關(guān)于數(shù)控機(jī)床狀態(tài)及生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討

黃璜　張寧

摘 要：現(xiàn)階段，數(shù)控機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作車間數(shù)字化的基礎(chǔ)信息，是保證車間數(shù)字化的科學(xué)穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過對數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行簡單研究的基礎(chǔ)上，深入研究數(shù)據(jù)機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和方法，通過系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的采集相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用到車間數(shù)字化的研究中，對車間進(jìn)行現(xiàn)代化的改造和提升，繼而加快國家車間數(shù)字化的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 數(shù)據(jù)采集 生產(chǎn)信息

中圖分類號：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0002-02

傳統(tǒng)機(jī)器機(jī)械時(shí)代正在逐漸向智能化信息化的技術(shù)時(shí)代發(fā)展，現(xiàn)代制造技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)化技術(shù)的融合是時(shí)代發(fā)展必然結(jié)果。信息化技術(shù)逐漸被應(yīng)用到各行各業(yè)中去，制造業(yè)已經(jīng)將企業(yè)信息化作為提高企業(yè)競爭力的主要手段，將數(shù)字化系統(tǒng)應(yīng)用到制作車間中，能夠進(jìn)一步提高企業(yè)的工作效率，從根本上提高企業(yè)的制造技術(shù)，帶動企業(yè)發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的信息化網(wǎng)絡(luò)化管理是目前制造行業(yè)中最為重要的內(nèi)容之一。

1 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要針對車間使用機(jī)床不同的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置不同的采集方式，還要綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)可以接受的接口類型，才能夠保證系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)階段制造行業(yè)車間中采用的采集方式大多數(shù)為宏命令采集、基于電路電器采集以及PLC采集，本文僅針對基于宏命令的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行研究。

1.1 串口通訊技術(shù)

基于串口的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括串口通訊技術(shù)、宏命令介紹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于宏命令的數(shù)據(jù)采集，串口通訊最初由美國的電子工業(yè)聯(lián)合會和其他公司共同公布的通訊協(xié)議中提出，現(xiàn)階段常用的串口標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)，大部分廠商使用的數(shù)控機(jī)床設(shè)備都和RS232C的標(biāo)準(zhǔn)兼容，該標(biāo)準(zhǔn)適用與近距離通訊，距離最大為15m。串口通訊技術(shù)在具體應(yīng)用過程中主要功能包括載波檢測、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號和振鈴提示等，這些信號功能，能夠保證采集過程中信號被穩(wěn)定安全的接受使用。

1.2 宏命令介紹

在串口通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中加入宏命令程序，以此實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，宏命令系統(tǒng)可以對機(jī)床的主軸速度、進(jìn)給速度、零件加工時(shí)間以及機(jī)床刀具信息等機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。但是不同的數(shù)控系統(tǒng)的宏命令格式不同，在相關(guān)技術(shù)人員對宏命令進(jìn)行編寫的過程中要根據(jù)不同數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)進(jìn)行分析。在NC加工程序中嵌入設(shè)計(jì)好的宏命令程序后，就會對數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送宏命令，進(jìn)而利用串口通訊技術(shù)對系統(tǒng)地址變量的值進(jìn)行讀取，因?yàn)樵谙到y(tǒng)地址變量中存儲著車間機(jī)床的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，在經(jīng)過讀取后，就可以獲得想要的信息。但是宏命令在設(shè)置的過程中必須要符合相應(yīng)的格式，才能夠被系統(tǒng)所識別，比如：DOPRNT格式，具體讀取操作如下：

POPEN

BPRNT[a1#3001[30]]

PCLOS

在上述讀取操作程序中，a1和a2的小數(shù)點(diǎn)要分別精確到點(diǎn)后的兩位和一位。

1.3 基于宏命令的數(shù)據(jù)采集

通過對宏命令的研究后，建立數(shù)控系統(tǒng)宏命令采集機(jī)床數(shù)據(jù)，首先要確定數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)內(nèi)的地址變量，確定兩者之間的關(guān)系后，值得注意的是不同的數(shù)控系統(tǒng)的變量地址各不相同。以地址變量#3000為例，對應(yīng)的宏程序?yàn)镈PRNT[ALARM#3000[30]]，表示當(dāng)#3000的數(shù)值處在0～99之間時(shí)，系統(tǒng)中的NC程序停止，顯示報(bào)警[1]。除此之外還要采集數(shù)控機(jī)床中的NC程序的加工時(shí)間，要在NC程序的開始位置和結(jié)束為止加入對應(yīng)的時(shí)間宏命令，進(jìn)而獲得在程序的加工時(shí)間?；诤昝畈杉臄?shù)控機(jī)床狀態(tài)采集系統(tǒng)不需要添加其他硬件設(shè)備，降低車間的生產(chǎn)成本，并且能夠在非在線加工時(shí)實(shí)現(xiàn)自動采集，這種采集方法能夠適用于大部分的數(shù)控機(jī)床，但是這種方法會在一定程度上受到數(shù)控系統(tǒng)開放性的影響，缺少數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車間機(jī)床的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)車間數(shù)控化的重要組成部分，生產(chǎn)信息主要包括車間工作人員信息、制作中物品的供工序信息以及物品信息等，要想加強(qiáng)車間生產(chǎn)信息的數(shù)字化管理就要在車間內(nèi)建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文所采用的方法是RFID+ZigBee的方式來實(shí)現(xiàn)，這種采集系統(tǒng)具有快速高效的優(yōu)點(diǎn)，且無需接觸就能夠?qū)囬g的相關(guān)信息進(jìn)行批量處理，解決了大部分車間存在的信息流動性較大、數(shù)據(jù)較分散的問題[2]。

