精密加工環境監控系統數據庫的開發研究*

唐 旎 郭隱彪 林曉輝 陳梅云

（廈門大學物理與機電工程學院，福建廈門 361005）

精密加工環境監控系統數據庫的開發研究*

唐 旎 郭隱彪 林曉輝 陳梅云

（廈門大學物理與機電工程學院，福建廈門 361005）

針對精密加工中對環境參數控制的要求以及監控數據管理的需求，提出一種加工環境全局監控系統，研究其支撐的數據庫開發。采用Windows系統環境支持下的SQL Server、Visual C++軟件進行開發。系統承載數據實時監控、數據存儲與淘汰、環境狀況分析和及時報警等模塊功能，提高了診斷的準確性，并針對精密非球面磨削數控加工，設計了監控系統實例。最后，通過系統測試驗證了其可行。

精密加工 監控系統 數據庫

在精密加工過程中，為了保證加工精度，對加工環境的狀態進行綜合監測是一項非常關鍵的技術。它包括對狀態量（如振動、位移、壓力、溫度、濕度和流量等）的監測，機械產生振動和損傷時的原因分析、振源判斷、故障預防等［1］。以精密磨削加工的環境監測為例，需要監測的對象通常包括外部環境溫度、磨削熱、砂輪與工件雙軸振動等［2－3］。目前專門針對精密加工環境監控技術的研究還不多，但隨著各種精密加工產品在航天、航空、國防以及民用等領域的應用不斷增加，較大生產規模的精密加工必將越來越多。所以針對精密加工裝備提出的環境監控技術的研究符合未來技術發展的趨勢［1］。本文針對精密加工的特點，設計一種加工環境監控系統，對其支撐的數據庫進行開發。

基于Visual C++6.0與 SQL Server 2005的精密加工環境數據庫系統是把精密加工裝備各個設備的結構信息、運行監測數據、數據分析和報警狀態等在SQL Server 2005支持下建成數據庫，并對現有數據進行分析、處理和統計，供工作人員查詢，或以報表形式輸出。

1 系統的架構

1.1 在線環境監控系統結構

如圖1所示，精密加工環境監控系統的架構分為兩層。底層是以節點監控裝置為核心的現場監控層;第2層是基于數據歸檔和分析的報警監控層。現場監控層中，基于嵌入式ARM架構的節點監控裝置作為控制單元，將加工設備、加工空間和傳感器有機聯系在一起，實現環境參數的數據現場采集、處理與上傳。報警監控層中，主要包括歷史庫、診斷分析庫和報警庫3部分，實現監控功能。兩層系統之間通過共享綜合數據庫進行通信。

1.2 數據庫的總體結構

如圖2所示，為綜合數據庫的總體結構。在線監控數據庫包括數控加工設備的靜態參數、工況參數、在線監測數據、特征數據和報警數據等數據庫，其功能有數據傳輸、數據存儲、數據冗余處理、數據查詢、圖形輸出、數據分析、監控報警、資料修改和報表打印。

2 監控系統數據庫的實現

2.1 現場監控層的硬件平臺

現場監控層具有現場信號采集與處理、信號傳輸、串口通訊和無線通信等功能。如圖2所示，其核心單元是節點監控裝置。具有多路信號采集模塊、無線通信模塊、串口通訊控制模塊及I/O接口，相對于傳統的集中式數控監控系統，節點監控裝置是整個監控系統的一個節點，該裝置采用嵌入式ARM設計，裝置中的無線通訊模塊作為獨立模塊另有獨立的微處理單元（MCU），ARM通過串口與無線通訊模塊通訊，發送相應命令進行網絡管理、數據通訊等操作。最后連接網絡協調器，通過串口與報警監控層（PC機）建立通訊。

2.2 數據庫的軟件實現

基于Windows操作系統，監控系統數據庫采用SQL Server 2005作為服務端，應用程序采用Visual C++6.0開發。具體編程時使用ADO（ActiveX Data Object）將數據庫與應用程序聯接起來，見圖3所示。ADO是建立在OLE DB之上的高層數據庫訪問技術，令應用程序可以對存儲在不同數據源的數據進行統一訪問，ADO記錄集支持無狀態環境和對存儲過程的簡便訪問，且易于使用，功能強、高速和低內存開銷［4］。

數據庫功能模塊與工作流程如圖4所示，采用安全控制方式的賬號、密碼登錄訪問數據庫，并根據賬號權限，獲得查詢在線監測數據、歷史數據、狀態分析、報警數據、數據下載等不同的功能，以提高對精密加工環境的監控能力。

3 數據庫結構設計

3.1 靜態參數數據庫

靜態參數數據庫結構如表1所示，存儲精密加工設備參數數據，其數據庫表格式為字段名、數據類型、數據長度和數據屬性（表明該字段是否允許為NULL，以下同），ID作為表的關鍵字，識別某一條記錄。

