精密机械加工中的无线网络监控系统.pdf

4 1 3 62 0 1 0，3 1(1 8)计算机工程与设计C o m p u t e r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g nI Im开发与应用精密机械加工中的无线网络监控系统杨青青(宁波大红鹰学院软件学院，浙江宁波3 1 5 1 7 5)摘要：针对精密加工中对加工信息管理的需求，结合精密加工的特点，设计了一种无线网络监控系统，对加工过程进行控制与检测。系统基于A R M 嵌入式技术，利用Z i g b e c(全新无线网络数据通信技术)与通用无线分组业务(g e n e r a l p a c k e t r a d i os e 卜v i c e，G P R s)无线通信技术，组成无线监控网络，传输传感器数据与加工控制信号。重点讨论了该系统的硬件结构、软件架构，并提出一种混合式簇树路由算法，提高无线网络的路由速度，确保了加工信息通讯的低延迟通过精密非球面加工实例表明该系统的可行性，模拟实验结果表明了该路由算法的有效性关键词：精密机械加工；监控；无线网络；簇树路由中图法分类号：T P 3 9文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-7 0 2 4(2 0 1 0)1 8 _ 4 1 3 6 0 4P r e c i s i o nm a c h i n i n gp r o c e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo fw i r e l e s sn e t w o r k sY A N GQ i n g q i n g(C o l l e g eo f S o f h v a r eT e c h n o l o g y,N i n g b oD a h o n g y i n gU n i v e r s i t y,N i n g b o3 1 5 1 7 5，C h i n a)A b s t r a c t：A i m e da tt h ep r o b l e mo f t h em a n a g e m e n tf o rm a c h i n i n gi n f o r m a t i o n,aw i r e l e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r k ss y s t e mf o rm a c h i n i n gp r o c e s si sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f p r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n g T h es y s t e me s t a b l i s h e saw i r e l e s sn e t w o r k st ot r a n s m i tt h e 飘玎唧d a t aa n dm a c h i n i n gc o n t r o ls i g n a l sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e m,z i g b e ea n dG P R S T h es U u c t t 矾o f h a r d w a r ea n dt h ef r a m e w o r ko f s o f t w a r ea md i s c u s s e d Am i x e dt r e er o u t ea l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt oi m p r o v et h es p e e do f r o u t i n ga n dd e c r e a s et h en e t w o r kd e l a y F i n a l l y,w ev e r i f yt h i ss y s t e mb ya p p l y i n gi tt oh i g h-p r e c i s i o na s p h e r i eg r i n d i n gm a c h i n i n gp r o c e s s，a n das i m u l a t i o ni sp r e f o r m e d 幻v a l i d a t et h em i x e d 打r o u t ea l g o r i t h