数控龙门铣床数据采集系统综述

(西北工业大学，陕西 西安 710072)

机床是航空、航天、兵器、航海、汽车、桥梁、能源、动力、建筑等支柱产业的重要制造装备，一个国家的机床水平在一定程度上代表了工业制造水平。经过数十年的发展，我国机床设计和制造领域可谓硕果累累。目前，中国的机床市场消费量和产量为世界第一，但是由于高端数控机床在可靠性方面的差距，导致我国国产高端数控机床在市场竞争中并不占明显优势。

龙门铣床是机床族的重要机型，它是一种关键的冷加工设备，同时也是一种高效机床，其应用广泛，尤其是数控龙门铣床在航空制造领域的地位举足轻重。

数控机床是一个复杂的多专业复合型系统，在其运行过程中，需要监控系统进行保障，以提高机床可靠性。数据采集系统是机床监控系统的前端子系统和关键组成部分，数据采集系统设计的成功与否，决定了机床监控系统的数据有效性。所以，对应用于机床的数据采集系统进行研究，非常具有现实意义，并成为该领域的研究热点。如文献[1]对数控机床数据采集应用进行了研究，文献[2]～文献[4]为机床的监控、监测系统的设计提供了有价值的经验。

数控龙门铣床结构复杂，组件横跨机械、液压、电气、电子等专业领域，其静态、动态工况也较为复杂。所以，数控龙门铣床的监控，即数据采集和故障诊断要求远远比传统的机床复杂得多，故障造成的停机损失也相对较大。面对复杂的高端龙门铣床，在生产加工过程中实时、精确地采集到有效数据，从而检测识别其中的故障信息，甚至提前预测可能发生的故障，是保证数控龙门铣床正常运转的有价值的课题之一。因此，数据采集系统作为机床监控系统的一个核心部分，越来越显示出其重要性。

1 龙门铣床的分类及结构特点

1.1 传统型龙门铣床

传统型龙门铣床的结构特点是：机床有一个标准的龙门架，架上配置横梁，横梁沿龙门立柱可上下移动，横梁上配置两个垂直铣头，左右立柱上各配置一个水平铣头，工作台载待加工件单向移动。这类龙门铣床大多生产年代较早。

1.2 龙门铣镗床

龙门铣镗床是在标准龙门型基础上发展起来的。其结构特点是：用一个配置在横梁上的垂直滑枕式的铣镗头替代了标准龙门型的4个铣头，从而实现了长距离镗孔功能。在铣镗头端面配置角铣头等附具，可实现4个垂直面的加工。它简化了早期标准龙门型铣床的结构，拓展了功能，提高了性能。这种机床将最终取代早期标准龙门型铣床。

1.3 龙门移动式铣镗床

龙门移动式铣镗床采用龙门架移动式结构替代了传统的工作台移动结构，即待加工件装夹固定在工作台上不动，龙门架纵向移动，龙门架带着铣镗头实现对一个或者多个待加工件的全方位加工。在一个待加工件进行加工时，另外几个待加工件可以同时进行装卸、交检等工序，提高了机床使用效率。龙门移动式铣镗床具有如下优势：

① 承载重量大;

② 有利于不规则工件的承载;

③ 加工精度高;

④ 节省空间;

⑤ 加工效率高;

⑥ 安装调整方便;

⑦ 性价比高。

1.4 横梁固定式龙门铣镗床

横梁固定式龙门铣镗床取消了传统型的移动式横梁，将横梁固定在龙门立柱顶部，滑枕式铣镗头安装在横梁上。利用滑枕式铣镗头具有的长距离垂直移动功能，取代了横梁的垂直移动功能。根据不同产品加工高度的需求，选择不同加工高度范围的横梁固定式龙门铣，加工高度范围可利用增设不同高度的垫箱，或通过更换不同高度的立柱来调节。这类龙门铣的优点在于：

① 由于横梁由移动改为固定，精度调整后很容易维持其精度保持长时间不变，提高了机床的精度;

② 取消了移动式横梁提升机构、传动机构、夹紧机构、控制装置等相应的一整套部件，取消了横梁沿立柱垂直移动的导轨副等，可以大幅降低机床造价;

③ 由于横梁移动式龙门铣的横梁是故障高发部件，而固定横梁取代了活动横梁，极大地减少了维修的工作量。

2 数控龙门铣床的结构及功能分析

数控龙门铣床主要由机械、电气、电子、液路等子系统构成，各子系统都是由相关构件组成，当系统中相关构件异常，例如失效或性能下降时，龙门铣床就会表现出一定的故障特征。由于龙门铣床系统由很多相关的子系统组成，各子系统的作用和功能又相关，因此从各个子系统的特点出发，构建与之相对应的数据采集子系统，然后对子系统进行综合，就可以全面、快捷地构建龙门铣床数据采集系统。

