方面带来了一 系列难题 ，系统发生故障或失效 的潜在 可能性也越来越大。为了有效地管理数控机床，对其 故障进行诊断，实现其网络化远程监控和操作就变得 非常重要 ，甚 至成为制造业 发展 的重要趋势⋯。 远程监控是信息网络与控制网络的有机结合 ，通 过现场控制 网络 、企业 内部 网和 I n t e r n e t ，把分布 于 各地的控制设备或控制系统互联起来，实现控制设备 问的远程信息交互，完成远程监测与控制等任务。数 控机床加工过程的远程监控系统是指将实时监测技术 引入到数据机床的监测和控制中，在相应的硬件平台 和软件系统的支持下 ，使传统的测试和控制设备转变 为以T C P ／ I P为底层通信协议、基于] n t e r n e t 的网络监 控设备 。 作者从工程应用的角度出发，设计了一种以 D S P 处理器为核心的数控机床加工过程远程监控系统，并 根 据 系 统 各 部 厂 厂 厂 --“ 3茎 I I g I I l l l I 、 1 分 为 三 部 分 数 据 L二 】 采 U 处 l l I 结构 如图 1 所示 。 图 1 数控机床远程监控系统结构 收稿 日期 2 0 0 9 0 21 7 作者简介陈佩江 1 9 7 7 一 ，男，硕士，讲师，主要研究方向为液压传动，远程监控。电话1 3 6 8 5 3 9 7 0 0 6 ，Em a i l c h e n p e i j i a n g 1 6 3 ． c o rn。 第 6期 陈佩江 基于 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7的数控机床加工过程远程监控系统 8 l 组成。传感器检测数控机床加工过程的特征信号， 并将信号送至信号调理电路进行放大和变换，然后经 A ／ D转换将处理过的信号传递到 D S P处理器。 1 ． 2 信号处理单元 该单元是系统的核心部分 ，其功能主要有 ． 1 定时接收数控机床的各种信息，并存人数 据库 。 2 对接收到的监控信息进行分析 、处理。 3 根据分析结果，对数控机床运行状态做出 评估。 4 针对不同的机床状态，系统执行相应的操 作在机床运行正常时，只保存当前数据 ；如偏离正 常功能，则发出警告 ，并提出对机床参数的修改意 见。当功能失效时，则需要提示操作者停机检查，并 将检查结果进行登记，便于以后查询。 1 ． 3 故障诊断与监控 中心 该中心由数据传输模块 、专家系统模块、专家会 诊模块 、用户管理模块组成。由用户发出的机床监控 信息经数据传输模块传送到专家系统进行推理判断得 出诊断结果，如果故障较复杂，专家系统不能归纳出 结果 ，就要通过专家会诊模块，预约专家进行人工诊 断，然后再将诊断结果经数据传输模块送出。与此同 时，传送到该中心的数据经整理后保存到专家系统的 数据库。用户管理模块既负责整个 系统的用户注册、 用户验证等工作，又负责通知调派维修人员上 门维 修，并提供维修用具的清单。 2 数控机床 j u - r 过程信息的采集 由于系统要采集几百路信号 ，任务繁重，该系统 采 用 美 国 T I公 司 的 高 性 能 D S P 控 制 芯 片 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7来完成监控数据的采集与处理 。 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7是定点 D S P芯片，采用 3 ． 3 V低 压电源，功耗小，每秒可执行 41 0 条指令，指令 执行周期缩短到2 5 B S ，实时采集性能很好， I ／ O端 口 数 目较多，使用很简单的电路就可以采集几百路的数 据信号，片上 l 6通道 1 0位 A ／ D转换器 ，转换时间 只有 5 0 0 n s 。芯片内部集成有存储器和外设，能够减 少系统成本，提高系统的可靠性。 数据采集单元 由模拟信号采集 和数字信号采集两 个模块组成 。 2 ． 1 模拟信号的采集 数控机床的模拟信号主要包括 数控机床主轴的 控制电压 、机床电源芯片输出信号以及机床的温度 等M 。