數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)*

蔣賢海，張 鐵，謝存禧

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，廣州 510635;2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

0 引言

數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)中一重要的加工設(shè)備，它在我國制造業(yè)發(fā)展中起著非常重要的作用，但數(shù)控機(jī)床的故障會導(dǎo)致機(jī)床工作狀態(tài)改變，降低加工質(zhì)量，如不及時(shí)對故障進(jìn)行診斷處理，可能會導(dǎo)致整個(gè)數(shù)控機(jī)床崩潰，給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是很有必要的。近年來我國對數(shù)控機(jī)床監(jiān)控診斷問題在理論和實(shí)踐方面進(jìn)行了大量研究工作［1-4］，也開發(fā)了數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)，但所開發(fā)的系統(tǒng)開放性較差，不能和其他系統(tǒng)很好地集成，沒有完全實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控，更沒有形成真正意義上的數(shù)控機(jī)床智能化監(jiān)控［5-7］。隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控機(jī)床監(jiān)測診斷提出了新的、更高的要求。

智能化數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)正是基于此情況下提出的，該系統(tǒng)可對數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)診斷機(jī)床故障通過智能故障診斷模塊識別，當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)識別機(jī)床故障并發(fā)出報(bào)警信號，系統(tǒng)會自動(dòng)響應(yīng)報(bào)警同時(shí)進(jìn)行停機(jī)操作，保障機(jī)床的安全運(yùn)作。現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)的不足及數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化制造將隨著智能化數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)而得到改善、提高。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)分析處理為核心，實(shí)現(xiàn)以零件加工過程、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)床刀具狀態(tài)與加工質(zhì)量等參數(shù)為主的遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主要包含機(jī)床各狀態(tài)實(shí)時(shí)信號采集、機(jī)床信號分析和處理、機(jī)床信號顯示及數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)診斷結(jié)果四部分。數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在無人情況下就能及時(shí)得到實(shí)時(shí)監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)故障、故障分析、報(bào)警、急停操作等功能，機(jī)床和數(shù)控維護(hù)人員間的在線通信也可由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)完成。圖1 數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)總體圖。

圖1 數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)總體圖

本監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成主要由車間端和中心監(jiān)控端兩部分，監(jiān)控系統(tǒng)車間端如圖2 所示，數(shù)控機(jī)床加工信息與狀態(tài)信息的監(jiān)測、采集和放大，模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、壓縮等預(yù)處理主要由位于用戶側(cè)的車間端完成，且具有打印輸出、顯示及同中心服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信功能;通信控制卡是該端的核心部件，具有機(jī)床各特征數(shù)據(jù)的采集功能、信號發(fā)送(將機(jī)床信號發(fā)送給中心監(jiān)控端)和接收來自中心監(jiān)控端的信號功能。

對故障數(shù)據(jù)的分析、處理和數(shù)據(jù)管理等功能由遠(yuǎn)程中心端完成的，各種智能算法是該部分的核心。中心監(jiān)控端通過因特網(wǎng)與車間端對話，實(shí)現(xiàn)車間端故障信號的接收及分析診斷結(jié)果的車間端反饋。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)車間端

數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理是通過對數(shù)控機(jī)床加工過程、主軸、刀具的狀態(tài)等模塊采集裝置在線采集機(jī)床狀態(tài)信息及特征信號，車間端動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示采集的機(jī)床信號;在出現(xiàn)異常或故障時(shí)，車間端啟動(dòng)故障報(bào)警和發(fā)送程序，通過網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信號發(fā)送給中心監(jiān)控端;報(bào)警信號會在中心監(jiān)控端顯示并存儲于后臺數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用智能算法對報(bào)警信號進(jìn)行分析處理并結(jié)合監(jiān)控中心的專家知識庫中識別診斷的知識，響應(yīng)報(bào)警并將相應(yīng)的結(jié)果及操作指令傳輸至車間端。

2 數(shù)控機(jī)床中心監(jiān)控端軟件

中心監(jiān)控端在整個(gè)數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中占主導(dǎo)作用，其功能的強(qiáng)大與否可用來衡量智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。中心監(jiān)控端軟件系統(tǒng)主要由①車間用戶管理，②報(bào)警顯示，③狀態(tài)識別與故障診斷，④數(shù)據(jù)庫管理，⑤系統(tǒng)維護(hù)等五大部分構(gòu)成，見圖3。