所以，研究数控龙门铣床的结构及功能，以及相关故障现象的文献，非常有意义。如文献[5]～文献[9] 研究了数控龙门铣床结构，以及数控龙门铣床的动、静特性，对分析数控龙门铣床的结构很有价值。文献[10]～文献[13]为数控龙门铣床的功能及故障分析提供了有价值的经验。文献[14]～文献[15]研究了温度对数控龙门铣床的影响。文献[16]～文献[18]介绍了龙门铣床控制系统的相关知识和案例。前文所述的各类数控龙门铣床的基本组成一般包括：结构组件、传动系统(包括主传动系统、进给传动系统等)、控制系统(包括主控系统、辅助控制系统、人机操作箱等)、辅助系统(包括润滑系统、监测系统、安全系统等，数据采集系统属于监测或监控系统的子系统)。其中，数控龙门铣床的结构组件主要指机床的主体机械结构件，包括横梁、立柱、夹紧装置、滑鞍、滑枕、工作台和床身等，各个大件内部都布置了大量的加强筋和肋板。传动系统主要由机械传动部分和电机、电机驱动器等电气组件组成，机械传动部分包括横梁、导轨、丝杠等以及刀架、刀头。控制系统主要指计算机相关的电子部分，控制系统接收操作人员的指令或编程，与传动系统配合，使数控龙门铣床精确工作。机床工作时，传动系统中的CNC控制各个结构组件主轴驱动速度，PLC控制各个结构组件主轴的方向和使用功能，伺服驱动器驱动电机，电机通过相关的丝杠等机械传动元件将动力传递给主轴，使主轴输出力矩和速度。控制系统中的检测元件检测电机工作时的工作状态，并将检测的信号反馈，作为CNC进一步控制的依据。一部分结构组件在电机主轴带动下做旋转运动，带动刀头等组件工作。另一部分结构组件由电机主轴带动相关的机械传动元件，将动力传递给滚珠丝杠，通过滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动，带动横梁、滑枕、工作台等结构组件沿导轨方向运动。运动过程中，控制系统中的速度和位置检查元件对电机和结构组件的实际运动进行检测，并将检测的信号反馈，为CNC的控制提供比较依据。另外，PLC需完成刀架控制、润滑控制等工作。

3 数控龙门铣床的数据采集需求分析

3.1 结构组件

数控龙门铣床的横梁或立柱的倾斜或位移、环境温度和不同工况下的热特性变化、夹紧装置的松动等均会对数控龙门铣床的加工精度产生较大影响，所以数据采集系统必须对数控龙门铣床的主要和关键结构组件进行监测，主要采集可以反映主要和关键结构组件的位置、振动、温度等信息的数据，例如，文献[19]、文献[20]研究了刀具的在线检测和监控等应用。

3.2 传动系统

数控龙门铣床传动系统的数据采集较为复杂，也最为关键，包括传动带磨损、主轴变形或不对中、主轴旋转精度不够、轴承磨损、轴承接触疲劳失效、轴承断裂失效、轴承游隙变化失效、润滑不合规、润滑剂温度超标、导轨磨损、丝杠磨损、滚珠磨损、轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合、齿面塑性变形、电机异常、环境温度和不同工况下的热特性变化、电机驱动器故障等，均会对数控龙门铣床的加工精度产生较大影响，所以数据采集系统必须对数控龙门铣床的传动系统进行监测，主要采集可以反映主要和关键组件的位置、振动、噪声、温度、压力、传动力矩、转速等信息的数据。

3.3 控制系统

数控龙门铣床的控制系统主要由CNC和PLC组成，其主要功能属于电子领域，所以程序控制不正常、信号输入输出不正常、信号接触不良、参数设置不正常、电路故障、温度过高等，均会对数控龙门铣床的正常工作产生较大影响，所以数据采集系统必须对数控龙门铣床的控制系统监测，主要采集CNC和PLC的通信总线数据和个别I/O即可。

3.4 辅助系统

辅助系统中的润滑管路属于故障高发区，需要对其温度、压力等信息进行实时数据采集。监测系统和安全系统的常用元件有编码器、光栅、传感器等，容易发生接口故障、编码器或光栅内部故障等。监测系统和安全系统的异常会影响机床运动状态、跟踪误差，使机床工作指令不能执行等。监测系统和安全系统的主要功能也属于电子领域，数据采集系统是监测系统的子系统，这类电子系统在机床这样的电气、电磁复杂环境中使用时，必须考虑抗干扰等可靠性设计。

4 数据采集的手段和方法

采用适合的数据采集的手段和方法是实现数采系统的关键。数控机床的数采系统已经有较多应用，对数控龙门铣床数采系统的实现有较高的借鉴价值。如文献[21]介绍了一种基于AT89C55单片机的数控机床远程测控仪的硬件和软件设计，文献[22]介绍了一套应用于国产数控机床的设备状态监控系统，文献[23]介绍了一种分布式数控机床管控系统的设计，文献[24]介绍了一种应用于成飞集团的基于西门子数控系统的机床加工过程监控系统，文献[25]介绍了一种复杂特征下数控机床状态整体监控方法。

4.1 数据采集方法

由于车间现场的水平参差不齐，进行数据采集的方法也各不相同，数控龙门铣床的品牌、版本、控制系统等因素都决定了某型龙门铣床非标定制化的数据采集系统集成方式。目前对数控龙门铣床的数据采集方法主要有基于数控系统对外通信接口和基于附加嵌入式系统两类。

