Fanuc數控系統數據采集與主軸負載監視系統

王 萌，閆 磊

（1.南陽理工學院數理學院，河南南陽 473004；2.南陽理工學院智能制造學院，河南南陽 473004；3.南陽市先進制造技術重點實驗室，河南南陽 473004）

0 引言

工業現場數據采集技術所采集的數據，為制造執行系統（MES）提供實時、詳細的現場信息，為生產決策、調度、設備監控提供可靠依據[1]。數控機床是制造業生產車間的基礎設備，機床運行數據及現場生產數據是車間信息化的基礎，是發展智能制造的關鍵環節[2]。主軸是數控設備的關鍵部件，其工作性能決定了機床運行狀況的好壞。主軸負載的頻繁波動將會降低主軸的壽命和加速刀具磨損，一定程度上制約了零件質量和加工效率[3]。

工業現場數據采集技術主要有：手工采集、半自動采集、自動采集等[4]。針對數控設備，現場采集數據的方法主要有PLC 信號點法、宏程序法、DNC 接口法、網絡接口及OPC規范法等。上述方法盡管能實現數控設備現場數據采集，但是仍然存在或多或少的缺點。PLC 限號電法雖然不受數控系統類型限制，但是采集信號少，不能訪問數控系統內部信息。宏程序法在NC程序中編寫代碼實現對數控設備不同信息的采集，但是需要主控設備支持用戶使用宏程序，且采集狀態信息類型有限[5]。DNC 接口法可采集信息量大，數據類型多，但是數控廠商對DNC接口的訪問都設置了技術障礙，必須使用廠商自己的系統軟件才能采集[6]。

OPC 法基于同一的接口、方法、數據格式，降低了設備間的數據不兼容和集成開發成本，但是OPC開發依賴于Window 平臺，且只能依賴設備供應商提供的Server，靈活性受限。另外，多數數控設備不提供OPC服務[7]。

針對以上數控設備采集方法存在的問題，基于軟件二次開發的方法越來越引起研究者的興趣。高端數控系統都會提供針對本系統的開發包，開發人員基于此進行二次開發，可以方便地開發軟件實現與數控系統的通信。基于軟件二次開發的方法，可以采集較為全面的數據，還可以實現遠程監控[8]。

FOCAS開發包是FANUC數控系統提供的針對具備以太網功能的硬件系統的數據采集接口[9]。該開發包提供了以下功能，對數控機床主軸、伺服軸相關信息的讀寫；實現對零部件加工程序的所有操作，程序錄入、調試等；操作CNC 內部各種數據文件，如刀具偏置、工件坐標偏置等；訪問用戶操作歷史等。本文基于FOCAS 開發接口，設計開發針對FANUC 數控系統數據采集與主軸負載監視系統，實現對FANUC 數控系統機床的機床坐標、絕對坐標、相對坐標、加工信息、主軸實時數據采集等功能，為實現MES 系統打下堅實基礎。

1 數據采集系統設計與實現

1.1 開發環境

現如今Visual Studio 2017 是較為常用的集成開發環境，C#改進并創新了版本的轉換功能、事件及垃圾的回收功能等，另外.NET框架具有豐富的類庫，能有效減少程序的開發周期。本系統基于FOCAS 應用開發接口，使用C#編程語言，VisualStudio2017作為開發環境。

1.2 總體設計

本系統基于FOCAS實現了絕對坐標、相對坐標、機械坐標、刀具號、進給速度、主軸轉速、主軸負載、加工信息等數據的實時采集。由于大部分信息為動態信息，隨時間變化很快，為了提高數據采集速度，本系統采用多線程技術。主線程負責界面顯示，用于更新界面顯示信息；數據采集線程用于采集數據，由定時器觸發。數據采集線程作為本系統的核心線程，其主要工作步驟為定時器定時觸發、與機床實現連接、調用FOCAS接口逐個采集對應數據、更新數據到界面、持久化數據、斷開連接。整個系統流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

1.3 編程實現

軟件界面是實現人機交互的有效手段，為方便用戶操作本采集系統，基于.NET WinForm 框架設計實現了圖2 所示交互界面。該交互界面包括坐標數據顯示、刀具主軸信息顯示、系統信息顯示、連接/斷開等操作區。“連接”按鈕實現連接到機床并開始采集數據，“斷開”按鈕實現停止采集。

圖2 人機交互界面

采集軟件與數控系統的通信連接是采集一切數據的前提，基于FOCAS開發接口，本文封裝了Connect函數。該函數以機床IP 地址、端口號、超時時間為參數，函數實現如圖3所示。

圖3 Connect函數實現

數據采集函數由定時器觸發調用，定時器啟動后，每隔固定的時間會觸發調用一次采集函數，采集函數負責采集所有需要的數據。定時器觸發函數如圖4所示。

圖4 Timer_Tick函數實現

Read函數針對不同的采集數據需求，封裝調用了FOCAS開發庫的對應函數；另外，界面更新、數據持久化等功能的實現限于篇幅，不再贅述。

2 主軸負載監視

基于所開發的Fanuc 數控系統數據采集軟件，基于GLS-2000LY車銑復合機床，進行了數據采集實驗，并針對主軸負載進行了監視。該機床使用Fanuc數控系統。本次實驗分兩組進行實驗，非加工狀態和加工狀態，其中加工狀態分為加工尼龍棒和45#鋼，加工過程如圖5所示。

圖5 加工過程

針對加工尼龍棒和加工45#鋼兩種材質的零件，分別進行了主軸負載與轉速監控，并采集了對應數據。兩種加工條件下主軸轉速、主軸負載隨時間變化如圖6、圖7 所示。可以看出，分別加工尼龍棒與鋼件時，在刀具的進給速度和主軸轉速大小相同的條件下，鋼件的主軸負載相對較大一些，負載變化更加劇烈，很好地實現了對機床負載的監控，避免因主軸負載頻繁波動而造成的刀具磨損、加工質量下降。

圖6 加工尼龍棒主軸負載與轉速關系

圖7 加工45#鋼主軸負載與轉速關系

3 結束語

本文針對FANUC 數控系統機床，基于FOCAS 軟件開發SDK，設計開發了數據采集與主軸負載監控系統。在此基礎上，針對實際加工過程進行數據采集實驗，并對不同材料主軸負載變化情況進行了監控、分析。實現了車間數控設備的數據采集，為開發MES 系統奠定基礎。目前，該軟件已經用于南陽理工學院南陽市先進制造實驗室數控設備，作為MES系統數控設備數據采集的一部分。