数控机床智能监控技术的研究与应用

聂笃伟

（怀化职业技术学院， 湖南 怀化 418000）

引言

我国实体经济的发展离不开制造产业的有力支撑，制造产业的发展水平更对人们的生活质量有着重要影响，这也使我国对制造产业的发展及转型变得尤为重视。近年来，我国科学技术水平不断提高，使人工智能技术在各个领域中的应用变得越来越广泛，并进一步推动了智能制造的发展，智能制造的发展主要集中在精确控制自动执行、信息深度自动感知与智能化自动决策这三个方向，以使智能制造通过这三个方向的功能来形成一个可靠的闭环操作。在智能监控中，数据机床是其重要组成部分，利用智能监控技术来对数控机床进行监控，其关键便是对数据的获取。

1 数控机床智能监控中存在的不足

现阶段我国所使用的大部分数控机床都配置有相应的数据采集接口，但却存在着兼容性差、灵活性差、跨平台性差等缺点，在数据显示方式上也较为单调，监控手段缺失，无法进行实时监控，这不仅不利于数控机床的保养与维护，也给用户对数控机床的操作带来很大影响。而将智能监控技术应用于数控机床当中，以实现数控机床的远端监控与智能化监控，必将进一步推动智能制造的发展。

2 FANUC系统数控机床智能监控技术研究与应用

由于以往的数控机床在生产加工过程中无法进行实时监控，且不能进行及时的保养与维护，在监控手段上也较为缺乏，因此有必要对数控机床的智能监控技术进行深入的研究。

2.1 PC机和FANUC机床的连接和配置

在数据机床与PC机的连接及配置问题上，由于数控机床系统中内置有PMC，其作为一种可编程的机床控制器，在PMC信号交换上是在数控系统（CNC）、机床设备（MT）及PMC这三者中进行的，信号交换核心是PMC。因此可通过以太网接口来进行以太网连接，以太网功能是由FANUC中的TCP/IP网络协议来实现的，FANUC在实现以太网接入上共有两种方式，分别是内置以太网板与PCMCIA卡口[1]。而本文中则是采用内置以太网板来实现数控机床与PC机之间的连接的。能够实现数控机床的按序控制，比如数控机床中主轴起停、刀具更换、冷却系统控制等，PMC能够对数控机床中的各种加工过程数据进行采集。数控机床的智能监控中，可采用Visual Studio平台来对计算机中的监控应用程序进行开发，利用DNC软件中的FOCAS来调用FWLIB32.DLL动态链接库，同时由ORACLE数据库对数控机床的采集信息进行存储，并通过历史数据来对数控机床进行维护和管理。图1所示为PC机与数控机床的连接与配置示意图。

图1 PC机与数控机床的连接与配置示意图

2.2 数控机床的数据采集技术

要想实现数控机床的智能化监控，最基础也是最为重要的便是数据采集，在数据采集中，FOCAS协议在其中发挥着至关重要的作用，FOCAS协议能够为用户提供应用程序的接口函数指令库，主要是通过FANUC中的FOCAS软件开发包来实现的，其利用以太网接口，并通过TCP/IP协议来连接数据机床和PC机，并对函数指令库中所包含的标准函数进行计算与调用，从而实现对数控系统数据与信息的获取，达到远端控制数控机床的目的。此外，FOCAS还能向数控系统发送控制指令，以实现数控系统和计算机的数据共享与交换。在上述功能实现中，主要包括PMC数据与数控系统数据两个部分，在PMC数据中，其实质是读取与修改相应的信号，这些信号主要有X、Y、G、F信号。在FANUC数控系统中，不能对X与F信号进行强制更改，可依据控制流程及梯形图将X信号转化成Y信号与G信号，并通过Y信号与G信号的控制来达到远端控制目的。应注意对Y信号自行搭建，并通过Y信号来对伺服上电进行控制，以使数控机床在远端控制时能够实现急集操作[2]。

