王洪珍

摘要：在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境下，自動(dòng)化控制技術(shù)容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包等問(wèn)題，導(dǎo)致自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用效果下降，生產(chǎn)情況得不到有效監(jiān)測(cè)。下文立足于機(jī)械加工制造自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展情況，在分析LoRa技術(shù)運(yùn)作機(jī)理，機(jī)械加工制造自動(dòng)化控制參數(shù)采集內(nèi)容、采集方式后，提出了以L(fǎng)oRa技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)械加工自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)切削加工主軸轉(zhuǎn)動(dòng)情況、刀具磨損情況的動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行自動(dòng)化處理，從而為技術(shù)工作人員提供可靠的數(shù)據(jù)支持，以真正提高自動(dòng)化加工質(zhì)量、加工效率。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù);自動(dòng)化控制;機(jī)械加工;機(jī)械制造

0 ?引言

機(jī)械加工自動(dòng)化主要可實(shí)現(xiàn)加工對(duì)象連續(xù)自動(dòng)生產(chǎn)，大幅度提高生產(chǎn)加工變化速度、流動(dòng)速度。機(jī)械加工制造自動(dòng)化技術(shù)在我國(guó)的規(guī)?；瘧?yīng)用、普及可追溯至上世紀(jì)七十年代，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展，機(jī)械加工制造自動(dòng)化技術(shù)也在不斷發(fā)展。近幾年，計(jì)算機(jī)高度集成化以及集成化制造系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，雖然大幅度促進(jìn)了我國(guó)機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展，然而就行業(yè)整體發(fā)展情況而言，我國(guó)機(jī)械制造、機(jī)械加工業(yè)仍舊處于自動(dòng)化初級(jí)發(fā)展階段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)當(dāng)前約有12萬(wàn)余機(jī)械制造加工企業(yè)，但這些企業(yè)的發(fā)展水平卻參差不齊，發(fā)展?fàn)顟B(tài)極為不平衡，大部分企業(yè)都落后于現(xiàn)代化加工水準(zhǔn)，傳統(tǒng)半自動(dòng)加工占比較大。因此，為推動(dòng)機(jī)械加工制造業(yè)發(fā)展，就亟需對(duì)機(jī)械加工制造中自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)行系統(tǒng)梳理。

1 ?機(jī)械加工制造自動(dòng)化技術(shù)概述

1.1 機(jī)械加工制造自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展情況

機(jī)械加工制造自動(dòng)化技術(shù)和高新技術(shù)發(fā)展有直接關(guān)系，如PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等，現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，為機(jī)械制造加工自動(dòng)化指出了新的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)本身在作為一種加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)實(shí)物品之間聯(lián)系的高新技術(shù)，能夠有效管理機(jī)械加工、制造過(guò)程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工序、加工質(zhì)量、加工成本的有效控制。現(xiàn)如今，我國(guó)多數(shù)機(jī)械加工制造企業(yè)都利用ZigBee實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集，雖然該技術(shù)表現(xiàn)出了高效率、高實(shí)用性等優(yōu)勢(shì)，但ZigBee卻會(huì)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，出現(xiàn)信號(hào)衰減等情況，且通訊距離相對(duì)較短。立足于當(dāng)前機(jī)械加工制造發(fā)展實(shí)際情況，國(guó)內(nèi)外有諸多技術(shù)工作者、研究人員做出了有益嘗試。LoRa技術(shù)就是目前正逐步拓展應(yīng)用的高新技術(shù)方法之一。

機(jī)械加工制造車(chē)間工作環(huán)境復(fù)雜，存在信號(hào)相互干擾等情況，以致于數(shù)據(jù)采集技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用效果不理想，而支撐自動(dòng)化控制的傳統(tǒng)3G、4G移動(dòng)蜂窩類(lèi)技術(shù)雖然覆蓋面廣，但成本高昂、消耗量大、穩(wěn)定性差、終端模塊維護(hù)復(fù)雜。LoRa技術(shù)針對(duì)物和物通信的特征，能夠提供超遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)壽命、大容量、低成本的通信傳輸，且LoRa技術(shù)本身帶有糾錯(cuò)編碼，在復(fù)雜的生產(chǎn)條件下也能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾性能。

