智能數(shù)控機(jī)床加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)EtherCAT從站設(shè)計(jì)

韋文姬，何嶺松，吳玉葉

（華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

在德國(guó)工業(yè)4.0和《中國(guó)制造2025》的大背景下，我國(guó)的智能制造領(lǐng)域開始進(jìn)入了高速發(fā)展的階段。數(shù)控機(jī)床作為基礎(chǔ)的制造設(shè)備，逐步由模擬、脈沖式跨越到全數(shù)字、總線式，向智能化方向轉(zhuǎn)變，如我國(guó)最大的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠商沈陽機(jī)床選擇Ether－CAT作為其最新的i5智能數(shù)控機(jī)床控制平臺(tái)的內(nèi)部總線[1]。數(shù)控機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生大量的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，自感知是智能機(jī)床的主要功能之一，為了全方位感應(yīng)加工過程中產(chǎn)生的狀態(tài)變化并及時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，智能機(jī)床需要各種傳感器進(jìn)行信號(hào)收集。結(jié)合大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)思維，一些高檔數(shù)控系統(tǒng)已開始利用總線技術(shù)傳輸?shù)讓觽鞲衅鲾?shù)據(jù)，通過“指令域示波器”大數(shù)據(jù)分析工具[2]將主軸振動(dòng)、電機(jī)電流等狀態(tài)數(shù)據(jù)與指令建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)可視化和加工狀態(tài)智能化[3]。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)于外部傳感器信號(hào)的采集，目前主要采用的方法為通過總線I/O單元，設(shè)置采樣通道，將外部傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地全部采進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，如華中數(shù)控有限公司的楊祥等人在華中8型總線式數(shù)控系統(tǒng)中插入HIO-1075溫度采集板卡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)部位的溫度變化，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的熱位移誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償[4]。智能化數(shù)控機(jī)床的總線多為基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，傳輸速度快，帶寬較傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有了很大提高，然而，這種采集方式仍存在著一些不足。一方面，對(duì)于一些要求高采樣率的物理信號(hào)類型，如聲音信號(hào)，采樣周期遠(yuǎn)高于總線通訊周期，不易于直接采集；另一方面，隨著外接傳感器數(shù)目的增加，數(shù)據(jù)量急劇增大，數(shù)控系統(tǒng)作為整個(gè)數(shù)控機(jī)床的控制中心和運(yùn)算中心，計(jì)算負(fù)荷也隨之加重。

為了解決以上提出的不足，考慮到EtherCAT是目前主流的智能數(shù)控機(jī)床總線技術(shù)之一，本文提出一種基于EtherCAT的機(jī)床加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)從站設(shè)計(jì)方法，利用從站擴(kuò)展外部傳感器信號(hào)采集并對(duì)原始的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選，僅向數(shù)控系統(tǒng)提供有價(jià)值的特征量，協(xié)助數(shù)控機(jī)床完成特定的加工監(jiān)測(cè)任務(wù)。

1 EtherCAT總線式智能數(shù)控機(jī)床

EtherCAT是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的主從結(jié)構(gòu)總線體系，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常用的是線型結(jié)構(gòu)。在采用EtherCAT總線的數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控系統(tǒng)作為主站，操作面板、IO單元、伺服驅(qū)動(dòng)器和外部監(jiān)測(cè)單元等作為從站，如圖1所示。其中，主站使用帶一個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)端口的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器，從站使用分別帶輸入和輸出數(shù)據(jù)收發(fā)端口的EtherCAT從控制器；主站和從站間，以及從站彼此間使用網(wǎng)線相連，十分便于以串行的方式進(jìn)行從站的增減。

圖1 EtherCAT總線式數(shù)控機(jī)床架構(gòu)

運(yùn)行模式上，數(shù)控系統(tǒng)在開機(jī)啟動(dòng)階段迅速完成EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置后，便進(jìn)入分布式時(shí)鐘同步模式與從站建立周期性過程數(shù)據(jù)通信，通常按1個(gè)插補(bǔ)周期的時(shí)間間隔發(fā)送EtherCAT幀。EtherCAT幀順序經(jīng)過每一個(gè)從站時(shí)，從站的FMMU單元過濾向其發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將輸入數(shù)據(jù)加載到轉(zhuǎn)發(fā)的幀中，最后由末端從站將報(bào)文按原網(wǎng)絡(luò)路徑返回給數(shù)控系統(tǒng)，從而完成一次通訊過程[5]。

