CN200997066Y - 基于pstn的数控机床现场监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对现有的数控机床由于没有远程监控、诊断系统而造成的故障诊断周期长，或由于对使用的信息传输网络要求高而造成的使用成本高的问题，公开了一种能与数控系统相配的，信息采集和传输均十分方便的基于PSTN的数控机床现场监测仪，它主要由单片机1及与其相连的用于显示机床状态的LCD液晶显示器(2)、用于参数设置和操作的薄膜按键及相应的接口电路(3)、用于将传感器信号转换成数字信号的模拟－数字量转换电路(4)、开关量输入信号整形、隔离电路(5)、系统看门狗监视电路(6)、万年历电路(7)、通信调制/解调电路(8)，具有制造和运行成本低、易于实现的优点。

Description

基于PSTN的数控机床现场监测仪

技术领域

本实用新型涉及数控机床现场监测仪，尤其是一种利用通信网络可将每台现场运行的数控机床的工作信息直接输送到生产厂家的技术服务中心，以便生产厂家及时监控和获得故障信息，为快速故障诊断提供依据的现场监测仪，具体地说是一种基于PSTN的数控机床现场监测仪。

背景技术

数控机床是技术密集型产品，它集现代制造技术、自动控制技术和计算机技术为一体。为保证加工过程的正常进行，避免机床、工件和刀具之间的干涉或损坏，应使用监测和诊断功能。这种功能可以直接设计到数控装置的控制程序中，也可以设计为附加的、可直接执行的功能模块形式。监测和诊断功能可以对机床进行，如：对机床的动态运行、几何精度和润滑状态的检查处理；可以对数控系统本身的硬件和软件进行，如：数控系统硬件配置、硬件电路导通和断开、各硬件组成部件功能及各软件功能的检查处理；还可以对加工过程进行，如：对刀具磨损、刀具断裂、工件尺寸和表面质量的检查处理，等等。

当然，除了在设计计算机数控系统时把监测和诊断技术集成到控制软件中以达到自诊断的目的以外，也可以利用计算机和通信技术，构造出远程监测和诊断系统。目前，实现远程通信的方法有基于Internet或Intranet的形式，这种方式交换的信息量大，交互性、实时性较强，但接入Internet一般要按时间计费或租用通信专线，而采用Intranet则需要铺设专用电缆或光纤，投资成本较高。为此，急需一种利用现有廉价的公共程控交换电话网络(Public Switched Telephone Networks，PSTN)构造的远程监测系统，以便通过Modem(调制解调器)接入技术，实现数控机床生产厂家服务中心与现场数控机床之间的远程通信和监测。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的数控机床由于没有远程监控、诊断系统而造成的故障诊断周期长，或由于对使用的信息传输网络要求高而造成的使用成本高的问题，设计一种能与数控系统相配的，信息采集和传输均十分方便的基于PSTN的数控机床现场监测仪。

本实用新型的技术方案是：

一种基于PSTN的数控机床现场监测仪，其特征是它包括：

一作为控制中心的单片机1；

一与单片机1相连的用于显示机床状态的LCD液晶显示器2；

一与单片机1相连的用于参数设置和操作的薄膜按键及相应的接口电路3；

一与单片机1相连的用于将传感器信号转换成数字信号的模拟-数字量转换电路4；

一与单片机1相连的开关量输入信号整形、隔离电路5；

一与单片机1相连的系统看门狗监视电路6；

一与单片机1相连的万年历电路7；

一与单片机1相连的通信调制/解调电路8，该通信调制/解调电路8通过调制解调器9与PSTN网络相连，并通过PSTN网络与机床生产企业的计算机系统相连。

其中：所述的模拟-数字量转换电路4的输入端分别与电压传感器、电流传感器、力矩传感器、温度传感器、振动传感器、CCD数码摄像头或声音传感器的输出端相连。

所述的开关量输入信号整形、隔离电路5的输入端与运行状态及面板开关量信号、光电编码器信号、PLC内部开关量信号的输出端相连。

本实用新型具有以下优点：

本实用新型基于公共程控交换电话网络和Modem的远程通信技术构造数控机床远程监测系统具有成本低、实施方便的优点。数控机床生产厂家利用其技术服务中心的计算机(相当于上位机)即可以实现用户现场的实时在线监测，也可以先利用现场监测仪将数控机床平时的工作状态记录下来，一旦发生故障，中心站计算机可以获取所有历史数据，供生产厂家研制人员或专家进行分析，寻找故障原因，指导现场工程师维修，大大缩短了维修周期，不仅减少了购买企业的维修所造成的损失，而且有利于提高生产企业的服务质量，减少差旅费开支。

监测是诊断的基础，诊断是监测的目的。监测过程包括状态获取和状态比较两个方面，而状态获取是指对被控设备和过程的参数及特征值的采集和再现，状态比较是指实际状态与给定状态的比较。事实上，若要对数控机床进行完全的监测和诊断是很复杂的，需要通过一个或多个监测和诊断功能模块的运行及硬件的配合才能进行故障定位。用本实用新型的现场监测仪负责数控机床的监测任务，内容可包括机床主轴、进给轴、工作状态、机械振动、刀具信息、电气元件、数控装置以及工作现场温度、湿度、声音等，每间隔一定时间采样一次，并经过预处理后按约定的格式保存下来，然后通过公共程控交换电话网络上传给中心站计算机进行备份、统计、分析和管理，这相当于给数控机床配置了一个“黑匣子”。它所具有的功能包括：