由传感器输出的模拟信号经过滤波和增益电阻 输入运算放大器，之后再次滤波，就可以送入 D S P 的 A ／ D转换器 。模拟 信号采集及预处理的原理 如图 2 所示 。 A， D 转换 器 图2 模拟信号采集及预处理 2 ． 2 数字信号的采集 数控机床的数字信号采集主要是由 D S P芯片 l f O 口与数字采集电路连接来完成。由于 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 芯片的 C O MS电平为 3 V，当数字量信号电压过高 时，需要先进行分压后才能与 D S P相连。所以，该 模块需要使用高阻抗分压以匹配电平 ，截取信号送入 运算放大器，再交给 D S P芯片。同时为不影响 P L C 和机床伺服驱动单元之间正常的信号传递工作，应尽 量减少所截取信号的电流。运算放大器正常工作所需 的信号很小 ，只需要几十个微安的电流，基本不影响 数控机床的正常工作 。 为减少数 据采集 单元的故障对数控机 床造 成 的 影 响 ，避 免 造成 重大的损失，可 采用运算放大器来实 现 两 部 分 间 的电 气 隔 离。数字信 号的预处 理 及 电气 隔 离 的结 构 如图 3 所示 。 图 3 信号预处理和电气隔离 3 数控机床监控信号的处理 3 ． 1 信号处理单元结构 在预处理后得到的信号进入 D S P之前 ，要把信 号转换成 D S P所能够接受的3 ． 3 V电平，可利用电平 转换芯片 7 4 A L V C 1 6 2 4 5来实现这种功能，同时也能 够解决读取信号的选择问题。D S P的 1 6个 l f O端口 作为预处理以后信号的输人口，选择其他的 I ／ O口作 为 7 4 A L V c 1 6 2 4 5的片选信号，决定读人哪 6路的信 号 。通过片选扫描 ，就可以依次读人所有要采集的 信号。信号处理单元结构如图 4 所示。 预 处理后 预处理后 预处理后 的信号 的信号 ⋯⋯ 的信号 图4 数控机床监控信号处理单元 下转第8 8页 8 8 机床与液压 第 3 8卷 6 0 0 0记录、1 8 0 0 0记录。结果如表 1 、2所示。 表 1 Wi n d o w s 2 0 0 3测试平均速度 表 2 L i n u x 测试平均速度 可见在大数据流量下 L i n u x 有 明显 的优势 。 5 虚拟数控应用设计的建议 设计时有几个难点 ，G C C的 I D E界面编辑功能 较麻烦，L i n u x内核编程的难度较高，除了各种数学 模型构建难度较大外 ，其他 资料十分容易收集。建议 设计时使用标准 C ／ C 库，用标准的数据类型，留 好编译宏开关 ，充分考虑将来 U n i c o d e的转换问题， 或者干脆用 A C E 。自适配通信环境 A C E A d a p t i v e C o m m u n i c a t i o n E n v i r o n m e n t 是可 自由使用、开放源 码的面向对象框架 ，它实现了许多用于并发通信软件 的核心模式。A C E提供了一组丰富的可重用 c包 装外观和框架组件，可跨多种平台完成通用的通信软 件任务 ，其中包括 事件多路分离和事件处理器分 派、信号处理、服务初始化、进程间通信、共享内存 管理、消息路由、分布式服务动态配置、并发执行和 同步。这样可以很方便进行跨平台移植。 6 结束语 L i n u x 是个开源 的服务器操作系统，其稳定性、 安全性、可扩展性远在 Wi n d o w s 平台之上。它支持多 种网络协议 ，可以很轻易地支持大数据流量的访问， 十分适合构 成局 域 网或者校 园 网 内虚 拟数 控系 统平 台。L i n u x 对很多人和公司来说是一块免费的大蛋糕 注R E D H A T L i n u x非 免 费，大家 可 以用 考 虑 U b u n t u资源多且完全免费 ，其应用范围已经扩展到 工控机 、个人电脑 、P D A、手机。开发虚 拟数控 系统 花在软件知识产权方面的成本极低 ，没有在 w i n d o w s 平台下开发的各种知识产权障碍。