自1952年美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)以來，至今已經(jīng)歷了50多年，數(shù)控裝置也逐漸由NC發(fā)展為CNC。計算機技術(shù)的飛速發(fā)展使得開放式數(shù)控(Open CNC)已成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的主題，數(shù)控系統(tǒng)可以集成更多、更復(fù)雜的功能。并且隨著需求的推動，智能化與網(wǎng)絡(luò)化已成為數(shù)控系統(tǒng)的一個主要發(fā)展趨勢。本文以開放式數(shù)控系統(tǒng)為平臺，構(gòu)建以加工安全及加工優(yōu)化為目標(biāo)的智能化解決方案，提出了基于加工過程多物理狀態(tài)的集成在線監(jiān)測策略；同時，針對日益增強的遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷的功能需求，提出開放結(jié)構(gòu)數(shù)控平臺基于網(wǎng)絡(luò)的層次化狀態(tài)監(jiān)測策略。

1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與控制

　　在加工過程中，應(yīng)時刻保持機床處于良好或最優(yōu)工作狀態(tài)，尤其對于單件加工成本較高的工件以及復(fù)雜精密機床。其產(chǎn)品報廢及機床損壞甚至是加工效率的降低都將造成巨大損失。在此隋況下，需要及時掌握加工狀態(tài)信息，以便迅速做出調(diào)整。傳統(tǒng)上采用巡檢或定期檢測的方式，以保持機床性能。但這種方式不足以防止加工過程中的異常發(fā)生。近來，人們開始研究將加工與監(jiān)測相結(jié)合的實現(xiàn)模式，并且取得了一定進展。

　　然而目前狀態(tài)監(jiān)測與優(yōu)化控制系統(tǒng)大都采用獨立于數(shù)控系統(tǒng)的外掛式形式，兩者未能實現(xiàn)無縫集成。無疑這不符合開放式數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計理念及發(fā)展趨勢，并于無形中提高了系統(tǒng)復(fù)雜程度，增加了安裝調(diào)試乃至操作的難度。同時目前的研究尚缺乏加工狀態(tài)監(jiān)測與在機質(zhì)量檢測的綜合一體化集成響應(yīng)方案，以及系統(tǒng)自身功能結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)整方案。

　　1.1 加工過程的數(shù)控系統(tǒng)集成在線狀態(tài)監(jiān)測

　　本文以運行安全與加工優(yōu)化為目標(biāo)，采用數(shù)控系統(tǒng)集成在線監(jiān)測方案，將監(jiān)測信號分為系統(tǒng)限制級信號、平穩(wěn)信號及突變信號，由系統(tǒng)進行分類處理。

　　(1)系統(tǒng)限制級信號指與系統(tǒng)安全運行相關(guān)的狀態(tài)信號，包括邏輯控制單元各端口狀態(tài)、伺服驅(qū)動狀態(tài)、通汛連接狀態(tài)以及其它周邊設(shè)備狀態(tài)等。這類信號與系統(tǒng)安全直接相關(guān)。屬于最高級別的狀態(tài)信息，要求系統(tǒng)迅速做出反應(yīng)，嚴(yán)重情況下進行自動停機處理。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部通過高速輪詢各相關(guān)電氣端口狀態(tài)，以簡單快速的響應(yīng)方式完成此類狀態(tài)信息的監(jiān)測與處理。

　　(2)平穩(wěn)信號在此定義為機床加工過程中產(chǎn)生并由各類傳感器件反饋的各類具有漸變趨勢物理狀態(tài)信號，反映了加工過程的運行平穩(wěn)性。典型的如振動信號、聲發(fā)射信號、電機電流等。通常穩(wěn)定加工情況下，這類信號不會有太大的波動，并可利用時間序列等手段進行可靠預(yù)測。利用開放式數(shù)控系統(tǒng)的可擴展優(yōu)勢，開發(fā)適于數(shù)控加工的信號采集單元，以PCI總線及相應(yīng)API與數(shù)控系統(tǒng)無淺奎集成，實現(xiàn)對多傳感器信息的有效獲取。系統(tǒng)內(nèi)蓋唁息處理單元將對這些信號進行分析得到運行狀態(tài)及經(jīng)過優(yōu)化的加工參量信息，并艇終分別反饋至診斷模塊與運動控制模塊，以實現(xiàn)預(yù)測維護與加丁優(yōu)化。

