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FMS中在线检测监控技术的研究

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FMS系统实质上是从系统角度去理解整个生产过程，从结构上看，它包括加工系统、工件流系统、刀具流系统、装配系统、检测监控系统等结构子系统。而作为先进制造系统，应在结构子系统体现高度集成与自动化的同时，在功能子系统上体现一个核心：即能保证生产出符合质量要求的产品。这个核心也就是质量保证系统(QAS)，它包括设计质量保证子系统、质量控制子系统及质量评价与改进子系统。FMS系统质量保证功能实现的体现者是检测监控系统。

为满足FMS中质量保证功能子系统的要求，有必要构造基于PC机的抗干扰能力强、实时性好和多任务并行处理的直接检测监控系统，实现PC机与机床控制命令的直接传递以及PC机与智能量仪的数据通讯。并在此基础上，对制造过程中的工件尺寸参数进行自动在线循环检测，获得相关尺寸参数的质量数据，并进行数据的处理和分析，以实现对加工过程及工件加工质量的综合评价。

本系统是在开发实验系统的基础上，通过检测数据来验证系统的精度及其可行性的，为以后对加工过程中的自动补偿课题的研究提供了技术储备。

1 检测监控系统的组成

基于PC机的检测监控系统有以下几部分组成：

1) 接触测头传感器：当它与工件接触时，发出一开关信号；
2) X/Y方向直线位移传感器及相关二次仪表(GX-A型中科院制) ：用于记录X/Y方向坐标值，并以BCD 码形式传输到计算机；
3) 光栅传感器并行接口(研华，PCL733，32路BCD码接口板)：用于将光栅的尺寸信息传输给计算机；
4) 专用通讯接口(SCIC，自行设计与开发)：根据控制计算机的指令，驱动测头运动，完成计算机与加工的中心信号传递；
5) 微机相关测量软件：用来模拟加工中心控制台并控制加工中心的运行。它是基于微机的智能检测系统核心，整个检测系统的结构原理如图1所示。

图1 检测监控系统结构原理

2 检测监控系统的硬件装置及接口

本系统分为前向通道接口和后向通道接口。

前向通道：是被测对象与系统相互联系的信号输入通道，在该通道中主要有与传感器有关的信号调节、变换电路，也称为传感器接口通道，触发式测头、光栅及其接口也属于前向通道。

后向通道：是对控制对象实现操作的输出通道，其结构与控制对象及控制任务密切相关，一般完成小信号输出、大功率控制的功能。X、Y向交流伺服驱动电源及其与微机的接口属于后向通道。PC机的扩充插槽有8个，也称为I/O通道，是62线，符合IBM—PC总线标准。引至扩充槽上的信号均是TTL逻辑电平。

1) 光栅

在高精度数控机床上，使用光栅作为位置检测装置，它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC装置，实现闭环控制。由于激光技术的发展，光栅制作精度得到很大提高，现在光栅精度可达到微米级，通过细分电路分辩率可达到0.1µm，甚至更高。本实验系统采用的光栅尺Gx-A型，准确度：±1µm。

光栅的安装和调整，考虑到HURCO BMC 20L数控机床的性能要求及实际的操作环境，光栅尺的安装必须注意以下几点：
标尺光栅的安装安装表面必须没有油漆，平面度不低于0.1mm，光栅尺与机床导轨的平行度不低于0.1mm，每个安装面与机床导轨的平行度必须在0.2mm之内；

读数头的安装安装面必须无油漆，安装面与机床导轨的平行度不低于0.1mm，光栅尺体的安装表面与读数头安装表面的平行度在0.05mm之内；

安装检测检测传感器主体底面和侧表面与机床导轨运动方向的平行度误差，在全长范围内应小于0.20mm，实际测量值为0.02mm读数头的滑体不应与传感器内壁有摩擦，固定后，检查读数头与传感器主体密封口上表面间隙应保持在1.2～1.5mm之内。

2) 光栅接口

选用32位光电隔离数字输入板，电路基本原理如图2所示。

(a)

(b)
1.光耦PC814 2.电阻排 3.六反向触发器74LS14P 4.缓冲存储器74LS244 5.缓冲存储器74LS245 6、7、8.SN74LS688及GAL芯片组成四选一功能电路
图2 光栅接口基本原理

工作原理简述如下：外部信号经过光电耦，使两个电路的地电位完全隔离开，这样地电位即使不同也不会造成干扰。进入电阻排，上拉电阻使电路在光耦不通的情况下，处于高阻状态，导通的信号通过74LS14P整形滤波电路形成规则的信号进入缓冲存储器，当计算机指令通过图2b的四选一功能电路，选通k1或k2或k3或k4后，相应缓存内的信号送入缓存245中，使计算机传来的信号能在k5控制下，最终完成信号的输出。

3) CNC机床与PC控制通讯接口

一般情况下，数控机床的CNC装置需要与下列设备进行数据传送和信息通讯：即数据输入输出设备，外部机床控制面板，通用手摇脉冲器，进给驱动电路和主轴驱动电路。随着工厂自动化(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)的发展，CNC装置作为FA或CIMS结构中的一个层次，除了与数据输入输出设备相连外，还要与上级计算机或DNC计算机直接通讯，因此还应具有网络通讯功能。而计算机与加工中心通讯并不容易，且现有绝大部分加工中心并不是为网络通讯而设计的，因此，要实现计算机与加工中心全面的通讯，必须另外开发专用的通讯接口单元。我们的实验是在HURCO BMC 20L加工中心上完成的，开发的专用通讯接口单元SCIC(Special Communication InterfaceCard)由以下两部分组成：

高性能、多功能数据采集卡(研华，PCL818HG型)这里主要用来传输32位数字量输入/输出信号，并能接受测头触发的中断信号，完成计算机与专用通讯接口的信息传递。

专用通讯接口单元开发的通讯接口单元，能实现诸如信号隔离、信号传递和信号变换等功能，具有以下功能：

·仿真加工中心控制台，即：

进给速度倍率调整：
主轴转速倍率调整：
快速进给：
微调进给：
三轴运行方向控制。

·启动和停止加工中心运行
·动态控制进给速度
·驱动测头运行，实现循环检测

3 检测监控系统的软件

本操作软件总体功能是：通过开发的专用通讯接口单元(SCIC)向CNC控制器发出控制命令，同时通过PCL733接口板完成与光栅数据的传输，它可向CNC控制器发出各种控制命令，使机床产生规定的动作，可在线修改控制信号参数值，改变检测监控系统的性能，可显示、存储光栅传感器返馈的尺寸状态信息等。

为实现多任务并行处理，采用VC++编制了基于WINDOWS的上层控制界面，在形式上采用仿真HURCO BMC 20L数控操作台的界面设计，便于操作者进行在线操作。同时为了提高软件的编程效率，采用模块化设计方法，共分为以下几个模块：①初始化模块：②方向控制模块：③快速进给模块：④微动进给模块：⑤自动检测模块：⑥光栅显示模块：⑦中断查询模块：⑧进给倍率调整模块：⑨主轴转速调整模块。

基于VC++与C混合编程，并综合运用WINDOWS和DOS编程方法，又设计开发了前向及后向检测监控通道的控制软件。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/19/2008)


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