基于Zigbee協(xié)議的星形網(wǎng)絡(luò)數(shù)控機(jī)床無線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘 要】為了使機(jī)械加工的自動化和智能化，本文中設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee協(xié)議的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無線控制設(shè)計(jì)方案?？蓪?shí)現(xiàn)單個(gè)主機(jī)對多臺數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程控制，這種方法改變了傳統(tǒng)的工控機(jī)與機(jī)床“一對一”的控制方式，是機(jī)械加工更加便利。

【關(guān)鍵詞】Zigbee協(xié)議 無線 星形 數(shù)控機(jī)床

一、設(shè)計(jì)來源及簡介

數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床。數(shù)控機(jī)床使加工復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件變得更加便利，具有柔性好、高效能的有點(diǎn)，在現(xiàn)代化機(jī)床控制技術(shù)方向上，使機(jī)電一體化的代表。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在具有高效、自動化等優(yōu)勢的同時(shí)，也存在諸多不足，本文提出了一種新型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)：首先，中心控制裝置不再與數(shù)控機(jī)床連為一體，而是通過zigbee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸信息，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；其次，一個(gè)控制裝置可以同時(shí)控制多個(gè)數(shù)控機(jī)床，節(jié)省資源，又實(shí)現(xiàn)了集中管理；此外，借助zigbee網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，既可實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制，又可在控制端，根據(jù)反饋信息監(jiān)視和管理數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)。上述三個(gè)特點(diǎn)很好地規(guī)避了傳統(tǒng)機(jī)床存在的上述問題。

二、研究內(nèi)容和技術(shù)要點(diǎn)

本設(shè)計(jì)的使用的主要技術(shù)：

（一）Zigbee通信協(xié)議

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主有低功耗、低成本、傳輸速率與距離適中，時(shí)延短等特點(diǎn)。在自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且還可以嵌入各種設(shè)備。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為：Zigbee作為一種短距離無線通信技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)可以便捷的為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強(qiáng)的可應(yīng)用性。

（二）Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

構(gòu)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)的所用的節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片，在2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用中，它是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，可以很低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，內(nèi)核采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系 統(tǒng)內(nèi)可編程閃存等。

三、設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案各模塊連接圖如下：

設(shè)計(jì)方案各模塊連接圖

在這個(gè)系統(tǒng)中，控制裝置一邊的CC2530扮演協(xié)調(diào)器的角色，承擔(dān)建立起Zigbee網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)；多個(gè)數(shù)控機(jī)床端的多個(gè)CC2530扮演匯聚節(jié)點(diǎn)的角色，尋找并加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的Zigbee網(wǎng)絡(luò)；如果整個(gè)系統(tǒng)所占空間較大，還可以加入一些CC2530節(jié)點(diǎn)，作為路由器，擴(kuò)大Zigbee網(wǎng)絡(luò)的通信距離。

在控制過程中，命令傳遞流程為，操作人員向控制裝置，即普通計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，命令通過系統(tǒng)專用軟件，或串口助手寫入U(xiǎn)SB接口，傳遞給CC2530芯片，該CC2530芯片接收并解析命令，確定對應(yīng)于該條命令的受控機(jī)床，確定相連的CC2530地址，調(diào)用z-stack協(xié)議棧的發(fā)送函數(shù)，將信息以無線的方式發(fā)送給目的CC2530，接收端的CC2530接收到信息后，仍然進(jìn)行一些必要的處理，然后以數(shù)字電信號的方式發(fā)送給數(shù)控機(jī)床的PLC，PLC據(jù)此執(zhí)行相關(guān)數(shù)控機(jī)床控制程序，完成生產(chǎn)加工任務(wù)。

CC2530中的程序可為構(gòu)建的zigbee網(wǎng)絡(luò)的可靠性提供保障，如在發(fā)送端為每條發(fā)送的信息加序號，每發(fā)送一條信息，該序號自動加一，這樣在接收端就可以根據(jù)該序號判斷是否有信息丟失。若接收端成功正確接收到信息，將向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息，否則發(fā)送節(jié)點(diǎn)將該消息重發(fā)。

四、結(jié)語

綜上所述，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了操作人員與機(jī)床的分離，在一定程度上保障了操作人員的人身安全；通過應(yīng)用Zigbee協(xié)議，使數(shù)控系統(tǒng)的控制端和工作端可隔離開來，控制端脫離了惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，降低了對中心控制儀器的要求；由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的加入，實(shí)現(xiàn)了“一對多”的控制方式，即一臺中心控制計(jì)算機(jī)可完成對多個(gè)數(shù)控機(jī)床的控制，便于統(tǒng)一管理，便于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)；系統(tǒng)提供雙向的通信鏈路，一方面可以對機(jī)床進(jìn)行控制，另一方面也可在控制端隨時(shí)監(jiān)視和查看機(jī)床的工作狀態(tài)?？傊撓到y(tǒng)為數(shù)控機(jī)床加工領(lǐng)域提供了一個(gè)另機(jī)械加工過程更安全、更便利、更智能、更輕松的解決方案。

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基金項(xiàng)目：

黑龍江職業(yè)學(xué)院院級課題《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床遙控裝置設(shè)計(jì)》；黑龍江省教育廳高職高專院?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12525119）資助；

作者簡介：

鄂蕊，碩士、講師。