潘海鴻，張秋杰，葉文海，陳 琳

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

特種復(fù)合加工數(shù)控系統(tǒng)硬件模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)*

潘海鴻，張秋杰，葉文海，陳 琳

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

為解決對(duì)自主開發(fā)的龍門式鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)問題，提出采用離散方式對(duì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的模塊間通訊狀態(tài)及系統(tǒng)關(guān)鍵特征信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)PLC與多軸運(yùn)動(dòng)控制器之間半雙工通訊特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)兩次“握手”方式實(shí)現(xiàn)它們間的串口通訊。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了串行通訊方法的可行性，結(jié)果表明上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，即實(shí)現(xiàn)及時(shí)監(jiān)測(cè)模塊間通訊狀態(tài)及系統(tǒng)關(guān)鍵特征信號(hào)，一定程度提高了系統(tǒng)的安全性。

特種復(fù)合加工中心；關(guān)鍵特征信號(hào)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引言

智能化、開放化是未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)［1］。狀態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床智能化的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)獲得信息的正確使用和分析是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控的重要任務(wù)［2］。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有多模塊硬件結(jié)構(gòu)，各硬件模塊運(yùn)行狀態(tài)成為數(shù)控系統(tǒng)能否正常工作運(yùn)行的關(guān)鍵因素，因此必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各模塊運(yùn)行狀態(tài)［3-5］。目前，國外高檔數(shù)控系統(tǒng)大都配備獨(dú)立的監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)，對(duì)客戶端軟硬件要求較高，一定程度上增加了成本［6］。國內(nèi)具有狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的商用數(shù)控系統(tǒng)較少，國外產(chǎn)品占據(jù)著主要市場［7］。

針對(duì)自主研發(fā)的龍門式鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)，研究如何實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，即監(jiān)測(cè)模塊間的通訊狀態(tài)和系統(tǒng)關(guān)鍵特征信號(hào)，并制定急停安全處理流程，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

自主研發(fā)的龍門式鈑金刻銑與激光切割特種復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)采用“PC+多軸運(yùn)動(dòng)控制器+外掛PLC結(jié)構(gòu)”，其硬件架構(gòu)見圖1。

圖1 特種復(fù)合加工中心數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

其中上位機(jī)（PC）處理用戶操作消息及顯示人機(jī)界面；多軸運(yùn)動(dòng)控制器完成多軸協(xié)同控制、運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)及軌跡規(guī)劃等任務(wù)；外掛PLC通過PC-PPI串行總線與多軸運(yùn)動(dòng)控制器通訊［8］，完成自動(dòng)換刀和輔助功能。

2 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)直觀的反映系統(tǒng)狀態(tài)，主要監(jiān)測(cè)設(shè)備或零部件在其運(yùn)行過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象特點(diǎn)，分為離散監(jiān)測(cè)和連續(xù)監(jiān)測(cè)［9］。離散監(jiān)測(cè)，主要對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中的離散變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括二進(jìn)制的I/O信號(hào)、模塊之間的控制信息及通訊信號(hào)；連續(xù)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行或其加工過程狀態(tài)中的連續(xù)變量。包括加工過程中傳感器獲取的刀具及工件幾何數(shù)據(jù)等。由于自主研發(fā)的柔性鈑金與激光切割特種復(fù)合加工中心系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，采用離散監(jiān)測(cè)的方式對(duì)各模塊通訊狀態(tài)及關(guān)鍵特征信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.1 模塊間通訊狀態(tài)監(jiān)測(cè)

自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)由圖1可知主要由3個(gè)（PC+多軸運(yùn)動(dòng)控制器+外掛PLC）既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系的模塊組成。不同模塊間通訊異常是系統(tǒng)故障的表現(xiàn)形式之一，設(shè)計(jì)如圖2所示的模塊間通訊狀態(tài)監(jiān)控流程。其中PLC應(yīng)答信號(hào)為PLC收到多軸運(yùn)動(dòng)控制器通訊校驗(yàn)信號(hào)后反饋到多軸運(yùn)動(dòng)控制器I/O的標(biāo)志；由于PLC與多軸運(yùn)動(dòng)控制器通訊之間為半雙工通訊方式，不能同時(shí)收發(fā)信息［10］。因此提出兩次“握手”的方式實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制器與PLC之間通訊功能（第一次“握手”實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)控制器收發(fā)信息功能、PLC接收信息功能的確認(rèn)。第二次“握手”實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)PLC發(fā)送信息功能的確認(rèn)）；當(dāng)上位機(jī)與多軸運(yùn)動(dòng)控制器連接失敗次數(shù)超過3次，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息并進(jìn)行異常處理，即提示用戶進(jìn)行故障處理并記錄報(bào)警信息，暫停系統(tǒng)功能，停止各軸及激光動(dòng)作。

