CN104793569B - 直驱数控转塔刀架智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明针对机床智能化发展趋势，设计了一种直驱数控转塔刀架智能控制器。该智能控制器主要由CNC信息交互模块、驱动器信息交互模块、人机界面信息交互模块三部分组成。它与CNC信息交互得到换刀信号，通过与驱动器信息交互完成换刀动作，换刀完成后将信息反馈回CNC。参数与故障预诊断信息可在人机界面显示和更改，实现通过WEB远程监控直驱转塔刀架的功能。智能控制器的应用使得直驱转塔刀架系统整体做到了：自我感知运行状态、自我监视运行状态、自我优化运行状态，提高了系统整体的智能化。

Description

直驱数控转塔刀架智能控制器

技术领域

本发明涉及直驱转塔刀架控制系统。具体涉及一种直驱数控转塔刀架智能控制器。

背景技术

2012年由GE提出的工业互联网(Industrial Internet)与2011年由德国发起的第四次工业革命(InduStry 4.0)相辅相成，代表了智能化工业的最新发展。GE将“工业互联网”定义为：智慧的机器，互联互通，加上分析的功能和移动性。工业4.0是一个产业的技术转型，是产业的变革。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术以及人工智能的基础上，通过感知、人机交互、决策、执行和反馈，实现产品设计过程、制造过程和企业管理及服务的智能化，是信息技术与制造技术的深度融合与集成。机床的智能化发展，是智能制造技术一个重要的研究领域。智能机床的整体性和模块化的融合发展，提高了智能机床的结构和系统的柔性。模块化设计思想使得智能机床结构和系统都有良好的开放性，通过不同的功能接口，可以扩展各智能功能部件。而作为机床关键的功能部件之一的数控转塔刀架也必然向着智能化发展。但是，目前直驱数控转塔刀架的控制系统相对薄弱，大多采用离散原件实现控制，控制系统整体性不强，控制特性差，开放性几乎为零，更不存在与人交互的智能控制系统。

发明内容

本发明的目的是设计一种新型的直驱转塔刀架智能控制器与CNC信息交互得到换刀信号，通过与驱动器信息交互完成换刀动作，换刀完成后将信息反馈回CNC，参数与故障预诊断可在人机界面显示和更改，实现通过WEB远程监控直驱转塔刀架的功能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明为一个直驱数控转塔刀架智能控制器。它的核心部分为基于树莓派开发的嵌入式系统。按照其功能模块的划分，可以将硬件系统分为与CNC信息交互、与驱动器信息交互、与人机界面信息交互三部分。鉴于驱动电磁阀的信号和获取的红外传感器的信号为高低电平信号，跟与CNC信息交互信号的一致性，可以归为与CNC信息交互部分。与CNC信息交互得到换刀信号，通过与驱动器信息交互完成换刀动作，换刀完成后将信息反馈回CNC，参数与故障诊断可在人机界面显示和更改。该智能控制器的应用延长了直驱转塔刀架的整体使用寿命，提高了直驱转塔刀架的智能化。使用串口接口完成与底层驱动器信息交互，使用I/O接口与机床完成换刀信息交互，使用以太网接口完成与上层人机交互。由于Raspberry Pi所能够提供的I/O接口数量有限，故采用I2C总线扩展芯片增加系统I/O数量，完成数字量信息交互。通过以太网接口将所有直驱转塔刀架信息传送给网页，同时将信息打包成Json格式发送给机床，一旦获得机床CNC系统的权限，就可以直接在机床的显示屏上显示刀架的所有信息。

与现有的技术相比，本发明可以实现数控直驱转塔刀架的智能控制及故障诊断、远程控制：采用模糊控制策略智能调节刀架系统控制参数，根据刀架工作状态进行故障预警和诊断，对刀架进行生产现场状态检测、调试和自我诊断、维护，实现远程监控。控直驱转塔刀架基于以太网的嵌入式远程监控系统：以嵌入式操作系统为硬件基础，远程监控的人机交互界面(包括电脑屏、手机屏、平板电脑屏等多种人机界面)以WEB方式实现，通过以太网检测直驱转塔刀架运行状态，更新、修改刀架相关参数。

