張海霞

ZHANG Hai-xia

（南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，南通 226007）

0 引言

刀具磨損情況監(jiān)測(cè)有多種方法，直接法有利用傳感器監(jiān)測(cè)法，間接法有利用機(jī)床功率或電流監(jiān)測(cè)法、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法和放射性元素監(jiān)測(cè)法[1-3]。對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)而言，利用機(jī)床電機(jī)功率和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)基本不需要增加新硬件，相對(duì)于其它幾種方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵诩庸l件是相同時(shí)，通過監(jiān)測(cè)實(shí)際加工的電流和功率，并與標(biāo)準(zhǔn)參考加工電流、功率曲線的對(duì)比獲得之間的差別，在諸多帶來差別的影響因素中最大的變化因素是刀具的磨損，據(jù)此差別來反映刀具磨損情況，從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損的監(jiān)測(cè)。

本文以臺(tái)達(dá)變頻器為例，介紹了開放數(shù)控環(huán)境下，變頻器數(shù)據(jù)的采集、傳輸過程，以及通過VB調(diào)用Winsock控件采集機(jī)床電機(jī)功率和電流實(shí)現(xiàn)刀具磨損監(jiān)控的具體過程，為相關(guān)企業(yè)的監(jiān)控提供參考。

1 變頻器數(shù)據(jù)采集

變頻器作為數(shù)控控制鏈中的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部信息運(yùn)行與狀態(tài)息息相關(guān)，對(duì)于其數(shù)據(jù)的采集具有很重要的作用。現(xiàn)代變頻器多采用微計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)構(gòu)成，并提供標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)RS485通訊接口和內(nèi)置協(xié)議，為變頻器的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理提供了必要的基礎(chǔ)。以臺(tái)達(dá)VFD-M系列變頻器為例，串行通信協(xié)議采用的是ASCII(American Standard Code for Information Interchange)模式，在這種模式中每個(gè)字節(jié)的8位是由兩個(gè)ASCII碼來表示。如單字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)64Hex是由‘6’(36Hex)和‘4’(34Hex)組合而成。數(shù)據(jù)傳遞也采用的是此公司自定的通訊協(xié)議，具體如下：

協(xié)議符號(hào)的含義：

表1 臺(tái)達(dá)變頻器通訊格式表

STX：通信起始字節(jié)，ASCII碼為02Hex；

ADR(1，0)：由兩個(gè)ASCII碼組成的變頻器通信地址，如ADR1=0、ADR0=1代表與地址為01的變頻器進(jìn)行通信；

CMD(1，0)：由兩個(gè)ASCII碼組成的一個(gè)字節(jié)命令指令，如CMD1＝0，CMD0＝9為讀出變頻器的狀態(tài)；

Datacharacters：為指令的具體參數(shù)或操作對(duì)象，由2N個(gè)ASCII碼組合而成，N≤26；

EXT：通信結(jié)束字節(jié)，ASCII碼為03Hex；

CHK(1，0)：是由兩個(gè)ASCII碼組合成的一個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。

變頻器的每次通信都是按照表1的格式，以特定的ASCII碼作為起始標(biāo)志，變頻器在接到計(jì)算機(jī)發(fā)來的命令后首先檢查信息中的起始標(biāo)志，然后檢查命令中的棧地址是否與自己的棧地址相符，如果不一致，說明計(jì)算機(jī)是與其它變頻器進(jìn)行通信，從而忽略該命令；如果一致，就響應(yīng)該命令，將執(zhí)行結(jié)果回送到計(jì)算機(jī)，并結(jié)束這次通信。按此通訊原理，可以通過命令讀出變頻器的每個(gè)設(shè)置參數(shù)和狀態(tài)信息，例如：STX(02H)010849ETX(03H)39命令可以讀取P73參數(shù)，該參數(shù)包含了變頻器目前的故障記錄。此外，VFD-M系列變頻器還提供了一個(gè)特別的命令STX(02H)0109ETX(03H) CD，變頻器將返回字符串STX(02H)0109 + 34 Data Characters + ETX(03H)+ CHK(1，0)，其中34個(gè)Data Characters即34個(gè)十六進(jìn)制字符包含了大部分我們要采集的數(shù)據(jù)，具體如下：

