毛刺清理設備組網監控技術研究*

馬 帥，李 行，李 波，鄒光明，趙 林

(1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，武漢 430081；2.湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053；3.襄陽華中科技大學先進制造工程研究院，湖北 襄陽 441053；4.湖北航天信息技術有限公司，武漢 430050)

0 引言

去毛刺工藝是機械加工過程中不可忽視的一個步驟，毛刺會對零件的裝配精度、使用要求、再加工定位和操作安全等方面產生不良影響，導致機械整個系統工作性能下降，可靠性、穩定性大大降低[1-3]。

Rajagopalan R等[4]通過傳感器探測毛刺位置，能夠較好地實現毛刺的精確清理； Lee M C等[5]對機器人的控制方式和軌跡規劃進行了相關研究，并開發了一款5自由度打磨機器人；此外，Zielinski C等[6]也對機器人毛刺清理打磨做了相關研究，通過研究機器人打磨過程中的控制算法，實現自動化清理，但由于成本較高難以推廣使用。

當前企業采取的多為砂槍和往復銼等工具進行清理，該方法效率低下、用人成本較高、長時間工作對人體損傷較大且難以保證質量[7-8]。

針對實際加工情況，研制了一種自動化毛刺清理打磨專機，能夠實現大批量加工，解決去毛刺效率低下、加工質量不高的問題。

多臺自動化毛刺清理打磨專機聯動運行，同步加工時，工件產值往往十分巨大。大批量加工時，實時監控每個工件加工狀態，對產品送檢，合格性審查都十分重要；毛刺清理打磨專機自動化程度較高，沒有人力參與，因此故障診斷、識別、排查難度也同樣較高，在現有自動化專機的基礎上進行適合毛刺清理設備組網監控技術的研究，針對毛刺清理設備控制終端的連接屬性，分別設計了基于I/O點采集、以及以太網直接通信的兩種狀態采集方式，并統一通過交換機，與監控上位機組成局域網，通過在相鄰工位動作信號間定時判斷，作為設備故障診斷的依據；并基于采集到的I/O信號，實現工件加工狀態實時監控。僅通過外接采集模塊獲取I/O信號，即可同時實現設備的故障診斷和工件加工狀態實時監控。采用C++語言基于QT 5.9.8的開發環境，開發了上位機監控系統，實現了毛刺清理設備組狀態采集、故障診斷的自動化，并為車間現場管理提供歷史基礎數據。

1 系統總體方案設計

1.1 毛刺清理打磨設備

毛刺清理打磨設備實物如圖1所示，包括5個工位：孔位檢測、裝夾、鉆孔、去毛刺。數控系統硬件平臺基于華中數控公司的華中8型系統，該系統釆用模塊化、放式體系結構，屬于新一代全數字總線式數控系統[9-10]。

硬件控制方案設計主要包括電機選型和供電系統設計。采用交流伺服電機控制X、Y、Z、A、B、C，6個方向的運動；軟件控制方案設計包括PLC的I/O分配和梯形圖設計。華中8型數控系統PLC采用Ladder和STL(Step Ladder Instruction)編程語言繪制PLC程序。

圖1 毛刺清理打磨設備實物圖

1.2 監控系統網絡組建

華中數控為全數字總線式高檔數控系統，采用模塊化開放式體系結構，具備面向數字化車間網絡通信能力，其提供的以太網通訊模塊，以其低成本、高穩定和可靠性和支持技術成熟的優點而被廣泛采用[11-13]。

但前期研制的毛刺清理設備控制終端為華中8型數控系統，由于選型關系，導致其以太網模塊不能升級，難以與上位機監控系統通信，由此可采用擴展采集模塊形式，每臺加工單元配備一個采集終端，與數控系統PLC連接，采集I/O信息，采集終端與上位機之間通過以太網連接。

針對以上兩種情況，系統總體設計方案如圖2所示。

圖2 監控系統網絡設計方案

數控系統與上位機直接通過以太網通訊，需要對數控系統進行二次開發。上位機診斷系統采用Windows桌面應用程序開發，通過以太網收集交換機采集到的信息，從而組建加工單元信息采集網絡監控平臺。

2 清理打磨設備狀態采集

上位機系統獲取設備狀態信息流程如圖3所示。上位機系統在設置本機IP地址后，初始化TCP通訊方式，綁定本機IP地址和端口，創建Socket端口，打開監聽，等待采集模塊客戶端連接。當客戶端與上位機服務器端建立連接后，客戶端發送PLC I/O信息，再由上位機系統處理I/O信息。

圖3 設備狀態采集流程圖

上位機系統數據處理及線程管控流程如圖4所示。數據處理采用多線程方式，子線程中基于Socket編程，獲取I/O數據，判斷工位，發送給主線程執行后續操作。

圖4 數據處理及線程管控流程

2.1 基于采集模塊的狀態采集

清理打磨設備開關量采集基于采集模塊，該模塊具有10個I/O口，最多可同時監控10個開關量信息，能夠滿足對打磨設備5個工位的監控。模塊設有10/100M自適應網口，可通過以太網與交換機連接。

