常欣

摘要： 介紹了數(shù)控機(jī)床利用率的含義及其在生產(chǎn)管理中的重要性。本文采用分布式采集方案，使用PLC、人機(jī)界面和上位機(jī)等組成機(jī)床運(yùn)行時(shí)間采集系統(tǒng)。經(jīng)過試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證，該方案完全能夠滿足使用需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

Abstract： The NC machine tool using ratio is defined in this paper. The importance of machine using ratio in equipment management should not be disregarded. A distributed data acquisition system which is made up of PLC， HMI and host computer is well researched. The system is proved out by a test unit and it can totally meets the requirements.

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床；利用率；采集系統(tǒng)

Key words： NC machine tool；using ratio；data acquisition system

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）11-0081-02

0 引言

近幾年科研生產(chǎn)任務(wù)量逐年增加，然而設(shè)備和人員卻不可能無限制的增加。如何提高現(xiàn)有機(jī)床設(shè)備的利用率來提高產(chǎn)量并且滿足精益生產(chǎn)的要求，已成為一個(gè)棘手的問題。對(duì)所有機(jī)床利用率進(jìn)行分析，尋找影響機(jī)床使用效率的原因并采取針對(duì)性措施是解決這一問題的重要方法。但是機(jī)床利用率的統(tǒng)計(jì)工作目前只能通過粗略的人工統(tǒng)計(jì)方式進(jìn)行，實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性均難以滿足要求。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在商業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域的大量使用，這些技術(shù)的應(yīng)用效果越來越顯著，對(duì)提高銷量或產(chǎn)量有著極大的推動(dòng)作用。因此應(yīng)當(dāng)將這些技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工生產(chǎn)中去，建立起一套基于MDC（生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集）技術(shù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的加工中心運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)來輔助管理和決策部門合理安排生產(chǎn)，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率提升。鑒于目前市場(chǎng)上仍然缺乏此類成熟產(chǎn)品，而且難以給出適應(yīng)西安飛行自動(dòng)控制研究所實(shí)際情況的解決方案來，因此本文主要以機(jī)床運(yùn)行時(shí)間采集系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)和驗(yàn)證，嘗試開發(fā)適合所內(nèi)現(xiàn)狀的數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)間采集管理系統(tǒng)。

1 數(shù)控加工中心運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)采集方法

機(jī)床利用率數(shù)據(jù)是由機(jī)床運(yùn)行時(shí)長與開機(jī)時(shí)長的比值確定，比值越小就說明機(jī)床真正用于加工的時(shí)間越短。開機(jī)時(shí)長是指機(jī)床通電后的持續(xù)時(shí)間長度，反映出機(jī)床是否可用。包含了準(zhǔn)備時(shí)間、等待時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間等。運(yùn)行時(shí)長為機(jī)床實(shí)際加工所用時(shí)間長度，可等效為執(zhí)行自動(dòng)程序所用時(shí)間。

針對(duì)這兩個(gè)時(shí)間的自動(dòng)采集方法主要有兩種，一種是通過與加工中心數(shù)控系統(tǒng)通信的方式直接采集，另一種是通過外部儀器設(shè)備捕捉機(jī)床運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的特征信息間接采集。

直接采集需要通過數(shù)控系統(tǒng)提供的通信端口并結(jié)合相應(yīng)的軟件或硬件才能實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)控系統(tǒng)一般都不是開放的，通信協(xié)議也不同，想要通過一個(gè)平臺(tái)直接訪問多個(gè)品牌的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的變量是很困難的。據(jù)調(diào)研，國內(nèi)很少有成熟的解決方案。國外也非常少，蓋勒普公司有一套完整的MDC系統(tǒng)解決方案，但是價(jià)格高昂，并且不一定能滿足我所實(shí)際需求。與數(shù)控系統(tǒng)通信會(huì)帶來信息泄露和數(shù)控系統(tǒng)被惡意破壞的安全風(fēng)險(xiǎn)，另外，由于直接采集要使用數(shù)控系統(tǒng)通信端口，使用中有可能會(huì)因?yàn)槔纂?、電網(wǎng)波動(dòng)等原因燒壞通信端口甚至是數(shù)控系統(tǒng)（已有此類故障發(fā)生）。其次，直接采集方式對(duì)于沒有數(shù)控系統(tǒng)或類似控制器的普通機(jī)床、特種設(shè)備和其它科研生產(chǎn)設(shè)備都無法應(yīng)用，使用范圍有限。因此本文不傾向于直接采集方式。