1.2 LoRa技術(shù)運(yùn)作機(jī)理

就機(jī)械自動(dòng)化加工制造而言，數(shù)據(jù)采集是自動(dòng)化運(yùn)作的主要依據(jù)，數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容為加工參數(shù)，需要采集的數(shù)據(jù)就是可影響加工行為的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。從客觀角度看，機(jī)械加工、制造就是一個(gè)對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行切削、打磨、沖壓的過(guò)程，在加工的過(guò)程中，物理作用實(shí)際上并不穩(wěn)定，切削、沖壓等行為會(huì)直接影響加工對(duì)象的表面質(zhì)量，其相互作用的物理關(guān)系對(duì)于加工過(guò)程影響較為顯著。

以切削控制為例，切削刀具表面涂層和加工效率、切削力等有直接關(guān)系，切削力著進(jìn)給速度、進(jìn)給深度、主軸轉(zhuǎn)速等有直接關(guān)系，所以在機(jī)械制造加工自動(dòng)化控制中，進(jìn)給深度、進(jìn)給速度、切削轉(zhuǎn)速等均是需要采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容。在切削的過(guò)程中，主軸的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致加工對(duì)象表面出現(xiàn)振動(dòng)，對(duì)于機(jī)床、刀具的運(yùn)作、使用壽命影響顯著，所以主軸振動(dòng)也是必要的參數(shù)采集對(duì)象之一。刀具在切削加工中的作用至關(guān)重要，所有材料削除都是通過(guò)刀具的作用和主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成的，而刀具和加工對(duì)象有相互作用的關(guān)系，同時(shí)伴有高壓、摩擦等狀態(tài)，這些狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致刀具磨損，刀具磨損會(huì)影響加工進(jìn)度，進(jìn)而對(duì)切削力、進(jìn)給量、主軸振動(dòng)構(gòu)成影響。由此可見(jiàn)，機(jī)械加工制造自動(dòng)化控制中，需要采集的數(shù)據(jù)是全方位的，同時(shí)各類(lèi)參數(shù)也有著相互作用的關(guān)系。

在機(jī)械加工制造自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，進(jìn)給深度、進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)均已經(jīng)預(yù)設(shè)，在加工過(guò)程中是不可發(fā)生變化的，因此這部分?jǐn)?shù)據(jù)通常儲(chǔ)存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。LoRa技術(shù)不同于傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)，對(duì)于各類(lèi)數(shù)據(jù)的采集為“動(dòng)態(tài)采集”的方式。比如，上述主軸振動(dòng)、刀具磨損等數(shù)據(jù)均不能夠通過(guò)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式來(lái)獲取，且如今各企業(yè)內(nèi)應(yīng)用的機(jī)床集成多種技術(shù)，內(nèi)部空間構(gòu)造緊密，空間余留量較少。LoRa技術(shù)就能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)弊端，通過(guò)在刀柄上安裝傳感器載體（lens LC0152T集成電路壓電加速度傳感器），以L(fǎng)oRa技術(shù)本身的高穩(wěn)定性、高穿透性、廣覆蓋面積，由多路電荷放大模塊作用的刀柄振動(dòng)數(shù)據(jù)就可直接傳送至自動(dòng)化控制系統(tǒng)。在加工的過(guò)程中，刀具和被加工對(duì)象接觸并進(jìn)行切削作用，通過(guò)聲音反饋就可實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損情況的分析。目前在刀具磨損情況監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)有了成熟、可靠的研究成果。如，根據(jù)HMM模型，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的分析，機(jī)械加工能夠根據(jù)聲音將刀具磨損程度分為多個(gè)等級(jí)，以判斷生產(chǎn)實(shí)際情況。LoRa技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸。

2 ?機(jī)械加工制造中自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用

這里以L(fǎng)oRa技術(shù)為基礎(chǔ)闡述機(jī)械加工制造中自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用。基于LoRa技術(shù)，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示，系統(tǒng)架構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，各部分信號(hào)傳輸均為雙向通信。架構(gòu)中三個(gè)不同的傳輸節(jié)點(diǎn)為機(jī)械制造加工切削數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)，主要采集對(duì)象為切削力、刀具磨損程度、主軸振動(dòng)情況，傳感器和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)直接相連，基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)關(guān)為架構(gòu)中第二個(gè)部分，LoRa技術(shù)主要功能是避免在自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，數(shù)據(jù)上傳出現(xiàn)并發(fā)沖突，影響數(shù)據(jù)直接傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器則為第三個(gè)部分，直接處理數(shù)據(jù)，然后通過(guò)總線(xiàn)傳送給客戶(hù)端，技術(shù)工作人員根據(jù)客戶(hù)端反饋，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)切削狀態(tài)、切削力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的有效調(diào)整。