字符1－2：表示當(dāng)前故障錯(cuò)誤代碼，根據(jù)它可以查找當(dāng)前故障含義；

字符3－4：表示當(dāng)前變頻器控制面板的LED狀態(tài)；

字符5－8：表示數(shù)控系統(tǒng)指令頻率，為4位16進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制后除以100就能得到數(shù)控系統(tǒng)的指令頻率；

字符9－12：表示變頻器實(shí)際輸出頻率，轉(zhuǎn)換同上；

字符13－16：表示變頻器輸出電流，為4位16進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制后除以10就能得到變頻器的輸出電流；

字符21－24：表示變頻器輸出電壓，轉(zhuǎn)換同上。

由此可見，在應(yīng)用程序中定時(shí)向變頻器發(fā)送STX(02H)0109ETX(03H) CD命令，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變頻器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，再通過應(yīng)用程序中其他模塊對(duì)這些數(shù)據(jù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)變頻器的故障診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[4]。

2 數(shù)據(jù)的傳輸

機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸是指將客戶端監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷中心，這些數(shù)據(jù)傳輸依靠HTTP協(xié)議很難做到，因?yàn)镠TTP連接是靜態(tài)的，即當(dāng)客戶端提出請(qǐng)求時(shí)，客戶端與服務(wù)器建立起連接，當(dāng)服務(wù)器完成客戶端的請(qǐng)求后，連接立即斷掉，這顯然不能滿足動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求，應(yīng)該尋求其它協(xié)議支持。Windows操作系統(tǒng)為Internet提供了Winsock標(biāo)準(zhǔn)接口，可以為兩個(gè)或多個(gè)Internet節(jié)點(diǎn)建立連接并交換數(shù)據(jù)。Winsock接口是在應(yīng)用程序和TCP/IP及硬件之間提供標(biāo)準(zhǔn)的API接口，它為不同的網(wǎng)絡(luò)硬件提供了標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，使各個(gè)廠商所開發(fā)的不同的TCP/IP應(yīng)用程序或硬件可以在相同的平臺(tái)上工作。

在使用WinSock控件時(shí)，首先會(huì)考慮使用什么協(xié)議。可以使用的協(xié)議包括TCP和UDP。兩種協(xié)議之間的重要區(qū)別在于它們的連接狀態(tài)：TCP協(xié)議控件是基于連接的協(xié)議（stream socket），與電話通信系統(tǒng)類似，在開始數(shù)據(jù)傳輸之前，用戶必須先建立連接；UDP協(xié)議是一種無連接協(xié)議（datagram socket），之間的通信傳輸類似于傳遞郵件：消息從一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)兩者之間沒有明確的連接，而單次傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量則取決于具體的網(wǎng)絡(luò)。

圖1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)服務(wù)器與客戶端的連接

選擇哪一種協(xié)議是由需要?jiǎng)?chuàng)建的應(yīng)用程序的功能來決定，通常可根據(jù)以下幾種情況來選擇[5]：

1）在收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，應(yīng)用程序是否需要得到客戶端或者服務(wù)器的確認(rèn)信息。如果需要，則使用TCP協(xié)議，在收發(fā)數(shù)據(jù)之前先明確建立的連接。

2）數(shù)據(jù)量是否特別大（如圖像與聲音文件）。連接建立后，TCP協(xié)議將會(huì)維護(hù)連接并確保數(shù)據(jù)的完整性。顯然，這種連接需要占用更多的計(jì)算機(jī)資源。

3）數(shù)據(jù)發(fā)送是間歇的，還是在一個(gè)會(huì)話內(nèi)。如果應(yīng)用程序在任務(wù)完成的時(shí)候需要通知某個(gè)計(jì)算機(jī)，UDP協(xié)議則更合適。

使用兩種協(xié)議的明顯區(qū)別是在數(shù)據(jù)傳送之前是否先建立連接。在本系統(tǒng)中，由于對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求比較高，數(shù)據(jù)量不是太大，因此考慮采用TCP協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。即使用面向連接的套接口編程技術(shù)，利用VB6.0所提供的編程環(huán)境，設(shè)計(jì)程序流程如圖1所示[6]。