間接采集可以不受數(shù)控系統(tǒng)軟件和硬件的限制，不會(huì)對(duì)機(jī)床及控制系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。通過附加的裝置采集能夠反映機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)，這些裝置又可以連接成網(wǎng)絡(luò)，并由上位機(jī)統(tǒng)一記錄數(shù)據(jù)和監(jiān)控管理。該方法的優(yōu)勢(shì)在于成本低，容易實(shí)現(xiàn)，通用性、擴(kuò)展性強(qiáng)。國內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)企業(yè)在嘗試用該方法研發(fā)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間采集系統(tǒng)。據(jù)悉，有公司通過采集機(jī)床加工時(shí)的負(fù)載電流這一特征信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)行時(shí)間的采集。因此本文最終選擇間接采集方式。

要實(shí)現(xiàn)間接采集，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是找到能夠反映機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的特征信號(hào)，這個(gè)信號(hào)能夠在機(jī)床開始加工零件的時(shí)候出現(xiàn)，還能在加工完畢時(shí)消失?？偨Y(jié)日常維修改造的經(jīng)驗(yàn)，本文認(rèn)為采用機(jī)床加工負(fù)載電流作為機(jī)床運(yùn)行特征信號(hào)存在較多缺陷，比如每臺(tái)機(jī)床的電流閥值都不相同，需要逐臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定；模擬量采集有誤差；存在較多干擾因素等。

為了尋找并確定合適的特征信號(hào)，本文選取了所內(nèi)30余臺(tái)典型的數(shù)控加工中心作為研究對(duì)象（見表1）。經(jīng)過逐臺(tái)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床內(nèi)部的直流電源的輸出端或者通電時(shí)間計(jì)時(shí)器可以反映出機(jī)床是否通電，而機(jī)床自帶的自動(dòng)程序運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)器或者指示自動(dòng)程序正在運(yùn)行的指示燈可以反映出機(jī)床是否處在運(yùn)行狀態(tài)，以這些開關(guān)量信號(hào)作為特征信號(hào)，不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此更易實(shí)現(xiàn)且可靠性高。

2 數(shù)控加工中心運(yùn)行時(shí)間采集系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)

本次研究采用目前較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品來構(gòu)建該采集系統(tǒng)。由圖1可見，采用西門子S7-200型PLC采集機(jī)床運(yùn)行特征信號(hào)，再由人機(jī)界面顯示、記錄該信號(hào)并傳送至上位機(jī)。人機(jī)界面可以查詢對(duì)應(yīng)機(jī)床一個(gè)月內(nèi)的通電和運(yùn)行記錄，還可進(jìn)行操作人員登陸和注銷操作。通過上位機(jī)可以瀏覽所有接入系統(tǒng)的機(jī)床的開機(jī)時(shí)長、運(yùn)行時(shí)長和其他狀態(tài)信息。人機(jī)界面和上位機(jī)中運(yùn)行界面均使用昆侖通態(tài)的MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。

該采集系統(tǒng)在工作狀態(tài)下能夠自動(dòng)判斷和記錄機(jī)床狀態(tài)的變化情況，無需人工干預(yù)。信號(hào)通過硬接線方式從機(jī)床電氣柜中適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)取出，接入PLC輸入端口，必要時(shí)可使用繼電器進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換。當(dāng)機(jī)床通電后，PLC就能捕捉到相應(yīng)的信號(hào)并反饋給人機(jī)界面，人機(jī)界面會(huì)記錄通電的時(shí)間并以此為起點(diǎn)開始累計(jì)通電時(shí)長。當(dāng)機(jī)床開始執(zhí)行自動(dòng)程序時(shí)，PLC又會(huì)捕捉到相應(yīng)信號(hào)并反饋給人機(jī)界面，人機(jī)界面以自動(dòng)程序啟動(dòng)時(shí)間為起點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，直到該程序執(zhí)行完畢。當(dāng)執(zhí)行完下一個(gè)自動(dòng)程序后，執(zhí)行該程序所用的時(shí)間會(huì)累加計(jì)入當(dāng)日的機(jī)床運(yùn)行時(shí)長當(dāng)中。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 制作信號(hào)采集箱 為了安全可靠地完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和記錄，將PLC和人機(jī)界面及相關(guān)裝置集成在一個(gè)采集箱中。對(duì)PLC和人機(jī)界面進(jìn)行編程和相應(yīng)設(shè)置，使其具備自動(dòng)采集和記錄的功能。

