关于数控机床状态及生产信息采集系统设计的探讨

黄璜　张宁

摘 要：现阶段，数控机床状态数据和生产信息数据是实现相关工作车间数字化的基础信息，是保证车间数字化的科学稳定运行。本文通过对数控机床数据采集方法进行简单研究的基础上，深入研究数据机床状态数据采集系统和生产数据采集系统的设计方案和方法，通过系统建立的数据进行全方位的采集相关数据，应用到车间数字化的研究中，对车间进行现代化的改造和提升，继而加快国家车间数字化的进程。

关键词：数控机床 数据采集 生产信息

中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0002-02

传统机器机械时代正在逐渐向智能化信息化的技术时代发展，现代制造技术和网络系统化技术的融合是时代发展必然结果。信息化技术逐渐被应用到各行各业中去，制造业已经将企业信息化作为提高企业竞争力的主要手段，将数字化系统应用到制作车间中，能够进一步提高企业的工作效率，从根本上提高企业的制造技术，带动企业发展，数控机床的信息化网络化管理是目前制造行业中最为重要的内容之一。

1 数控机床数据采集方法研究及系统设计

数控机床的数据采集系统需要针对车间使用机床不同的数控系统结构设置不同的采集方式，还要综合考虑数控系统可以接受的接口类型，才能够保证系统整体的准确性。现阶段制造行业车间中采用的采集方式大多数为宏命令采集、基于电路电器采集以及PLC采集，本文仅针对基于宏命令的数据采集进行研究。

1.1 串口通讯技术

基于串口的数控机床数据采集系统主要包括串口通讯技术、宏命令介绍，进而实现基于宏命令的数据采集，串口通讯最初由美国的电子工业联合会和其他公司共同公布的通讯协议中提出，现阶段常用的串口标准有3个，大部分厂商使用的数控机床设备都和RS232C的标准兼容，该标准适用与近距离通讯，距离最大为15m。串口通讯技术在具体应用过程中主要功能包括载波检测、接收数据、发送数据以及数据准备信号和振铃提示等，这些信号功能，能够保证采集过程中信号被稳定安全的接受使用。

1.2 宏命令介绍

在串口通讯技术的基础上，在数控机床系统中加入宏命令程序，以此实现对数控机床状态数据的采集，宏命令系统可以对机床的主轴速度、进给速度、零件加工时间以及机床刀具信息等机床状态数据进行采集。但是不同的数控系统的宏命令格式不同，在相关技术人员对宏命令进行编写的过程中要根据不同数控机床的系统进行分析。在NC加工程序中嵌入设计好的宏命令程序后，就会对数控系统发送宏命令，进而利用串口通讯技术对系统地址变量的值进行读取，因为在系统地址变量中存储着车间机床的状态信息数据，在经过读取后，就可以获得想要的信息。但是宏命令在设置的过程中必须要符合相应的格式，才能够被系统所识别，比如：DOPRNT格式，具体读取操作如下：

POPEN

BPRNT[a1#3001[30]]

PCLOS

在上述读取操作程序中，a1和a2的小数点要分别精确到点后的两位和一位。

1.3 基于宏命令的数据采集

通过对宏命令的研究后，建立数控系统宏命令采集机床数据，首先要确定数控机床的状态数据和系统内的地址变量，确定两者之间的关系后，值得注意的是不同的数控系统的变量地址各不相同。以地址变量#3000为例，对应的宏程序为DPRNT[ALARM#3000[30]]，表示当#3000的数值处在0～99之间时，系统中的NC程序停止，显示报警[1]。除此之外还要采集数控机床中的NC程序的加工时间，要在NC程序的開始位置和结束为止加入对应的时间宏命令，进而获得在程序的加工时间。基于宏命令采集的数控机床状态采集系统不需要添加其他硬件设备，降低车间的生产成本，并且能够在非在线加工时实现自动采集，这种采集方法能够适用于大部分的数控机床，但是这种方法会在一定程度上受到数控系统开放性的影响，缺少数据的实时性。

