主軸即時監控系統

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主軸即時監控系統

傳統的電路板開發,在設計階段沒有電性分析與訊號模擬的概念,所以只能製作出電路板,經過測試才能知道好壞,此作法不僅開發時程長且不確定因素太多,此種做法只適用於低速電路板或商用電路板,由於此次是應用於工業上,工業規格比商業規格更高更嚴謹,因此導入了先進電路板開發流程(如圖一所示),在設計階段就加入電性及訊號模擬,考慮PCB製程參數、IC Spice Model、EMI/EMC及電路佈線,透過軟體模擬控制訊號品質,確定沒問題才將電路板製作出來,避免多次修改電路板造成開發時程延誤,也可以經由軟體控制電路板之訊號品質。

圖一 : 電路板開發流程圖

在智慧感測控制器的電路設計上,硬體架構如圖二所示,使用瑞薩32位元MCU為控制主體,同時可控制29通道感測器,並搭配藍芽及WIFI實現無線傳輸(預留功能,實現無線感測資料蒐集),實體電路圖如圖三所示。

圖二 : 智慧感測控制器硬體架構圖
圖三 : 智慧感測控制器電路板實體圖

智慧感測控制器除了運算能力強之外(主頻可高達120MHZ),更可接收29通道之感測器資料,由於感測資料多,必須在資料收集的階段,就事先過濾篩選,必要的資料再回傳給前端介面分析,因此在MCU上建構邊緣運算系統就扮演著非常重要的角色,除了多功能低成本的硬體設計外,更活化了控制系統,此邊緣運算系統主要的功能是資料的過濾及資料的比對,現階段只設計4個分級,判斷安全值、警告值及過濾值三種數值,藉由比對設定數值,過濾掉不重要的資料,這正是邊緣運算架構的精髓,當然這些資料分級的參考數值都是變動的,根據不同的狀況,會有不同的參考數值,當前端的深度學習系統愈完善,資料分析愈趨完整,參考數值就會愈貼近於實際狀況。

若要比對每個工件的資料,一樣使用智慧介面平台與控制器的溝通的方法,即時用M Code定義加工起始點與加工結束點,雖然控制器與智慧感測單元不在同一個控制系統,但依舊可以透過軟體交握的方式,使之同步,因智慧感測單元與控制器的傳輸路徑不同,故使用M Code比對時序的時候,會產生0.1ms左右的誤差,但此誤差是固定的,故經過幾次測試就可得到精確的時間誤差,使控制器、智慧介面平台及智慧感測單元完全同步。當三方已完全同步,針對加工中的偵測就可更精確且在更短的時間內完成。故可擷取加工程序的任何區段資料,方便針對任何加工指令分析數據。

當新工件新加工時,智慧感測控制器除了依照前端給的參數過濾資料外,亦會將所有的儲存資料回傳,因為參數尚未優化,加工參數是否正確需要進一步分析,為了避免過濾掉可用的數據,故會在更換工件或加工中,將原始資料回傳,待加工參數穩定後,就不再記錄原始資料,因前端判斷此類資料對後續分析已沒有幫助,此功能也可透過智慧介面台平開啟,方便使用者調校參數用。邊緣運算系統的執行細節如圖四所示。

圖四 : 韌體執行細節架構圖

人機介面的部分,採用C#開發,製作一WEB監控介面,方便使用者隨時隨地監控主軸狀況,首先智慧感測控制器透過Ethernet將資料回傳至前端PC,使用C#開發一接收與轉換程式,將資料匯入資料庫(MySQL),再透過WEB將資料顯示出來,圖五為WEB顯示介面。

圖五 : 主軸即時監控WEB介面

因應工業4.0趨勢,使用嵌入式系統,自主開發一成本低廉且多功能之智慧感測控制器,並加入邊緣運算系統,大幅降低前端資料負擔,僅擷取有意義之資料,再加上可回傳訊號至CNC控制或PLC上,達到控制之功能,實現主軸即時監控系統,可取代目前市場上昂貴的感測控制器,此智慧感測控制器目前已經過”程泰機械”實機驗證過,其穩定性已符合工業之標準。

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