徐洪健 趙波/上海三一精機(jī)有限公司研究院電氣所

基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐洪健 趙波/上海三一精機(jī)有限公司研究院電氣所

本文以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集的需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行情況、NC、PMC和報(bào)警等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，形成可靠完善的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，確保生產(chǎn)安全高效，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良。重點(diǎn)是完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用戶界面的開發(fā)。采用原型法設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用C#語言在。NET框架上開發(fā)用戶界面，應(yīng)用FANUC的FOCAS庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與CNC的通訊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)用SQLServer數(shù)據(jù)庫對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存放。

數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；用戶界面

一、引言

本課題所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以FANUC 0i-TD數(shù)控系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。FANUC0i-TD數(shù)控系統(tǒng)裝配有高可靠性、高性價(jià)比的納米CNC，帶有納米插補(bǔ)功能，并且配有高速、大容量的PMC，支持100Mbps的內(nèi)嵌式以太網(wǎng)。

通過內(nèi)嵌式以太網(wǎng)可將CNC與PC機(jī)連接起來，即可進(jìn)行NC程序的傳輸、機(jī)械的控制和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、機(jī)械的調(diào)整和維護(hù)。其基本功能包括：

1.基于FTP（File Transfer Protocol）文件傳輸功能的NC程序的傳輸可通過CNC畫面的操作來傳輸NC程序。電腦側(cè)使用FTP服務(wù)器·軟件，所以，可以與Windows環(huán)境以外的主機(jī)傳輸NC程序。

2.基于FOCAS1/Ethernet的機(jī)械控制和監(jiān)視可利用 i CELL和 CIMPLICITY（FANUC數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床集中管理軟件），創(chuàng)建進(jìn)行機(jī)械的控制和監(jiān)視的系統(tǒng)。此外，也可通過CNC主導(dǎo)信息通知功能，利用NC程序、或者梯圖程序發(fā)出的指令，從CNC自發(fā)地向電腦的應(yīng)用程序通知信息（CNC/PMC數(shù)據(jù)）。

3.可以在線進(jìn)行基于FANUC LADDER-Ⅲ以及SERVO GUIDE的機(jī)械的調(diào)整和維護(hù)、梯形圖程序的維護(hù)和伺服電機(jī)的調(diào)整。

二、FANUC數(shù)控系統(tǒng)通訊

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)與PC機(jī)的通訊通過FANUC以太網(wǎng)功能（Ethernet Function）實(shí)現(xiàn)。FANUC以太網(wǎng)功能主要包含：NC數(shù)據(jù)傳送、遠(yuǎn)程控制等功能。其主要通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，使用時(shí)在CNC系統(tǒng)上只需設(shè)定CNC的IP、TCP和UDP端口等信息，在PC機(jī)人機(jī)界面中設(shè)置IP和端口號(hào)即可。

采用FANUC數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床均具有以太網(wǎng)功能，它的通訊協(xié)議是TCP/IP（Transmission ControlPtotocol/Internet Protool）協(xié)議，TCP/IP采用四層的層級(jí)結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。這四層分別為：

1.應(yīng)用層：應(yīng)用程序間溝通的層，如簡(jiǎn)單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問協(xié)議（Telnet）等。

2.傳輸層：提供了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，如傳輸控制控制協(xié)議（TCP）、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）等。

3.互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)提供基本的數(shù)據(jù)封包傳送功能，讓每一塊數(shù)據(jù)包都能夠到達(dá)目的主機(jī)（但不檢查是否被正確接收），如網(wǎng)際協(xié)議（IP）。

4.網(wǎng)絡(luò)接口層：對(duì)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)媒體的管理，定義如何使用實(shí)際網(wǎng)絡(luò)（如Ethernet、Serial Line等）來傳送數(shù)據(jù)。

a）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)架分析

在FANUC數(shù)控機(jī)床上開通FOCAS功能，將數(shù)控系統(tǒng)和PC機(jī)通過網(wǎng)線連接，分別在CNC和數(shù)據(jù)采集軟件中設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通訊。在數(shù)據(jù)采集軟件上實(shí)現(xiàn)對(duì)NC各個(gè)軸坐標(biāo)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等信息的查看，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸伺服參數(shù)實(shí)時(shí)線性顯示，對(duì)報(bào)警記錄和用戶登錄信息在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行記錄。

b）FOCAS技術(shù)

FOCAS可以通過HSSB或以太網(wǎng)（TCP/IP）接口在PC和CNC之間完成交換數(shù)據(jù)和信息共享，它的主要功能包括以下幾部分：

1.CNC：NC控制的伺服軸、主軸相關(guān)數(shù)據(jù)的讀寫

2.CNC：加工程序相關(guān)的操作

3.CNC:讀寫CNC文件數(shù)據(jù)