狀態采集時，PLC端口與采集模塊I/O端通過引線連接，PLC低電平接入COM端，即可完成采集模塊和PLC接線。PLC控制每個工位的驅動原件，工位動作時，采集模塊獲取PLC開關量信號，完成打磨設備I/O信號的采集。

2.2 基于華中8型系統的狀態采集

打磨設備狀態采集也可通過華中8型二次開發采集。上位機通過以太網與數控系統連接，對華中8型系統二次開發，建立上位機與數控系統的通訊，從而實現設備狀態信息的采集。二次開發流程：調用華中8型數控應用程序開發接口，通過特定函數獲取寄存器內的數據信息。使用C++語言Socket編程建立機床客戶端和Windows軟件服務端，當設備和上位機成功連接后，數控系統發送數據，上位機接收并解析數據信息，上位機系統周期刷新定時器獲取狀態信息。

3 故障判斷與預警

3.1 故障判斷算法

清理打磨設備5個工位順序加工，完成毛刺清理。相鄰工位間設置定時器，上一工位執行后，閾值時間內下一工位沒有動作，判斷該工位故障。考慮到每個工位的加工時長不同，為確保每個工位都能完成加工，定時器閾值略大于最長的加工時間，故障判斷邏輯如圖5所示。工件孔位檢測時，采集模塊獲取該工位PLC信號并通過以太網傳至上位機系統，上位機解析信號，判斷為孔位檢測，程序執行該工位槽函數，函數體內執行MySQL數據庫操作指令，同時啟動定時器1，計時結束后，判斷裝夾位對應的槽函數是否執行，若沒有執行即判斷為故障位，程序彈出對話框，報告故障工位；若執行，則無故障。其他工位故障判斷和上述相似。孔位檢測工位槽函數部分偽代碼如圖6所示，診斷函數1部分偽代碼如圖7所示。

圖5 故障判斷邏輯圖

圖6 孔位檢測槽函數偽代碼截圖

圖7 診斷函數1部分偽代碼截圖

3.2 故障判斷實現

為了監控工件狀態，將MySQL數據庫鏈接到QT中，解析各工位I/O信息，將每個工件加工日期、到達各工位時刻、工件當前狀態和位置實時監控并錄入數據庫，系統邏輯如圖8所示。設備加工工件時，將工件號，日期插入數據庫，到達各工位后更新數據庫該行信息。若加工過程出現故障，將工件當前狀態更新為“出現故障”，工件當前位置更新為故障工位；若無故障，則每到達一個工位，工件當前狀態為“正在加工”，工件當前位置更新為當前加工工位。當一個工件完成所有加工時，工件當前狀態更新為“已加工”，工件當前位置更新為“出庫”。

圖8 監控系統-工件信息數據庫邏輯圖

4 軟件平臺設計與系統測試

4.1 監控系統軟件設計

采用C++語言開發上位機監控軟件，基于模塊化的開發方法，系統功能模塊如圖9所示。監控軟件包括：主功能模塊；通訊設置模塊，建立與采集終端的通訊；狀態信息采集模塊，采集工件加工狀態信息；故障判斷模塊，判斷識別故障并報警；信息錄入模塊，錄入工件日期、已加工/故障數量；信息查詢模塊，查看一段時間內的加工信息；視頻演示模塊，觀看毛刺清理三維動畫。

主功能模塊如圖10所示，啟動軟件，創建子線程，建立和采集終端的通訊，設備工作時每個工位的動作情況可在界面中觀看，數據庫信息實時更新。“信息錄入”模塊中選定“加工日期”，再選擇“已加工”或者“故障”工件，分類錄入MySQL數據庫，錄入后的信息可在“信息查詢”窗體中通過目標篩選，繪制柱狀圖查看一段時間內的加工情況。

圖9 系統功能模塊圖

圖10 系統主功能模塊

4.2 系統測試

在數控系統界面，通過梯形圖編程，將加工單元工位1～5(圖11左側)對應的輸出信號分別單獨引出至PLC輸出口Y3.0～Y3.4(圖11右側)，再將PLC輸出口通過引線一一對應接到采集模塊I/O1～5，實現工位1～5輸出信號與采集模塊I/O1～5的一一對應連接，PLC低電平接入COM端，采集模塊另一端與PC通過以太網網口連接，加工單元組網監控現場如圖12所示。

通訊平臺搭建完成，啟動設備進行加工，打開軟件，登錄信息，進入監控模塊，建立通訊，工件的加工狀態監控數據庫如圖13所示。系統測試表明：該監控系統可以實時監控工件狀態信息，有效地診斷機床故障。

圖11 PLC梯形圖

圖12 加工單元監控現場圖 圖13 工件狀態信息數據庫

5 結束語

以毛刺清理打磨設備為研究對象，研究了加工單元組網監控系統，針對老版本數控系統不能直接通訊的特點，提出使用采集模塊采集PLC I/O信息，采集模塊和上位機診斷系統之間基于TCP/IP協議通訊。采用C++語言基于QT 5.9.8平臺開發了Windows桌面應用程序加工單元組網監控上位機軟件。測試表明：所設計的監控系統能夠實時監控工件加工狀態信息、可靠地診斷加工過程中的故障信息，降低機床故障排查難度，提高加工效率，為實現智能制造技術提供了便利。