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中分為是3個(gè)層次，分別為采集層、傳輸層以及管理層，針對工人和工件以及在制品工序信息統(tǒng)一使用RFID的卡片和讀寫器，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，接著在ZigBee傳輸層中利用無線通訊進(jìn)行資源設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，能夠節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)資源，在建立好RFID采集模塊的基礎(chǔ)上，連接ZigBee無線傳輸模塊，對已經(jīng)采集好的RFID數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包和上傳。

2.2 工人考勤信息設(shè)計(jì)

2.2.1 模塊硬件設(shè)計(jì)

以生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的工人考勤信息采集設(shè)計(jì)為例，以為內(nèi)車間工人采集信息的數(shù)據(jù)量較少，信息采集的次數(shù)不需要過于頻繁，因此，采用低成本的RFID技術(shù)就能夠滿足車間工人考勤信息采集的需求。125kHz是最為典型的低頻RFID，采用MCU+的射頻基站芯片的方式，建立完整的RFID系統(tǒng)。對此系統(tǒng)中的天線繞制圈數(shù)和回路電容進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：

上述兩個(gè)公式中，L為系統(tǒng)中天線回路的電感量；N為天線的線圈匝數(shù)；u0為常數(shù)；R為天線回路的半徑；d為漆包線的直徑；f0為諧振頻率；C為天線串聯(lián)后的電容數(shù)值。

2.2.2 工人信息采集模塊程序設(shè)計(jì)

經(jīng)過模塊的硬件設(shè)計(jì)后，對模塊的軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，采集模塊的程序設(shè)計(jì)主要是針對工人卡號信息進(jìn)行讀取的過程，卡片的對應(yīng)信息存儲通過發(fā)送器所發(fā)送出來的載波中，以編碼的形式進(jìn)行傳輸，因此，對讀取數(shù)據(jù)可以根據(jù)編碼的形式進(jìn)行，采用輪回詢問的方式，建立相應(yīng)的判斷條件，對射頻區(qū)域是否有卡片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且讀取相關(guān)的卡號，將卡號傳遞到ZigBee的模塊中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，保證整個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

2.3 數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)信息傳輸層設(shè)計(jì)

在對生產(chǎn)信息的傳輸層進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，首先要簡單了解ZigBee的相關(guān)協(xié)議內(nèi)容，隨后對CC2530通訊模塊的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)楝F(xiàn)階段自動化市場上較為成熟的ZigBee的射頻芯片大部分為CC2530系列，該系列的抗干擾性較強(qiáng)、輸出功率較大、靈敏性也較高，并且可以支持相關(guān)軟件的編程，除此之外，還擁有省電模式，能夠?qū)﹄姵睾蜏囟冗M(jìn)行監(jiān)測，因此得到了廣泛應(yīng)用。工人信息和相關(guān)供需信息進(jìn)入卡片打包后，打包過的信息經(jīng)過串口被傳送到CC2530模塊，通過ZigBee將信息傳送到協(xié)調(diào)其中，最終由CC2530將內(nèi)部的數(shù)據(jù)包加上數(shù)據(jù)地址等信息，方便查詢和識別數(shù)據(jù)的來源，此外，CC2530內(nèi)部的協(xié)議棧可以實(shí)現(xiàn)自動選擇最佳路徑，上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)實(shí)際情況考慮數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)或者直接上傳協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在世界了基于CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，真正實(shí)現(xiàn)了終端、路由和協(xié)調(diào)器之間的自組網(wǎng)功能，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳輸和管理。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對數(shù)控機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)信息采集數(shù)據(jù)的研究，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對車間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的全面采集，進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化控制，完善整體采集系統(tǒng)，從根本上保證系統(tǒng)根據(jù)采集信息更加穩(wěn)定的運(yùn)行，建立準(zhǔn)確快速的傳輸路徑，滿足車間對信息的需求，在信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高了車間的管理系統(tǒng)，建立起綜合性的機(jī)床控制管理，為數(shù)字化應(yīng)用提供參考方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 單東利，李紅麗.關(guān)于數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（10）：110-111.

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