零件加工过程机床运行数据在线监测方法分析

零件加工过程机床运行数据在线监测方法分析

发表时间：2019-10-11T10:40:26.630Z 来源：《基层建设》2019年第21期作者：韦莹[导读] 摘要：目前，为了确保零件加工精度，大多生产企业都会运用数控系统来对零件加工过程进行闭环控制，以便通过在线监测与管理，将工件加工过程中所存在的问题及时的挖掘出来，从而有效提高零件加工效率和加工精度，降低零件加工成本。

广西钢铁集团有限公司冷轧厂 538002摘要：目前，为了确保零件加工精度，大多生产企业都会运用数控系统来对零件加工过程进行闭环控制，以便通过在线监测与管理，将工件加工过程中所存在的问题及时的挖掘出来，从而有效提高零件加工效率和加工精度，降低零件加工成本。本文也会以西门子804D数控系统为主要研究对象，对其在监测机床运行数据时所采用的配套在线监测方法进行了着重的分析，并针对性的提出一些设计优化建议，

以便为该数控系统在机械制造行业中的进一步推广和应用提供可靠的参考依据。

关键词：零件加工；机床运行数据；在线监测；分析研究传统机械加工技术大多是采取开环控制方式来对零件加工过程进行控制，由于这种控制模式只注重加工结果，忽视加工过程的监督与管理，所以常常导致零件加工质量与预期目标出现较大的差异。因此，要想提高零件加工效率和加工精度，相关企业就要将在线监测技术引入与数控机床进行紧密结合，以便形成一个智能化控制系统，对工件加工过程进行闭环控制，从而在低成本的运行基础上获得高品质工件，真正达到机械制造的智能加工目的。

1.研究目的

为了推进我国机械制造业全面实现智能加工，就要在现有加工系统的基础上，积极研发相应的配套在线监测系统，以便可以通过相应的监测手段对零件加工过程中所涉及的数据参数进行全面采集和分析，如：机床运行数据、切削物理数据等，并根据分析结果判断出工件实际加工质量和加工精度，同时，还要挖掘出非正常加工结果的真实原因，针对性的对加工过程进行优化处理，以便可以最大化提升数控机床的加工效率，进而在在低成本的运行基础上获得高品质工件。本文将西门子840D数控系统作为主要研究对象，其是一种开放性极强的数控系统，在运行过程中，该系统一般会采用以硬件接线方式为基础的电气法和以数字通信方式为基础的通信法来对数控机床的运行数据进行采集、分析，其中，尤以后者采集方法的应用成效最为明显，其在实际运行时，不仅具有较高的安全性，而且对于硬件的影响也是十分之小，能够全面确保数据采集的精度和效率，可以帮助零件加工企业实现智能加工控制，所以，本文所研究的机床功率在线监控方法基本以通信法来实现。

2.系统设计

从整体架构设计方案来看，西门子840D数控系统主要是由三大关键部分所组成，如：NCK模块、PLC模块和PC模块。其中NCK模块属于数控加工系统的心脏，其具有较高的实时性、联动性和插补性；而对于数控加工系统而言，PLC模块则起到了一定的辅助控制作用，能够从外围控制刀库、切削液等辅助功能的有效发挥，进而全面保证数控系统运行的稳定性和实效性；PC模块则是一个建立在Windows操作基础上的工控机，主要用于实现人机交互，所以其具有的实时性功能要低于前两种组成模块。但由于840D数控系统在运行过程中无法与用户直接进行通信获取相应的运行数据，所以，为了保证系统的在线监测功能，就要采用MPI总线来连接NCK模块、PLC模块和PC模块，然后再运用PLC编程来获得机床功率数据，并利用该编程所含有的模拟量输出接口将获得的功率数据以模拟信号的形式输入到工控机一侧的AD采集卡中，最后通过采集卡的转换，使其以数字信号的形式传递到监控系统界面上，这样才能便于零件加工人员的分析和处理。整个系统的运行原理如图一所示。

