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基于B/S 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
發(fā)布日期：2016-11-16 來(lái)源：《上海設(shè)備管理》
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隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展和提高，以數(shù)控機(jī)床為代表的數(shù)控設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛。故障造成的停機(jī)損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的機(jī)床大，故障診斷也相對(duì)復(fù)雜得多，而如何迅速、正確地進(jìn)行故障診斷和排除相應(yīng)故障是保證數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核心問題。
面對(duì)日益復(fù)雜的高檔數(shù)控機(jī)床等生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)加工過(guò)程中實(shí)時(shí)、快速、及時(shí)地檢測(cè)識(shí)別其中的故障，已經(jīng)遠(yuǎn)非操作人員力所能及。因此，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的一部分，越來(lái)越顯示其重要性。
隨著嵌入式技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了快速的提高。針對(duì)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡(luò)化、分散化和智能化方向發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于B/S模式的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行及時(shí)的故障診斷并快速做出反應(yīng)。
一、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
1、系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)
本系統(tǒng)的目標(biāo)是融合多傳感器，利用嵌入式ARM微處理器和PC機(jī)來(lái)建立基于B/S模式的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和分析數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)參數(shù)如溫度信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、電流信號(hào)等，對(duì)機(jī)床設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)并能快速做出反應(yīng)，來(lái)提高機(jī)床設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性，從而避免發(fā)生可預(yù)防性故障和災(zāi)難性事故，造成停機(jī)或巨額經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。
2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/Web服務(wù)器）模式來(lái)設(shè)計(jì)，在數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件上安裝振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、電流傳感器來(lái)采集信號(hào)，將振動(dòng)、溫度、電流作為檢測(cè)對(duì)象，利用嵌入式ARM微處理器來(lái)處理、存儲(chǔ)及傳輸信號(hào)。在PC機(jī)上以Myeclipse10作為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合SSH（Struts2.0 + Spring3.0 + Hibernate3.0）開發(fā)框架，使用HTML5 + CSS + jQuery +
JSP + Ajax技術(shù)來(lái)進(jìn)行Web服務(wù)器的開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2008。最后使用Socket技術(shù)進(jìn)行編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ARM微處理器與PC機(jī)的通信，將處理過(guò)的信號(hào)傳輸并存儲(chǔ)到SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)Web服務(wù)器讀取，將信號(hào)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及圖形曲線的形式顯示在瀏覽器上。
3、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web 服務(wù)器模塊及CNC系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸模塊首先使用多傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，之后通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線將采集到的信號(hào)傳送至ARM微處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)，然后通過(guò)編寫Socket相關(guān)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)ARM微處理器與PC機(jī)的通信，將數(shù)據(jù)以文件夾的形式傳輸?shù)絇C端，接著在PC端進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，最后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server2008中。用戶通過(guò)瀏覽器登陸系統(tǒng)后，點(diǎn)擊查看參數(shù)按鈕，瀏覽器會(huì)發(fā)出請(qǐng)求給Web服務(wù)器，緊接著Web服務(wù)器會(huì)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server2008中的數(shù)據(jù)，對(duì)請(qǐng)求作出響應(yīng)，將數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及圖形曲線的形式顯示在瀏覽器上，同時(shí)會(huì)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)與初設(shè)的報(bào)警閾值進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)超過(guò)閾值后會(huì)報(bào)警并提示操作者。
二、數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸模塊設(shè)計(jì)
目前對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集的研究，主要有基于數(shù)控系統(tǒng)通信接口和基于外接電路兩類方法�；谕ㄐ沤涌诘姆椒ㄒ蕾嚁�(shù)控機(jī)床的接口配置，比如ＲS-232串口DNC接口網(wǎng)絡(luò)口等，同時(shí)也受制于數(shù)控機(jī)床的封閉性和異構(gòu)性，難以形成統(tǒng)一有效的采集方案�；谕饨与娐返牟杉绞绞菑臋C(jī)床電氣電路中提取信號(hào)，與具體的數(shù)控系統(tǒng)類型沒有直接的聯(lián)系，因而具有一定的通用性。
