CN101556469A - 一种用于机械加工的无线检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于机械加工的无线检测系统，涉及一种无线检测系统。提供一种用于机械加工的无线检测系统。设有传感器节点装置、驱动节点装置、网络协调器装置和监控电脑。传感器节点装置和驱动节点装置作为网络节点设在机床上，传感器节点装置和驱动节点装置组成无线网络。传感器节点装置负责采集传感器信号，驱动节点装置负责发送加工控制信号给机床的运动控制器。网络协调器装置作为网络中心，负责维护、管理无线网络的正常通信，并且通过串口与电脑端的监控电脑进行通信，网络协调器装置一方面接受各个传感器节点传送的数据，经串口发送给监控电脑；另一方面，将监控电脑的控制信号通过无线网络发送给驱动节点装置，并由驱动节点装置传递给运动控制器。

Description

一种用于机械加工的无线检测系统

技术领域

本发明涉及一种无线检测系统，尤其是涉及一种用于精密超精密机械加工的无线检测系统。

背景技术

精密超精密加工技术是20世纪60年代发展和完善起来的，现已成为当代高技术产品的关键制造技术。当前，精密加工是指加工精度为1～0.1μm，表面粗糙度0.2～0.01μm的加工技术；而超精密加工则是指加工精度高于0.1μm、表面粗糙度小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术。但这个界限随着加工技术的进步不断变化，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。

随着现代制造业的不断发展，精密超精密加工技术在今天显得越来越重要，精密超精密加工技术已成为目前高科技技术领域的基础，提高精密超精密加工的精度已成为目前迫在眉睫的问题，同时对加工环境的要求也越来越严苛。但在精密超精密加工过程中，不可避免地存在发热、形变、机械工作不稳定等问题，不仅会导致机械传递误差增大，工件表面加工质量低劣、加工精度降低，而且会带来刀具磨损加剧、维修费用增大等一系列问题。因此，为了确保精密超精密加工装置的加工精度，提高加工装置的工作稳定性和工件的加工质量，降低废品、次品率，开发高精度的监控系统，对加工过程中的动部件、静部件中易影响工件精度的各种环境因素进行实时监控，成了促进精密超精密加工技术的发展，应深入研究和探讨的其中一个问题。

在精密超精密机械加工过程中，为了保证加工精度，对精密超精密加工系统的状态进行综合的检测是一项非常关键的技术。它包括对机械状态量(如位移、振动、温度、压力和流量等)的检测，状态特征参数变换的辨别，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防等。与一般机械加工不同，精密超精密机械加工环境中极为微小的变化就可能急剧的影响加工精度。所以设计精密超精密机械加工的监控系统除了考虑常规机械加工特点外，还需要尽可能考虑监控系统本身对加工环境的影响。对于精密高精密机械加工，需要检测的加工环境变量相对较多，通常的有线通信方式需要在加工机床上进行布线，过度的布线会影响加工环境，同时，由于机床结构空间问题，也会限制传感器在某些关键位置的安装。

在机械加工过程中，为了保证加工精度，对加工系统的状态进行综合的检测是一项非常关键的技术，它包括对机械状态量(如位移、振动、温度、压力和流量等)的检测，状态特征参数变换的辨别，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防等。随着现代制造企业控制现代化水平的进一步提高以及生产规模的扩大，网络化检测技术已经广泛应用在机械加工制造业中。(参见文献：李厦，乌建中.可重构分布式监控系统研究，仪表技术与传感器.2008(08)，51～53)

数控机床作为一种加工精度高、自动化程度好的加工设备，目前在制造业中得到了越来越广泛的应用。利用网络技术对离散的数控机床进行联网，统一管理，进行分布式控制，实现加工设备集中控制与管理，使得数控机床网络监控变得非常重要。目前的规模化机械加工的网络化检测系统通常采用有线通信方式。一般以以太网方式组网通信，包括局域网和Internet。数控机床通过企业局域网进行分布式联网，在通过Internet接入端口与互联网服务器连接，传输数据，实现远程诊断与监控。(参见文献：郭晓军，王太勇，任宪常，秦旭达，王国锋.数控机床加工过程网络化监控技术的研究，组合机床与自动化加工技术.2008(09)，56～62)

但是，规模化机械加工过程中加工机床通常较多，需检测的场地范围较大，通常的有线网络化监控存在着布线繁琐、成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对精密与超精密机械加工的要求和目前的检测系统采用有线通信方式所存在的不足，提供一种用于机械加工的无线检测系统。

本发明设有传感器节点装置、驱动节点装置、网络协调器装置和监控电脑。传感器节点装置和驱动节点装置作为网络节点被安装在机床上，传感器节点装置和驱动节点装置组成无线网络。其中，传感器节点装置负责采集传感器信号，驱动节点装置负责发送加工控制信号给机床的运动控制器。网络协调器装置作为网络中心，负责维护、管理无线网络的正常通信，并且通过串口与电脑端的监控电脑进行通信，网络协调器装置一方面接受各个传感器节点传送的数据，经串口发送给监控电脑；另一方面，将监控电脑的控制信号通过无线网络发送给驱动节点装置，并由驱动节点装置传递给运动控制器。