3 監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

1）客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)完成的界面如圖2所示。將整個(gè)服務(wù)界面分為7個(gè)區(qū)域，它們分別為：變頻器狀態(tài)、變頻器參數(shù)、變頻器故障、手動(dòng)命令及返參、圖表顯示、工作效率統(tǒng)計(jì)和按鈕區(qū)域，圖中的由于屏幕顯示的原因，最右側(cè)的一系列按鈕及工作效率統(tǒng)計(jì)的區(qū)域都沒有顯示出來。圖中變頻器狀態(tài)顯示單元中運(yùn)行和正傳的指示燈為綠色，其它幾個(gè)指示燈都為黑色，表示主軸正在正傳運(yùn)行；電流曲線和功率曲線顯示窗口中各顯示紅色和藍(lán)色兩條曲線，綠色的柵格則是曲線有坐標(biāo)參考。

圖2 變頻器監(jiān)測(cè)診斷客戶端界面

機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要包括變頻器的狀態(tài)和變頻器參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，中間的繪圖顯示區(qū)域則是將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來，并實(shí)現(xiàn)對(duì)比功能。圖中紅色的曲線是標(biāo)準(zhǔn)參考曲線，是從實(shí)驗(yàn)中的得到的理想的加工曲線，另一種是藍(lán)色曲線，這是加工實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的繪制的曲線。這兩種曲線對(duì)比，最直接反映的就是加工狀態(tài)的變化，由此推測(cè)刀具磨損情況。

變頻器在線監(jiān)測(cè)診斷實(shí)現(xiàn)過程的部分關(guān)鍵代碼是：

（a）初始化程序：

2）服務(wù)器端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊的功能是接收客戶端傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，使遠(yuǎn)程診斷中心的工作人員能夠?qū)h(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)有一個(gè)直觀地認(rèn)識(shí)，進(jìn)而對(duì)機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行分析和故障預(yù)測(cè)，因此該功能模塊在界面設(shè)計(jì)上基本與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)畫面保持一致。對(duì)應(yīng)于客戶端的變頻器在線監(jiān)測(cè)診斷，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的變頻器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)器端界面如圖3所示。圖中的顯示的曲線基本與客戶端同步。

圖3 變頻器監(jiān)測(cè)診斷服務(wù)器端界面

變頻器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊的界面設(shè)計(jì)和代碼編寫均是在VB6.0 DHTML編程環(huán)境中進(jìn)行，電流曲線顯示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫查詢?cè)诔绦蚓帉懪c“變頻器客戶端監(jiān)測(cè)診斷”類似，其部分關(guān)鍵程序代碼如下。

需要一提的是，雙方連接上后，可通過服務(wù)器或客戶端調(diào)用close方法來關(guān)閉socket連接，但是通過客戶端關(guān)閉連接，再與服務(wù)器端連接就連接不上了，必須退出重新進(jìn)入才能再次連接上。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)通過服務(wù)器來關(guān)閉socket連接。

4 結(jié)論

本文介紹了在開放式數(shù)控系統(tǒng)中，利用間接測(cè)量法對(duì)刀具磨損情況進(jìn)行監(jiān)控，通過采集變頻器的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后與標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與對(duì)比、分析差異，進(jìn)而推測(cè)出刀具磨損狀況，間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損情況監(jiān)測(cè)。

[1]M Ebrahimi and J L Victory.Web-based machine tool cond ition monitoring,Network Intelligence：Internet-based Manufacturing.

[2]馬旭,陳捷.數(shù)控機(jī)床刀具磨損監(jiān)測(cè)方法研究[J].機(jī)械,2009(36)3：70-73.

[3]歐陽惠斌.基于功率變化率的刀具磨損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù),2003(2)：20-21.

[4]張承陽.基于Web的開放式數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué),2005.

[5]Microsoft Corp.MSDN Library Visual Studio 6.0.HTML Help Control Version 4.74.

[6]王云霞,等.基于Internet的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2003(6).