每個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀最多可容納1 486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，通過合理分配各從站的I/O數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度，可以在一條總線上加入多個(gè)從站。

2 數(shù)控機(jī)床加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)EtherCAT從站的設(shè)計(jì)方法

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)控機(jī)床加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)從站的架構(gòu)如圖2所示。一方面，通過外接傳感器采集機(jī)床本體產(chǎn)生的物理信號(hào)，如振動(dòng)、溫度、切削力等；另一方面，通過EtherCAT總線從數(shù)控系統(tǒng)獲取機(jī)床工作任務(wù)數(shù)據(jù)[6]，如G指令行號(hào)、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速等；然后，由從站內(nèi)部結(jié)合兩方面數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)床加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，再通過EtherCAT總線將計(jì)算得到的加工狀態(tài)特征量[7]上傳給數(shù)控系統(tǒng)。

圖2 數(shù)控機(jī)床加工狀態(tài)從站架構(gòu)圖

本從站主要由三部分組成：采集前端、主控板和EtherCAT從站接口。其中，采集前端為傳感器信號(hào)提供了必要的信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等功能；EtherCAT從站接口實(shí)現(xiàn)了主從站間的數(shù)據(jù)交互功能；主控卡則是系統(tǒng)的運(yùn)算與控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析與存儲(chǔ)等功能。

本從站為數(shù)控系統(tǒng)搭建了一個(gè)可編程外部監(jiān)控平臺(tái)，可以根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法，提取所需的特征變量。例如，在指令域示波器應(yīng)用中，從站可以將采集到的傳感器信號(hào)按G指令行號(hào)進(jìn)行分割，提取出各行G指令所對(duì)應(yīng)的特征數(shù)據(jù)[8]，讓數(shù)控系統(tǒng)直接獲取特征量并顯示指令域波形圖；在機(jī)床加工過程顫振監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，從站可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)或噪聲信號(hào)進(jìn)行功率譜分析并結(jié)合從數(shù)控系統(tǒng)采集到的主軸轉(zhuǎn)速、刀齒數(shù)等數(shù)據(jù)[9]，更有效地識(shí)別顫振，只需向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送機(jī)床是否產(chǎn)生顫振的診斷值。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)從站的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由采集前端電路、主控電路和EtherCAT從站接口電路三部分組成。采集前端電路為可拓展模塊，根據(jù)實(shí)際的傳感器類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的激勵(lì)、調(diào)理和外置AD轉(zhuǎn)換等電路，通過數(shù)字接口接入主控板中。EtherCAT從站接口電路的以太網(wǎng)接口采用“PHY+網(wǎng)絡(luò)變壓器+RJ45 網(wǎng)口”結(jié)構(gòu)[10]，通過 MII接口與 ESC（EtherCAT Slave Controller，EtherCAT從站控制器）芯片相連；ESC與微處理器通過PDI接口交換總線上下行數(shù)據(jù)，其接口類型由EEPROM存儲(chǔ)的從站配置信息確定。電源適配器將市電轉(zhuǎn)化為5 V直流電壓，為整個(gè)系統(tǒng)供電。