附图说明

图1为智能控制器整体结构图；

图2为直驱数控转塔刀架换刀流程图；

图3为人机交互空间表达图。

具体实施方式

硬件系统主要包含如下几个模块：树莓派主板；I2C总线扩展芯片电路；输入输出光电隔离电路；RS232转RS485电路；电源电路；故障报警电路。各个部分功能主要如下：

树莓派主板：直驱转塔刀架智能控制器把树莓派B+作为了核心硬件，主要用到树莓派的以太网接口、串口等接口。本文设计的智能控制器把以树莓派为核心的控制器作为一个动态WEB服务器，后台使用了Python的Flask框架，其为微型WEB开发框架。使用WEB远程监控直驱转塔刀架的状态，该远程监控系统设计遵循REST风格。前端则采用了EasyUI框架。EasyUI是一种基于jQuery的用户界面插件集合。使用EasyUI可以快速地在流行的jQuery核心和HTML5上建立程序页面。

I2C总线扩展芯片电路：主要采用MCP23017芯片来拓展树莓派的I/O口，单个MCP23017可扩展16个I/O，一个I2C总线最多可挂载8个MCP23017，根据控制器设计需要，本文采用了2个MCP23017分别扩展了12路输入，12路输出。

输入输出光电隔离电路：在直驱转塔刀架智能控制器设计电路中，对I/O信号电路使用了光耦，输入端和输出端实现了完全电气隔离，防止外部电压波动对控制器内部电路造成干扰。

RS232转RS485电路：树莓派的串口为TTL电平，而驱动器的串口形式为RS485，本文使用了MAX13487作为RS485的自动收发器，包含一路驱动器和一路接收器。其专有的自动选向控制功能，发送数据时可自动使能驱动器。这一特性省去了驱动使能控制信号，简化了电路。

电源电路：智能控制器的外部输入电源为DC24V，本设计采用了LM2596将DC24V转化成DC5V给系统供电。树莓派GPIO的pin2端口提供了5V电源，但注意树莓派内部工作电压是3.3V，5V供电电源仅仅只能链接到pin2端口。故障报警电路：智能控制器检测到直驱转塔刀架整个系统存在故障时，采用蜂鸣器每间隔1s鸣叫，连续3次的硬件报警方式。

软件部分设计主要包含如下几个模块：基本功能模块；人机界面模块。

基本功能：直驱转塔刀架最基本的功能为换刀的实现，本文设计的直驱转塔刀架智能控制器结合了与CNC信息交互模块和与驱动器信息交互模块完成换刀功能。首先不停检测CNC系统是否有发出换刀指令；如果没有接收到换刀指令程序等待，如果接收到换刀指令，给液压锁紧电磁阀发送低电平，给液压松开电磁阀发送高电平，使得液压锁紧系统由锁紧状态变为松开状态，系统正常的情况下：控制器会受到来自锁紧红外传感器的低电平信号，来自松开红外传感器的高电平信号，若在这个过程中遇到故障进行报警；液压系统正常松开后，控制器需要通过MODBUS通信协议向驱动器发送指令，驱动电机按照最优换刀路径转到相应的刀位，在这个过程中发送给驱动器的目标角度值是理想角度值加上误差角度值，若在这个过程中遇到故障进行报警；刀具到位后，给液压松开电磁阀发送低电平，给液压锁紧电磁阀发送高电平，使得液压锁紧系统由松开状态变为锁紧状态，系统正常的情况下：控制器会受到来自松开红外传感器的低电平信号，来自锁紧红外传感器的高电平信号，与使得液压系统松开时的动作相反，若在这个过程中遇到故障进行报警；液压正常锁紧就预示着一次换刀过程完成，向CNC发出换刀到位信号，完成整个换刀动作，并将换刀完成后的目前直驱转塔刀架的实际刀位信号返回给CNC系统，等待下次换刀。人机界面：本设计的直驱转塔刀架智能控制器远程监控的人机交互界面以WEB的方式实现，使用jQuery的EasyUI框架完成前端页面的构建。人机交互系统的后台采用Python的Flask框架实现，利用app向Flask中添加或删除route的形式实现页面中tab的增删。增强了整个人机界面的软件的伸缩性，便于软件的维护和扩展。人机交互界面主要实现刀架参数的读取，刀架故障预判的提醒，刀架控制参数的修改，刀架控制参数的优化以及换刀动作的动画仿真。整个人机界面的WEB页面的实现是基于REST架构，通过REST风格的API设计可以让刀架驱动器接入远程监控系统，利用HTTP协议中的4个常用动作GET、PUT、POST、DELETE，实现刀架参数的增、删、改、查等功能，从而实现智能控制器人机界面的远程监控功能。