　　(3)突變信號則指的是在加工中無法預(yù)知何時發(fā)生而又對系統(tǒng)或機床造成重大影響的沖擊信號。典型的如電網(wǎng)電壓的突變、不規(guī)范作業(yè)或刀具松動而造成的刀具碰撞等。這類信號發(fā)生幾率較小，但由于在發(fā)生時系統(tǒng)沒有足夠的時間進行響應(yīng)，往往造成難以估量的損失。因此本文提出采用類視覺前饋與安全緩沖相結(jié)合的策略，在沖擊信號發(fā)生前進行預(yù)警或在發(fā)生時實現(xiàn)緩沖保護，以極大限度地減少損失。所謂類視覺前饋是指采用類似于人類視覺的預(yù)警機制,在危險尚未發(fā)生時提前預(yù)判，以防止危險發(fā)生而系統(tǒng)卻“無力自保”的一種安全防護機制，采用預(yù)警并主動規(guī)避的策略來實瑰。而安全緩沖則是指對于無法預(yù)瞥的突變信號，通過緩沖裝置將信號轉(zhuǎn)化為安全的平穩(wěn)信號，然后通知主控單元進行處理。圖1顯示了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊的功能結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊的功能結(jié)構(gòu)簡圖 

　　1.2 在機質(zhì)齡檢側(cè)及狀態(tài)信息綜合響應(yīng)

　　在機質(zhì)量檢測可減少工件裝卡次數(shù)，提高定位精度，并有效降低廢品率�；�于此，利用開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，開發(fā)在機質(zhì)檢測控制功能具有現(xiàn)實的意義。

　　相較于離線檢測，在機檢測方式的一個顯著優(yōu)勢是在加工過程中，可按需及時向數(shù)控系統(tǒng)提供準(zhǔn)確可靠的工件形位誤差信息。采用高靈敏度的紅寶石測頭與紅外線定位相結(jié)合的方式，可有效保證在機檢測的精度:在集成了加工過程在線狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)平臺中，將這種形位誤差低急作為一種倍息流導(dǎo)向兩個不同的目的地(圖2)。

圖2監(jiān)測信息集成響應(yīng)策略 

　　由圖看出，誤差信息流其一是作為后續(xù)工藝加工調(diào)整的依據(jù)，直接進入數(shù)控系統(tǒng)的工藝決策模塊，并繼續(xù)影響后續(xù)加工過程;其二是作為加工制造系統(tǒng)的一種狀態(tài)信息，與前述加工過程在線監(jiān)測得到的狀態(tài)信息一起，作為系統(tǒng)狀態(tài)評定及故障診斷的數(shù)據(jù)源，進入故障珍斷模塊，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)、機床以及工件的狀態(tài)信息閉環(huán)，從而豐富了單純依靠加工過程的狀態(tài)信息進行診斷與維修的信息量。提高了狀態(tài)預(yù)測與診斷的精度。

　　1.3 系統(tǒng)自整定策略

　　機床運行過程中，隨著狀態(tài)的改變，智能系統(tǒng)要求能實現(xiàn)自身功能給構(gòu)的自整定以適應(yīng)外界環(huán)境的變化�；�于此，本文提出了元胞冗余與自調(diào)整策略。所謂元胞，在此定義為系統(tǒng)功能的最小執(zhí)行單位。它們擁有自己的數(shù)據(jù)資源并能共享系統(tǒng)的公共資源，由一個唯一定義的ID以標(biāo)志自身。多個元址替險照一定的邏輯規(guī)則組成一個完整的功能實體，稱為模塊。通過調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模塊可以在不同的工作模式下正常運行。在系統(tǒng)爵態(tài)設(shè)計初期，通過對底層元胞的冗余設(shè)計，可實現(xiàn)對上層多種工作模式的資源支撐。間時，還可利用數(shù)控系統(tǒng)的開放結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，動態(tài)添加新的元胞，以實現(xiàn)對更多工作模式的支撐。在模塊內(nèi)部，每個元胞擁有一個隨狀態(tài)可變的位置號，標(biāo)志該元胞在模塊內(nèi)部所處的邏輯位置，以屬性變童MyPos表示。模塊內(nèi)部維護一個元胞位置號與模塊功能結(jié)構(gòu)的關(guān)系映射表。而在元胞內(nèi)部，則通過該位置號控制元胞與外界的連接關(guān)系。當(dāng)外界狀態(tài)發(fā)生變化時，通過底層元胞的位置自動調(diào)整，系統(tǒng)實現(xiàn)整體功能結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)改變。圖3為在外界狀態(tài)改變劍模塊內(nèi)部勸能結(jié)構(gòu)調(diào)整示例。