2.3 数控机床数据的处理技术

大数据时代的来临，使数据的种类日益丰富，数据量也大幅增长，而这也使智能监控技术在对数据机床进行数据采集时需要具备较高的采集频率，而且需要对不同种类的数据进行采集，数据采集量的大量增加，也给数据库服务器造成了巨大负荷。因此，有必要对ORACLE数据库进行设计，在数据库中利用相应的压缩算法来压缩加工数据，以使数据的存储效率提高，并节约存储空间。在数控机床的数据压缩算法中，常见的方法主要有矢量量化方法、分段线性插值方法及信号变换方法。在这些数据压缩方法中，以分段线性插值方法的应用范围最为广泛，分段线性趋势方法、矩形波串法、旋转门法及反向斜率法等均属于分段线性插值方法，而在工业领域中，虽然旋转门算法属于有损的压缩算法，并且相比于信号变换方法来说，在压缩比上不如后者，但旋转门算法的效率较高，压缩比也较高，而且具备误差可控及简单的应用优势，这也使其在工业领域的应用十分广泛[3]。在ORACLE数据库中兼具了普通的SQL语句及其扩编语言。在ORACLE数据库设计中，主要是利用两张表来对数据进行存储的，分别是WORKSHOP_MACHINE与MACHINE_LOG_TODAY表，WORKSHOP_MACHINE表用于对数控机床信息进行存储，而MACHINE_LOG_TODAY表则用于对数控机床在运行过程中的状态信息数据进行存储。表1所示为MACHINE_LOG_TODAY表结构。

表1 MACHINE_LOG_TODAY表结构

在数控机床智能监控系统中，数据压缩算法的设计主要使用的是旋转门算法，由于该算法在压缩时会产生一些数据点，而如果对这些数据点进行删除，则势必会使压缩精度降低。因此，为了使压缩误差降低，应保留这些数据点，可通过多模型寻优方法来对旋转门算法中的线性拟合进行替代，以实现函数拟合，以此确保数据在压缩时不会使有效数据丢失，从而使压缩效果变得更好。

2.4 数控机床可视化监控技术

在数控机床智能监控技术中，可视化监控是其重要内容，数控机床的可视化监控技术是利用Unity 3D平台来实现可视化监控功能的，其通过三维视角来管理数控机床的运行状态，以使数控机床的生产效率提高。Unity 3D技术属于一种3D场景开发工具，其能够进行跨平台开发，利用Unity 3D技术能够创建具备可视化特点的交互式程序，其和Director、Virtolls等工具的原理较为相似，其均是通过可交互的图形化环境中进行开发工作的。Unity 3D技术能够在Mac系统与Windows系统中进行编译，并能进行多系统平台的资源发布。Unity 3D软件通过Visual Studio平台对应用程序进行编写，并对FWLIB32.DLL动态链接库中的库函数进行调用，以使库句柄得到分配，并将其与特定端口和地址的数控机床进行连接。在参数配置中，由ipaddr对待连接数控机床的名称字符串或IP地址进行指定，由port对端口号进行指定，由timeout对连接的超时时间进行指定，并根据超时时间来指定库函数是否需要进入到无限等待状态中。控制器在分配库句柄时，句柄能够被当作数据读取与写入时的钥匙，并由cnc_freelibhndl库函数的调用来释放连接[4]。在U-nity 3D程序中有着很多场景，这些场景中又包括许多模型，其通过JavaScript或C#脚本来对模型运动进行控制，然后利用摄像机来对虚拟场景进行真实展现。在Unity 3D中还包括大量的模块与插件，以使其在对三维可视化虚拟项目进行开发时变得更加方便、真实，从而使用户能够和Unity 3D进行良好的交互。通过Unity 3D工具的利用，能够使数控机床的可视化监控变得更加便捷，并缩短监控系统的开发周期，降低开发难度。图2为可视化监控的场景效果图。

图2 可视化监控的场景效果图

3 结语

本文通过对数控机床的智能监控技术进行了深入的研究，并对数控机床在监控数据采集、存储、远端控制及可视化监控等方面的智能监控技术应用实现进行了探讨，从而使以往的监控方式中存在的不足得到了有效弥补，推动了我国制造领域的智能化发展。