专利名称：检测磨床加工状态的监控方法及监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及加工状态的监控方法，特别是涉及一种检测磨床加工状态的监控方法及监控系统。
背景技术：
机床上常用的工件测量方法为接触式静态测量方法，例如用英国Renishaw测量装置，是将接触式开关量信号传至数控系统。然后由数控系统处理。这种测量方式适用于车床等静态测量方法。而对于磨床来说，采用这种测量方法会存在一系列的问题，如测量过程中工件与砂轮需要旋转；砂轮磨损量较大，每次测量需要补偿且测量繁锁等问题。已有技术中对比文件1 提供一种磨床自适应控制方法及系统(专利申请号为 200810012955. 3)。它主要公开了一种利用声波控制磨床的方法和系统，该系统是基于非数控机床的一种应用，信号通讯采用的是点对点模式，该方法和系统不适用数控磨床。对比文件2 提供一种砂轮微量精密修整对刀装置(专利申请号为 200620134000.1)。它主要公开了一种利用声波进行砂轮微量精密修整对刀装置。该装置主要开发了一种在机床执行加工之前实现对刀的装置，也不适用对于数控磨床在加工过程中的监控。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测磨床加工状态的监控方法及监控系统，用于带有数控系统的磨床(数控磨床)，在磨床加工过程中，在磨削状态下进行监控，并具有防碰撞和消空程。为达到上述目的，本发明的技术方案是一种检测磨床加工状态的监控方法，利用声纳检测系统采用声纳传感器接收数控磨床对于工件加工时所发出的声纳信号，并将其接收到的声纳信号转换成电信号输出； 采用声发射检测系统将检测到的声纳传感器输出的电信号分别转换成RS232通讯协议信号和PR0FIBUS通讯协议信号；将RS232通讯协议信号传到数控磨床上的数控系统中，数控系统将接收到的RS232通讯协议信号以动态波形的方式显示在屏幕上，为此，实现磨削过程的可视化；将PR0FIBUS通讯协议信号传入PLC系统中进行PLC逻辑编程，并将PLC输出磨床与工件的碰撞信号及接触信号传入数控系统的零件程序中，零件程 序接收到该信号指令后，执行相应的动作，以此，实现防碰撞和消空程。本发明的一种检测磨床加工状态的监控系统，包括数控磨床的数控系统，声纳传感器，声发射检测系统和PLC系统；所述声纳传感器接收数控磨床对于工件加工时所发出的声纳信号，并将其接收到的声纳信号转换成电信号传送到声发射检测系统中；声发射检测系统将检测到的声纳传感器输出的电信号分别转换成RS232通讯协议信号和PR0FIBUS 通讯协议信号；并将RS232通讯协议信号传送到数控磨床上的数控系统中，数控系统将接收到的RS232通讯协议信号以动态波形的方式显示在屏幕上；声发射检测系统将PROFIBUS 通讯协议信号传入到PLC系统中，PLC系统通过PLC逻辑编程向所述数控磨床的数控系统发出指令信号，数控系统根据收到的指令信号控制所述数控磨床上的零件执行相应的动作。如上述本发明的监控方法，本发明是基于带有数控系统的磨床即数控磨床，利用声纳检测系统，采用的声纳传感器所接收的声纳信号是磨床对于工件加工时所发出的声纳信号。所以，本发明的监控方法能够监控数控磨床加工的全过程。如上述本发明的监控系统，本发明包括数控磨床的数控系统、声纳传感器、声发射检测系统和PLC系统。所述声纳传感器所接收的声纳信号是磨床对于工件加工时所发出的声纳信号并将其声纳信号转换成电信号输出。所以，只要磨床在进行加工，声纳传感器就有电信号输出。因此，本发明的监控系统能够监控数控磨床加工的全过程。