WSN在数控机床群与换刀机器人中的应用研究.pdf

机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 2年 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 1 0 0 5 4 0 3 WS N在数控机床群与换刀机器人中的应用研究 陈祖 爵王 君顾寄南 江苏大学 计算机科学与通信工程学院 ， 镇江 2 1 2 0 1 3 S t u d y o n W SN a p p l i c a t i on i n n u me r i c a l c o n t r o l ma c h i n e t o o l g r o u p a n d t o ol c h a n gi n g r o b o t C HE N Z u - j u e ， WA N G J u n ， G U J i - n a n D e ． a r t m e n t o f C o mp u t e r S c i e n c e a n d T e l e c o m m u n i c a t i o n s E n g i n e e r i n g o f J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a l 【 摘要】 为了实 现换刀 机器人与数控机床群的 信息交换， 研制了 一个无线传感器网 络。每台 数 }控机床和换刀机器人都安装了一个传感器节点， 数控机床传感器节点动态感知和采集数控机床的加工 l状态和换刀信息， 并传输给换刀机器人的汇聚节点。 换刀机器人一旦接收到换刀指令， 立即执行数控机 ； ；床的换刀任务， 并将数控机床群感知采集的加工状态和换刀信息， 通过 G P R S 传输到数控机床群远程 i }控制 中心， 实现数控机床群远程实时监控。 l 关键词 无线传感器网络； Z ig B e e ； 数控机床； 串口 通信 { ； 【 A b str a c t 】 ／n o rd e r to re alize inf o rm atio n ex c h an ge b etw e e n to o l ch an g in g rob o t an d th e C N C 肌 2 l 聊 。 l g ro up ，Ⅱ f e s s 靶 。 r n e w o rk h a s b e e n 如 e lop e e a s e n s o r n 。 d e n e d at e a c h n 一 { l m e r ic al ly - c o n t r o l l e d m a c h i n e t o o l a n d t o o l c h a n gi n g r o b o t ， w h ic h w il l p e r c e iv e i n d y n a m i c and g a t h e r m a -； ；c h i n i n g s t at u s of C N C m a c h i n e to o l and to o l c h angi n g i n f o r m a t i o n ， a n d t r ans m i t t h e m t o t h e c o l le c t i n g n o d e i } 。 t t o o l c h a n gi n g r o b o t ．O n c e th e r o b o t r e c e i v e s th e c o m m a l t d f o r c h an gi n g t o o l, t o o l c h an gi n g w i l l b e{ l d o n e i m med i a t e ly ．M e a n w h il e t h e m a c h i n i n g s t at u s an d t o o l c h an gi n g in f o r m a t i o n p e r c e i v e d and g at h e r e d b y； ；f 胁 C N C m a c h i n e i s t r a n s f e r r e d t o r e m o t e c o n t r o l c e n t e r of t h e C N C m ach i n e t o o l s t h r o u g h G P R S ， t h us i } l o n g - d i s t a n c e r e al - t i m e m o n i t o r i n g f o r C N C m a c h i n e t o o l s i s r e al iz e d ． { 一 一 l K e y w o r d s Wi r e le s s s e n s o r n e t w o r k ； Z i g B e e ； C N C ma c h i n e t o o l ； S e r i a l c o mmu n i c a t i o n 中图分类号 T H1 6 ， T N 9 2 5 文献标识码 A 1 引言 2 0世纪 9 0年代以来 ， 随着网络技术和通讯技术的发展 ， D N C的功能不断扩大， 除了基本的 N C程序和有关数据双向传 输外， 还具有系统状态采集和远程监控等功能， 目前应用最广的 就是使用各种 D N C软件对数控机床进行联网。如 某公司的旗舰 产品P r e d a t o r D N C， 某公司的软件 D N CM A X， P o w e r D N C 。 常见 的网络化远程数控系统主要有以下 3 种联网方式Ⅲ 1 数控系统通过一个串口转接口将数控机床转接入局域网， 然后监控计算机一方面通过串口和数控系统通信， 另一方面通过局 域网和其他计算机通信。一些科研 人 员 0 用串口服务器将具备标 准串口的数控设备连人 D N C网络的方案， 实现了对数控机床的分 布式控制和集中管理。 2 以太网技术。 除了在办公自动化领域得到 广泛使用之外， 在工业控制领域也得到了一些应用。 