(1)开关量16路——采集数控设备的启停状态、光电编码器信号、刀具信息、电气元件、故障状态及故障编码信息等。

(2)模拟量8路(12位精度)——采集数控机床中的电压、电流、负载力矩、机械振动、环境温度及湿度等模拟信号。

(3)存储容量——要求能保存1个月的采集数据(工作状态)，并且所有数据具有非易失性的掉电保护功能。

(4)具有公共程控交换电话网络(PSTN)通信协议接入功能，可与异地中心站计算机进行动态链接、远程通信和数据交换。

(5)通过中心站计算机可以实现现场监测仪启停操作、监测通道设置、监测对象数学模型建立以及监测数据的修正等。

(6)具有现场校时或通过中心站计算机进行统一校时功能。

(7)现场监测仪与中心站计算机之间具有双向通信功能。

(8)LCD(液晶显示器)汉化菜单显示和薄膜按键操作。

(9)具有密码设置、现场浏览和监测状态指示功能。

(10)具有看门狗(WDT)监视功能。

本实用新型还具有投资不大，技术风险小，升级容易，特别适合我国大量的经济型数控机床采用的优点。机床生产厂家也可以把Modem设计到数控装置内部，甚至共用微处理器和输入输出通道，增加的硬成本在200元左右，然后设计相应的远程通信支持软件，把数控机床有关信息按服务中心的需求提取出来，并发送出去。这时，数控机床就相当于一个可与PSTN挂接的嵌入式远程工作单元。

另外，本实用新型的总体方案还具有普适意义，除了应用于机床状态的过程监测外，也可以推广到其它类似的场合。例如，环境污染源的监测、分散式水文信息的监测等。

附图说明

图1是基于PSTN的数控机床远程监测系统结构示意框图。

图2是本实用新型的现场监测仪的组成结构框图。

图3是本实用新型的现场监测仪的控制软件流程图。

图4是本实用新型的单片机与调制解调器的通信接口的连接结构示意图。

图5是本实用新型的数据包通信格式示意图。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图2-5所示。

一种基于PSTN的数控机床现场监测仪，它主要由单片机1及与其相连的用于显示机床状态的LCD液晶显示器2、用于参数设置和操作的薄膜按键及相应的接口电路3、用于将传感器信号转换成数字信号的模拟-数字量转换电路4、开关量输入信号整形、隔离电路5、系统看门狗监视电路6、万年历电路7、通信调制/解调电路8组成，该通信调制/解调电路8通过调制解调器9与PSTN网络相连，并通过PSTN网络与机床生产企业的计算机系统相连；模拟-数字量转换电路4的输入端分别与电压传感器、电流传感器、力矩传感器、温度传感器、振动传感器、CCD数码摄像头或声音传感器的输出端相连，开关量输入信号整形、隔离电路5的输入端与运行状态及面板开关量信号、光电编码器信号、PLC内部开关量信号的输出端相连。

考虑到技术的成熟性和降低成本等方面的因素，单片机1可采用IntelMCS-51系列8031来进行设计，其与其余各电路的连接框图如图2所示。

利用本实用新型的现场监测仪组成的信息发送和监控系统如图1所示。

具体实施时应采取以下技术手段：

输入开关量采用光电隔离技术，这些信息主要来自光电编码器、操作面板和可编程序控制器(PLC)等。例如，数控机床的开机/关机状态、坐标轴回零信号、报警信息编码等，这类高低电平信号连接到单片机的通用输入端口，编码器信号连接到单片机的计数端口，用于测量伺服电动机速度和工作台位移。

模拟量输入信号是传感器输出的标准信号(4-20mA或0-10V)，选用12位分辨率的转换芯片AD574A和多路电子转换开关MC4051实现。为了减小电子开关导通电阻的影响，在多路电子转换开关两端均设置了跟随器进行阻抗匹配。模拟输入信号包括电源电压、主轴电动机电流、切削力矩、床身振动信号、工作环境温度、刀具监视用CCD信号以及声发射信号等。采样的数据按一定格式保存在EEPROM芯片28C256中，对于振动、CCD和声发射等数据量大的信息还采取了压缩技术，以节约存储空间。

其它组件还有LCD显示接口电路、薄膜按键接口电路、看门狗电路、万年历电路和Modem通信接口电路等。使用的主要芯片如图2中标注所示，它们均通过内部并行总线与单片机系统相连。