圖3 數(shù)控機(jī)床加工狀態(tài)從站硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件運(yùn)行在微處理器上，工作流程圖如圖4所示。首先，對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化操作，包括外置ADC、SD卡、PDI接口以及ESC寄存器等，以及對(duì)Ether－CAT從站協(xié)議棧進(jìn)行初始化，計(jì)算過程數(shù)據(jù)對(duì)象的容量并為其分配內(nèi)存空間；然后，處理從站狀態(tài)機(jī)并等待EtherCAT總線進(jìn)入OP態(tài)，與數(shù)控系統(tǒng)建立起周期性過程數(shù)據(jù)通信；當(dāng)檢測(cè)到機(jī)床開始執(zhí)行加工程序，系統(tǒng)同步采集傳感器信號(hào)與機(jī)床工作任務(wù)數(shù)據(jù)；緩存區(qū)獲得足量的數(shù)據(jù)后，根據(jù)給定的機(jī)床加工任務(wù)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的約束條件，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，將提取到的加工狀態(tài)特征值由EtherCAT總線反饋給數(shù)控系統(tǒng)；系統(tǒng)重復(fù)數(shù)據(jù)采集與分析功能，直到機(jī)床的加工程序執(zhí)行完畢。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

其中，數(shù)控系統(tǒng)向從站發(fā)送機(jī)床工作任務(wù)數(shù)據(jù)、從站向數(shù)控系統(tǒng)反饋加工狀態(tài)特征值都是采用EtherCAT周期性過程數(shù)據(jù)通信方式實(shí)現(xiàn)的。在分布時(shí)鐘模式下，ESC的分布時(shí)鐘控制單元向微處理器發(fā)送同步信號(hào)脈沖SYNC0，通知微處理器本次總線通訊的輸出數(shù)據(jù)已被復(fù)制到ESC SM2管理的存儲(chǔ)區(qū)，SM3管理的存儲(chǔ)區(qū)的輸入數(shù)據(jù)已被發(fā)送到總線中去，從而觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)例程處理過程數(shù)據(jù)。輸入輸出數(shù)據(jù)交互過程如圖5所示：系統(tǒng)調(diào)用讀PDRAM函數(shù)，將起始地址和長(zhǎng)度參數(shù)設(shè)置為ESC SM2通道管理的內(nèi)存區(qū)起始地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，將數(shù)據(jù)保存到輸出過程數(shù)據(jù)緩存區(qū)，并映射為機(jī)床工作任務(wù)變量；同理，系統(tǒng)將加工狀態(tài)特征量映射到輸入過程數(shù)據(jù)緩存區(qū)，調(diào)用寫PDRAM函數(shù)，將數(shù)據(jù)寫到SM3通道管理的內(nèi)存區(qū)。

圖5 微處理器與E S C的過程數(shù)據(jù)交互示意圖

3 應(yīng)用示例

為了驗(yàn)證加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)從站的可用性，本文將從站接入到運(yùn)行華中8型數(shù)控系統(tǒng)的高速雕銑機(jī)ES-650B中，對(duì)一批相同尺寸的毛胚加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)機(jī)床發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，工件表面加工質(zhì)量往往也會(huì)受到影響。利用該從站識(shí)別振動(dòng)異常狀態(tài)并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，可以及時(shí)檢測(cè)出問題工件且將其剔除掉。

理論上，數(shù)控機(jī)床在重復(fù)加工同一種零件時(shí)，在相同G指令時(shí)刻采集到的振動(dòng)特征量應(yīng)該是重復(fù)一致的[6]，如圖6所示，若出現(xiàn)不一致，則可判斷為異常狀況。根據(jù)此監(jiān)測(cè)原理，從站以100 ms短時(shí)能量值作為振動(dòng)特征量，首先采集第1件毛胚加工過程中的G指令行號(hào)數(shù)據(jù)和振動(dòng)加速度信號(hào)，將振動(dòng)特征量與G指令建立映射關(guān)系，生成標(biāo)準(zhǔn)樣本文件用作監(jiān)測(cè)過程的參考，存儲(chǔ)于SD卡。然后保持傳感器安裝位置不變，在后續(xù)的毛胚加工過程中，從站以G指令運(yùn)行時(shí)刻作為對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)，將實(shí)時(shí)采集的振動(dòng)短時(shí)能量值與標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)作比較，當(dāng)檢測(cè)到持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)兩者存在較大偏差時(shí)，識(shí)別為異常狀態(tài)。