2.1 系統(tǒng)軟件

自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用STM32F103 CPU（ARM ortex-M），該控制器本身有1MB緩存，同時(shí)支持USB連接以及電機(jī)控制，可和控制器局域網(wǎng)兼容，各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)選擇F103VET6（STM32）芯片，軟件運(yùn)作于F103RCT6（STM32）芯片。在加工過(guò)程中，通過(guò)LoRa技術(shù)采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運(yùn)作邏輯為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試后，基于高精度外部時(shí)鐘信號(hào)，設(shè)置信號(hào)終端檢測(cè)時(shí)間，保證系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)若是沒(méi)有接收到信號(hào)，就馬上停止運(yùn)作。控制器在得電后，對(duì)外部加工設(shè)備、輸入輸出端口進(jìn)行初始化設(shè)置，同時(shí)對(duì)串口模式、數(shù)據(jù)模式、通信情況等進(jìn)行檢查，傳感器數(shù)據(jù)在初始化后持續(xù)進(jìn)行傳輸、采集，直至加工任務(wù)完成。利用FEC實(shí)現(xiàn)傳輸噪聲抗干擾，所有數(shù)據(jù)編譯為獨(dú)立的模塊進(jìn)行編碼以及處理。后續(xù)應(yīng)用根據(jù)企業(yè)加工需求、制造需求，利用大數(shù)據(jù)或企業(yè)本身的技術(shù)工作人員進(jìn)行分析，以降低自動(dòng)化加工成本，提高加工效率，有助于技術(shù)人員作出明確的決策。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)作

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是保證機(jī)械加工、制造自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用有效性的基礎(chǔ)，自動(dòng)化技術(shù)是否能夠提高生產(chǎn)效益、生產(chǎn)質(zhì)量，取決于自動(dòng)化加工系統(tǒng)是否有強(qiáng)大的決策支持，若干擾因子多或者提供數(shù)據(jù)不具有特異性，那么技術(shù)應(yīng)用有效性也就無(wú)從談起。刀柄振動(dòng)等參數(shù)需要將傳感器安裝在刀柄上，而刀柄本身在機(jī)床內(nèi)部，傳感器外部障礙物、線(xiàn)路較多，對(duì)信號(hào)的干擾較強(qiáng)，因此想要驗(yàn)證技術(shù)應(yīng)用是否有效，需要將傳輸準(zhǔn)確率作為測(cè)試重點(diǎn)。上述系統(tǒng)在設(shè)計(jì)測(cè)試中，該系統(tǒng)在5km內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無(wú)丟包通信，滿(mǎn)足復(fù)雜生產(chǎn)條件下高準(zhǔn)確率、遠(yuǎn)傳輸距離的要求。系統(tǒng)運(yùn)作能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)切削加工情況，為技術(shù)人員提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械加工制造自動(dòng)化控制，需以數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量決定了自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用有效性，傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、局域網(wǎng)絡(luò)或者移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)法獲取復(fù)雜條件下的加工信息，以致于加工控制較為片面。上述文章闡述以L(fǎng)oRa技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)械加工過(guò)程動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，能夠在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)、刀具磨損數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測(cè)、采集，系統(tǒng)通信距離較長(zhǎng)、抗干擾性能突出，對(duì)于機(jī)械加工制造決策有著重要的支撐作用。望廣大從業(yè)者對(duì)上述內(nèi)容有足夠的認(rèn)識(shí)，并在實(shí)踐中不斷探尋新的高新技術(shù)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]王素瓊.檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2017，15（4）：79-80.

[2]史旭東，位云成，薛金森.軌道車(chē)輛門(mén)框焊接和銑削機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的研究與應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（7）：143-145.

[3]吳愛(ài)華，向云南.機(jī)械加工制造中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（22）：234-235.