Claims (3)

1.一种直驱数控转塔刀架智能控制器，其硬件主要包括：树莓派主板；

I2C总线扩展芯片电路；输入输出光电隔离电路；RS232转RS485电路；电源电路；故障报警电路；所述树莓派主板分别连接所述I2C总线扩展芯片电路、RS232转RS485电路、电源电路以及故障报警电路，所述输入输出光电隔离电路连接所述I2C总线扩展芯片电路，其特征在于：

(1)树莓派主板是嵌入式系统的核心，通过树莓派的以太网接口和串口实现信息的交互，所述智能控制器把以所述树莓派为核心的控制器作为一个动态WEB服务器；

(2)I2C总线扩展芯片电路采用MCP23017芯片为树莓派扩展了12路输入接口、12路输出接口；

(3)输入输出光电隔离电路对I/O信号电路使用了光耦，输入端和输出端实现了完全电气隔离，防止外部电压波动对控制器内部电路造成干扰；

(4)使用了具有自动收发功能的RS232转RS485的转换芯片MAX13487，完成了串口接口的设计；所述转换芯片MAX13487包含一路驱动器和一路接收器，所述转换芯片MAX13487具有自动选向控制功能，发送数据时自动使能驱动器；

(5)电源电路采用了LM2596将DC24V转化成DC5V给系统供电。

2.一种直驱数控转塔刀架智能控制器，其软件部分主要包括：基本功能模块；人机界面模块，所述人机界面模块用于实现刀架参数的读取，刀架故障预判的提醒，刀架控制参数的修改，刀架控制参数的优化以及换刀动作的动画仿真，所述人机界面以WEB方式实现，所述智能控制器把以树莓派为核心的控制器作为动态WEB服务器，所述树莓派包括以太网接口、串口、I/O接口；其特征在于：

(1)直驱转塔刀架的基本的功能为换刀功能，整个换刀过程中主要是高低电平信号，与刀位的BCD码一致，高电平代表逻辑“1”，低电平代表逻辑“0”；

(2)直驱转塔刀架智能控制器在换刀过程中遵循最优换刀路径，通过最优换刀控制算法，使每一次换刀都使刀盘旋转过的角度值最小；

(3)使用在线误差补偿的办法，通过优化直驱电机控制特性，使得电机轴每次换刀后能够尽可能接近锁紧的实际角度值。

3.根据权利要求2所述的直驱数控转塔刀架智能控制器，其特征在于：

(1)人机界面是基于以太网实现远程监控，给树莓派增加WIFIAP热点功能，通过连接智能控制器提供的热点，登录智能控制器提供的WEB服务器，便可获得智能控制器所监控的刀架信息，做到自我感知运行状态、自我监控运行状态和自我优化运行状态；

(2)人机交互系统的后台采用Python的Flask框架实现，利用app向Flask中添加或删除route的形式实现页面中tab的增删，增强了整个人机界面的软件的伸缩性，便于软件的维护和扩展；

(3)智能控制器采用SQLite数据库对所采集到的直驱转塔刀架数据进行存储，利用统计学做到对数据分析，在线优化直驱转塔刀架运行状态；

(4)采用MODBUS通信协议获取直驱转塔刀架驱动器的信息；

(5)使用了EasyUI框架构架了前端WEB浏览器页面，用户可以通过PC机及任何移动设备的WEB浏览器登陆。