圖3 數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程中心監(jiān)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(bào)警顯示接收車間端的報(bào)警信號，完成報(bào)警信號的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，包括波形和內(nèi)容，為數(shù)控機(jī)床維修專家提供數(shù)據(jù)支撐;狀態(tài)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(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等多種智能算法來對報(bào)警信號進(jìn)行診斷處理［8-9］，對機(jī)床故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分類和自動(dòng)識別。數(shù)據(jù)庫管理是對接收和分析處理的結(jié)果進(jìn)行分類管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的追蹤。系統(tǒng)維護(hù)完成中心監(jiān)控端軟件的更新維護(hù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

數(shù)控機(jī)床智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)，成熟穩(wěn)定的Windows XP 操作系統(tǒng)，SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)及C#技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)控九個(gè)車間端，具有友好地人機(jī)交互界面、可操作性好并能和數(shù)控機(jī)床其他系統(tǒng)良好的集成，系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4 所示。

圖4 數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主頁

主界面同時(shí)顯示多個(gè)小界面，不同的數(shù)控機(jī)床的監(jiān)測情況顯示在相應(yīng)的小界面上，如要查看車間端監(jiān)控詳情只要進(jìn)入相應(yīng)的頁面即可。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與訪問

數(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)如何從車間端安全可靠地傳輸至中心監(jiān)控端是系統(tǒng)良好運(yùn)行的前提，Socket 網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)結(jié)合TCP/IP 傳輸控制協(xié)議為實(shí)現(xiàn)車間端和中心監(jiān)控端安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸提供了良好的解決方案。

智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中心監(jiān)控端在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)就自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)定端口的監(jiān)聽程序，以便及時(shí)響應(yīng)車間端發(fā)來連接請求。機(jī)床設(shè)備的加工過程、刀具狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等各種參數(shù)通過車間端采集程序采集并傳給車間端數(shù)據(jù)預(yù)處理程序進(jìn)行處理，出現(xiàn)異常或故障信號時(shí)程序會自動(dòng)調(diào)用與中心端程序握手的請求，機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)車間端和中心監(jiān)控端成功握手后就可實(shí)時(shí)安全可靠傳輸。

此外，數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用封裝了ODBC API 的MFC ODBC 技術(shù)訪問，ODBC 因擁有多種數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一接口而應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，應(yīng)用程序借助ODBC 技術(shù)對載有ODBC 驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行控制和訪問數(shù)據(jù)庫，本系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫流程如圖5。

圖5 機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫流程

3.3 機(jī)床信號檢測算法

機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用小波分析、濾波算法對數(shù)控機(jī)床監(jiān)測信號濾除干擾信號，如圖6 所示。

圖6 數(shù)控機(jī)床干擾信號濾波

數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)采集的多種信號會參雜許多影響機(jī)床信號分析的干擾信號，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷診斷就必須對干擾信號進(jìn)行消除，小波分析方法能較好地去除數(shù)控機(jī)床信號的干擾信號，機(jī)床信號信噪比的提高及用于判定機(jī)床設(shè)備狀態(tài)變化情況的狀態(tài)信號波形跟蹤都可通過小波分析方法實(shí)現(xiàn)。含干擾信號的數(shù)控機(jī)床齒輪箱加速度傳感器信號及經(jīng)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(jìn)行評價(jià)，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(shù)控機(jī)床智能監(jiān)控系統(tǒng)濾除干擾信號后的工作就是對加工過程出現(xiàn)的故障點(diǎn)和故障出現(xiàn)的時(shí)刻進(jìn)行準(zhǔn)確定位，診斷維修專家以系統(tǒng)定位點(diǎn)為依據(jù)，對其進(jìn)行詳細(xì)的分析處理并將分析結(jié)果反饋至車間端。系統(tǒng)可借助小波分析法的特點(diǎn)和其在奇異點(diǎn)判定方面的優(yōu)勢對機(jī)床的故障進(jìn)行定位，圖8 是采用小波分析法對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中的刀具磨損的定位情況，從定位情況可斷定系統(tǒng)采用此方法對故障定位具有較好的效果。

圖8 小波檢測機(jī)床信號奇異點(diǎn)

4 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為數(shù)控機(jī)床更好的監(jiān)控診斷提供了一新思路，系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)控機(jī)床車間的管理和維護(hù)，通過智能診斷技術(shù)有助于數(shù)控維修專家解決在數(shù)控加工中難以識別診斷的機(jī)床故障問題。系統(tǒng)的架構(gòu)總圖，系統(tǒng)具有的功能及工作流程，系統(tǒng)智能識別診斷的技術(shù)等都在文中進(jìn)行了詳細(xì)的說明。機(jī)床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行狀態(tài)，能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床各狀態(tài)，但數(shù)控機(jī)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(jìn)一步深入的研究工作。

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