數控機床遠程監控及加工過程參數實時采集與應用效果分析

李 星，張加波，劉從華，張 斌，黃志鵬，丁效振

(北京衛星制造廠 機電產品事業部，北京 100190)

數控機床遠程監控及加工過程參數實時采集與應用效果分析

李 星，張加波，劉從華，張 斌，黃志鵬，丁效振

(北京衛星制造廠 機電產品事業部，北京 100190)

針對FANUC、SIEMENS和HEIDENHAIN 3種不同控制系統的數控機床，研究了如何基于通用通信接口實現對相應數控設備的加工狀態和工藝過程參數等信息的實時采集，并基于1臺服務器實現了對數控機床的遠程監控和工藝過程參數的實時采集。完成了基于C/S架構的采集系統客戶端和基于B/S架構的采集數據統計分析決策支持系統在2個數控車間的應用。通過對車間現場多臺數控機床加工過程工藝參數的實時準確采集、監控、集中管理，以及后續的統計分析，為科學決策和及時發現車間的瓶頸問題提供了有力的數據支撐。

制造數據采集；OPC技術；FOCAS協議；工藝過程參數；數字化車間

在當今的全球制造業激烈競爭中，如何科學地安排生產計劃，最大程度地發揮制造設備的利用率，顯得越來越重要。此外，工藝技術的改進往往建立在對工藝數據庫中大量一手制造現場數據的統計分析的基礎上，而這些數據的準確獲取一直是一個瓶頸問題。長期以來，加工車間缺乏有效的監控手段，主要靠現場巡查、電話聯系等傳統的人工方式了解機床運行狀況，缺乏實時性和直觀性，而且依靠人力進行手工記錄不僅會耗費大量的人力及時間成本，而且難以保證所記錄工藝數據的準確及完整性。經驗數據對人員的依賴性較強，出現現場數據記錄停留、散落于不同人員的記錄本中甚至無相關記錄等現象，數據的可追溯性較差。機床監控技術便是在這種需求下產生和發展起來的。

制造數據采集(Manufacturing Data Collection，MDC)一般通稱為機床監控。MDC通過先進的軟硬件采集技術，對數控設備進行實時、自動、客觀和準確地數據采集，實現生產過程的透明化管理，并為MES系統提供生產數據的自動反饋。

數控機床制造廠商種類較多，控制系統和機床結構不一致，機床相應的通信接口類型也因為機床設備的制造年代和廠商不同而不盡相同。如何在網絡環境下，基于1臺服務器全面實現不同系統數控機床的參數采集，是數控機床群遠程監控的重點和難點所在。本文主要闡述針對日本FANUC、德國SIEMENS和德國HEIDENHAIN 3種主流控制系統的數控機床的研究，以及基于目前接口形式實現對相應數控設備的加工狀態、工藝參數等信息的實時采集和相應的統計分析，并進行應用效果分析。

1 數控機床遠程監控系統整體架構

基于MDC系統的數據采集系統主要由設備層、采集層、數據存儲層以及數據展現層組成，MDC系統結構如圖1所示。MDC服務器通過智能采集終端或機床內置通信協議采集機床的工作信號(機床開關機、機床運行和機床報警等)，通過網絡發送到客戶端和數據庫服務器。數據庫服務器負責接收采集服務器的機床數據并寫入數據緩沖區內，對數據處理后分別存儲到各自的數據表中。

圖1 MDC系統結構圖

車間數控設備主要包括FANUC數控機床、SIEMENS數控系統和HEIDENHAIN數控系統等先進機床[1]。當各個不同控制系統和不同通信接口類型的機床分別具備采集條件時，如何采集所有的設備組成基于服務器的數控機床加工過程參數，網絡環境便是接下來要考慮的主要問題，通過采集數據來判斷機床狀態，經過數據存儲優化，機床加工過程中的報警信息和運行信息的存儲，采集數據入庫，并通過一系列的綜合數據分析、判斷和監控，可及時準確判斷機床所處的運行狀態、加工情況和機床利用率等。

數控機床加工過程參數管理軟件系統建設需配置服務器、終端機和以太網絡環境。數控機床加工過程參數管理系統建設需在服務器上安裝采集和統計分析服務器端軟件，在管理人員計算機上安裝采集和統計分析客戶端。符合條件的部分FANUC、SIEMENS和HEIDENHAIN高端系統由于配備網絡接口及相關協議，可通過以太網采集數據，其他機床需通過加裝硬件采集模塊來采集數據。服務器出入口應安裝殺毒軟件等安全防護措施，以保證數據安全性。

2 數控系統機床數據采集方式

目前，較為主流的數控設備的控制系統為SIEMENS、FANUC和HEIDENHAIN 3種，數控機床群遠程監控的關鍵在于必須先實現對不同控制系統、不同接口的單機加工過程參數采集，下面分別論述。