但 L i n u x 并非没有 缺点 ， 1 入 门难 度大 ； 2 使 用跟 大家熟 悉 的 Wi n d o w s X P完全不一样 ； 3 不同公司的 L i n u x 相 互资源无法通用 ，缺少通用标准，每个公司各搞各的 标准 。 参考文献 【 1 】 We h r l e K l a u s ， P a h l k e F r a n k ． L i n u x 网络体系结构[ M ] ． 北 京 清华大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】周德祖 ， 陈幼平． 虚拟现实与虚拟制造[ M] ． 武汉 湖北 科学技术出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 】刘世卿， 尤涛， 李西琴 ， 等． 基于 wi n d o w s N T实时扩展的 虚拟数控系统支撑环境研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 3 4 7 ． 上接 第8 1页 3 ． 2 软件实现 在程序 的实现方 面，可采用 D S P的 P C D A T D I R 和 P E D A T D I R端 口读取数据，将P F D A T D I R作为片选 输出端 口。下面给出了读取 1 6路数据送入存放数据 的数组 s d a t a [ ] 的源程序。 v o i d r e a d d a t a u n s i g n e d i n t fl a g { u n s i g ne d i n t n umb e r ， d a t a p o r t ， i ； n u lT l b e ／ “ 1 6I f l a g 一1 1 ； d a t a _p o r t P C D A T D I R 0 x O O ff ； d a t a p o r t-4- P E D A T D I R 0 x O 0 ff 1 ； } 4 结束语 数控机床加工过程远程 监控 系统是当前制造业市 场的需求 ，是保证自动化加工顺利进行、降低生产成 本 、提高产品质量、阻止并预防加工过程出现故障的 有力保障。该系统结构简单、程序编写方便、数据采 集速度快 、性能稳定 、具有较好 的可扩展性 ，可对数 控机床的加工过程进行实时监视，及时发现故障并进 行维修，并没有对机床本身的运行产生不 良影响，可 实现数控机床的监控和集中管理，非常适合于在数控 机床广泛应用的大、中型企业中使用。 参考文献 【 1 】鲁方霞， 邓朝晖． 数控机床的发展趋势及国内发展现状 [ J ] ． 工具技术， 2 0 0 6 ， 4 0 3 4 4 4 8 ． 【 2 】 杜道山， 李从心． E R P系统中基于 D S P的数控机床实时 监测系统设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 1 1 1 2 41 2 6 ． 【 3 】李黎辉 ， 刘会霞， 王霄谢． 基于 We b 的开放式数控机床 网络远程监控系统开发 [ J ] ． 制造 技术与机床， 2 0 0 8 3 1 01 2 ． 【 4 】卢艳军． 数据机床状态监测系统 的研究[ J ] ． 制造业 自 动化， 2 0 0 8 ， 3 0 8 3 43 6 ． 【 5 】Wa n g L i h u i ， Q r b a n P ， C u n n i n g h a m A ． R e m o t e r e a l t i m e C N C ma c h i n i n g f o r We b b a s e d O n m a n u f a c t u r i n g [ J ] ． R o - b o t i c s a n d C o mp u t e r I n t e g r a t e d Man u f a c t u r i n g ， 2 0 0 4， 2 0 6 5 6 35 7 1 ． 【 6 】 罗永顺， 吴运新， 曾伟民． 基于 D S P的数控机床的远程 故障诊断系统的研究[ J ] ． 机电工程技术， 2 0 0 5 ， 3 4 4 3 7 ～3 9．