圖3元胞姿式調(diào)整示意圖

　　圖中,C1-C6為該模塊的組成元胞，按照預(yù)設(shè)，每個元胞都可與特定的元胞直接發(fā)生聯(lián)系。如C1可直接與C2、C3及G4發(fā)生聯(lián)系。元咆的上下層代表了數(shù)據(jù)的流向。而同一層間元胞的左右順序代表了上層公共元胞與它們建立連接的先后關(guān)系。

　　圖4為集成狀態(tài)監(jiān)測環(huán)境下，數(shù)控系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整自身功能結(jié)構(gòu)的控制模型。

圖4系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整控制模型

2 基于網(wǎng)絡(luò)的層次化監(jiān)控機制

　　網(wǎng)絡(luò)技未的發(fā)展使得對數(shù)控系統(tǒng)的婀絡(luò)需求日益提高，網(wǎng)絡(luò)化已成為數(shù)控技術(shù)的又一發(fā)展趨勢。以開放式數(shù)控體系架構(gòu)為支撐，開發(fā)統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)支持單元，可多乏現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)側(cè)與遠(yuǎn)程診斷。

　　系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測對象被確認(rèn)為數(shù)控系統(tǒng)界面，加工場景以及傳感器反饋的運行狀態(tài)信息。不同的監(jiān)測對象將向遠(yuǎn)程終端提供不同的機床加工信息。

　　為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的平穩(wěn)傳輸，除選用高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，系統(tǒng)采用同步切換機制，由遠(yuǎn)程絲喘選取監(jiān)測對象，而控制策略單元則負(fù)責(zé)確保遠(yuǎn)程終端同一時刻最多只監(jiān)測一種對象，并根據(jù)遠(yuǎn)程終端反饋的診斷結(jié)論以及CNC系統(tǒng)對運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的分桿結(jié)果更新控制信息。由于數(shù)據(jù)采集及傳輸涉及大量數(shù)據(jù)，將耗費較多的系統(tǒng)資源，因此在軟件結(jié)構(gòu)上分別被分配了一個獨立線程，實現(xiàn)與系統(tǒng)主控線程的異步并行協(xié)調(diào)運行;圖5所示為針對不詞監(jiān)測對象系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊功能結(jié)構(gòu)圖。

圖5系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊功能結(jié)構(gòu)圖 

　　系統(tǒng)采用層次化控制策略以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的快速響應(yīng)以及對網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用。上述CNC系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中可視為一個智能體。機床運行過程中,CSC系統(tǒng)自動監(jiān)測并調(diào)整加工狀態(tài)。對于系統(tǒng)無法確認(rèn)并自主處理的信息,CNC系統(tǒng)將主動向最近的診斷服務(wù)器發(fā)送診斷請求信息。如果得到響應(yīng)，系統(tǒng)將按照診斷結(jié)果繼續(xù)執(zhí)行:否則，CNC將向上一級服務(wù)器繼續(xù)此流程。經(jīng)由企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，系統(tǒng)按照車間級、工廠級及企亞級三級網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測機制配置資源請求策略:同時經(jīng)由萬維網(wǎng)實現(xiàn)CNC系統(tǒng)與世界范圍的遠(yuǎn)程終端的互聯(lián).以充分共享異地診斷專家的知識，并方便用戶實現(xiàn)異地監(jiān)測。

3 結(jié)論

　　以并放式CNC為平臺構(gòu)建系統(tǒng)集成狀態(tài)監(jiān)測及元胞自調(diào)整策略為系統(tǒng)安全及加工優(yōu)化提供了一體化解決方案;功能基于網(wǎng)絡(luò)的層次化監(jiān)控機制合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，并為遠(yuǎn)程監(jiān)側(cè)及診斷服務(wù)終端提供豐富的狀態(tài)信息。 

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本文標(biāo)題：基于網(wǎng)絡(luò)與狀態(tài)監(jiān)測的智能數(shù)控技術(shù)

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