圖6 數(shù)控加工過程的振動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文專門設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)一批60 mm×60 mm×50 mm的鋁塊使用相同的G代碼進(jìn)行加工，銑削60 mm×60 mm的平面。實(shí)驗(yàn)使用的刀具為直徑10 mm的三刃鋁合金立銑刀，切削深度1 mm.加工動(dòng)作為銑刀在Y軸方向上來回進(jìn)給銑削，每次在Y軸方向上走完一次行程，往X軸負(fù)方向進(jìn)給5 mm.加工G代碼內(nèi)容如下：

N001 G54 G01 Z50 F500

N002 X0 Y0 M03 S6000

N003 X38 Y38

N004 Z-1

N005 X35

N006 Y-38

N007 X30

N008 Y38

N009 X25

……

N033 X-35

N034 Y-38

N035 X-38

N036 Z50

N037 M05

N038 M30

在這批毛胚中加入一個(gè)異常工件，其加工表面的中心挖了一個(gè)2 mm深、直徑為10 mm的圓槽，如圖7所示。與正常工件的加工過程相比，當(dāng)銑刀走到異常工件的圓槽時(shí)，切削力會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致機(jī)床的振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化，由此模擬出一種加工異常現(xiàn)象，如果從站在此時(shí)刻能及時(shí)檢測(cè)出振動(dòng)異常，則證明從站起到了狀態(tài)監(jiān)測(cè)的作用。

圖7 工件模型

根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)，從站接入DYTRAN公司的3262A1型號(hào)3軸加速度傳感器，采樣率設(shè)為10 kHz.傳感器利用磁座吸附在夾具上，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖8所示。在數(shù)控系統(tǒng)上，為從站設(shè)置好輸入輸出信號(hào)地址及含義，添加PLC讀寫變量功能模塊到梯形程序中，將G指令行號(hào)傳遞到從站的輸出信號(hào)地址，以便從站獲取該數(shù)據(jù)。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，從站加入了液晶屏來顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

圖8 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 （a）為銑削異常工件表面時(shí)，從站液晶屏上顯示的監(jiān)測(cè)效果圖。其中，左側(cè)上方的波形為標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)，下方的波形為實(shí)時(shí)加工過程監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)短時(shí)能量數(shù)據(jù)，右側(cè)顯示的是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的G指令?？梢钥吹剑?dāng)銑刀未走到圓槽缺陷時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與樣本數(shù)據(jù)的趨勢(shì)基本一致，當(dāng)加工程序執(zhí)行到第18行G指令，銑刀進(jìn)給到圓槽的邊緣處時(shí)，產(chǎn)生較大沖擊，效果如圖中矩形區(qū)域所示，從站檢測(cè)到異常，立即向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)值，數(shù)據(jù)映射到X100寄存器上。在圖9（b）的數(shù)控系統(tǒng)界面上，X100寄存器的值由正常狀態(tài)0變?yōu)楫惓顟B(tài)1.

圖9 振動(dòng)異常監(jiān)測(cè)效果圖

在本應(yīng)用示例中，加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)從站發(fā)揮了自身的計(jì)算能力，在內(nèi)部對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)基于指令域分析，直接診斷加工過程的振動(dòng)是否存在異常。從站只向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送實(shí)時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)值，有效減少了總線上的數(shù)據(jù)傳輸量，同時(shí)未消耗數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算資源，數(shù)控系統(tǒng)只需根據(jù)該從站提供的報(bào)警信息進(jìn)行下一步動(dòng)作。

4 結(jié)束語

本文提出了一種機(jī)床加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)從站設(shè)計(jì)方法，可應(yīng)用于EtherCAT總線型的數(shù)控機(jī)床中。該從站結(jié)合機(jī)床工作任務(wù)對(duì)外接傳感器采集的機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析，能夠讓數(shù)控系統(tǒng)直接獲取篩選后的特征量數(shù)據(jù)。根據(jù)EtherCAT良好的可擴(kuò)展性能，數(shù)控系統(tǒng)可接入多個(gè)監(jiān)測(cè)從站，同時(shí)進(jìn)行多種加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)，而無需提升自身的軟硬件資源水平。該從站在數(shù)控機(jī)床智能化、大數(shù)據(jù)采集等場(chǎng)合中，具有開闊的應(yīng)用前景。