數控機床智能遠程監控系統*

蔣賢海，張 鐵，謝存禧

(1.廣東水利電力職業技術學院 機械工程系，廣州 510635;2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640)

0 引言

數控機床是制造業中一重要的加工設備，它在我國制造業發展中起著非常重要的作用，但數控機床的故障會導致機床工作狀態改變，降低加工質量，如不及時對故障進行診斷處理，可能會導致整個數控機床崩潰，給企業帶來很大的經濟損失，因此對數控機床運行狀態監測和故障診斷是很有必要的。近年來我國對數控機床監控診斷問題在理論和實踐方面進行了大量研究工作［1-4］，也開發了數控機床監控系統，但所開發的系統開放性較差，不能和其他系統很好地集成，沒有完全實現數控機床遠程監控，更沒有形成真正意義上的數控機床智能化監控［5-7］。隨著信息和網絡技術的發展，對數控機床監測診斷提出了新的、更高的要求。

智能化數控機床遠程監控系統正是基于此情況下提出的，該系統可對數控機床的運行狀態在線實時監測，系統診斷機床故障通過智能故障診斷模塊識別，當機床出現故障時，監控系統能自動識別機床故障并發出報警信號，系統會自動響應報警同時進行停機操作，保障機床的安全運作。現有數控機床監控系統的不足及數控機床網絡化制造將隨著智能化數控機床的遠程監控系統的實現而得到改善、提高。

1 系統總體結構

系統以計算機通信網絡技術為基礎，以數據分析處理為核心，實現以零件加工過程、機床運行狀態、機床刀具狀態與加工質量等參數為主的遠程監控網絡。系統主要包含機床各狀態實時信號采集、機床信號分析和處理、機床信號顯示及數控機床運行狀態診斷結果四部分。數控機床智能遠程監控系統可實現數控機床在無人情況下就能及時得到實時監測、統計故障、故障分析、報警、急停操作等功能，機床和數控維護人員間的在線通信也可由遠程監控系統完成。圖1 數控機床智能遠程監控系統架構總體圖。

圖1 數控機床智能遠程監控系統架構總體圖

本監控系統的構成主要由車間端和中心監控端兩部分，監控系統車間端如圖2 所示，數控機床加工信息與狀態信息的監測、采集和放大，模擬數字信號轉換、壓縮等預處理主要由位于用戶側的車間端完成，且具有打印輸出、顯示及同中心服務器端的網絡通信功能;通信控制卡是該端的核心部件，具有機床各特征數據的采集功能、信號發送(將機床信號發送給中心監控端)和接收來自中心監控端的信號功能。

對故障數據的分析、處理和數據管理等功能由遠程中心端完成的，各種智能算法是該部分的核心。中心監控端通過因特網與車間端對話，實現車間端故障信號的接收及分析診斷結果的車間端反饋。

圖2 監控系統車間端

數控機床智能遠程監控系統的工作原理是通過對數控機床加工過程、主軸、刀具的狀態等模塊采集裝置在線采集機床狀態信息及特征信號，車間端動態實時顯示采集的機床信號;在出現異常或故障時，車間端啟動故障報警和發送程序，通過網絡將報警信號發送給中心監控端;報警信號會在中心監控端顯示并存儲于后臺數據庫，系統自動調用智能算法對報警信號進行分析處理并結合監控中心的專家知識庫中識別診斷的知識，響應報警并將相應的結果及操作指令傳輸至車間端。

2 數控機床中心監控端軟件

中心監控端在整個數控機床智能遠程監控系統中占主導作用，其功能的強大與否可用來衡量智能遠程監控系統。中心監控端軟件系統主要由①車間用戶管理，②報警顯示，③狀態識別與故障診斷，④數據庫管理，⑤系統維護等五大部分構成，見圖3。

圖3 數控機床智能遠程中心監控端軟件功能

車間用戶管理主要新用戶的注冊和老用戶的資料存儲與更新;報警顯示接收車間端的報警信號，完成報警信號的動態實時顯示，包括波形和內容，為數控機床維修專家提供數據支撐;狀態識別和故障診斷是該部分的核心，該部分具有波形顯示、故障定位、故障識別和診斷等較全的功能;此處還結合神經網絡、小波分析等多種智能算法來對報警信號進行診斷處理［8-9］，對機床故障進行統計、分類和自動識別。數據庫管理是對接收和分析處理的結果進行分類管理，實現數據的追蹤。系統維護完成中心監控端軟件的更新維護。

3 系統實現及其關鍵技術

3.1 系統實現

數控機床智能化遠程監控系統采用面向對象技術設計，成熟穩定的Windows XP 操作系統，SQL Server 2008 數據庫系統、網絡編程技術及C#技術實現系統開發。數控機床智能遠程系統可同時監控九個車間端，具有友好地人機交互界面、可操作性好并能和數控機床其他系統良好的集成，系統監控界面如圖4 所示。