现场监测仪中单片机系统平时一直处于循环采样状态，根据被采样信号的特点选择了合适的采样周期，每采样10次进行平均值滤波处理，然后按一定格式保存下来。对于机械振动信号、CCD信号和声发射信号等数据量较大，采用了数据压缩技术，以节约内存空间。为了解决数据量与内存之间的矛盾，也可以考虑采用基于NAND技术的“闪存”(FLASH MEMORY)保存采样数据，控制器选用CYPRESS公司产品，由于通过USB(通用串行总线)协议可以把大量的“闪存”结合起来使用，内存容量可以达到GB(10⁹)，并且是非易失性的。

现场监测仪利用单片机的定时/计数器T1监视Modem传来的振铃信号RI，一旦计满设定次数(这里设为2次)后，置DTR＝“1”，并发出摘机命令，使Modem进入摘机状态。根据PSTN通信规范进行联机链接，然后利用AT指令集和自行约定的数据格式上传现场采集的数据。其中，现场监测仪的主程序和计数中断服务程序流程如图3所示。

8031单片机系统与Modem之间的连线总共使用了8个信号，除常用的TXD(发送数据)和RXD(接收数据)以外，还使用了其它六个通信接口信号为RTS(请求发送/准备接收)、CTS(清除发送)、DSR(数据设备就绪)、DCD(数据载波检测)、DTR(数据终端就绪)、RI(振铃指示)，它们通过8031单片机的P1端口和P3端口进行输入和输出，其间对应接口关系如图4所示。图中使用了2片MAX232电路完成TTL电平和EIA电平的转换。

数控机床生产厂家技术服务中心站计算机可以按约定的格式发送命令，主要功能包括：系统统一校时(T命令)、通道设置(C命令)、监测仪启动(S命令)和停止(Q命令)等。上位机通过PSTN一旦与现场监测仪建立通信链接后，就可以利用其中的管理软件以记录、日期或时间段等方式获取现场监测仪中采集的数据。为了提高数据传输的可靠性，采取了两次冗余传输和CRC校验的措施，数据包格式约定如图5所求。

数控机床生产厂家技术服务中心上位机管理软件是基于VB6.0环境开发的，采用SQL(结构化查询语言)技术和ACCESS创建和更新数据库，并生成各种报表、曲线、棒图和饼图等。上位机通过Modem与PSTN之间通信是利用MSComm控件实现，波特率设为9600。整个系统管理软件主要包括：

(1)系统功能模块——负责整个软件系统的管理与维护，例如操作员权限设置、通信端口设置、监测通道设置、监测量数学模型建立、人工统一校时、打印设置及退出功能等。

(2)设备信息管理模块——负责数控设备有关资料信息的管理与维护。具体包括产品名称、型号、编号(出厂时具有唯一编号)、技术指标、关键零部件以及用户信息(单位名称、地址、邮编、电话、联系人)等。

(3)监测数据管理模块——负责监测数据的管理与维护，具体包括动态链接、自动获取数据(每天零时零分开始)、人工获取数据(分时刻和时段两种方式)、保存监测数据等。

(4)监测数据分析模块——负责监测数据的分析与处理，具体包括数控机床利用率、FFT分析、刀具状态管理信息、主轴伺服和进给伺服系统状态信息以及工作环境信息等。

(5)报表信息模块——负责监测数据的后置处理，并根据整理结果形成报表，然后打印输出，同时还可进行故障预报或者及时提出合理建议。统计报表包括年报表、月报表、月棒图、月饼图、日报表、日曲线和日饼图等。

(6)监测诊断信息模块——负责记录自动获取数据过程中的通信故障、数控机床发生的故障以及相应的处理措施，为今后改进设计和机床维护积累经验。

(7)帮助功能模块——完成整个远程监测系统的一些辅助功能，具体包括现场监测仪使用说明、管理软件使用说明、研制单位介绍和其它维修用相关资料等。

本实用新型所涉及的电路均可采用现有的模块加以实现，其具体型号可参见图2中所示，其余未涉及部分均可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1、一种基于PSTN的数控机床现场监测仪，其特征是它包括：

一作为控制中心的单片机(1)；

一与单片机(1)相连的用于显示机床状态的LCD液晶显示器(2)；

一与单片机(1)相连的用于参数设置和操作的薄膜按键及相应的接口电路(3)；

一与单片机(1)相连的用于将传感器信号转换成数字信号的模拟-数字量转换电路(4)；

一与单片机(1)相连的开关量输入信号整形、隔离电路(5)；

一与单片机(1)相连的系统看门狗监视电路(6)；

一与单片机(1)相连的万年历电路(7)；

一与单片机(1)相连的通信调制/解调电路(8)，该通信调制/解调电路(8)通过调制解调器(9)与PSTN网络相连，并通过PSTN网络与机床生产企业的计算机系统相连。

2、根据权利要求1所述的基于PSTN的数控机床现场监测仪，其特征是所述的模拟-数字量转换电路(4)的输入端分别与电压传感器、电流传感器、力矩传感器、温度传感器、振动传感器、CCD数码摄像头或声音传感器的输出端相连。

3、根据权利要求1所述的基于PSTN的数控机床现场监测仪，其特征是所述的开关量输入信号整形、隔离电路(5)的输入端与运行状态及面板开关量信号、光电编码器信号、PLC内部开关量信号的输出端相连。

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