基于.NET的数控机床状态监测系统的设计与实现.pdf

第 1 0期 2 0 1 5年 1 O月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d u l a r M a c hi ne To o l Au t o ma t i c M a nu f a c t ur i n g Te c hn i q ue NO ． 1 0 oc t ．2 01 5 文章编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 1 0 0 0 8 8 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． m mt a m t ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 4 基于． N E T的数控机床状态监测系统的设计与实现 术 张子龙， 王庆霞， 李蓓智 东华大学 机械工程学院， 上海2 0 1 6 0 0 摘要 为了提 高数控机床运行稳定性 ， 文章对数控机床的状态信 息进行采集， 开发 了数控机床状 态监 测 系统， 用户可通过 系统快速和清晰的掌握数控机床的运行状 态。为 了使该 系统 自动化和智能化 ， 设计 了以欧姆龙 P L C、 台达温度控制器为主控 C P U， 各类传感器采集信号， 并以． N E T作为上位机开 发 平 台。上位机 通 过 R S 4 8 5接 口， 利 用 Mo d b u s 协 议和 H o s t L i n k协 议 ， 与 下位 机 实现 了通信 。通过 实 验验证， 该 系统很好的实现了对数控机床状态的监测 ， 通过监测得到的信息， 可准确判断机床的健康 情况。 关键词 数控机床 ； 状态监测 ； Mo d b u s ； H o s t L i n k 中图分类号 T H1 6 6 ； T G 5 0 6 文献标识码 A De s i g n a n d I m p l e me n t a t i o n o f NC M a c hi ne Co nd i t i o n M o nit o r i n g S y s t e m Ba s e d on t h e． NET Z H A N G Z i - l o n g ， WA N G Q i n g x i a ， L I B e i - z h i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，D o n g h u a U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 6 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t I n o r d e r t o i mp r o v e o p e r a t i o n a l s t a b i l i t y o f n c ma c h i n e，t h i s p a p e r c o l l e c t s t h e s t a t u s i n f o r ma t i o n o f n c ma c h i n e a n d d e v e l o p s n c ma c h i n e c o n d i tio n mo n i t o rin g s ys t e m ．Th e u s e r c a n q u i c k l y an d c l e a r l y g r a s p o p e r a t i o n a l s t a t us t h r o u g h the s y s t e m ．I n o r d e r t o ma k e the s y s t e m a u t o ma t i c a n d i n t e l l i g e n t ，o mr o n PLC a n d d e l t a t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r a r e de s i g n e d f o r the ma s t e r CPU ，a n d a l l k i n ds o f s e n s o r s c o l l e c t s i g n a l s ，a n d ． NET i s a s a d e v e l o p me n t p l a t f o rm o f P C．PC v i a RS 4 8 5 i n t e r f a c e r e a l i z e s the c o mmu n i c a t i o n wi th t h e l o we r ma c h i n e u s i n g M o d b u s p r o t o c o l a n d Ho s t Li n k pr o t o c o 1 ．Th o u g h the e x p e rime n t ，the s y s t e m i s g o o d f o r c o n d i t i o n mo n i t o r i n g ， a n d the s tat u s c o n d i t i o n c a n b e j u d g e d a c c u r a t e l y a c c o r d i n g t o i n f o rm a t i o n o b t a i n e d f r o m the s y s t e m ． Ke y wo r ds NC ma c hin e；c o n d i t i o n mo n i t o rin g；M o d b us ；Ho s t Li n k 0 引言 数控机床在中国发展迅速 ， 在生产领域得到 了越 来越广泛的应用。在高档数控机床的可靠性和精度保 持性等方面， 我国与国外存在较大差距 ， 状态监测技术 的应用几乎是空白。高档数控机床的状态监测技术可 以提高所研制数控装置运行的可靠性和运行精度 ， 减 少数控机床故障发生率 ， 简化维护过程 ， 提高数控机床 系统的整体性能， 为拓展国产高档数控机床及基础制 造设备 的国内市场， 提高国际竞争力创造极其有利的 条件。但现有数控机床控制系统不能满足 E t 益增加的 设备在线诊断与远程维护 的需要， 传统控制器在技术 上无法跟上先进的故障诊断技术的发展， 缺乏设备运 行状态监控功能， 无法实现在线对大量监测数据的采 集处理与分析诊断， 没有远程数据通讯功能， 所以研究 智能状态监测技术， 开发新型智能状态监测系统具有 重要意义。