OPC(OLE for Process Control)是由一些世界著名的自動化系統、硬件、軟件公司和Microsoft(微軟)緊密合作而建立的[3]。西門子SINUMERIK 840D數控系統上運行的OPC服務器由數控系統本身提供，負責收集數控系統的數據信息，并接收來自客戶端程序的指令數據，然后通過標準OPC接口傳送給OPC客戶端應用程序，即采集系統客戶端。

以太網功能全稱是Ethernet Function，軟件FOCAS是FANUC Open CNC API Specifications的縮寫，FANUC與以太網相關的軟件功能都是在這個平臺上完成的。FANUC數控系統正是基于FOCAS應用程序接口(API)與數控機床加工參數管理系統的通信，實現對機床實時運行狀態的采集， FANUC機床FOCAS庫函數如圖2所示。

圖2 FANUC機床FOCAS庫函數

對HEIDENHAIN iTNC530系統的機床開放DNC功能，采集層向機床發送設備狀態信息請求后，數控設備依據HEIDENHAIN開放通信協議框架下的相應函數返回設備狀態數據給采集服務器，并存儲入相應的數據庫。機床數據實時采集系統是在HEIDENHAIN提供的SDK軟件開發包基礎上開發而成，通過LSV-2協議與數控系統進行通信。在WINDOWS操作系統開發環境中，SDK軟件開發包提供2個軟件組件：COM組件和ActiveX控件。這2個組件基于微軟COM技術，不受編程語言限制，能在WINDOWS98/ME/NT4.0/2000/XP開發環境中使用[4]。在安裝SDK軟件開發包過程中，這些軟件組件直接注冊在操作系統中，并能在開發環境中使用。針對HEIDENHAINi530及以上系統帶網卡機床，控制系統允許通過遠程服務和外部訪問的方式，建立與TNC 系統的通信并執行診斷操作。

3 系統應用效果分析

3.1 構建基于以太網的MDC網絡，實現設備網絡化管理

全面實現機床的集中管理與控制，機床由以前的信息孤島轉變為整個工廠的信息節點，實現了數控機床的完全網絡化管理。數控設備接入MDC網絡，實現工廠的完全網絡化管理，徹底消除了機床信息孤島。機床狀態采集電子看板如圖3所示，統計分析決策支持系統如圖4所示。

圖3 機床狀態采集電子看板

圖4 統計分析決策支持系統

3.2 基于規范化后處理程序的工藝過程信息自動采集，實現加工過程參數的規范化管理

目前，CAM加工模塊產生的刀具軌跡文件不能直接傳送給機床進行切削工件，刀具軌跡文件必須被修改成適合于不同機床/控制器的特定參數和格式，即后處理，經過特定后處理的程序采用較為規范的格式。針對FANUC、SIEMENS和HEIDENHAIN 3種控制系統，通過分析采集的實時信息，可得到機床上正在加工零件的零件號、程序號和刀具類型等工藝信息，通過這類信息與系統采集端采集到的實時轉速、進給和加工時間等進行數據運算，便可得到較為完整的工藝過程信息。FANUC系統后處理程序格式與采集的工藝參數如圖5所示。

圖5 FANUC系統后處理程序格式與采集的工藝參數

當以上工藝過程信息在數據庫中形成數據表后，MDC系統將會在其數據報表中以表格的形式展現數據，并可導出Excel表。對存在工藝數據庫系統的制造車間，可依據工藝數據庫的特定表格形式，將采集到的工藝過程數據自動存儲到工藝數據庫系統中，以便于工藝過程參數的傳遞、存儲和重用，從而實現加工過程參數的規范化管理。

3.3 基于實時采集數據的決策支持系統，快速定位生產瓶頸，準確分析機床故障

系統采用C/S與B/S模式相結合的混合體系結構開發模式，其可以吸收兩者的優點，保留B/S模式分布式和開發維護簡單的特點[2]，同時融入了傳統C/S模式的特殊功能和個性化設計要求。通過C/S模式對相關參數進行收集錄入，存入采集數據庫，并在客戶端展示機床的狀態信息。數控機床加工過程參數管理系統后臺數據庫由一系列數據表單構成，如機床信息表、工藝參數表、機床運行時間表和機床利用率表。采集客戶端采集到的狀態和參數數據如何合理地組織形成直觀的報表展示給不同的用戶，是系統能否得到有效利用的關鍵。通過B/S結構形式開發的決策支持系統，將不同的機床數據進行歸類、統計和分析，以網頁的形式展示給管理人員、設備維修人員和工藝人員等，以便他們快速地獲取各自需要的數據。實時采集甘特圖如圖6所示。采集的基本數據基于C/S結構客戶端，不同的數控設備上采集的各類型數據統一規范顯示。