本发明的无线网络可采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议。

网络协调器装置是一个作为网络中心协调器的无线通信装置，网络协调器装置采用2.4G频率的无线通信模块，可采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议，网络协调器装置负责维护、管理由驱动节点装置(包括传感器节点与驱动节点)组成的无线网络的正常运作与数据通信，并通过UART串口通信使整个无线网络与监控电脑进行数据交换。

传感器节点装置设有节点无线通信模块和传感器数据采集模块，节点无线通信模块采用2.4G频率的无线通信模块，可采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议。传感器数据采集模块由单片机通过I/O接口连接模数转换器，再连接相应的传感器及其外围电路。节点无线通信模块通过串口方式与传感器数据采集模块的单片机的I/O接口相连以进行通信。

驱动节点装置设有节点无线通信模块和控制信号输出模块，节点无线通信模块采用2.4G频率的无线通信模块，可采用802.11b、802.15.4无线通信协议。控制信号输出模块由单片机根据加工控制设备的接口类型，扩展相应接口与之通信，可采用RS484、RS232、USB、以太网接口方式。节点无线通信模块通过串口方式与控制信号输出模块的单片机相连以进行通信。

传感器节点装置与驱动节点装置的最大总数由近场无线网络协议决定，如基于IEEE802.11b协议，最多可支持32个。

监控电脑安装基于windows操作系统开发的监控软件，并且具有串口。

本发明的检测工作模式采用应答与自报混合式。自报即传感器节点装置监测到传感器数据异常，报告给监控电脑的过程。应答式即监控电脑发出指令主动查询传感器数据过程。

本发明克服现有规模化机械加工过程中由于加工机床较多，需检测的场地范围较大，有线网络化监控存在着布线繁琐、成本高以及检测系统采用有线通信方式所存在的不足，提供了一种用于机械加工的无线检测系统，摆脱传统的有线网络的束缚。在无线网络环境下，对规模化数控加工过程进行实时监测，及时发现故障或异常情况并且通知现场工作人员；同时利用无线网络技术，把现场数据及时传送给远程监测端，实现远程故障诊断。

由于本发明的传感器节点装置和驱动节点装置体积小，可采用电池供电，因此安装时受空间限制较小，可以更为方便地布置在加工环境中。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成框图。

图2为本发明实施例的监控软件模块示意图。

图3为本发明实施例的传感器节点装置结构组成框图。

图4为本发明实施例的驱动节点装置结构组成框图。

图5为本发明实施例的系统自报工作模式示意图。

图6为本发明实施例的系统应答工作模式示意图。

以下给出图1～7中的各主要配件的代号：

1传感器节点装置，2驱动节点装置，3网络协调器装置，4监控电脑，5机床，6运动控制器；

A监控软件，B人机界面模块，C加工设备控制模块，D串口通信管理模块，E数据处理模块，F无线网络管理模块，G数据库。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

如图1所示，本实施例设有6个传感器节点装置1、驱动节点装置2、网络协调器装置3和监控电脑4。5机床，6运动控制器

传感器节点装置1和驱动节点装置2作为网络节点被安装在机床5上，传感器节点装置1和驱动节点装置2组成无线网络。其中，传感器节点装置1负责采集传感器信号，驱动节点装置2负责发送加工控制信号给机床5的运动控制器6。

监控电脑4安装基于windows操作系统开发的监控软件。

加工过程中的所有操作基于监控软件的人机界面，如图2，该软件包括人机界面模块B、加工设备控制模块C、串口通信管理模块D、数据处理模块E和无线网络管理模块F。各模块功能如下：

1)人机界面模块B。可视化人机界面，包括界面设置与系统帮助。

2)加工设备控制模块C。管理加工过程中机床的设备操作，产出各种操作需要的控制信号。

3)串口通信管理模块D。管理与网络协调器装置的串口通信。

4)数据处理模块E。进行传感器数据处理，加工误差补偿。

5)无线网络管理模块F。管理无线网络，配置网络参数，如网络最大容量，拓扑结构，路由方式，安全等级设定，激活或关闭网络节点(即传感器节点装置或驱动节点装置)。

网络协调器装置3是一个作为网络中心协调器的无线通信装置，是整个无线网络的网络中心。所有监控电脑4发送的加工控制信号由其传输到相应的驱动节点装置2；所有传感器节点装置1采集的传感器信号由它接收并传输给监控电脑4。本实施例中，网络协调器装置3基于Freescale的MC13213模块设计的，MC13213模块包括HCS08微处理器和无线射频部分，基于IEEE802.15.4协议将其设计为网络协调器模式。