本发明采用声发射检测系统将检测到的声纳传感器发出的电信号分别转换成 RS232通讯协议信号和PROFIBUS通讯协议信号。也就是说，本发明采用通讯的方式是 PROFIBUS通讯协议的网络通讯，这种通讯方式具有信号传输速度快，故障率较低等特点。所以本发明对于数控磨床加工状态的监控更具有实时性、可靠性。本发明磨削过程是可视化的。磨削过程顺序的声纳波形显示在数控系统的屏幕上，使工艺工程师根据声纳波形的平滑程度来分析工艺的合理性。声纳波形越平滑说明加工量越均勻，工件加工后表面光洁度将越高。通过声纳波形观察磨削过程，能够对工艺过程和错误信息进行分析，指导生产。在磨削过程可视化的基础上，工艺工程师将根据声纳波形平滑程度，找出波形的尖点，修改加工工艺，从而磨削工艺过程可被优化，质量得到保证，达到磨削过程的优化。本发明采用的声发射检测系统将转换成的PROFIBUS通讯协议信号传送到PLC (可编程控制器)系统(嵌入式监控软件)中进行PLC逻辑编程，并将PLC系统输出的磨床与工件碰撞信号、接触信号传入数控系统中，指导数控系统的零件程序(NC零件程序)运行。当数控系统接收到碰撞信号后，会立即停止该零件程序运行，防止了碰撞发生。实现了防碰撞功能。所谓“消空程”就是消除或缩短磨床在加工过程中，砂轮与工件的非接触时间。所述 “空程”是在磨床磨削加工过程中由于磨床在执行动作变换过程中所产生的(经常会有)砂轮与工件的非接触行程，这段行程的时间为非接触时间。对于磨削加工而言缩短空程时间是提高磨削效率的关键。当加工过程中，数控系统没有收到磨床与工件的接触信号，说明这时是非接触时间，就要指令零件程序加速进程。尽量减少非接触时间。即消除“空程”。所以，由于本发明采用上述的监控方法，采用嵌入式监控软件PLC系统进行PLC逻辑编程，才使本发明更具智能性，防止了磨床与工件之间的碰撞，并能够最大限度的减少磨削空程时间，提高了加工效率。综合上述，本发明是在数控磨床加工过程中实现了对加工状态的实时监控，从而能够对磨削加工进行优化。而且，本发明的监控方法应用比较广泛，可用于高档数控磨床， 如数控立磨、数控轧辊磨、数控磨齿机等。
图1是本发明监控方法的流程图；图2是实施本发明所采用的声纳检测系统一实施例的示意图3是实施本发明监控磨床磨削过程中在数控系统上所显示的声纳波形的曲线图；图4是磨床在磨削过程中砂轮与工件接触的示意图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明监控方法及系统的特征。如上述，本发明的监控方法是采用声纳传感器和声发射检测系统构成的声纳检测系统。如图1所示，具体的方法步骤是第一步001，采用声纳传感器测量数控磨床上的砂轮与工件接触时发出的作为声纳信号的高频噪声信号，并将其高频噪声信号(声纳信号)变成电信号输出。磨床在磨削过程中，磨床的砂轮与工件接触时均产生噪声。该噪声的频谱主要为高频噪声(频率为 250-350KHz)。至于磨床的齿轮箱、轴承、液压装置等机床产生的噪声主要由低频噪声组成。 因此磨削噪声与机床噪声的频率带间隔很大。本发明将高频噪声称之为声纳。高频噪声信号称之为声纳信号。所以，首先将声纳传感器安装于靠近砂轮的位置上，当砂轮与工件接触时，声纳传感器将接收到的高频噪声信号(声纳信号)转换成电信号传送出去。当砂轮接触工件时，噪声等级显著增加，从而可以获得一个可靠稳定的临界值。当噪声达到这一临界值时，系统将输出一个脉冲信号。该脉冲信号的宽度大于等于10ms。