3.2 單機(jī)采集試驗(yàn) 選擇一臺(tái)DMU 60P鏜銑加工中心作為試驗(yàn)對(duì)象，將采集箱布置在合適位置（見圖3）。查閱該機(jī)床電路圖，找到合適的電氣節(jié)點(diǎn)，用電纜將特征信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)接入采集箱中。接通采集箱內(nèi)PLC和人機(jī)界面的電源，驗(yàn)證采集箱能否正確采集和記錄機(jī)床狀態(tài)變化。采集箱接通電源后就自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。

開機(jī)時(shí)長的記錄。開機(jī)時(shí)長每日統(tǒng)計(jì)一次，最大值1440分鐘。當(dāng)機(jī)床通電時(shí)，試驗(yàn)箱捕捉到了上電信號(hào)，人機(jī)界面上顯示機(jī)床上電的指示燈點(diǎn)亮，并以此時(shí)刻作為起點(diǎn)開始計(jì)時(shí)。當(dāng)機(jī)床斷電時(shí)，指示燈熄滅，計(jì)時(shí)結(jié)束，這段時(shí)間就作為當(dāng)日的開機(jī)時(shí)長被記錄下來。

運(yùn)行時(shí)長的記錄。運(yùn)行時(shí)長也是按日統(tǒng)計(jì)，該時(shí)間不大于開機(jī)時(shí)長。當(dāng)機(jī)床操作者按下“NC Start”按鈕開始執(zhí)行自動(dòng)程序時(shí)，采集箱捕捉到程序啟動(dòng)信號(hào)，人機(jī)界面上點(diǎn)亮相對(duì)應(yīng)的指示燈，并從此刻開始計(jì)時(shí)。當(dāng)該段程序執(zhí)行完畢，機(jī)床停止時(shí)，計(jì)時(shí)也自動(dòng)停止，機(jī)床剛才運(yùn)行的這段時(shí)長被自動(dòng)記錄下來。同樣，機(jī)床執(zhí)行其它程序所消耗的時(shí)間也被記錄下來，并與之前的計(jì)時(shí)進(jìn)行累加。

每日結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)將當(dāng)日的開機(jī)時(shí)長和運(yùn)行時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，方便日后查詢。經(jīng)過一個(gè)月的采集，可以在人機(jī)界面中查看到該機(jī)床運(yùn)行時(shí)長的所有記錄。從記錄的結(jié)果來看，記錄的數(shù)據(jù)與機(jī)床實(shí)際運(yùn)行情況是完全相符的。

3.3 聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn) 用一個(gè)采集箱、一臺(tái)人機(jī)界面（模擬一個(gè)采集箱）和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成一個(gè)采集系統(tǒng)，進(jìn)行編程和設(shè)置后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)測(cè)試，驗(yàn)證上位機(jī)的監(jiān)視和控制功能。從圖4可以看出上位機(jī)接收并顯示了設(shè)備1和設(shè)備2的運(yùn)行狀態(tài)信息，具備了遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理功能。

4 研究結(jié)論

經(jīng)過前期調(diào)研和多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了通過采集能夠反映機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的開關(guān)量特征信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床是否運(yùn)行進(jìn)行判斷。以此方法建立的數(shù)控加工中心運(yùn)行時(shí)間采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床運(yùn)行時(shí)間的采集和記錄，并且可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和集中監(jiān)控。優(yōu)勢(shì)：投入成本低，容易實(shí)現(xiàn)；每臺(tái)機(jī)床都是一個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，可以按需配置、靈活調(diào)整，不受機(jī)床自身軟硬件條件限制；PLC和人機(jī)界面功能豐富，可以擴(kuò)展多種監(jiān)視和控制功能，還能夠擴(kuò)展應(yīng)用到普通機(jī)床和其它科研生產(chǎn)設(shè)備中；通過以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集中監(jiān)控。不足：采集精度仍需提高。自動(dòng)程序運(yùn)行中包含了換刀、測(cè)量和其他非加工時(shí)間，目前采集到的時(shí)間仍然不能完全反映純粹的加工時(shí)間，因此還需要作進(jìn)一步研究；對(duì)于沒有計(jì)時(shí)器或運(yùn)行指示燈的機(jī)床不適用，還要尋找新的解決辦法?？傊?，經(jīng)過后期的改進(jìn)完善，該采集系統(tǒng)即可投入使用。如果全面應(yīng)用，將成為生產(chǎn)管理部門和決策層的重要管理工具。

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