數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控技術(shù)的研究與應(yīng)用

聶篤偉

（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 懷化 418000）

引言

我國實體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開制造產(chǎn)業(yè)的有力支撐，制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平更對人們的生活質(zhì)量有著重要影響，這也使我國對制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及轉(zhuǎn)型變得尤為重視。近年來，我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，使人工智能技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用變得越來越廣泛，并進(jìn)一步推動了智能制造的發(fā)展，智能制造的發(fā)展主要集中在精確控制自動執(zhí)行、信息深度自動感知與智能化自動決策這三個方向，以使智能制造通過這三個方向的功能來形成一個可靠的閉環(huán)操作。在智能監(jiān)控中，數(shù)據(jù)機(jī)床是其重要組成部分，利用智能監(jiān)控技術(shù)來對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行監(jiān)控，其關(guān)鍵便是對數(shù)據(jù)的獲取。

1 數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控中存在的不足

現(xiàn)階段我國所使用的大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床都配置有相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集接口，但卻存在著兼容性差、靈活性差、跨平臺性差等缺點，在數(shù)據(jù)顯示方式上也較為單調(diào)，監(jiān)控手段缺失，無法進(jìn)行實時監(jiān)控，這不僅不利于數(shù)控機(jī)床的保養(yǎng)與維護(hù)，也給用戶對數(shù)控機(jī)床的操作帶來很大影響。而將智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床當(dāng)中，以實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)端監(jiān)控與智能化監(jiān)控，必將進(jìn)一步推動智能制造的發(fā)展。

2 FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控技術(shù)研究與應(yīng)用

由于以往的數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)加工過程中無法進(jìn)行實時監(jiān)控，且不能進(jìn)行及時的保養(yǎng)與維護(hù)，在監(jiān)控手段上也較為缺乏，因此有必要對數(shù)控機(jī)床的智能監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

2.1 PC機(jī)和FANUC機(jī)床的連接和配置

在數(shù)據(jù)機(jī)床與PC機(jī)的連接及配置問題上，由于數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中內(nèi)置有PMC，其作為一種可編程的機(jī)床控制器，在PMC信號交換上是在數(shù)控系統(tǒng)（CNC）、機(jī)床設(shè)備（MT）及PMC這三者中進(jìn)行的，信號交換核心是PMC。因此可通過以太網(wǎng)接口來進(jìn)行以太網(wǎng)連接，以太網(wǎng)功能是由FANUC中的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)的，F(xiàn)ANUC在實現(xiàn)以太網(wǎng)接入上共有兩種方式，分別是內(nèi)置以太網(wǎng)板與PCMCIA卡口[1]。而本文中則是采用內(nèi)置以太網(wǎng)板來實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與PC機(jī)之間的連接的。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機(jī)床的按序控制，比如數(shù)控機(jī)床中主軸起停、刀具更換、冷卻系統(tǒng)控制等，PMC能夠?qū)?shù)控機(jī)床中的各種加工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)控機(jī)床的智能監(jiān)控中，可采用Visual Studio平臺來對計算機(jī)中的監(jiān)控應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)，利用DNC軟件中的FOCAS來調(diào)用FWLIB32.DLL動態(tài)鏈接庫，同時由ORACLE數(shù)據(jù)庫對數(shù)控機(jī)床的采集信息進(jìn)行存儲，并通過歷史數(shù)據(jù)來對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行維護(hù)和管理。圖1所示為PC機(jī)與數(shù)控機(jī)床的連接與配置示意圖。

圖1 PC機(jī)與數(shù)控機(jī)床的連接與配置示意圖

2.2 數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

要想實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的智能化監(jiān)控，最基礎(chǔ)也是最為重要的便是數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集中，F(xiàn)OCAS協(xié)議在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，F(xiàn)OCAS協(xié)議能夠為用戶提供應(yīng)用程序的接口函數(shù)指令庫，主要是通過FANUC中的FOCAS軟件開發(fā)包來實現(xiàn)的，其利用以太網(wǎng)接口，并通過TCP/IP協(xié)議來連接數(shù)據(jù)機(jī)床和PC機(jī)，并對函數(shù)指令庫中所包含的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行計算與調(diào)用，從而實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)與信息的獲取，達(dá)到遠(yuǎn)端控制數(shù)控機(jī)床的目的。此外，F(xiàn)OCAS還能向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令，以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)和計算機(jī)的數(shù)據(jù)共享與交換。在上述功能實現(xiàn)中，主要包括PMC數(shù)據(jù)與數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)兩個部分，在PMC數(shù)據(jù)中，其實質(zhì)是讀取與修改相應(yīng)的信號，這些信號主要有X、Y、G、F信號。在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中，不能對X與F信號進(jìn)行強(qiáng)制更改，可依據(jù)控制流程及梯形圖將X信號轉(zhuǎn)化成Y信號與G信號，并通過Y信號與G信號的控制來達(dá)到遠(yuǎn)端控制目的。應(yīng)注意對Y信號自行搭建，并通過Y信號來對伺服上電進(jìn)行控制，以使數(shù)控機(jī)床在遠(yuǎn)端控制時能夠?qū)崿F(xiàn)急集操作[2]。

2.3 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)的處理技術(shù)

