基于840d数控系统的机床功率在线监控方法研究

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1、基于840D数控系统的机床功率在线监控方法研究　　摘要：本文针对数控机床功率在线监控的需求，提出了一种基于西门子840D数控系统的机床功率监控解决方案，并开发了功率在线监控系统。该系统通过840D系统的内部PLC以及AD数据采集卡，实现了对数控机床功率数据的实时采集，进而实现了机床功率在线监控功能。　　关键词：840D；数据采集；在线监控　　中图分类号：TP274文献标识码：A　　0.引言　　随着计算机以及信息技术的飞速发展，传统的制造行业正在逐步向信息化、智能化发展，而制造业信息化的关键支撑要素之一是生产设备的实时状态数据。数控机床作为一种重要的生产设备，其功率数据可以

2、用于监控机床的运行状态，分析机床的加工过程，统计机床的利用率等，对于生产自动化有着十分重要的意义。　　由于数控系统的多样性，不同厂家提供的机床通信接口和协议各不相同，由此产生了各种不同的机床功率数据采集方案。本文的研究对象西门子840D数控系统是一种先进的开放的数控系统，目前对其功率采集主要有两种方案，一是基于硬件接线方式的电气法，另一种是基于数字通信方式的通信法。4　　通信法是利用840D数控系统的开放性，通过数控系统提供的接口来读取数控系统内部变量的采集方法。相比于硬件接线的电气法，通信法具有硬件改动小、安全性高、数据精度高等优点。本文所研究的机床功率在线监控方法即基

3、于通信法实现。　　1.系统方案设计　　西门子840D数控系统由NCK+PLC+PC三级结构组成。其中NCK（NumericControlKernel）是数控加工的核心模块，包括联动、插补等核心功能，实时性最高。PLC负责外围控制功能，如刀库、切削液等辅助功能的控制，实时性较高。PC部分是基于Windows操作系统的工控机，主要负责前面板的显示和操作，用于人机交互功能，实时性较低。3个部分通过MPI总线连接，实现数据交互。　　作为数控系统的核心，840D的NCK部分是封闭的，用户无法直接与其通信，但通过PLC可以访问到NCK中的状态变量。因此可以通过在PLC上编程来获得机床

4、的功率数据，再通过某种方式将读取到的数据传递给监控系统。本文中的功率数据采集方案即是基于此原理。　　在PLC获取了功率数据以后，还需要将其传递给监控系统。此时又有两种方案，第一种是通过数字通信接口将PLC中的功率数据发送给监控系统的工控机，但需要在PLC上加装额外的通信模块。第二种是通过PLC自带的模拟量输出接口将功率数据以模拟信号输出，再在工控机一侧通过AD采集卡将其转换为数字信号。由于笔者所面临的数控系统PLC上并没有现成的数字通信模块，故此采用了方案二。整个系统的原理结构如图1所示。　　2.系统实现　　（1）PLC端实现4　　840D系统中NCK与PLC之间的数据交

5、互是通过数据块DB进行的，包括机床功率数据在内的NC变量都存储在NCK数据块，840D系统提供了读取NC变量的功能块FB2。FB2是PLC基本用户功能块，用于从NCK读取NC变量。具体方式是：用FB2读出以下变量，再用模拟量模块输出。读变量需要设置$MA_DRIVE_SIGNAL_TRACKING=1。　　$AA_LOAD[axis]Load；负载百分比　　$AA_TORQUE[axis]；力矩　　$AA_POWER[axis]；功率　　$AA_CURR[axis]；电流　　（2）上位机端实现　　上位机为一台工业控制计算机，为了能够从PLC中读取到模拟电压形式的功率数据，

6、在上位机安装了A/D采集卡。采集卡型号为ADLink公司的DAQ-2000数据采集卡，通过PCI总线与PC机实现高速数据交互。采集卡提供了配套的驱动程序以及开发软件包，并且提供SDK（SoftwareDevelopmentKit）函数接口，通过按一定的顺序调用这些函数接口，即可实现将模拟量输入转化为数字量输出功能。表1中列出了部分关键函数及其说明。　　通过周期性调用采集函数，并将采集到的电压值转换为对应的功率值，可获得数控机床的实时功率数据。　　3.试验验证4　　为了让用户直观地观察到机床功率变化规律，本文开发了可视化的功率监控系统，以功率曲线的形式实时显示机床功率数据。

7、为了验证机床功率监控系统的功能，本文选取了一组典型的深孔加工工况进行试验，图2是该过程的功率变化曲线。其中横轴代表采样时间序列，纵轴代表机床主轴电流，功率可由电流换算得出。　　从图2中可以直观地看出，功率曲线表现为较为规律的波峰和波谷，而机床此时正在进行啄孔式加工，即钻一定深度后退刀再下钻，如此反复直至钻透。理论上当钻头尚未与工件接触时，机床输出功率较低，曲线应表现为波谷；当钻头与工件接触后，主轴负载增大，转矩增加，机床输出功率较高，曲线应表现为波峰。通过目测，机床的钻孔动作与功率曲线的波动变化能够吻合。通过分析数控加工程序代