一些科研 人员13 ] 采用Wi n S o c k 网络编程技术开发出了基于 Wi n d o w s 平台的开放式 数控系统网络监控软件。 3 现场总线 F i e l d b u s 。 是一种适用于工 业现场控制的计算机局部网络系统 ， 它通过一条通信电缆将控制 设备与生产现场的智能终端进行连接， 使企业信息的控制一直延 伸到生产现场。 现场总线采用全数字式通信， 具有开放式、 全分布、 可互操作性等特 ， 形成从测控设备到操作控制计算机的全数字通 信网络。 因此研究中小型企业数控车间集成技术与管理是个较为现 实和重要的课题。针对现有的数控加工和联网状况， 设i 卜 个可以 在导轨 匕 来回运动的换刀机器人，采用短距离低速率高可靠性的 Z i g B e e tZ 线通信技术， 设计无线通信节点分别安装在数控机床和 ★来稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 0 9 换刀机器人上， 实现换刀命令以及相关控制信息的传输， 实现单个 机器人对多台数控机床换刀，同时利用机器人节点上装有 G P R s Iq 模块，结合现有的移动网络和 i n t e r n e t 网转发数控车间加工信息， 可以实现随时随地对整个数控车间的远程监控和管理。 2系统方案设计 数控机床 1 数控机床 2 数控机床n 图 1换刀机器人与数控机床群 网络通信系统 整个数控机床群和换刀机器人无线通信系统由三部分组 成 数控机床终端设备节点 ， 换刀机器人汇聚节点， 远程监控中 心。 整个无线通信系统中包含两个通信网络 1 数控机床群节点 与换刀机器人机器人节点的短距离通信网络； 2 换刀机器人节 点与远程监控中心的远程通信网络。 短距离通信网络采用无线传 感器网络通信技术 即Z i g B e e 技术 ， 网络拓扑结构采用最简单 稳定的星形网络拓扑结构； 远程通信网络采用 G P R S 移动网络加 5 6 机 械 设 计 与 制 造 NO ． 1 J a n ． 2 0 1 2 提供的 C o d e b l o c k 8 集成开发环境， 这个软件基于 Z i g B e e 协议栈和 c y g w i n的 g c c编译器进行连接完成代码 的编辑与编译工作。 C o d e b l o c k s 是一款开源 的 C ／ C 开发工具 ， J e n n i c 基于这个工具对 其进行扩展形成了自己的开发平台， C o d e b l o c k s 提供向导生成程序 框架， 再由开发人员继续完成针对具体应用的代码。开发环境提供 了完整的网络协议框架， 减轻了开发者在网络通讯的实现方面的工 作量， 降低了开发难度， 使得开发者能够专注自己的具体应用开发。 4 ． 1无线通信网络软件设计 图 5汇聚节点主程序流程 磊五 硬 件 上 电 初始化终端节点 查询是否存在网络 查找到已存在 的网络 ＼／ Y 否成功加 入网络 ＼ ／ Y 建立连接 二]二二 采集数据 发送数据 N N 图 6终端节点工作流程 无线通信网络软件子系统用来实现对监测数据的采集和处 理， 并进行Z i g B e e 和T C P ／ I P协议的转换， 完成对数据的远程传输。 采用 J e n n i c 公司提供的 C o d e B l o c k s 软件进行编写。汇聚节点程序 流程， 如图 5 所示。系统上电后首先初始化 Z i g B e e 模块 ， 选定一个 P A N I D作为汇聚节点的网络标识， 创建路由表 ， 建立 Z i g B e e网络 并通知其他节点加入。通过发送 A T指令启动 G P R S模块， 设定串 口的通信速率， 建立s o c k e t 连接准备数据通信。初始化完毕后监听 网络， 等候外部事件中断的产生， 并通过判断响应的类型进行相应 的数据转发动作。 终端设备节点程序流程， 如图6 所示。 和汇聚节点 一 样上电后首先初始化Z i g B e e 模块， 然后查询是否存在网络， 查找 到网络 以后请求加入网络 ，并接受汇聚节点为 自己分配的短地址 ， 这样可 以与数控机床绑定， 届时根据终端设备节点短地址机器人就 知道是哪台机床需要换刀， 加入网络以后， 终端节点一方面将通过 串口获取机床力 r I S E 信息，判断是否需要换刀进而发送换刀命令， 另 一 方面将本身传感器节点所采集的数据顶周期的发送到汇聚节点， 最终供数控机床远程监控中心调用。 4 ． 2监控中心管理软件设计 监控 中心软件用来实现接收和发送基于 T C P协议 的 I P数 据包， 以实现 G P R S 终端的 I P协议通信， 其功能如图7所示。软 件利用 V i s u a l C 6 ． 0提供的c a s y n c s o c k e t 字库将 I P地址 、主机 名等转换过程中涉及的许多复杂的变量类型简化成字符串和整 数操轻松实现 s o c k e t 编程通信；利用 M S C o m m控件实现串行通 信。 监控中心完成串口的初始化， 接收汇聚节点发送来的数据， 在 传输完成后关闭串口。 数据接收完成后， 利用软件 A c c e s s 2 0 0 0对 采集到的数据进行存储 ， 以便对数控车间的加工工作状况进行分 析， 同时方便用户对存储的数据进行选择和查找， 在数控机床出 现故障的时候可以及时应对， 对于软件故障可以远程调试， 对于 硬件故障则需及时派人现场处理。 图7数控机床监控中心功能结构 5结论 分析了工业控制环境下数控系统联网的几种方式，利用无线 传感器网络技术，设计了适合机器人与数控机床群通信的网络结 构； 并详细阐述了相关的通信模块的硬件和软件的设计。结合迅速 发展的工业机器人技术，把短距离通信技术应用到工厂自动化上， 对最终实现单个机器人对多台数控机床换刀具有探索意义。 参考文献 [ 1 ] 史晋芳， 张华 ， 吴健． 基于嵌入式的数控网络化技术研究【 j ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 7 8 1 5 4 - 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