磨床上的数控系统测量参数设定该脉冲信号为上升前沿有效；第二步002，采用声发射检测系统接收上述声纳传感器所发出的电信号，并将其电信号分别转换成RS232通讯协议信号和PR0FIBUS通讯协议信号输出；第三步003，将上述声发射检测系统输出的RS232通讯协议信号输送到所述数控磨床的数控系统中，数控系统接收到该信号后将其声纳波形显示在屏幕上，使磨削过程可视化。磨削工艺过程能够按顺序显示在数控系统屏幕上，使工艺工程师能干根据声纳波形的平滑程度来分析工艺的合理性。声纳波形越平滑说明加工量越均勻，工件加工后表面光洁度将越高；反之，当声纳波形波动较大时，说明加工工艺需要改进。所以通过数控系统屏幕上的声纳波形观察磨削过程，能够对工艺过程和错误信息进行分析，指导生产。该数控系统同时具有磨削状态回放功能。磨削过程可视化的声纳波形如图3所示。图3中横坐标t 为时间，纵坐标db为分贝值，01线为接触信号分贝线，02线为正常磨削状态信号分贝线，03 线为碰撞信号分贝线，三种信号的分贝值可根据现场实际情况进行调整，04曲线为声纳信号动态波形(称为声纳波形)。当声纳信号动态波形曲线与01、02、03任意一条分贝线首次接触时，将向PLC系统发出一个脉冲信号，PLC系统向NC零件程序发出指令，NC零件程序根据该指令执行动作。以此。控制磨床上砂轮的磨削运行。第四步004，将上述声发射检测系统输出的PR0FIBUS通讯协议信号输入到PLC系统中，PLC系统对接收到的PR0FIBUS协议信号进行PLC逻辑编程，并将PLC输出的碰撞信号、接触信号传入数控系统的NC零件程序中，NC零件程序将根据指令执行相应的动作。在本实施例中由于PLC系统与数控系统原来具有通讯关系，所以在编制数控系统零件程序 (NC零件程序)时，当检测到PLC系统传来的碰撞信号和接触信号时将进行相应的动作变换，从而实现防碰撞、消空程的功能。关于消空程和防碰撞所谓“空程”就是磨床在加工过程中由于加工的表面不同以及加工的工序不同等原因会产生不连续加工。据统计一般磨床的空程时间占整个磨削时间的30%左右。对于磨削加工工艺而言，“空程”时间是无用的，越短越好。所以缩短空程时间是提高磨削效率的关键。本发明利用声纳传感器来判断磨床的加工状态，当无声纳信号传递时，本发明视为加工处于空行程状态，此时磨床各坐标轴执行快速移动；当检测出砂轮与工件的首次接触时，本发明根据声纳信号的强弱判断为磨床正开始进入磨削状态，这时磨床各坐标轴由原来的快速转变为正常进给运动。这样就节省空程运行时间，提高了工作效率。 本发明对于砂轮和工件间的碰撞能立刻发现。因为，本发明根据现场声纳的采集实时判断声纳信号的强弱并设定最大允许值。当声纳信号超过该设定值时，本发明视为碰撞信号。当声纳监控系统检测到该信号时，磨床各坐标轴将立即停止运动，避免由于砂轮与工件的碰撞，损毁砂轮或工件，从而减少进一步的损失。可以利用该信号控制磨床的伺服系统的进给的大小不超过磨削极限。所以本发明根据砂轮与工件接触时正常磨削的声纳信号强度与突然发生碰撞事故的声纳信号强度不同设定执行动作变换的触发值。所述消空程和防碰撞过程，如图4所示，当砂轮接触到01线时为砂轮与工件的接触信号(同图3中01线所示)，此时砂轮移动速度由原来的快速转变为进给运动，当砂轮离开01线时，移动速度由进给运动转变为快速，从而减少非接触时间，实现消空程程序功能；当砂轮接触到02线(同图3中02线所示)时为正常的磨削状态；当砂轮接触到03线(同图3中03线所示)时为过量磨削状态，本发明视为碰撞信号，此时砂轮将立即停止进给，避免损坏砂轮或工件，从而实现防碰撞功能。图2是实施本发明监控方法所使用的声纳检测系统一实施例的示意图。如图2所示，图2是本发明监控方法所采用的声纳检测系统与数控磨床的硬件电气连接示意图。