2 生产数据采集系统设计

车间机床的生产信息数据是实现车间数控化的重要组成部分，生产信息主要包括车间工作人员信息、制作中物品的供工序信息以及物品信息等，要想加强车间生产信息的数字化管理就要在车间内建立生产数据采集系统，本文所采用的方法是RFID+ZigBee的方式来实现，这种采集系统具有快速高效的优点，且无需接触就能够对车间的相关信息进行批量处理，解决了大部分车间存在的信息流动性较大、数据较分散的问题[2]。

2.1 系统方案设计

生产信息采集系统在设计过程中分为是3个层次，分别为采集层、传输层以及管理层，针对工人和工件以及在制品工序信息统一使用RFID的卡片和读写器，进行数据收集，接着在ZigBee传输层中利用无线通讯进行资源设计，在此基础上，能够节省系统设计资源，在建立好RFID采集模块的基础上，连接ZigBee无线传输模块，对已经采集好的RFID数据信息进行打包和上传。

2.2 工人考勤信息设计

2.2.1 模块硬件设计

以生产数据中的工人考勤信息采集设计为例，以为内车间工人采集信息的数据量较少，信息采集的次数不需要过于频繁，因此，采用低成本的RFID技术就能够满足车间工人考勤信息采集的需求。125kHz是最为典型的低频RFID，采用MCU+的射频基站芯片的方式，建立完整的RFID系统。对此系统中的天线绕制圈数和回路电容进行计算，具体公式如下：

上述两个公式中，L为系统中天线回路的电感量；N为天线的线圈匝数；u0为常数；R为天线回路的半径；d为漆包线的直径；f0为谐振频率；C为天线串联后的电容数值。

2.2.2 工人信息采集模块程序设计

经过模块的硬件设计后，对模块的软件程序进行设计，采集模块的程序设计主要是针对工人卡号信息进行读取的过程，卡片的对应信息存储通过发送器所发送出来的载波中，以编码的形式进行传输，因此，对读取数据可以根据编码的形式进行，采用轮回询问的方式，建立相应的判断条件，对射频区域是否有卡片进行实时监测，并且读取相关的卡号，将卡号传递到ZigBee的模块中，对数据进行奇偶校验，保证整个系统传输的准确率。

2.3 数控机床生产信息传输层设计

在对生产信息的传输层进行设计的过程中，首先要简单了解ZigBee的相关协议内容，随后对CC2530通讯模块的硬件和软件进行设计。因为现阶段自动化市场上较为成熟的ZigBee的射频芯片大部分为CC2530系列，该系列的抗干扰性较强、输出功率较大、灵敏性也较高，并且可以支持相关软件的编程，除此之外，还拥有省电模式，能够对电池和温度进行监测，因此得到了广泛应用。工人信息和相关供需信息进入卡片打包后，打包过的信息经过串口被传送到CC2530模块，通过ZigBee将信息传送到协调其中，最终由CC2530将内部的数据包加上数据地址等信息，方便查询和识别数据的来源，此外，CC2530内部的协议栈可以实现自动选择最佳路径，上传相应的数据，并且根据实际情况考虑数据跳转或者直接上传协调器节点。在世界了基于CC2530的ZigBee网络传输模块，真正实现了终端、路由和协调器之间的自组网功能，并且对数据进行打包传输和管理。

3 结语

综上所述，通过对数控机床状态数据和生产信息采集数据的研究，提出相应的设计方案，实现对车间基础数据的全面采集，进一步提高数控机床的数字化控制，完善整体采集系统，从根本上保证系统根据采集信息更加稳定的运行，建立准确快速的传输路径，满足车间对信息的需求，在信息采集系统的基础上，提高了车间的管理系统，建立起综合性的机床控制管理，为数字化应用提供参考方案。

参考文献

[1] 单东利，李红丽.关于数控机床状态监测系统的研究[J]. 科技创新与应用，2017（10）：110-111.

[2] 周宏兴，杨庆东.一种数控机床信息感知与状态识别方法[J].机械工程师，2017（8）：58-60.endprint