各主流厂家的数控龙门铣床的控制系统一般都具备对外通信接口和标准通信协议，并可以基于此接口二次开发程序构成数据采集系统，常见的对外通信接口包括：RS232、RS422、RS485、以太网接口、工业总线接口等。但这种方法所采集的数据主要来源于机床内置传感器且存储在数控系统内部。这种方法完全依赖机床自身的配置，受制于机床的异构性和封闭性，难以形成通用性的数据采集方案，数据的采样间隔周期一般在秒级。

基于附加嵌入式系统的数据采集方法是利用嵌入式计算机配合外接传感器与机床相关组件连接，从机床中提取信号，一般与机床原有数控系统没有直接联系。可以对诸如通电状态、机床振动、刀具磨损等未在原机床数控系统中存储的信息进行数据采集，这种数据采集方法易于形成具有一定通用性的数采方案，一般其数据采样间隔周期可以到毫秒级。文献[26]提出了一种通用型数据采集系统框架体系结构，有一定借鉴意义，如图1所示。

对数控龙门铣床等高端机床的预测性维护是目前机床行业的一个研究热点，其所需数据对于高频数据的依赖性更强。

4.2 采集的信息和工具

数控龙门铣床的数据采集范围包括:

① 可以反映机床工况和状态的信息。数控龙门铣床的工作状况与控制系统的状态有着紧密联系，如机床的主轴转速、倍率、负载、功率、进给速度、故障报警等。另外能表征机床健康状态的系列参数也是数据采集的重点，包括关键部位的故障征兆、关键部件的输入输出等，如轴承的振动和噪声、电机温升、发动机进油量和排气温度、冷却系统的温度和压力、液压系统的温度和压力等。

图1 一种通用型数据采集系统框架体系结构

② 可以反映数控龙门铣床运行环境的参数，如环境温度、湿度、振动、噪声、粉尘、油污染等。机床很容易受到环境及工况等因素的影响，在运行过程中主轴容易产生较大热误差，降低机床的加工精度。文献[27]基于机床热特性的基本理论及机床的结构特点，分析了主轴热变形的不同变形趋势，对环境温度和工况因素进行了研究。

③ 可以反映机床工作质量的数据，表征质量的系列参数。

各类采集设备(传感器)的安装原则如下:

① 制定可行方案。根据采集现场复杂的实际情况，综合考虑如对机床状态反应的高灵敏性、抗干扰性、测量的可重复性、可接近性(如足够安装空间等)、经济性、环境适应性、与控制系统关系、安全性等多种因素。

② 采集位置选择。针对选定的采集目标，采集设备(传感器)应选择安装在最可能检测出机床工况和状态特征的位置，采集点应当唯一标识。

③ 传感器选型。传感器选型需考虑的因素有体积、精度、量程、灵敏度、分辨率、稳定性、工作范围等。

④ 确定系统采样频率。采样频率取决于采样数据的类型及其扩展速率以及相关参数的变化率，同时考虑采集设备工作主频、费用和关键性等因素的影响。一般来说，对稳态工况，采样频率能在工况改变前捕捉到完整的数据集合即可。对瞬态工况，需要高速数据采集。

常见的数据采集的数据类型、所用手段和主要采集对象如表1所示。

表1 数据采集的主要类型、手段和采集对象

5 数控龙门铣床数采系统的发展方向

近年来，随着物联网、大数据、AI等新技术的发展，数控龙门铣床数据采集系统呈现出智能化、网络化的发展方向。国内，如文献[28]以大数据采集为基础，建立车间、生产线、数控机床的CPS模型，利用云计算技术，实现云端冷热数据处理及分布式存储，最终实现7×24 h机床实时监控，建立“数字双胞胎”，实现健康诊断等智能维护功能。通过采集机床工作过程中的实时数据，建立实时机床工况、组件状态、加工工序、控制程序、材料去除率之间的对应关系，基于对此关系的分析，均衡刀具负荷，优化工艺参数，可以有效提高加工效率，提升安全性。文献[29]综述了智能制造中的状态在线监测技术，文献[30]针对机床加工行业中的数字化柔性智能制造系统，通过传感器实时采集车间中的物料、刀具、物流小车、机床、量检具等的数据，并对过程中的各种信息进行处理、优化和整合，形成车间数字化柔性智能制造系统。国外，如西门子公司通过机器人与机床数控系统的直接集成，机器人可以获取所有可用的数控系统功能[31]。

6 结束语

在分析数控龙门铣床的结构及功能的基础上，对数控龙门铣床的数据采集需求进行了分析和总结，针对性地综述了数据采集的手段和方法，并概述了数控龙门铣床数据采集系统的发展方向。

数据采集系统是监控系统的前端子系统和关键组成部分，应继续加大对数控龙门铣床数据采集系统的的研究投入，推进其向智能化、网络化发展，提高系统整体可靠性，促进我国高端装备水平提升，服务中国制造2025。