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前言：

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0. 引言

隨著計算機(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)時狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)控加工中心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)控加工中心的運(yùn)行狀態(tài)，分析加工中心的加工過程，統(tǒng)計加工中心的利用率等，對于生產(chǎn)自動化有著十分重要的意義。

由于數(shù)控系統(tǒng)的多樣性，不同廠家提供的加工中心通信接口和協(xié)議各不相同，由此產(chǎn)生了各種不同的加工中心功率數(shù)據(jù)采集方案。本文的研究對象西門子840D數(shù)控系統(tǒng)是一種先進(jìn)的開放的數(shù)控系統(tǒng)，目前對其功率采集主要有兩種方案，一是基于硬件接線方式的電氣法，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)的開放性，通過數(shù)控系統(tǒng)提供的接口來讀取數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部變量的采集方法。相比于硬件接線的電氣法，通信法具有硬件改動小、安全性高、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文所研究的加工中心功率在線監(jiān)控方法即基于通信法實(shí)現(xiàn)。

1. 系統(tǒng)方案設(shè)計

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)由NCK+PLC+ PC三級結(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、插補(bǔ)等核心功能，實(shí)時性最高。PLC負(fù)責(zé)外圍控制功能，如刀庫、切削液等輔助功能的控制，實(shí)時性較高。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)時性較低。3個部分通過MPI總線連接，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，用戶無法直接與其通信，但通過PLC可以訪問到NCK中的狀態(tài)變量。因此可以通過在PLC上編程來獲得加工中心的功率數(shù)據(jù)，再通過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)。此時又有兩種方案，第一種是通過數(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PLC自帶的模擬量輸出接口將功率數(shù)據(jù)以模擬信號輸出，再在工控機(jī)一側(cè)通過AD采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于筆者所面臨的數(shù)控系統(tǒng)PLC上并沒有現(xiàn)成的數(shù)字通信模塊，故此采用了方案二。整個系統(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)交互是通過數(shù)據(jù)塊DB進(jìn)行的，包括加工中心功率數(shù)據(jù)在內(nèi)的NC變置都存儲在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，再用模擬童模塊輸出。讀變量需要設(shè)置 $MA_DRI VE_SI GNAL_TRACKI NG=1。

$AA_LOAD[axis] Load;負(fù)載百分比

$AA_TORQUE[axis];力矩

SAA—F^OWERfaxis】；功率

$AA_CURR[axis];電流

(2) 上位機(jī)端實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)為一臺工業(yè)控制計算機(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。采集卡型號為ADLink公司的DAQ-2000數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI總線與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)動程序以及開發(fā)軟件包，并且提供SDK (SoftwareDevelopment Kit)函數(shù)接口，通過按一定的順序調(diào)用這些函數(shù)接口，即可實(shí)現(xiàn)將模擬置輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字置輸出功能。表1中列出了部分關(guān)鍵函數(shù)及其說明。

通過周期性調(diào)用采集函數(shù)，并將采集到的電壓值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的功率值，可獲得數(shù)控加工中心的實(shí)時功率數(shù)據(jù)

3. 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了讓用戶直觀地觀察到加工中心功率變化規(guī)律，本文開發(fā)了可視化的功率監(jiān)控系統(tǒng)，以功率曲線的形式實(shí)時顯示加工中心功率數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證加工中心功率監(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是該過程的功率變化曲線^其中橫軸代表采樣時間序列，縱軸代表機(jī)床主軸電流，功率可由電流換算得出。

從圖2中可以直觀地看出，功率曲線表現(xiàn)為較為規(guī)律的波峰和波谷，而加工中心此時正在進(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，加工中心輸出功率較低，曲線應(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，曲線應(yīng)表現(xiàn)為波峰。通過目測，加工中心的

鉆孔動作與功率曲線的波動變化能夠吻合。通過分析數(shù)控加工程序代碼，發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序也與功率曲線步調(diào)同步，再一次驗(yàn)證功率監(jiān)控的實(shí)時性與準(zhǔn)確性。

結(jié)論

本文研究了一種基于840D數(shù)控系統(tǒng)的加工中心功率采集方法，利用840D系統(tǒng)的開放性，通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部PLC采集機(jī)床功率數(shù)據(jù)，再通過數(shù)字―模擬—數(shù)字的轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對加工中心功率數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了加工中心功率在線監(jiān)控系統(tǒng)，并通過深孔加工試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時性與準(zhǔn)確性。

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