按照上述的第一步001，采用声纳传感器接收声纳信号。如图2所示，在本实施例中，声纳传感器9选用带有输入输出端口的固体环形声纳传感器，并将环形声纳传感器安装于磨床靠近砂轮11的主轴8上。当砂轮11与工件10接触时声纳传感器9 (环形声纳传感器)将接收到的声纳信号(高频噪声信号)转换成电信号通过信号电缆传送到声发射检测系统16中。按照上述的第二步001，采用声发射检测系统接收声纳传感器输出的电信号。如图2所示，在本实施例中，声发射检测系统16选用德国DITTLE公司的AE6000声发射检测系统(该德国DITTLE公司的AE6000声发射检测系统与德国西门子公司的840DSL数控系统建立通讯，对砂轮与工件的接触的声纳信号进行采集分析)。声发射检测系统16 —方面将接收到的电信号转换成PR0FIBUS协议信号传输到 PLC系统3中，作为实现消空程和防碰撞功能的信号源；另一方面将转换成的RS232协议信号传输到数控系统1 (西门子840DSL数控系统)中，作为实现磨削状态可视化功能的信号源。如图2所示，在本实施例中，磨床是数控磨床，该数控磨床的数控系统1选用德国西门子公司的840DSL数控系统，它有自己独特的检测系统，全闭环控制，含有四个伺服轴分别是驱动磨头旋转的SP轴(主轴)4、工作台旋转的C轴5、磨头横向进给移动的X轴6、 磨头纵向进给移动的Z轴7 ；伺服系统选用了 S120交流伺服驱动单元及四个伺服电机分别为对应SP轴(主轴)的IPH7伺服电机15、对应C轴的1FT6伺服电机14、对应X轴的1FT6 伺服电机13、对应Z轴的1FT6伺服电机12。数控系统1与伺服系统构成闭环控制结构，满足了本磨床的加工精度要求。本磨床的逻辑控制是靠S7300系列PLC系统完成。如图2所示，在本实施例中，PLC系统3通过四个伺服模块分别控制四个伺服轴SP轴4、C轴5、X轴 6和Z轴7。伺服系统电源3为全四服系统供电。本发明所用的PLC系统3包括硬件(可编程控制器)和软件(嵌入式监控软件)。 硬件的配置除利用PLC组态编程软件STEP7，硬件配置除正常输入/输出模块外，还需在 FR0FIBUS从站配置声发射检测系统，首先将声发射检测系统自带硬件所需的GSD文件导入到PLC组态编程软件STEP7中并将其配置到DP从站，该从站可以自行分配输入/输出地址且不可与其他已经配置号的输入/输出模块的地址冲突。软件的安装首先通过西门子专家级口令(软件上)进入数控系统后台WINDOWS XP操作系统，然后运行测量系统自带软件光盘中的安装程序，安装完毕后会在用户盘F/0EM目录下生成相关文件，重新启动系统进入HMI界面后会发现生成的声纳检测系统界面。如图2所示的系统，在磨削工件之前，做好准备工作调整砂轮接近工件(可以手动)，进行预对刀(可以用塞尺量)，在本实施例中，调整砂轮接近工件距离为lmm-2mm之间，设定X坐标为2mm (用预置键)。选择加工程序，在PLC系统自动控制下按程序起动按钮，磨头(砂轮)进给，当到达预对刀位置时，磨头慢速进给，接触工件的瞬间产生高频噪声，高频噪声使声纳传感器产生高频声振动。此噪声波转变成电信号传至声发射检测系统。声发射检测系统将此信号变成PLC系统可以接收到的脉冲信号，数控系统接到此信号后，将X坐标置零，同时取消余程。 磨头快速退回2mm停止，数控系统自动参照此坐标执行加工程序进行磨削，从而完成了对刀功能。磨床加工指令利用PLC系统高级编程语言(开发)，实现自动磨削循环功能。操作界面采用西门子OEM软件开发包进行二次开发，使加工编程更加方便，操作人性化。