m K e yw o r d s：p r e c i s i o nm a c h i n i n g；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l；w i r e l e s sn e t w o r k s；t r e er o u t e0 引言在精密机械加工过程中为了保证加工精度，对精密加工系统的状态进行综合的监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)的监测【I J，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，网络化监控技术受到关注，但多限于有线网络，通常利用企业局域网等有线方式对离散的数控机床进行联网，实现集中监测、控制和管理洲。近年来随着Z i g b e e 技术的出现，无线监控网络技术更是成为多领域的研究热点，该技术已经应用于医疗监护哪、农林业监测旧以及建筑桥梁健康监测等。但是将该技术应用到规模化精密机械加工过程的监测还很少。精密加工多在独立、封闭的环境中进行，基于局域网组网的监控系统由于需要布线，无法应用在封闭的加工环境中，或是必须对封闭环境造成一定破坏，从而影响加工环境参数。采用无线通讯方式可以克服该问题。本文提出一种基于Z i g b e e和G P R S 技术的无线网络监控系统，该系统通过基于Z i g b e e技术组织一个无线网络进行加工现场的数据通信，并利用G P R S 技术将数据进行远程传送，以对规模化精密机械加工过程进行实时监控。l 无线网络方案的选择现有的无线网络大多采用无线保真技术(W i r e l e s s F i d e l i t y，W i F i)，蓝牙和Z i g b o e 技术，它们工作在相同的频率，都可以用于无线监控网络。对于大规模精密机械加工，选择Z i g l，e e 技术出于如下考虑：(1)成本。Z i g b e e 芯片1 美元左右。W i-F i 和蓝牙芯片一般是3 美元左右。使用Z i g b e e 整个系统的花费将大幅降低。(2)Z i g b e c 传输速度是2 5 0 k b p s，W i-F i 和蓝牙分别是5 4 M b p s 和1 2 M b p s。在精密加工中，主要发送传感器数据和加工控制信号，低速率已满足需求。0)网络容量。Z i g b c e 网络中心可运行6 4 0 0 0 个节点，W i-F i和蓝牙分别是3 2 和7。Z i g b e e 满足工业生产规模的不断扩大。“)能量消耗。Z i g b e e 的电流是3 m A。而W i-F i 和蓝牙分别是3 5 0 m A 和6 如1 7 0 m A。无线方案比较如表1 所示。收稿日期：2 0 0 9 1 0-1 6；修订日期：2 0 0 9-1 2 3 0 作者简介：杨青青(1 9 7 8-)，女，河南杞县人，硕士。讲师。研究方向为计算机无线传输及远程监控等E-m a r l：y q q 2 0 1 1 6 3 c o r n万方数据杨青青：精密机械加工中的无线网络监控系统2 0 1 0，3 1(1 8)4 1 3 7表1 无线方案比较性能、F i蓝牙Z i g b e e发射方式D S S SF H S SD S S S传输速率1 1 M b p sl M b p s2 5 0 K b p s最丈节点数3 276 4 0 0 0延迟大于3 5大于1 0 s3 0 t m传输距离1 0 0 m1 0 m7 0 1 1 1价格比较高由低2 系统硬件设计2 1 系统结构本系统是基于无线网络的监控系统，集成传感器、嵌入式计算和无线通信技术，采集和处理数据信息，并通过多跳自组织网络传送给监控者。系统结构如图l 所示，包括现场监控平台、主机、若干子机和远程监测平台。主机与子机是基于A R M 的嵌入式系统，它们组成z i g b e e 网络，主机是网络中心，子机是网络节点。每个子机连接多个传感器，作为监测终端安装在加工车床上，工作时子机将这些传感器的信号采集、分析，通过Z i g b e e 网络把数据与结果发给主机，主机通过串口将各子机的数据交给现场监控平台(电脑)，从而监控各个加工设备的工作状况。出现异常时，监控平台可以修正加工操作。同时，对于特殊的异常，需要异地的相关人员帮助及时分析、解决。主机可以通过G P R S 装置直接将数据发送给移动通信网络基站，基站将数据以T C P 口协议发送到I n t e m e t 的远程监测平台(电脑)上，供相关人员进行分析。同时系统根据具体应用的需要，可在子机、主机、电脑端建立数据库。图l系统结构2 0 子机硬件设计系统硬件设计的主要工作是主机和子机。