圖4 數控機床智能遠程監控系統主頁

主界面同時顯示多個小界面，不同的數控機床的監測情況顯示在相應的小界面上，如要查看車間端監控詳情只要進入相應的頁面即可。

3.2 監測數據傳輸與訪問

數控機床智能監控監測數據如何從車間端安全可靠地傳輸至中心監控端是系統良好運行的前提，Socket 網絡編程技術結合TCP/IP 傳輸控制協議為實現車間端和中心監控端安全可靠的數據傳輸提供了良好的解決方案。

智能遠程監控系統中心監控端在整個監控系統運行時就自動啟動設定端口的監聽程序，以便及時響應車間端發來連接請求。機床設備的加工過程、刀具狀態、設備狀態等各種參數通過車間端采集程序采集并傳給車間端數據預處理程序進行處理，出現異常或故障信號時程序會自動調用與中心端程序握手的請求，機床監控系統監測數據在遠程監控系統車間端和中心監控端成功握手后就可實時安全可靠傳輸。

此外，數控機床智能遠程監控系統的數據庫采用封裝了ODBC API 的MFC ODBC 技術訪問，ODBC 因擁有多種數據庫統一接口而應用廣泛的數據庫訪問技術，應用程序借助ODBC 技術對載有ODBC 驅動程序的關系數據庫進行控制和訪問數據庫，本系統訪問數據庫流程如圖5。

圖5 機床監控系統訪問數據庫流程

3.3 機床信號檢測算法

機床智能遠程監控系統采用小波分析、濾波算法對數控機床監測信號濾除干擾信號，如圖6 所示。

圖6 數控機床干擾信號濾波

數控機床監控系統采集的多種信號會參雜許多影響機床信號分析的干擾信號，系統要實現準確的對數控機床運行狀態進行判斷診斷就必須對干擾信號進行消除，小波分析方法能較好地去除數控機床信號的干擾信號，機床信號信噪比的提高及用于判定機床設備狀態變化情況的狀態信號波形跟蹤都可通過小波分析方法實現。含干擾信號的數控機床齒輪箱加速度傳感器信號及經濾波算法處理后的信號波形如圖7 所示。引入信噪比(SNR)［10］對去噪效果進行評價，濾波前SNR 為2.0865，濾波后SNR 為44.7802，可知效果非常明顯。

圖7 小波分析去噪前后效果

數控機床智能監控系統濾除干擾信號后的工作就是對加工過程出現的故障點和故障出現的時刻進行準確定位，診斷維修專家以系統定位點為依據，對其進行詳細的分析處理并將分析結果反饋至車間端。系統可借助小波分析法的特點和其在奇異點判定方面的優勢對機床的故障進行定位，圖8 是采用小波分析法對數控機床運行過程中的刀具磨損的定位情況，從定位情況可斷定系統采用此方法對故障定位具有較好的效果。

圖8 小波檢測機床信號奇異點

4 結束語

數控機床智能遠程監控系統為數控機床更好的監控診斷提供了一新思路，系統通過遠程實時監控技術實現整個數控機床車間的管理和維護，通過智能診斷技術有助于數控維修專家解決在數控加工中難以識別診斷的機床故障問題。系統的架構總圖，系統具有的功能及工作流程，系統智能識別診斷的技術等都在文中進行了詳細的說明。機床智能遠程監控系統具有良好的運行狀態，能遠程實時監控數控機床各狀態，但數控機床智能識別診斷方法還不夠完善，為解決此問題還需對智能診斷算法做進一步深入的研究工作。

［1］王姣，王誠. 基于嵌入式Linux 的數控機床遠程監控［J］.計算機工程與設計. 2010，31(10):2175 -2177.

［2］楊家榮，徐志明，王昌富. 基于OPC 技術的數控機床遠程監控技術研究［J］.制造技術與機床，2010(7):52 -55.

［3］任繼國，徐東明. 數控機床群遠程監控系統［J］. 輕工機械，2012，30(2):42 -45，49.

［4］熊瑞平，殷國富. 網絡制造環境下的遠程控制系統研究［J］.計算機集成制造系統，2006，12(11):1848 -1852.

［5］K. Schutzer，E. Uhlmann，E. Del Conte，etc. Improvement of surface accuracy and shop floor feed rate smoothing through open CNC monitoring system and cutting simulation.5thCIPP Conference on high Performance Cutting 2012，2012(1):90 -95.

［6］王娜，張運才，李國平.基于串口服務器的變頻器遠程控制系統［J］.組合機床與自動化加工技術，2006(5):43-48.

［7］Roberto Augusto Gomez Loenzo，Pedro Daniel Alaniz Lumbreras，Rene de Jesus Romero Troncoso，etc. An object-oriented architecture for sensorless cutting force feedback for CNC milling process monitoring and control［J］. Advances in Engineering Software，2010(41):754 -761.

［8］賈偉廣，胡丹，車暢. 基于小波分析和支持向量機的刀具故障診斷［J］. 組合機床與自動化加工技術，2010(12):65 -70.

［9］Huang Bi-hui，Li Ying，Li Xiao-long. Research of the open CNC System Based on Network［J］. Machinery Design and Manufacture，2010(5):164 -166.

［10］蔣賢海，謝存禧，鄒炎飚. 一種強噪聲下的監護信息降噪方法［J］. 華南理工大學學報(自然科學版)，2011，39(4):66 -69.