基于840D數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床功率在線(xiàn)監(jiān)控方法研究

丁健生

摘 要：本文針對(duì)數(shù)控機(jī)床功率在線(xiàn)監(jiān)控的需求，提出了一種基于西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床功率監(jiān)控解決方案，并開(kāi)發(fā)了功率在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)840D系統(tǒng)的內(nèi)部PLC以及AD數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控機(jī)床功率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了機(jī)床功率在線(xiàn)監(jiān)控功能。

關(guān)鍵詞：840D；數(shù)據(jù)采集；在線(xiàn)監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

隨著計(jì)算機(jī)以及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造行業(yè)正在逐步向信息化、智能化發(fā)展，而制造業(yè)信息化的關(guān)鍵支撐要素之一是生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)控機(jī)床作為一種重要的生產(chǎn)設(shè)備，其功率數(shù)據(jù)可以用于監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，分析機(jī)床的加工過(guò)程，統(tǒng)計(jì)機(jī)床的利用率等，對(duì)于生產(chǎn)自動(dòng)化有著十分重要的意義。

由于數(shù)控系統(tǒng)的多樣性，不同廠(chǎng)家提供的機(jī)床通信接口和協(xié)議各不相同，由此產(chǎn)生了各種不同的機(jī)床功率數(shù)據(jù)采集方案。本文的研究對(duì)象西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)是一種先進(jìn)的開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)，目前對(duì)其功率采集主要有兩種方案，一是基于硬件接線(xiàn)方式的電氣法，另一種是基于數(shù)字通信方式的通信法。

通信法是利用840D數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)提供的接口來(lái)讀取數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部變量的采集方法。相比于硬件接線(xiàn)的電氣法，通信法具有硬件改動(dòng)小、安全性高、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文所研究的機(jī)床功率在線(xiàn)監(jiān)控方法即基于通信法實(shí)現(xiàn)。

1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)由NCK+PLC+ PC三級(jí)結(jié)構(gòu)組成。其中NCK（Numeric Control Kernel）是數(shù)控加工的核心模塊，包括聯(lián)動(dòng)、插補(bǔ)等核心功能，實(shí)時(shí)性最高。PLC負(fù)責(zé)外圍控制功能，如刀庫(kù)、切削液等輔助功能的控制，實(shí)時(shí)性較高。PC部分是基于Windows操作系統(tǒng)的工控機(jī)，主要負(fù)責(zé)前面板的顯示和操作，用于人機(jī)交互功能，實(shí)時(shí)性較低。3個(gè)部分通過(guò)MPI總線(xiàn)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

作為數(shù)控系統(tǒng)的核心，840D的NCK部分是封閉的，用戶(hù)無(wú)法直接與其通信，但通過(guò)PLC可以訪(fǎng)問(wèn)到NCK中的狀態(tài)變量。因此可以通過(guò)在PLC上編程來(lái)獲得機(jī)床的功率數(shù)據(jù)，再通過(guò)某種方式將讀取到的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)。本文中的功率數(shù)據(jù)采集方案即是基于此原理。

在PLC獲取了功率數(shù)據(jù)以后，還需要將其傳遞給監(jiān)控系統(tǒng)。此時(shí)又有兩種方案，第一種是通過(guò)數(shù)字通信接口將PLC中的功率數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)的工控機(jī)，但需要在PLC上加裝額外的通信模塊。第二種是通過(guò)PLC自帶的模擬量輸出接口將功率數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)輸出，再在工控機(jī)一側(cè)通過(guò)AD采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于筆者所面臨的數(shù)控系統(tǒng)PLC上并沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)字通信模塊，故此采用了方案二。整個(gè)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（1）PLC端實(shí)現(xiàn)

840D系統(tǒng)中NCK與PLC之間的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)數(shù)據(jù)塊DB進(jìn)行的，包括機(jī)床功率數(shù)據(jù)在內(nèi)的NC變量都存儲(chǔ)在NCK數(shù)據(jù)塊，840D系統(tǒng)提供了讀取NC變量的功能塊FB2。FB2是PLC基本用戶(hù)功能塊，用于從NCK讀取NC變量。具體方式是：用FB2讀出以下變量，再用模擬量模塊輸出。讀變量需要設(shè)置$MA_DRIVE_SIGNAL_TRACKING=1。

$AA_LOAD[axis] Load；負(fù)載百分比

$AA_TORQUE[axis]；力矩

$AA_POWER[axis] ；功率

$AA_CURR[axis]；電流

（2）上位機(jī)端實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)為一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，為了能夠從PLC中讀取到模擬電壓形式的功率數(shù)據(jù)，在上位機(jī)安裝了A/D采集卡。采集卡型號(hào)為ADLink公司的DAQ-2000數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)PCI總線(xiàn)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交互。采集卡提供了配套的驅(qū)動(dòng)程序以及開(kāi)發(fā)軟件包，并且提供SDK（Software Development Kit）函數(shù)接口，通過(guò)按一定的順序調(diào)用這些函數(shù)接口，即可實(shí)現(xiàn)將模擬量輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出功能。表1中列出了部分關(guān)鍵函數(shù)及其說(shuō)明。

通過(guò)周期性調(diào)用采集函數(shù)，并將采集到的電壓值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的功率值，可獲得數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)。

3.試驗(yàn)驗(yàn)證

為了讓用戶(hù)直觀(guān)地觀(guān)察到機(jī)床功率變化規(guī)律，本文開(kāi)發(fā)了可視化的功率監(jiān)控系統(tǒng)，以功率曲線(xiàn)的形式實(shí)時(shí)顯示機(jī)床功率數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證機(jī)床功率監(jiān)控系統(tǒng)的功能，本文選取了一組典型的深孔加工工況進(jìn)行試驗(yàn)，圖2是該過(guò)程的功率變化曲線(xiàn)。其中橫軸代表采樣時(shí)間序列，縱軸代表機(jī)床主軸電流，功率可由電流換算得出。

從圖2中可以直觀(guān)地看出，功率曲線(xiàn)表現(xiàn)為較為規(guī)律的波峰和波谷，而機(jī)床此時(shí)正在進(jìn)行啄孔式加工，即鉆一定深度后退刀再下鉆，如此反復(fù)直至鉆透。理論上當(dāng)鉆頭尚未與工件接觸時(shí)，機(jī)床輸出功率較低，曲線(xiàn)應(yīng)表現(xiàn)為波谷；當(dāng)鉆頭與工件接觸后，主軸負(fù)載增大，轉(zhuǎn)矩增加，機(jī)床輸出功率較高，曲線(xiàn)應(yīng)表現(xiàn)為波峰。通過(guò)目測(cè)，機(jī)床的鉆孔動(dòng)作與功率曲線(xiàn)的波動(dòng)變化能夠吻合。通過(guò)分析數(shù)控加工程序代碼，發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序也與功率曲線(xiàn)步調(diào)同步，再一次驗(yàn)證功率監(jiān)控的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

結(jié)論

本文研究了一種基于840D數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床功率采集方法，利用840D系統(tǒng)的開(kāi)放性，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部PLC采集機(jī)床功率數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)字→模擬→數(shù)字的轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)床功率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了機(jī)床功率在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)深孔加工試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]張高尉.基于西門(mén)子840D的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué)，2014.