圖6 實時采集甘特圖

針對數據庫采集的數據和車間操作工對機床的操作，形成決策報表數據，根據這些可靠的數據，可對車間機床進行數據統計，比如利用率分析、報警信息統計、年度信息匯總和數圖展現，為管理者提供決策支持，形成一套完整的機床監控系統。統計分析決策支持系統主要以餅圖、柱圖、折線圖和統計表格等多種形式，展示機床利用率、機床運行效率和機床開機率等，數據可以Excel表格形式輸出日報、月報、季報和年報，并將采集到的工藝過程參數導入到數據庫并輸出，實現與DNC系統、MES系統和工藝數據庫等系統的集成。通過對所有機床的實時監控與數據采集，可快速、及時地發現機床停機等問題，通過真實的海量數據分析功能可快速定位生產瓶頸，并找出最合理的應對措施，從而最大程度地提升機床的有效利用率。

3.4 使生產狀況實時性更強，生產計劃更準確，提高設備利用率

通過MDC系統的數據采集模塊實時采集機床工作狀態及生產任務信息，可實時獲取機床的狀態信息，為及時、準確制訂和調整生產任務，合理安排機床作業提供決策依據，可優化處理生產任務，延長數控機床有效工作時間，進而提高數控機床的利用率。

3.5 通過準確、及時、客觀和自動的機床生產信息反饋，實現生產過程的透明化管理

用1臺計算機可以同時監控所有機床的實時狀態，以電子看板或電子地圖的形式隨時查看所有機床的開機狀態、運行狀態和故障狀態等信息，實時獲知每臺機床的工件生產數量。對帶網卡的機床，可進一步采集到當前坐標信息、進給速度、主軸轉速以及機床操作信息，如編輯狀態、自動運行狀態、MDI狀態、試運行狀態和在線加工狀態等。

4 結語

本文針對不同控制系統、不同接口類型的數控機床研究了不同的數據采集方式和車間信息集成方式，實現了對FANUC、SIEMENS和HEIDENHAIN 3種控制系統的數控機床分別基于通用接口對數控機床加工過程參數的采集技術，該系統已經在2個數控車間得到了成功地應用。通過對車間現場數控機床加工過程工藝參數的實時準確采集及其后續的統計分析，為科學決策和及時發現車間的瓶頸問題提供了有力的數據支撐。數控機床遠程監控及加工過程參數實時采集技術的應用，能夠最大化設備的利用率和快速定位生產瓶頸問題，為車間帶來顯著的經濟效益。

[1] 陳小龍，簡毅，李文川. 基于以太網的計算機與數控系統通信技術[J]. 組合機床與自動化加工技術，2009(1):51-53.

[2] 沈愛群. 基于Internet面向機床的遠程監測與故障診斷系統的研究與開發[D]. 南京：東南大學，2004.

[3] 徐兵，丁健生，李學光，等. 基于OPC XML DA標準的機床監控系統研究[J]. 制造業自動化，2010(11)：35-37.

[4] 胡輝. HEIDENHAIN iTNC530系統在機床數據實時采集系統中的應用[J]. 航空制造技術，2011(4):6.

責任編輯李思文

ResearchandApplicationEffectAnalysisofCNCMachineToolsRemoteControlandReal-timeDataAcquisitioninMachiningProcess

LI Xing，ZHANG Jiabo，LIU Conghua，ZHANG Bin，HUANG Zhipeng，DING Xiaozhen

(Department of Mechanical and Electrical products，Beijing Spacecraft Corporation, Beijing 100190, China)

The paper introduced how to achieve the machine state monitoring and processing data acquisition based on general communication interface and protocol of three kinds of CNC controller like FANUC, SIEMENS and HEIDENHAIN. The manufacturing data collection system had been deployed in two NC workshop including real-time dada acquisition and display subsystem was used to monitor the CNC processing statement by an electronic bulletin board，and decision support subsystem to give real time reports with overall equipment effectiveness (OEE)，respectively, based on C/S and B/S architecture，simultaneously controled by one server.Through the real-time accurate acquisition and monitoring of machining process parameters in multiple CNC machine tools and centralized management, subsequent statistical analysis, the data provided strong support for the scientific decision-making and timely discovered the bottleneck problems of the workshop.

manufacturing data acquisition, OPC technology, FOCAS protocol, processing data, digital workshop

TG 659；TP 277

：A

李星(1984-)，男，工程師，主要從事高效精密制造技術、CAD/CAM、數控加工和數字化制造技術、機械加工工藝技術等方面的研究。

2015-01-29