作为网络中心节点的主机，负责网络通信，无需传感器数据采集功能。因此在硬件设计时，去掉子机的数据采集部分即可。下面介绍子机硬件结构。子机由传感器、嵌入式计算和无线通信3 部分组成，其系统架构包括应用层、通信协议、操作系统、设备驱动以及相关硬件。硬件主要包括A R M 芯片、G P R S模块、Z i g b e e 芯片、多路模数转换器、硬盘以及其它标准外围设备等。子机可划分为两个模块：多传感器数据采集与处理模块、无线通信模块。如图2(a)所示，多传感器数据采集与处理模块是基于A R M 的嵌入式系统，采用S a m s u n g 公司的A R M 芯片S 3(2 2 4 4 0，多路模数转换器是1 r I 公司的A D S l l 5 8，$3 C 2 4 4 0 通过其I O 接口连接A D S l l 5 8，产生A D S I l 5 8 的控制时序以及多通道的通路选择。$3 C 2 4 4 0 接收到A D S l l 5 8 的数字信号后，对数据进行传感器标定，根据需要还可以进行传感器数据融合、精密加工监测系统的数学建模等工作，为了建立较大的数据库，扩展了I D E 接口以连接硬盘。如图2(b)所示，无线通信模块包括Z i g b e e 和G P R S 两部分。Z i g b e e 芯片采用F r e e s c a l e 公司的M C l 3 2 1 3，它通过串行外围设备接口(s e r i a l p e r i p h e r a l i n t e r f a c e，S P I)总线与A R M 相连，由A R M 对其进行控制与数据交换。G P R S 模块采用S I M C O M公司的S I M 3 0 0 C，有独立的多点控制单元(m i c r o c o n t r o l l e r u n i t，M C U)，通过串口与J 址M 连接，通过A T 命令可以对其进行控制与通讯。I b 喇喇!拈妙量竺垒墨!II兰!Il8 3 筹。Il隧匦国3 系统的组网(I)多传感器数据采集与处理模块【b)无线通信模块图2 子机硬件结构规模化的精密机械加工中，生产设备可能分布在工厂的不同区域，网络的节点数量、通讯范围难以预先确定，利用Z i g b e e 进行系统组网就是要设计一种适合该应用要求的网络结构以及相应的路由算法，使网络节点能够有序、及时的进行通讯。3 1 组网结构基于Z i g b e c 协议，网络节点分为3 种：协调器、路由器和终端设备。协调器是网络中心，即本系统中的主机。路由器和终端设备作为网络节点，即本系统中的子机。其中作为终端设备的子机没有路由功能。基于这3 种节点，Z i g b e e 网络支持星型，簇树型和网状3 种网络拓扑结构。具有多跳能力的簇树型拓扑结构是一个更加适合于传感器网络的拓扑结构。在多跳网络中节点能够和其它任何在通信范围内的节点通信，这可以减少一个节点到另一个节点的通信(称为一跳)次数以降低能量消耗。这种通信方式的复杂性会增加处理器的负担，但可以通过减少总跳次有效地提高实时性和降低系统能耗，同时，多跳网络还增加了网络的健壮性。万方数据4 1 3 82 0 1 0，3 1(1 8)计算机工程与设计C o m p u t e rE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n3 2 路由算法在给出一种具有多跳能力的簇树型拓扑结构的路由算法(e n h a n c e 沮t t c er o u t e，E T R)之前，简述一下常规的簇树路由算法(仃e e r o u t e，T R)1 1。这种算法中，节点交流仅限于父节点和子节点之间。当网络的物理拓扑非常复杂时，T R 根据数型拓扑结构，可以应付数据的传输。依靠父子节点的连接，T R 方式避免了路径寻找、更新，以及与之相应的大量的消息交换。T R适合低储存与计算能力、低电源供给和低复杂性的轻型节点。缺点是有较多的跳跃次数。网络中的每个节点都一个邻域表，表中记录在其射频连接范围内节点(即一跳节点)的地址。E T R 算法利用邻域表以及地址分配表中内在的节点地址关系，改进了树形寻路算法。如图3 所示，在簇树型拓扑结构，每个节点有一个的网络深度值，根节点(协调器)的网络深度为0，其子节点的网络深度是1，类推，每个子节点是其父节点的网络深度加1。任意两个节点必存在有共同父辈节点，至少有一个。即根节点，称网络深度最大的那个共同父辈节点是它们的同祖。-肚M节点图3E T R 算法进行E T R 路由算法如图3，N m 准备路由的节点，其网络深度d m。N n 是N m 的一个邻节点，网络深度d n。