数控机床测头（在机测量）的新一代数据传输技术

数据传输是数据感知到应用的必要环节，主要表现在基于通信技术的各种网络中，依赖于物理设备的硬件互联和通信网络的协议互通。其中硬件互联是指数控系统通过各种硬件接口与外部通信模块的连接，主要包括主流数控系统都有的RS232/422/485、USB、RJ45接口。随着移动通信技术融入工业领域，移动通信网络也广泛应用于工业数据传输，如窄带物联网、4G/5G移动网络等。协议互通是指通过标准协议进行的数据通信。一方面，数控系统通过各种现场总线协议与底层驱动程序进行通信，如以太猫、PROFINET、NCUC等。另一方面，数控系统通过各种互连通信协议与数据应用程序传输数据。

1) RS232/422/485数控机床的互联

串行通信简单、成熟、可靠、成本低。一般通过串口服务器实现与计算机的网络连接是数控机床最基本的数据传输方式。其中，串口服务器可以将RS232/422/485串口转换为TCP/IP网络接口，使数控机床具备基于串口的TCP/IP网络接口功能，实现RS232/422/485串口与TCP/IP网络接口之间的双向透明数据传输。RS-232是数控机床最简单的串行通信方式，是EIA(电子工业协会)制定的串行物理接口标准。RS232规定了电气和物理特性，只作用于数据传输通道，不包含数据处理方式。也就是说，RS232接口可以实现点对点的通信，但是不能支持数控机床的联网功能。因此，电信行业协会和电子行业联盟共同定义并推出了RS485标准，该标准采用差分传输方式，支持点对多点组网方案，从而实现一台计算机与多台数控机床之间的数据传输。具有抗噪声干扰能力强、数据传输距离远、设备组网操作简单等特点。RS422的电气性能与RS485完全一致。主要区别在于:RS485采用半双工方式，常用于数控机床总线网络的数据传输；RS422采用全双工方式，数据发送和接收需要单独的通道，一般适用于两个站之间的星型网络或环型网络通信。

2)数控机床的USB互联

USB(通用串行总线)是1994年底由许多世界著名的计算机和通信公司联合制定的一种开放的新型通用串行总线标准。USB接口的集成使数控系统更加开放和灵活，可以在生产过程中根据需要动态增减外设。它主要有以下特点:

(1)易用性。USB支持通信设备的热插拔和即插即用。

(2)可扩展性。理论上，通过使用USB hub，一条USB总线可以连接127个外设，支持一台工控机对一条小型流水线上所有数控机床的控制。

(3)快速性。USB接口的传输速率高于RS232/422/485接口。目前USB已经发展到USB3.0，最高传输速率为USB1.0的192KB/s、1.5MB/s、60MB/s、640MB/s。

(4)可靠性。USB总线具有可靠的硬件设计规范和数据传输协议。其中USB驱动、接收器、线缆的硬件规范可以排除大部分可能造成数据错误的噪声。USB协议的错误检查和数据重传机制可以最大程度地保证数据传输的准确性。

(5)简单性。USB总线内置电源线，可以满足大部分低功耗外设的电源需求，为数控机床边缘设备的集成提供支持。

由于USB总线的上述优点，在工业实时通信和控制中得到了广泛的应用，如示教盒与控制器之间的数据传输、动态图像的实时传输等。在机器人系统中。

3) RJ45数控机床互联

RJ45接口是目前数控机床常用的以太网接口。它通过RJ45连接器(俗称“网络连接器”)将数控机床快速连接到工业以太网。RJ45信号电缆由网状编织屏蔽层屏蔽，内部布线中的差分电缆通常采用双绞线传输。电缆两端需要加磁环，磁环内径要与电缆外径紧密结合。RJ45电缆布线时，要求远离其他强干扰源，如电源模块。最好单独布线或与其他模拟、电源电缆保持10cm以上的距离，以保证数控机床的数据传输不受其他电磁干扰影响，造成数据包丢失。

4)窄带物联网

N-IoT(窄带物联网)是3GPP标准化组织定义的技术标准，是专门为物联网设计的窄带通信模式，工作带宽为180 kHz。主要具有覆盖广、连接多、速度快、成本低(比一般4G模块低50%)、功耗低(续航可达10年)、架构优秀、连接海量(与现有无线技术相比，NB-IoT可支持50 ~ 100次设备接入，覆盖范围提升100倍。可以将数控机床的加工参数和影响运行可靠性的各种参数发送到数据信息平台，实现生产过程的远程实时监控。

5)5G移动网络

第五代移动网络(5G)是最新一代的蜂窝移动通信技术。与前四代不同，5G不是单一的无线技术，而是现有无线通信技术的融合。目前LTE的峰值速率可以达到100Mbps，5G的峰值速率将达到10Gbps，比4G高出100倍。与现有4G网络有限的自发处理能力相比，5G引入了新型多天线、设备间直接通信、自组织网络等先进技术。通过更高的频谱效率和更多的频谱资源，提供了两个优势:一是数据传输速率远高于现有蜂窝网络，二是网络延迟小于1ms。

面向整体叶盘的5G解决方案

目前整体叶盘加工面临的一大问题是加工过程长，质量难以监控，返工率通常高达25%。5G测试系统与整体叶盘上的传感器连接，振动频谱通过5G实时采集到评估系统。近1ms的超低延迟，使运维人员能够通过振动及时定位生产机械中相应的零件，从而快速调整生产流程，降低返工率。