其中， 西门子OEM软件开发包是采用VB高级编程语言为开发工具，西门子840DSL数控系统为开发环境，图形化仿真界面为开发对象的一种给用户进行数控系统第二次开发的软件包源程序。当声纳检测系统确认为砂轮与工件接触的声纳信号后将向数控系统发出指令信号，数控系统接收到该指令信号后本发明利用该信号进行编辑PLC和NC加工程序进行相应的动作变换，如NC零件程序中的主程序、砂轮转速计算子程序、砂轮修整子程序、防碰撞子程序、修整后返回子程序以及金刚笔定位子程序等。同时840DSL人机界面可显示声纳动态波形，从而可判断当前磨削状态。当所述零件加工程序接收到来自PLC系统的01、02、03线位置的信号时将进行相应的动作变换，以实现消空程、防碰撞以及优化磨削的功能。如图2所示，本发明监控系统包括数控磨床的数控系统1，声纳传感器9，声发射检测系统16和PLC系统3。在本实施例中，所述数控磨床的数控系统1选用德国西门子公司的840DSL数控系统；所述声纳传感器9选用带有输入输出端口的固体环形声纳传感器；所述声发射检测系统16选用德国DITTLE公司的AE6000声发射检测系统(该德国DITTLE公司的AE6000声发射检测系统与所选的德国西门子公司的840DSL数控系统已建立通讯)；所述PLC系统3 选用S7300系列PLC系统，包括硬件(可编程控制器)和软件(嵌入式监控软件)，软件为 PLC组态编程软件STEP7。
如图2所示，声纳传感器9安装于数控磨床靠近砂轮11的主轴8上。这样当砂轮 11与工件10接触时声纳传感器9 (环形声纳传感器)能很快地接收到其声纳信号并将其转换成电信号通过信号电缆传送到声 发射检测系统16中；声发射检测系统16 —方面将接收到的电信号转换成PR0FIBUS协议信号传输到PLC系统3中，作为实现消空程和防碰撞功能的信号源；另一方面将转换成的RS232协议信号传输到数控系统1 (西门子840DSL数控系统))中，作为实现磨削状态可视化功能的信号源。所述声纳传感器9和声发射检测系统 16构成了一声纳监控系统。所述声纳传感器9所接收的数控磨床对于工件加工时所发出的声纳信号是数控磨床上的砂轮11与工件10接触时发出的频率为250-350KHZ的高频噪声信号。因为磨床在磨削过程中，磨床的砂轮11与工件10接触时均产生噪声。该噪声的频谱主要为频率是 250-350KHZ的高频躁声。至于磨床的齿轮箱、轴承、液压装置等机床产生的噪声主要由低频躁声组成。因此磨削噪声与机床噪声的频率带间隔很大。本发明将高频噪声称之为声纳。 高频噪声信号称之为声纳信号。当砂轮接触工件时，噪声等级显著增加，从而可以获得一个可靠稳定的临界值。当噪声达到这一临界值时，系统将输出一个脉冲信号。该脉冲信号的宽度大于等于10ms。磨床上的数控系统测量参数设定该脉冲信号为上升前沿有效。如图2所示，声纳传感器9安装于靠近砂轮11的主轴8的位置上，当砂轮11与工件10接触时，声纳传感器9将很快地接收到的高频噪声信号(声纳信号)并将其声纳信号转换成电信号输出到声发射检测系统16中；声发射检测系统16将其电信号转换的RS232 协议信号传输到数控系统1中，数控系统1将其声纳波形显示在屏幕上(如图3所示)，实现了磨削过程可视化的功能。声发射检测系统16将转换的raOFIBUS通讯协议信号输入到PLC系统3中，PLC 系统3对接收到的PR0FIBUS通讯协议信号进行PLC逻辑编程(PLC系统本身的软件)，并将PLC系统输出的碰撞信号和接触信号传入到数控系统1的零件程序中，零件程序将根据指令执行相应的动作。
权利要求