表1 靜態參數數據庫表

3.2 加工系統參數數據庫

精密加工參數信息儲存在加工系統參數數據庫中，其結構如表2所示。

表2 加工系統參數數據庫

3.3 實時數據庫、特征數據庫和歷史數據庫

記錄各監測信號的實時數據、特征數據和歷史數據，以ID和時間作為關鍵字。歷史數據庫是各實時數據經篩選壓縮后保留下來的有用信息。特征數據是監測信號經信號分析（頻域分析、相關性分析、趨勢分析等）后的表明環境參數（如振動）實質狀態的數據。由于監測信號較多，因此將實時數據庫、歷史數據庫和特征數據庫分為加工環境溫度、磨削溫度、振動、砂輪磨損、非球面表面誤差等數據庫表。以振動數據庫表為例，其他數據庫表類似，其結構如表3。

表3 特征數據庫

3.4 報警記錄數據庫

在精密加工環境監控過程中的報警信息，由報警記錄數據庫存儲與讀取，結構如表4所示。

表4 報警記錄數據庫

在報警模塊當中，通過現場監控層數據采集信號如機床振動、加工環境溫度和磨削溫度等進行分析處理，提取特征值，與標準狀態信號的特征值進行比較，將它們之間的距離作為判別函數來識別精密加工環境所處的狀態，并在非達標時進行報警，如圖5所示。系統采用歐氏貼近度作為距離判別函數，表達式如下：

其中：Pi為采集信號的特征值（i=1，2，…n）;Qi為標準狀態的信號的特征值（i=1，2，…n）;N（P，Q）為P與Q的歐氏貼近度。

4 監控系統數據庫測試

針對精密非球面磨削加工，實現精密加工環境監控系統并測試了系統數據庫的運行。測試基于瑞士Magerle公司磨床（具體型號：MFP125.65.65）的磨削作業，根據加工設備故障診斷與加工誤差補償的需要，對各環境參數進行采集。如表5所示，環境監控對象包括振動、環境溫度和磨削溫度等。對數據庫的訪問控制測試包括現場監控的數據采集和報警監控兩部分。主要測試各個子庫的數據訪問以及各個功能能否實現。

表5 環境監控對象

測試表明對系統的數據庫訪問和控制方便快捷，并且其采集通訊功能、數據存儲功能、查詢功能、監控報警功能、系統管理功能均能夠完整實現，達到建置精密加工環境監控系統數據庫的目的和要求。

表6 處理后振動數據

以測試磨頭的振動－1監測單元為例，經環境監控系統處理后獲得的振動數據如表6所示，分析認為，表6中頻率為16 Hz的振動，其振源為轉速1 000 r/min的轉軸，考慮外圍可控振源因素的影響，振動頻率采集精度達到96%。圖6所示為數據庫系統中的參數監控界面，根據不同的權限賦予可實現數據的增加、編輯及刪除等功能，并可進行條件查詢。監控狀態在安全限制內，報警狀態顯示安全。其他監控子庫的功能實現與振動監控庫類似。

5 結語

本文論述了適用于精密加工裝備的加工環境監控系統數據庫的結構、工作原理與功能組成，并針對精密非球面加工開發了監控實例。通過測試，表明系統有效運行。該系統能夠對精密加工環境進行有效監控，數據庫實現了對監控數據的快捷訪問和科學管理。

［1］姜晨，郭隱彪，韓春光，等.精密加工環境分布式無線網絡監控技術研究［J］.廈門大學學報：自然科學版，2010，49（5）：631－635.

［2］KWAK J S，HA M K.Intelligent diagnostic technique of machining state for grinding［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2004，23（3）：436－443.

［3］MARINESCU I D，HITCHINER M，UHLMANN E，et al.Handbook of machining with grinding wheels［M］.USA：CRC Press Taylor＆ Francis Group，2007.

［4］桂思強.數據庫基礎與實踐［M］.北京：清華大學出版社，2007.

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Study and develop on monitoring system database for precision manufacturing environment

TANG Ni，GUO Yinbiao，LIN Xiaohui，CHEN Meiyun
（Physics and Mechanical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，CHN）

This paper presents a monitoring and whole situation control system for machining process according to the characteristic of precision manufacturing，and studies on its system database development.In this paper，the database was established by adopting Visual C++and SQL Server supported based on Windows system.There are real time monitoring，data storage and elimination，environment conditions analysis，and timely alarm modules in this system，for improving the data management and accuracy of the system.Finally，an example of monitoring system for precision aspheric surface manufacturing was designed and verified by test.

Precision Machining;Monitoring System;Database

TP277

A

* 國家自然科學基金項目（51075343）

唐旎，女，1986年生，碩士研究生，主要研究方向為精密檢測，已發表論文2篇。

（編輯 李 靜）（

2011－08－31）

120111