數(shù)控機床智能遠程監(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)學院 機械工程系，廣州 510635;2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640)

0 引言

數(shù)控機床是制造業(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)控機床的故障會導致機床工作狀態(tài)改變，降低加工質(zhì)量，如不及時對故障進行診斷處理，可能會導致整個數(shù)控機床崩潰，給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟損失，因此對數(shù)控機床運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是很有必要的。近年來我國對數(shù)控機床監(jiān)控診斷問題在理論和實踐方面進行了大量研究工作［1-4］，也開發(fā)了數(shù)控機床監(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，沒有完全實現(xiàn)數(shù)控機床遠程監(jiān)控，更沒有形成真正意義上的數(shù)控機床智能化監(jiān)控［5-7］。隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控機床監(jiān)測診斷提出了新的、更高的要求。

智能化數(shù)控機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)正是基于此情況下提出的，該系統(tǒng)可對數(shù)控機床的運行狀態(tài)在線實時監(jiān)測，系統(tǒng)診斷機床故障通過智能故障診斷模塊識別，當機床出現(xiàn)故障時，監(jiān)控系統(tǒng)能自動識別機床故障并發(fā)出報警信號，系統(tǒng)會自動響應報警同時進行停機操作，保障機床的安全運作。現(xiàn)有數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)的不足及數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)化制造將隨著智能化數(shù)控機床的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)而得到改善、提高。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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

圖1 數(shù)控機床智能遠程監(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，具有機床各特征數(shù)據(jù)的采集功能、信號發(fā)送(將機床信號發(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)控機床智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理是通過對數(shù)控機床加工過程、主軸、刀具的狀態(tài)等模塊采集裝置在線采集機床狀態(tài)信息及特征信號，車間端動態(tài)實時顯示采集的機床信號;在出現(xiàn)異?；蚬收蠒r，車間端啟動故障報警和發(fā)送程序，通過網(wǎng)絡(luò)將報警信號發(fā)送給中心監(jiān)控端;報警信號會在中心監(jiān)控端顯示并存儲于后臺數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)自動調(diào)用智能算法對報警信號進行分析處理并結(jié)合監(jiān)控中心的專家知識庫中識別診斷的知識，響應報警并將相應的結(jié)果及操作指令傳輸至車間端。

2 數(shù)控機床中心監(jiān)控端軟件

中心監(jiān)控端在整個數(shù)控機床智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)中占主導作用，其功能的強大與否可用來衡量智能遠程監(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)維護等五大部分構(gòu)成，見圖3。

圖3 數(shù)控機床智能遠程中心監(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;報警顯示接收車間端的報警信號，完成報警信號的動態(tài)實時顯示，包括波形和內(nèi)容，為數(shù)控機床維修專家提供數(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警信號進行診斷處理［8-9］，對機床故障進行統(tǒng)計、分類和自動識別。數(shù)據(jù)庫管理是對接收和分析處理的結(jié)果進行分類管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的追蹤。系統(tǒng)維護完成中心監(jiān)控端軟件的更新維護。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

數(shù)控機床智能化遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計，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)實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。數(shù)控機床智能遠程系統(tǒng)可同時監(jiān)控九個車間端，具有友好地人機交互界面、可操作性好并能和數(shù)控機床其他系統(tǒng)良好的集成，系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖4 所示。

圖4 數(shù)控機床智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)主頁

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

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與訪問

數(shù)控機床智能監(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。

智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)中心監(jiān)控端在整個監(jiān)控系統(tǒng)運行時就自動啟動設(shè)定端口的監(jiān)聽程序，以便及時響應車間端發(fā)來連接請求。機床設(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)預處理程序進行處理，出現(xiàn)異?；蚬收闲盘枙r程序會自動調(diào)用與中心端程序握手的請求，機床監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在遠程監(jiān)控系統(tǒng)車間端和中心監(jiān)控端成功握手后就可實時安全可靠傳輸。

此外，數(shù)控機床智能遠程監(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)一接口而應用廣泛的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，應用程序借助ODBC 技術(shù)對載有ODBC 驅(qū)動程序的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行控制和訪問數(shù)據(jù)庫，本系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫流程如圖5。

圖5 機床監(jiān)控系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫流程

3.3 機床信號檢測算法

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

圖6 數(shù)控機床干擾信號濾波

數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)采集的多種信號會參雜許多影響機床信號分析的干擾信號，系統(tǒng)要實現(xiàn)準確的對數(shù)控機床運行狀態(tài)進行判斷診斷就必須對干擾信號進行消除，小波分析方法能較好地去除數(shù)控機床信號的干擾信號，機床信號信噪比的提高及用于判定機床設(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現(xiàn)。含干擾信號的數(shù)控機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］對去噪效果進行評價，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)的故障點和故障出現(xiàn)的時刻進行準確定位，診斷維修專家以系統(tǒng)定位點為依據(jù)，對其進行詳細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和其在奇異點判定方面的優(yōu)勢對機床的故障進行定位，圖8 是采用小波分析法對數(shù)控機床運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 小波檢測機床信號奇異點

4 結(jié)束語

數(shù)控機床智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)為數(shù)控機床更好的監(jiān)控診斷提供了一新思路，系統(tǒng)通過遠程實時監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)整個數(shù)控機床車間的管理和維護，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)等都在文中進行了詳細的說明。機床智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的運行狀態(tài)，能遠程實時監(jiān)控數(shù)控機床各狀態(tài)，但數(shù)控機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一步深入的研究工作。

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