本系統(tǒng)采用外接電路，融合多傳感器及嵌入式ARM微處理器的數(shù)控機(jī)床狀態(tài)信息采集方案。相比于采用數(shù)據(jù)采集卡，該方案不需要依賴工控PC機(jī)運(yùn)行，簡(jiǎn)化了車間布置；相比于單片機(jī)或DSP，嵌入式ARM技術(shù)可以為分布式采集節(jié)點(diǎn)提供更強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，能夠獨(dú)立地進(jìn)行采集處理存儲(chǔ)和顯示等任務(wù)，將嵌入式ARM技術(shù)應(yīng)用于車間和數(shù)控機(jī)床的信息采集，能夠有效地提升分布式處理能力和智能化網(wǎng)絡(luò)集成。
該模塊主要由振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、嵌入式ARM微處理器組成。
首先，將振動(dòng)傳感器、溫度傳感器、電流傳感器安裝在數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件上。
然后，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線將傳感器采集到的信號(hào)傳輸?shù)角度胧紸RM微處理器中，由于傳感器采集的是模擬電信號(hào)，所以首先使用ARM微處理器中的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被識(shí)別讀取的數(shù)字信號(hào)，接著進(jìn)行簡(jiǎn)單的去噪預(yù)處理，來(lái)降低采集信號(hào)中的噪聲干擾，然后將信號(hào)存儲(chǔ)到ARM微處理器的文件夾中。
最后通過(guò)Socket技術(shù)建立嵌入式ARM微處理器與PC機(jī)的通信。常用的Socket 類型有兩種：流式Socket（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報(bào)式Socket（SOCK_DGRAM），其中流式Socket是面向連接的，針對(duì)于TCP服務(wù)應(yīng)用。本系統(tǒng)就是采用流式Socket類型。具體的Socket編程流程如圖2所示。
三、數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2008，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)名稱為db _CncMonitorSystem。數(shù)據(jù)庫(kù)db _Cnc-MonitorSystem 中包含9 張表。具體包括用戶表、用戶角色表、用戶資源表、機(jī)床基本信息表、機(jī)床主軸運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表、機(jī)床滾珠絲杠運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表、機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表、機(jī)床故障檢修信息表、機(jī)床報(bào)警信息表。其中，用戶表、用戶角色表、用戶資源表用來(lái)存儲(chǔ)用戶信息、用戶的權(quán)限等級(jí)及不同權(quán)限等級(jí)可使用的資源等信息；機(jī)床基本信息表用于存儲(chǔ)數(shù)控機(jī)床的基本信息，包括數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)時(shí)間、投入使用時(shí)間、機(jī)床類型、機(jī)床型號(hào)、機(jī)床參數(shù)等；機(jī)床主軸運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表主要用于存儲(chǔ)主軸在運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)（頻率、振幅）、溫度、電流信號(hào)；機(jī)床滾珠絲杠運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表主要用于存儲(chǔ)滾珠絲杠在運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)（頻率、振幅）、溫度、電流信號(hào)；機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)表主要用于存儲(chǔ)導(dǎo)軌在運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)（頻率、振幅）、溫度信號(hào)；機(jī)床故障檢修信息表主要用于存儲(chǔ)故障發(fā)生的部位、原因、時(shí)間、檢修人員；機(jī)床報(bào)警信息表主要用于存儲(chǔ)報(bào)警原因、報(bào)警時(shí)間、發(fā)生故障引起報(bào)警的部位。
四、 Web 服務(wù)器模塊的設(shè)計(jì)
本模塊的開發(fā)平臺(tái)采用Myeclipse10，前臺(tái)采用HTML5 + CSS + JavaScript + JSP + Ajax 進(jìn)行編寫，后臺(tái)采用Java編程語(yǔ)言，同時(shí)結(jié)合Struts2.0，Spring3.0，Hibernate3.0 三大主流框架進(jìn)行開發(fā)。
整個(gè)Web 服務(wù)器包括六個(gè)模塊，分別是數(shù)控機(jī)床基本信息模塊、機(jī)床關(guān)鍵部件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模塊、機(jī)床檢修記錄模塊、機(jī)床報(bào)警記錄模塊、報(bào)表查詢模塊、系統(tǒng)管理模塊。
Web 服務(wù)器的開發(fā)是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的核心部分，圖3是該系統(tǒng)Web服務(wù)器的功能結(jié)構(gòu)圖。
在Web 服務(wù)器開發(fā)中，采用了Ajax技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)瀏覽器的無(wú)閃動(dòng)的實(shí)時(shí)刷新效果。
五、系統(tǒng)測(cè)試
將該系統(tǒng)安裝在數(shù)控車床上來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的可行性，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)及實(shí)時(shí)曲線，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。
六、結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)目前數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于B/S模式的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)利用多傳感器、嵌入式ARM微處理器等硬件來(lái)采集、處理及傳輸數(shù)據(jù)，使用HTML5+ CSS + JavaScript + JSP + Ajax 等相關(guān)技術(shù)來(lái)編寫Web服務(wù)器，采用SQL Server2008作為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)提前預(yù)設(shè)報(bào)警閾值，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)時(shí)、快速、及時(shí)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)。目前，該系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)到機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)下關(guān)鍵部件的信號(hào)，還不能進(jìn)行相應(yīng)的故障診斷，針對(duì)該問題，后續(xù)會(huì)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷故障的相關(guān)研究，來(lái)建立相應(yīng)專家系統(tǒng)，并應(yīng)用到該系統(tǒng)中。
作者：徐振 孫首群 上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