N d 是目标节点，网络深度d d oN a t 和N d 的同祖的网络深度是d a u t o 如果是T R路由，N m 到N d 的跳数是C t r=-d m-d m d+d d-d m d改经邻节点N n 的跳数是C E T R；l+d n 一西l d+d d r i n d如果A c；C T R-C E T R=锄一d 件2(d 扣d 旧一1 O那么就证明邻节点N n 作为下跳目的地，将会减少整个路由过程的跳数。E T R 算法虽然减少跳数，但同时也增加节点的计算量，从而增加路由时间。为了达到最快的路由速度，设计一种采用T R 和E T R 混合方式进行路由，即在节点较少的区域，采用T R，节省计算花费。在节点较多的区域，有不同树型枝权交错的空间，采用E T R 以降低通信跳数。实际过程如下：路由过程中，路由节点通过其邻域表来判断采用何种路由算法，如果当前邻域表中的节点超过给定的阚值，则认为当前节点处于树型枝杈交错的空间，采用E T R 算法进行路由，反之采用T R 算法。4 系统软件设计系统软件设计包括现场监控平台部分、主机部分、子机部分以及远程监测平台部分，如图4 所示。现场监控平台和远系统软件现场控制程序lI 主机程序ll 子机程序1l 远程隘测程序人机界面加r设各控制数据库传感器数据处理由U通佶管理传感器数据采集控制信号器管理图4 系统软件架构GPRS通信管理SOCKET通信管理数据库人机界面程监测平台基于P C 的w i n d o w s 操作系统开发。其中，现场监控主要包括：人机界面、加工设备控制、数据库、传感器数据处理以及串口通信管理模块。远程监测平台包括人机界面、S o c k e t 通信管理和数据库3 个模块。前者数据库包括整个系统的传感器数据，而后者仅包含特殊异常数据。S o c k e t 通信管理主要负责接收通过G P R S 发送到远程监测平台的数据。主机和子机程序都有z i g b e e 网络设备模块和数据通信模块，网络设备模块基于z i g b e e 协议的数据链路层和网络层，负责维护网络设备正常工作。数据通信模块基于z i g b e e 协议应用层，负责节点问通信数据管理。主机也有串口通信管理模块，负责管理与现场监控平台的串口通信。子机还包括传感器数据采集模块、控制信号管理模块、G P R S 通信管理模块。系统的通信机制采用自报、应答混合式。自报即子机监测到传感器数据异常，报告给监控平台的过程。应答式即监控平台发出指令查询传感器数据过程。子机检测到数据异常，将数据与异常结果发送给主机，主机得到数据后发往数据库，并提示现场监控平台，监控平台根据设置，可以手动或自动方式发送传感器数据请求给主机，主机查询数据库，得到控制修正参数，然后发送控制信号给子机，修正加工操作，子机再检查传感器状态，将修正后采集的数据发给主机，主机将数据交数据库对比，将结果回复现场监控平台。数据正常则结束，否则回复监控平台，继续上述过程。对于特殊异常，子机还通过G P R S 装置将异常发送远程监测平台。在系统应答过程中，监控平台发送查询传感器数据请求给主机，主机询问数据库，数据存在就直接将数据库中数据回复监控平台，无该数据，主机马上发送数据请求给相应子机，子机收集传感器数据并回复主机，主机将数据保存到数据库，同时将数据发送给监控平台。5 实验利用精密非球面磨削加工。实现并测试了该无线网络监控系统。测试系统的加工参数如表2 所示。根据加工设备故障诊断与加工误差补偿的需要，对各环境参数进行采集。如表3 所示，故障诊断的监测对象包括振动、环境温度、磨削温度以及砂轮和工件双轴动平衡嘲。初始加工后，通过检测非球面表面形面误差，再进行一次补偿加工。万方数据表2 加工系统参数圆弧半径r r a m中心半径r J m m基础半径r,m m进给步长d x m r n_ T 件加工长1 w m m主轴长度L r a m宽度b m m加工倾角0 K)6 06 522 6 8 8 3 91 02 2 01 2 02 03 0表3 监测对象监测单元测试位置传感器非球面表面误差加工零件激光位移+1双轴振动砂轮、工件双轴光电+2 振动+2砂轮磨损砂轮电阻式+1磨削温度加工零件红外热像仪1加工环境温度加工环境温度+4由于在精密加工中机床有限，网络化监控测试是采用子机来模拟实现的。通过该装置模拟加工过程，包括数据采集，数控程序与控制信号接收。通过子机模拟加工中的无线通讯，比较了T R、E T R 以及本文提出的混合算法。6 实验结果与分析实验中加工的非球面零件，通过激光位移传感器进行了在位的形面检测，采用同心圆式检测轨迹，测量结果如图5 所示，从测量结果看，监控系统满足设计要求。z 轴m m图5 工件形貌检测结果验证路由算法的模拟试验结果如图6 所示。当节点较少时，3 种算法的延迟时间差别不大，而随着节点数的增加，一可以明显看到T R 算法的延迟明显大于E T R 算法和本文的混合算法。