如图3所示，传感器节点装置包括节点无线通信模块11和传感器数据采集模块12。本实施例中传感器数据采集模块12由单片机13通过I/O接口连接AD公司的模数转换器AD7713，再连接相应的传感器及其外围电路。节点无线通信模块11是基于Freescale的MC13213模块设计的，MC13213模块包括HCS08微处理器和无线射频部分，基于IEEE802.15.4协议将其设计为网络终端模式，通过串口通信方式与传感器数据采集模块的单片机相连。本发明中传感器节点装置体积小，采用电池供电，安装时不易受到机床空间的限制，可以更为方便的布置在加工环境中。

如图4所示，驱动节点装置包括节点无线通信模块21和控制信号输出模块22。本实施例的节点无线通信模块21是基于Freescale的MC13213模块设计的，MC13213模块包括HCS08微处理器和无线射频部分，基于IEEE802.15.4协议将其设计为网络终端模式。控制信号输出模块22是由单片机23以及基于其I/O接口扩展的相关通信接口，根据加工控制设备的接口类型，扩展了RS232接口方式。

本实施例中传感器节点装置的单片机与模数转换器根据需要连接不同传感器。通过修改单片机软件和传感器及其外围电路，传感器节点装置可以配置各种型号的模拟信号传感器。对于数字信号传感器，可以在电路中剪裁掉模数转换器，直接将数字信号传感器接在单片机的I/O接口上。即基于模块化设计思路，只要修改传感器节点装置中的传感器数据采集模块可使装置应用各种类型传感器。本实施例的传感器采用2个位移传感器、2个振动传感器、2个温度传感器。

本实施例中无线监控系统采用自报与应答混合工作模式。自报即传感器节点装置监测到传感器数据异常，报告给监控电脑的过程。应答即监控电脑发出指令主动查询传感器数据过程。

图5给出本发明实施例的系统自报工作模式示意图，传感器节点装置1检测到传感器数据异常，将数据与异常结果发送给网络协调器装置3，网络协调器装置3得到数据后发往数据库8，并提示监控电脑4，监控电脑4根据设置，手动或自动方式发送修正控制信号和传感器数据请求给网络协调器装置3，网络协调器装置3将控制信号传输到相应驱动节点装置2，修正相应加工操作，同时将传感器数据请求发给传感器节点装置1，传感器节点装置1在设定的时间后检测采集的数据，将数据回复给网络协调器装置3，网络协调器装置3将传感器数据送往数据库并告知监控电脑4，监控电脑4分析数据以决定停止修正还是继续上述修正过程。

图6给出本发明实施例的系统应答工作模式示意图，监控电脑4查询传感器数据，首先询问数据库8，如果存在，数据库8返回数据给监控电脑4，无数据则数据库8发送查询传感器数据请求给网络协调器装置3，网络协调器装置3传输请求给相应传感器节点装置1，传感器节点装置1收集传感器数据并回复网络协调器装置3，网络协调器装置3将数据保存到数据库8，同时将数据发送给监控电脑4。

Claims (7)

1.一种用于机械加工的无线检测系统，其特征在于设有传感器节点装置、驱动节点装置、网络协调器装置和监控电脑；传感器节点装置和驱动节点装置作为网络节点设在机床上，传感器节点装置和驱动节点装置组成无线网络，传感器节点装置用于采集传感器信号，驱动节点装置用于发送加工控制信号给机床的运动控制器；网络协调器装置作为网络中心，用于维护、管理无线网络的正常通信，并且通过串口与电脑端的监控电脑进行通信，网络协调器装置一方面接受各个传感器节点传送的数据，经串口发送给监控电脑，另一方面，将监控电脑的控制信号通过无线网络发送给驱动节点装置，并由驱动节点装置传递给运动控制器。

2.如权利要求1所述的一种用于机械加工的无线检测系统，其特征在于所述无线网络采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议。

3.如权利要求1所述的一种用于机械加工的无线检测系统，其特征在于网络协调器装置采用2.4G频率的无线通信模块，采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议。

4.如权利要求1所述的一种用于机械加工的无线检测系统，其特征在于传感器节点装置设有节点无线通信模块和传感器数据采集模块，节点无线通信模块采用2.4G频率的无线通信模块，采用IEEE802.11b、802.15.4无线通信协议；传感器数据采集模块由单片机通过I/O接口连接模数转换器，再连接相应的传感器及其外围电路。

5.如权利要求1所述的一种用于机械加工的无线检测系统，其特征在于驱动节点装置设有节点无线通信模块和控制信号输出模块，节点无线通信模块采用2.4G频率的无线通信模块，采用802.11b、802.15.4无线通信协议。

6.如权利要求5所述的一种用于机械加工的无线检测系统，其特征在于所述控制信号输出模块由单片机根据加工控制设备的接口类型，扩展相应接口与之通信，采用RS484、RS232、USB、以太网接口方式。

7.如权利要求1所述的一种用于机械加工的无线检测系统，其特征在于所述监控电脑安装基于windows操作系统开发的监控软件，并且具有串口。

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