图一

3.系统实现

3.1PLC端实现

在西门子840D系统中，PLC模块是其最为核心的重要组成部分，要想实现与NCK模块的数据交互，就要通过DB数据块的设计来得以实现。同时，还要通过FB2功能块来对数控机床的所有NC变量进行读取，并将其存储在NCK数据块中。因此，FB2功能块可视为PLC的基本用户功能块，在其实际运行过程中，一般会利用FB2功能块从NCK读取以下几种NC变量，如：机床负载百分比、力矩、功率、电流等，并利用模拟量模块将这些输出，这样就完成了对机床功率数据的采集和分析。

3.2上位机端实现

上位机端即工业控制计算机，其设计的目的是为了能够通过PLC端读取到模拟电压形式的功率数据，因此在其机体一侧会安装由ADLink公司开发的DAQ-2000数据采集卡，该采集卡不仅配有完整的驱动程序以及开发软件包，而且还具备标准化的SDK函数接口，这样通过PCI总线与PC机，就可将机床功率数据由模拟量输入模式转化成数字量输出模式，进而通过有效交互，真正获得数控机床的实时功率数据。

3.3数据获取流程的实现

第一：发送指令。即系统操作人员会在数据采集前，事先在监测系统中设定采样频率和采样精度，然后再通过RS232通讯口将数据采集指令传送到信号转换模块中；第二；信号转换。当在线监测系统通信接口所发送的数据采集指令输送到信号转换模块后，该模块会直接将其转换为数控系统可以识别的并行数字信号；第三，指令解析。当数控系统接收到信号转换模块发送来的指令后，会按照相应的指令表，来对指令内容进行解析，并根据变量地址表，在数控系统寄存器中读取出其中的有效参数；第四，数据反馈。即将读取的有效参数发送给信号转换模块，然后通过该模块的转化，使其演变成能够被工控机有效识别的串行数字信号，并将其继续传送到工控机通信模块中；第五，数据接收。在线监测系统获取到工控机识别的串行数字信号后，会立即运用通信模块对这些信号进行显示和存储，以便工作人员可以随时对这些数据进行调用和分析。

3.4在线监测系统界面设计的实现

为了工作人员更加直观、全面的分析和处理在线监测系统所获得的机床运行功率数据，相关设计人员应对在线监测系统界面进行相应的优化，具体可以从以下两个方面入手：首先，为了保证系统的运行安全，设计人员设置了专门的系统登录窗口，这样用户在登录系统时，就要通过所设置的用户名和登录密码才能对系统进行操作；其次，为了保证系统的运行效率，设计人员设置了专门的在线监测系统操作界面，这样在操作过程中，工作人员直接按照事先预定的操作流程就可实现数据的全面采集以及安全存储和灵活使用等功能。

4.系统应用

为了让840D系统在零件加工过程中起到良好的监督与控制作用，相关设计人员还在系统中设置了专门的功率监控装置，以便通过功率曲线图的实时显示让用户直观地观察到机床功率变化规律。例如，某零件加工厂在进行深孔加工时，利用在线功率监控装置来监督机床的整体运行情况，从最终呈现的功率曲线图可以得知，机床的运行模式主要为啄孔式加工。按照相应的加工理论来分析，一般情况下，当钻头尚未与工件接触时，机床输出功率通常都比较低，曲线图应表现为波谷；反之，当钻头与工件接触后，主轴负载增大，转矩增加，机床输出功率会逐渐升高，曲线图应表现为波峰。通过目测，机床的钻孔动作、数控程序等都与功率曲线的波动变化完全吻合。由此可见，功率监控系统的应用，对于提高零件加工质量和加工精度而言，有着极大的促进作用。

结束语

综上所述，本文通过对西门子840D数控系统的机床功率采集方法的分析，可以了解到，在线监测方法与数控系统的有机结合，不仅可以提高零件加工效率和加工精度，而且还能有效降低加工成本，帮助企业获得一定的经济效益。因此，要想推进机械制造业的进一步发展，使其真正达到全面智能加工的目的，就要对数控在线监测系统加大研究力度，这样才能为智能加工技术的发展提供可靠的技术支撑。

参考文献：

[1]卢志远，马鹏飞等.基于机床信息的加工过程刀具磨损状态在线监测[J].中国机械工程，2019，02：98-99.

[2]朱雪亮.数控系统中集成PLC的程序升级建设探究[J].中国高新科技，2018，04：12-14.