当节点数目进一步增加后，E T R 算法的延迟大于了本文的混合算法。分析认为，当节点数目达到一定数目时，混合算法平衡了计算花费和多跳花费，有效缓解了延迟的增长。6 结束语本文研究了适用于精密数控加工的无线网络监控系统的通用结构、装置设计与网络组网，并根据精密非球面加工设计了监控实例，通过测试，该系统可以有效运行。与传统数控机床网络化监控技术相比，无线通信方式不影响封闭的加工环境，更适合精密数控加工。同时，利用T R 和E T R 的混合路由2 0 01 5 01 0 05 0节点数，爪_ 一T R：。o E T R；本文算法图6 路由算法比较算法有效降低了网络最大延迟。下一步工作是进一步优化、改进系统硬件以及网络通信相关协议与算法，在更大规模的精密机械加工中验证该系统的性能。参考文献：【1 L i a n gS t e v e nY，H e c k e rR o g e l i oL，L a n d e r sR o b e r tG M a c h i n i n gp r o c e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l：T h es t a t e o f-t h e-a r t J J o u r n a lo fM a n u f a c t u r i n gS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，2 0 0 4，12 6(5)：2 9 7 3 1 0 2】郭晓军，王太勇，任宪常数控机床加工过程网络化监控技术的研究 J】组合机床与自动化加工技术，2 0 0 8(9)：5 6。6 2 3】F e r r a zJ rF,C o e l h oRT D a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gi nm a c h i n et o o l sw i t hC N Co fo p e na r c h i t e c t u r eu s i n gi n t e m e t J I n-t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y,2 0 0 5，2 6(7)：9 0-9 7【4】徐跃，王太勇，赵艳菊基于总线和网络技术的开放式可监控数控系统 J】农业机械学报，2 0 0 8，3 9(1 0)：1 7 8 1 8 2 5】C h a n d r a S e k a r a nA s h o k-K u m a r,P i c i o r o a g aF l o r e n t i n，B r i-n k s c h u l t eU w e，e ta 1 T o w a r d sas e l f-o r g a n i z i n gw i r e l e s sh o s-p i t a la r e an e t w o r k J I F M B EP r o c e e d i n g s，2 0 0 7，1 4(6)：3 9 8 4 3 9 8 7 6 R a u lM o r a i s，M i g u e lAF e r n a n d e s，S a m u e lGM a t o s，e ta 1 AZ i g B e e n e x tt e r mm u l t i，-p o w e r e dw i r e l e s sa c q u i s i t i o nd e v i c ef o rr e-m o t es e n s i n ga p p l i c a t i o n si np r e c i s i o nv i t i c u l t u r e J C o m p u t e r sa n dE l e c t r o n i c si nA g n c u l t u r e，2 0 0 8，6 2(2)：9 4-10 6 7】Q i uW a n z h i，E f s t r a t i o sS k a f i d a s，H a oP e n g E n h a n c e dt r e er o u t i n gf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s J A dH o cN e t w o r k s，2 0 0 9，7(3)：6 3 8 6 5 0【8】郭隐彪，郑琳，王振忠高精度非球面加工双轴动平衡监控技术研究 J 光学精密工程，2 0 0 6，1 4(3)：4 3 4-4 3 8，唆烈万方数据