1.一种检测磨床加工状态的监控方法，其特征在于利用声纳检测系统采用声纳传感器接收数控磨床对于工件加工时所发出的声纳信号，并将其接收到的声纳信号转换成电信号输出；采用声发射检测系统将检测到的声纳传感器输出的电信号分别转换成RS232通讯协议信号和PR0FIBUS通讯协议信号；将RS232通讯协议信号传到数控磨床上的数控系统中，数控系统将接收到的RS232通讯协议信号以动态波形的方式显示在屏幕上，为此，实现磨削过程的可视化；将PR0FIBUS通讯协议信号传入PLC系统中进行PLC逻辑编程，并将PLC 系统输出磨床与工件的碰撞信号及接触信号传入数控系统的零件程序中，零件程序接收到该信号指令后，执行相应的动作，以此，实现防碰撞和消空程。
2.根据权利要求1所述的检测磨床加工状态的监控方法，其特征在于具体的方法步骤是第一步，采用声纳传感器测量数控磨床上的砂轮与工件接触时发出的作为声纳信号的高频噪声信号，并将其高频噪声信号变成电信号输出；第二步，采用声发射检测系统接收上述声纳传感器所发出的电信号，并将其电信号分别转换成RS232通讯协议信号和PR0FIBUS通讯协议信号输出；第三步，将上述声发射检测系统输出的RS232通讯协议信号输送到所述数控磨床的数控系统中，数控系统接收到该信号后将其声纳波形显示在屏幕上，使磨削过程可视化；第四步，将上述声发射检测系统输出的PR0FIBUS通讯协议信号输入到PLC系统中，PLC 系统对接收到的PR0FIBUS通讯协议信号进行PLC逻辑编程，并将PLC系统输出的碰撞信号和接触信号传入到数控系统的零件程序中，零件程序将根据指令执行相应的动作。
3.—种检测磨床加工状态的监控系统，包括数控磨床的数控系统，其特征在于包括声纳传感器，声发射检测系统和PLC系统；所述声纳传感器接收数控磨床对于工件加工时所发出的声纳信号，并将其接收到的声纳信号转换成电信号传送到声发射检测系统中； 声发射检测系统将检测到的声纳传感器输出的电信号分别转换成RS232通讯协议信号和 PR0FIBUS通讯协议信号；并将RS232通讯协议信号传送到数控磨床上的数控系统中，数控系统将接收到的RS232通讯协议信号以动态波形的方式显示在屏幕上；声发射检测系统将 PR0FIBUS通讯协议信号传入PLC系统中，PLC系统通过PLC逻辑编程向所述数控磨床的数控系统发出指令信号，数控系统根据收到的指令信号控制所述数控磨床上的零件执行相应的动作。
4.根据权利要求3所述的检测磨床加工状态的监控系统，其特征在于所述声纳传感器所接收的数控磨床对于工件加工时所发出的声纳信号是数控磨床上的砂轮与工件接触时发出的频率为250-350KHZ的高频噪声信号。
全文摘要
一种检测磨床加工状态的监控方法及监控系统，采用声纳传感器接收数控磨床对于工件加工时所发出的声纳信号，并将其声纳信号转换成电信号；采用声发射检测系统将检测到的声纳传感器输出的电信号分别转换成RS232通讯协议信号和PROFIBUS通讯协议信号；将RS232通讯协议信号传到磨床上的数控系统中，数控系统将接收到的RS232协议信号以动态波形的方式显示在屏幕上，实现了磨削过程的可视化；将PROFIBUS协议信号传入PLC系统中进行PLC逻辑编程，并将PLC输出磨床与工件的碰撞信号及接触信号传入数控系统的零件程序中，实现了防碰撞和消空程。本发明能够监控数控磨床加工的全过程，磨削过程可被优化。提高了磨削质量和效率。
文档编号B24B49/10GK102275131SQ201110177969
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者于会龙, 邢雨, 高青玉 申请人:上海三一精机有限公司