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基于B/S 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)
發(fā)布日期：2016-11-16 來源：《上海設(shè)備管理》
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隨著數(shù)字技術(shù)和計算機(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)床正常運轉(zhuǎn)的核心問題。
面對日益復(fù)雜的高檔數(shù)控機(jī)床等生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)加工過程中實時、快速、及時地檢測識別其中的故障，已經(jīng)遠(yuǎn)非操作人員力所能及。因此，遠(yuǎn)程實時在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的一部分，越來越顯示其重要性。
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)測技術(shù)得到了快速的提高。針對數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(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)計了一個基于B/S模式的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，來實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行及時的故障診斷并快速做出反應(yīng)。
一、系統(tǒng)的整體設(shè)計
1、系統(tǒng)需要實現(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)來建立基于B/S模式的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)實時采集和分析數(shù)控機(jī)床運行過程中的各種狀態(tài)參數(shù)如溫度信號、振動信號、電流信號等，對機(jī)床設(shè)備進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)測評估、故障預(yù)測并能快速做出反應(yīng)，來提高機(jī)床設(shè)備運行的安全性、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)計方案
本系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/Web服務(wù)器）模式來設(shè)計，在數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件上安裝振動傳感器、溫度傳感器、電流傳感器來采集信號，將振動、溫度、電流作為檢測對象，利用嵌入式ARM微處理器來處理、存儲及傳輸信號。在PC機(jī)上以Myeclipse10作為開發(fā)平臺，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)來進(jìn)行Web服務(wù)器的開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2008。最后使用Socket技術(shù)進(jìn)行編程，來實現(xiàn)嵌入式ARM微處理器與PC機(jī)的通信，將處理過的信號傳輸并存儲到SQL Server2008數(shù)據(jù)庫中，并通過Web服務(wù)器讀取，將信號以實時數(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
為了實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床運行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，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、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信號進(jìn)行采集，之后通過工業(yè)現(xiàn)場總線將采集到的信號傳送至ARM微處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及存儲，然后通過編寫Socket相關(guān)程序來實現(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，最后存儲到數(shù)據(jù)庫SQL Server2008中。用戶通過瀏覽器登陸系統(tǒng)后，點擊查看參數(shù)按鈕，瀏覽器會發(fā)出請求給Web服務(wù)器，緊接著Web服務(wù)器會調(diào)用數(shù)據(jù)庫SQL Server2008中的數(shù)據(jù)，對請求作出響應(yīng)，將數(shù)據(jù)以實時數(shù)據(jù)及圖形曲線的形式顯示在瀏覽器上，同時會將相應(yīng)的數(shù)據(jù)與初設(shè)的報警閾值進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)超過閾值后會報警并提示操作者。
二、數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸模塊設(shè)計
目前對數(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。基于外接電路的采集方式是從機(jī)床電氣電路中提取信號，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)運行，簡化了車間布置；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)點提供更強(qiáng)大的運算處理能力，能夠獨立地進(jìn)行采集處理存儲和顯示等任務(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。
該模塊主要由振動傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、工業(yè)現(xiàn)場總線、嵌入式ARM微處理器組成。
首先，將振動傳感器、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，通過工業(yè)現(xiàn)場總線將傳感器采集到的信號傳輸?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，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轉(zhuǎn)換成可以被識別讀取的數(shù)字信號，接著進(jìn)行簡單的去噪預(yù)處理，來降低采集信號中的噪聲干擾，然后將信號存儲到ARM微處理器的文件夾中。
最后通過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)報式Socket（SOCK_DGRAM），其中流式Socket是面向連接的，針對于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)庫的設(shè)計
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2008，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫名稱為db _CncMonitorSystem。數(shù)據(jù)庫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)床主軸運行狀態(tài)參數(shù)表、機(jī)床滾珠絲杠運行狀態(tài)參數(shù)表、機(jī)床導(dǎo)軌運行狀態(tài)參數(shù)表、機(jī)床故障檢修信息表、機(jī)床報警信息表。其中，用戶表、用戶角色表、用戶資源表用來存儲用戶信息、用戶的權(quán)限等級及不同權(quán)限等級可使用的資源等信息；機(jī)床基本信息表用于存儲數(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)時間、投入使用時間、機(jī)床類型、機(jī)床型號、機(jī)床參數(shù)等；機(jī)床主軸運行狀態(tài)參數(shù)表主要用于存儲主軸在運行狀態(tài)下的振動（頻率、振幅）、溫度、電流信號；機(jī)床滾珠絲杠運行狀態(tài)參數(shù)表主要用于存儲滾珠絲杠在運行狀態(tài)下的振動（頻率、振幅）、溫度、電流信號；機(jī)床導(dǎo)軌運行狀態(tài)參數(shù)表主要用于存儲導(dǎo)軌在運行狀態(tài)下的振動（頻率、振幅）、溫度信號；機(jī)床故障檢修信息表主要用于存儲故障發(fā)生的部位、原因、時間、檢修人員；機(jī)床報警信息表主要用于存儲報警原因、報警時間、發(fā)生故障引起報警的部位。
四、 Web 服務(wù)器模塊的設(shè)計
本模塊的開發(fā)平臺采用Myeclipse10，前臺采用HTML5 + CSS + JavaScript + JSP + Ajax 進(jìn)行編寫，后臺采用Java編程語言，同時結(jié)合Struts2.0，Spring3.0，Hibernate3.0 三大主流框架進(jìn)行開發(fā)。
整個Web 服務(wù)器包括六個模塊，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)測數(shù)據(jù)模塊、機(jī)床檢修記錄模塊、機(jī)床報警記錄模塊、報表查詢模塊、系統(tǒng)管理模塊。
Web 服務(wù)器的開發(fā)是整個系統(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)來實現(xiàn)瀏覽器的無閃動的實時刷新效果。
五、系統(tǒng)測試
將該系統(tǒng)安裝在數(shù)控車床上來測試系統(tǒng)的可行性，通過測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示機(jī)床運行狀態(tài)下的各項參數(shù)及實時曲線，能夠達(dá)到實時遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。
六、結(jié)束語
本文針對目前數(shù)控機(jī)床在運行狀態(tài)下的監(jiān)測問題，設(shè)計并實現(xiàn)了基于B/S模式的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)利用多傳感器、嵌入式ARM微處理器等硬件來采集、處理及傳輸數(shù)據(jù)，使用HTML5+ CSS + JavaScript + JSP + Ajax 等相關(guān)技術(shù)來編寫Web服務(wù)器，采用SQL Server2008作為數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，通過提前預(yù)設(shè)報警閾值，來實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床在運行狀態(tài)下的實時、快速、及時的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測。目前，該系統(tǒng)只能監(jiān)測到機(jī)床運行狀態(tài)下關(guān)鍵部件的信號，還不能進(jìn)行相應(yīng)的故障診斷，針對該問題，后續(xù)會進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷故障的相關(guān)研究，來建立相應(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