圖2 多軸運(yùn)動(dòng)控制器與PLC建立通訊流程圖

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵特征信號(hào)監(jiān)測(cè)

機(jī)床在運(yùn)行過程中產(chǎn)生多種不同信號(hào)，包括數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字控制信號(hào)以及機(jī)械輔助定位機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)開關(guān)傳感器信號(hào)和一般I/O信號(hào)等。這些信號(hào)均以數(shù)字量形式出現(xiàn)，直接關(guān)系到機(jī)床加工過程的正常運(yùn)行及加工零件的質(zhì)量。將明顯反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的信號(hào)［9］稱為系統(tǒng)關(guān)鍵特征信號(hào)。

針對(duì)自主研發(fā)的鈑金刻銑與激光切割特種復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)，其需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵特征信號(hào)如表1所示。上位機(jī)通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制器提供的API函數(shù)讀取控制器內(nèi)部對(duì)應(yīng)表1中的狀態(tài)標(biāo)志位信息，并將獲取的狀態(tài)信息顯示于上位機(jī)的系統(tǒng)關(guān)鍵特征信號(hào)監(jiān)測(cè)表（如圖3）中，深色代表有信號(hào)狀態(tài)，淺色則無。

表1 特種復(fù)合加工中心關(guān)鍵特征信號(hào)表

圖3 系統(tǒng)關(guān)鍵特征信號(hào)監(jiān)測(cè)表

3 急停安全處理流程

急停功能是數(shù)控控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于緊急情況下關(guān)斷所有軸運(yùn)動(dòng)及控制電路電源從而快速停止設(shè)備運(yùn)行，保護(hù)人身和設(shè)備安全［10］。 針對(duì)特種鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)急停處理流程，包括電氣部分“硬急?！焙蛙浖绦虿糠帧败浖蓖！?。其中電氣部分不再贅述，“軟急?！绷鞒倘鐖D4，其中多軸運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部提供用戶可自定義的BOOL型變量（bit位）標(biāo)志當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。急停處理程序?qū)懭氲蕉噍S運(yùn)動(dòng)控制器中，掃描周期為1ms，該程序在數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)程序啟動(dòng)時(shí)開始循環(huán)執(zhí)行，直到整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)安全關(guān)閉。

圖4 急停輸入響應(yīng)流程圖

4 結(jié)論

針對(duì)自主研發(fā)的特種復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過兩次“握手”的方式實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制器模塊與外掛PLC模塊［參考文獻(xiàn)］

之間通訊功能。采用對(duì)各模塊通訊狀態(tài)和機(jī)床關(guān)鍵狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)的方法，使系統(tǒng)及時(shí)獲取機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)并作出提示，以便采取針對(duì)性措施防止故障發(fā)生。同時(shí)增加了系統(tǒng)急停功能，令設(shè)備運(yùn)行的安全性得以提高。應(yīng)用于自主研發(fā)數(shù)控系統(tǒng)驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)方法的可行性，且對(duì)同類開放式數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)具有一定參考和借鑒意義。

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（編輯 李秀敏）

The Special Composite M achining CNC System Hardware M odules Status M onitoring

PAN Hai-hong，ZHANG Qiu-jie，YEWen-hai，CHEN Lin
（College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In order tomonitor complex running status for open CNC system of the self-developed planer-type sheet and laser cutting compound machining center，a discrete way was proposed to monitor traffic status of each module and key characteristic signalwhich affect system operation.A two"handshake"way was proposed to achieve the serial communication between multi-axismotion controller module and PLC module，which is according to the half-duplex communication feature of the twomodules.An experimentwas carried to verify the feasibility of serial communicationmethod.The results show that the upper computer canmonitor the running statuses of this system.These methods can improve the safety of this open CNC system at some extent.

special compound machining center；key characteristic signal；statusmonitoring

TH165；TG659

A

1001-2265（2015）07-0104-02 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.028

2014-10-05；

2014-11-12

國家自然科學(xué)基金（51465005）；南寧市科技攻關(guān)（20141018）

潘海鴻（1966-），男，壯族，廣西武鳴人，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)，機(jī)器人控制技術(shù)，（E-mail）hustphh@ 163.com；通訊作者：陳琳（1973-），女，山東青島人，廣西大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、數(shù)字信號(hào)檢測(cè)與處理、伺服電機(jī)控制，（E-mail）gxdxcl@163.com。