大數(shù)據(jù)時代的來臨，使數(shù)據(jù)的種類日益豐富，數(shù)據(jù)量也大幅增長，而這也使智能監(jiān)控技術(shù)在對數(shù)據(jù)機(jī)床進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時需要具備較高的采集頻率，而且需要對不同種類的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集量的大量增加，也給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器造成了巨大負(fù)荷。因此，有必要對ORACLE數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計，在數(shù)據(jù)庫中利用相應(yīng)的壓縮算法來壓縮加工數(shù)據(jù)，以使數(shù)據(jù)的存儲效率提高，并節(jié)約存儲空間。在數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)壓縮算法中，常見的方法主要有矢量量化方法、分段線性插值方法及信號變換方法。在這些數(shù)據(jù)壓縮方法中，以分段線性插值方法的應(yīng)用范圍最為廣泛，分段線性趨勢方法、矩形波串法、旋轉(zhuǎn)門法及反向斜率法等均屬于分段線性插值方法，而在工業(yè)領(lǐng)域中，雖然旋轉(zhuǎn)門算法屬于有損的壓縮算法，并且相比于信號變換方法來說，在壓縮比上不如后者，但旋轉(zhuǎn)門算法的效率較高，壓縮比也較高，而且具備誤差可控及簡單的應(yīng)用優(yōu)勢，這也使其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[3]。在ORACLE數(shù)據(jù)庫中兼具了普通的SQL語句及其擴(kuò)編語言。在ORACLE數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，主要是利用兩張表來對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的，分別是WORKSHOP_MACHINE與MACHINE_LOG_TODAY表，WORKSHOP_MACHINE表用于對數(shù)控機(jī)床信息進(jìn)行存儲，而MACHINE_LOG_TODAY表則用于對數(shù)控機(jī)床在運行過程中的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。表1所示為MACHINE_LOG_TODAY表結(jié)構(gòu)。

表1 MACHINE_LOG_TODAY表結(jié)構(gòu)

在數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)壓縮算法的設(shè)計主要使用的是旋轉(zhuǎn)門算法，由于該算法在壓縮時會產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)點，而如果對這些數(shù)據(jù)點進(jìn)行刪除，則勢必會使壓縮精度降低。因此，為了使壓縮誤差降低，應(yīng)保留這些數(shù)據(jù)點，可通過多模型尋優(yōu)方法來對旋轉(zhuǎn)門算法中的線性擬合進(jìn)行替代，以實現(xiàn)函數(shù)擬合，以此確保數(shù)據(jù)在壓縮時不會使有效數(shù)據(jù)丟失，從而使壓縮效果變得更好。

2.4 數(shù)控機(jī)床可視化監(jiān)控技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控技術(shù)中，可視化監(jiān)控是其重要內(nèi)容，數(shù)控機(jī)床的可視化監(jiān)控技術(shù)是利用Unity 3D平臺來實現(xiàn)可視化監(jiān)控功能的，其通過三維視角來管理數(shù)控機(jī)床的運行狀態(tài)，以使數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率提高。Unity 3D技術(shù)屬于一種3D場景開發(fā)工具，其能夠進(jìn)行跨平臺開發(fā)，利用Unity 3D技術(shù)能夠創(chuàng)建具備可視化特點的交互式程序，其和Director、Virtolls等工具的原理較為相似，其均是通過可交互的圖形化環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)工作的。Unity 3D技術(shù)能夠在Mac系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)中進(jìn)行編譯，并能進(jìn)行多系統(tǒng)平臺的資源發(fā)布。Unity 3D軟件通過Visual Studio平臺對應(yīng)用程序進(jìn)行編寫，并對FWLIB32.DLL動態(tài)鏈接庫中的庫函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，以使庫句柄得到分配，并將其與特定端口和地址的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行連接。在參數(shù)配置中，由ipaddr對待連接數(shù)控機(jī)床的名稱字符串或IP地址進(jìn)行指定，由port對端口號進(jìn)行指定，由timeout對連接的超時時間進(jìn)行指定，并根據(jù)超時時間來指定庫函數(shù)是否需要進(jìn)入到無限等待狀態(tài)中。控制器在分配庫句柄時，句柄能夠被當(dāng)作數(shù)據(jù)讀取與寫入時的鑰匙，并由cnc_freelibhndl庫函數(shù)的調(diào)用來釋放連接[4]。在U-nity 3D程序中有著很多場景，這些場景中又包括許多模型，其通過JavaScript或C#腳本來對模型運動進(jìn)行控制，然后利用攝像機(jī)來對虛擬場景進(jìn)行真實展現(xiàn)。在Unity 3D中還包括大量的模塊與插件，以使其在對三維可視化虛擬項目進(jìn)行開發(fā)時變得更加方便、真實，從而使用戶能夠和Unity 3D進(jìn)行良好的交互。通過Unity 3D工具的利用，能夠使數(shù)控機(jī)床的可視化監(jiān)控變得更加便捷，并縮短監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低開發(fā)難度。圖2為可視化監(jiān)控的場景效果圖。

圖2 可視化監(jiān)控的場景效果圖

3 結(jié)語

本文通過對數(shù)控機(jī)床的智能監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并對數(shù)控機(jī)床在監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、存儲、遠(yuǎn)端控制及可視化監(jiān)控等方面的智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)進(jìn)行了探討，從而使以往的監(jiān)控方式中存在的不足得到了有效彌補，推動了我國制造領(lǐng)域的智能化發(fā)展。