本文采用 V i s u a l C 进行上位机系统开发 ， 下位机采用欧姆龙 P L C、 台达温度控制器 ， 将采集数控 机床的信息实时的提供给用户， 使用户及时掌握数控 机床的状态 ， 提高数控机床的稳定性。 1 数控机床状态监测 系统 的内容 数控机床状态监测系统是提取机床在运行过程中 产生的各种特征信息， 为机床状态做下一步的分析和 判断提供了可靠的依据， 确定发生故 障的类型、 部位 、 原因及严重程度等， 有效 、 快捷的为工作人员对机床的 管理 和维 护 。 数控机床的状态监测主要有 X Y Z进给轴的行程， 电主轴的温度等信息， 具体如图 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 41 1 2 1 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 2 0 5 基金项 目 国家 8 6 3高技术研究发展计划项 目 2 0 1 2 A A 0 4 1 3 0 9 作者简介 张子龙 1 9 8 8 一 ， 男， 黑龙江牡丹江人 ， 东华大学硕士研究生 ， 研究方向为智能故障诊断技术与应用 ， Em a i l 4 7 2 8 6 1 4 l 9 q q ． c o i n 。 2 0 1 5年 1 O月 张子龙 ， 等 基于． N E T的数控机床状态监测系统的设计 与实现 8 9 主轴 机床状态 主 轴 转 速 进给 l l 供气 瞳 图 1数 控 机 床 状态 监 测 内容 2 硬件 系统设计 硬件系统设计主要包括硬件的选型、 硬件的搭接 和硬件的调试等。 2 ． 1 硬件基本组成 硬件系统是数控机床状态监测系统 的骨架。该系 统以 P L C和温度控制器等作为下位机， 配上一些传感器 及其它硬件构成了整个硬件系统。具体如图2所示。 图 2 硬件系统结构图 2 ． 2 传感器 本文电主轴选用 fi s c h e r 公司， 电主轴温度测量选 用 K T Y 8 4 ． 1 3 0硅材料温度传感器。K T Y 8 4 1 3 0本质是 热敏电阻， 特点是温度测量范围广、 反应迅速、 体积小 ， 测量范 围在 一4 0 o I ～3 0 0 ℃， 电阻值 大约从 3 0 0 Q ～ 2 7 0 0 n左右基本呈线性变化。 在数控机床加工过程中， 为防止灰尘 、 铁屑等进入 电主轴 ， 电主轴前端采用气密封方法 ， 同时电主轴轴承 采用油气混合方式润滑。为 防止 z轴直线电机温度 过高， 采用风冷的形式对其冷却。z轴导轨采用静压 导轨， 将具有一定压力的润滑油， 输入到导轨面上 ， 即 可形成承载油膜 ， 使导轨面之间处于纯液体摩擦状态。 根据以上内容， 需对气压、 油压和油流量进行监测 ， 采 用 S MC公司的压力开关和流量开关作为监测装置。 电主轴在切削过程 中， 内部温度可能会过高 ， 现采 用水冷的方式对其降温。当水温过高、 水流量不足和 水液位过低时， 会严重影响制冷效果 ， 故需要对这三个 物理量进行 监测 。对水 温 进行 监 测 时 ， 采 用 P T 1 0 0温 度传感器 ， 对水流量监测采用涡轮流量传感器， 对水液 位监、钡 4 采用超声波传感器。 2 ． 3信息采集系统 信息采集就是通过各类传感器， 将要获取 的信息 转化成信号 ， 传输到计算机系统中， 进行显示 、 分析 、 处 理和存储的过程。信息采集系统包括各类传感器、 控 制器等组成。 现将 K T Y 8 4 ． 1 3 0电阻信号转化为模拟量 电压信 号 ， 设计恒流源电路， 原理图如图3所示。 图 3 恒流源 电路原理图 在此电路中， 输人电压 1 2 V， 输出电流 ， n 2 m A， 电阻 R ／ L 6 2 5 Q， 输 出 电压 L 一 。 K T Y 8 4 ． 1 3 0输出的电压信号传输到控制器中， 再传送给上 位机 ， 从而实现了电主轴温度信息的采集与监测。 台达控制器可对 P T 1 0 0等传感器直接进行信息采 集， 并通过 M o d b u s 通信协议传输给上位机， 故选用台达 I Y I 3 6 0 R A 0 2 0 0等控制器作为信息采集器。对于压力等开 关量信号可采用 P L C采集， 本文选用欧姆龙 C J 2 M。 3 上位机 与下位 机之 间的通信协议 3． 1 M o db us M o d b u s 协议作为一种通用工业标准， 使不同的厂 家生产的机械设备可以组成工业 网络 ， 集中进行监控。 此协议规定了每一个控制器必须要知道他们 的设备地 址 ， 识别设备地址发出的信息 。在使用此协议时 ， 可 以 通过 A S C I I 或 R T U两种方式编码 。A S C I I 编码是将所 要传送的资料先转换成相对的 A S C I I 码后再传送 ， 而 R T U则是将资料直接传送 ， 不需经过转换。本文采用 A S C I I 编码 ， 通信参数选择波特率 9 6 0 0 b p s ， 数据位为 7， 起始位为 7 ， 停止位为 1 ， 偶校验 ， 编码格式如表 1 。 本文以采集电主轴温度信息为例。通信地址一般 的范围为 O O H～F E H， 现对台达温度控制器的通信地 址设为 0 1 H。功能码 内容包括读出寄存器 内容 、 写入 一 笔资料至寄存器、 回路侦测和写入多笔资料至寄存 器。现需要读出温度信息 ， 故功能码为 0 3 H。资料 内 容根据表 2 ， 可得出地址为 1 0 0 0 0 0 0 1 H。L R C校验码算 法就是从通信地址到资料内容之间的所有数据相加， 然后取反加一 ， 由此可得此时的校验码为 E B H。 表 1 Mo d b u s 通信协议格式 A S C H S T X 起始字符 ‘ ’ A d d r e s s Hi 通信地址 A d d r e s s L 0 8 b i t 地址由 2个 A S C I I 码组合 F u n c t i o n Hi 功能码 F u n c t i o n I 8 b i t 功能码由2个 A S C I I 码组合 D 砒 a 7 资料 内容 3 2 b i t 资料 内容 由 8个 A S C I I 码组合 ， 其 中前 4个 D a t a O 为起始地址 ， 后 4个为发送的数据 L R C C H K H i L R C校验码 L R C C H K L o 8 b i t 校验码由2个 A S C I I 码组合 E n d Hi 结束字符 E n d L o E n d H i C R 0 D H ， E n d L F 0 A H