4.CNC:讀取刀具壽命管理信息

5.CNC:讀取歷史信息記錄

6.CNC:讀取伺服、主軸數(shù)據(jù)

7.CNC:讀取數(shù)據(jù)服務(wù)器、DNC1、DNC2、OSI-Ethernet（只能使用高速串行總線HSSB）相關(guān)信息

8.CNC:讀取波形診斷數(shù)據(jù)

9.CNC:讀取沖床CNC相關(guān)數(shù)據(jù)

10.CNC:讀寫激光器CNC相關(guān)數(shù)據(jù)

11.CNC:讀寫伺服學(xué)習(xí)控制相關(guān)數(shù)據(jù)（只能使用HSSB）

12.CNC:讀寫其他數(shù)據(jù)

這些數(shù)據(jù)包括連續(xù)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和操作提示信息等等。

13.PMC:讀寫PMC相關(guān)數(shù)據(jù)

這些數(shù)據(jù)包括G、F、Y、A、R、T、C、D地址等。

PMC:讀寫PROFIBUS-DP相關(guān)內(nèi)容

如后圖1FOCAS功能

FOCAS函數(shù)庫功能非常強(qiáng)大，但在軟件的實(shí)際設(shè)計(jì)中，只取用數(shù)據(jù)采集相關(guān)的函數(shù)，不對(duì)其他函數(shù)進(jìn)行使用，原因是對(duì)原函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理并不滿足需求。因此，在報(bào)警解決信息與報(bào)警錄入到歷史信息中，采用自行編程，更加貼近實(shí)際，滿足需求。

在使用C#編程中，嵌入FANUC提供FOCAS的fwlib32.dll文件和fwlib32.cs類庫，實(shí)現(xiàn)與CNC的通訊和數(shù)據(jù)采集。

DLL文件為動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library），是Microsoft Windows最重要的組成要素之一。動(dòng)態(tài)鏈接庫是不能直接執(zhí)行的，也不能接收消息，它只是一個(gè)獨(dú)立的文件，其中包含能被程序或其他DLL調(diào)用來完成一定操作的方法。但這方法不是執(zhí)行程序本身的一部分，而是根據(jù)進(jìn)程的需要按需載入，才能發(fā)揮作用。FOCAS中的fwlib32.dll中的方法就是通過fwlib32.cs的調(diào)用實(shí)現(xiàn)，用戶通過使用fwlib32.cs類庫就可以調(diào)用這些方法，使用非常方便。

c）功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

除了純粹的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)還需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，方便進(jìn)一步應(yīng)用。軟件具體功能設(shè)計(jì)如下：

如后圖2軟件功能結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集是指PC機(jī)與CNC進(jìn)行連接，將CNC中信息采集到PC機(jī)上。軟件所采集的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)分為報(bào)警信息、CNC中各個(gè)軸坐標(biāo)、主軸的I/O點(diǎn)狀態(tài)和主軸伺服參數(shù)。

軟件以監(jiān)測(cè)為主，通過報(bào)警信息可以直接了解到數(shù)控機(jī)床是否正常運(yùn)行及機(jī)床運(yùn)行不正常的原因。通過各個(gè)軸的位置坐標(biāo)信息和進(jìn)給速度可以了解到機(jī)床加工狀態(tài)。主軸的性能決定加工的質(zhì)量和切削效率的重要因素，所以對(duì)主軸的數(shù)據(jù)采集尤為重要。所以對(duì)PMC中與主軸相關(guān)的檔位、主軸松拉刀和風(fēng)冷油冷等信號(hào)進(jìn)行采集；對(duì)主軸伺服功率繪制線性圖，實(shí)時(shí)了解其穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)處理功能：

數(shù)據(jù)處理指數(shù)據(jù)庫表的建立，對(duì)用戶和歷史報(bào)警等信息進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)增加、刪除、查詢、刷新等操作；實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)報(bào)警的存儲(chǔ)和將現(xiàn)報(bào)警添加到歷史報(bào)警記錄中；對(duì)報(bào)警的解決辦法進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)自主寫入解決辦法。

用戶可以查看用戶數(shù)量及各用戶的用戶名與密碼，更可以實(shí)現(xiàn)用戶的增加刪除與查詢功能。

用戶可查看當(dāng)前報(bào)警的詳細(xì)信息，包括報(bào)警序號(hào)，報(bào)警內(nèi)容及報(bào)警解決辦法；也可以查看歷史報(bào)警，并對(duì)歷史報(bào)警信息進(jìn)行查詢、刪除和刷新的操作，而且用戶可以通過相關(guān)操作將處理完的現(xiàn)報(bào)警信息轉(zhuǎn)入到歷史報(bào)警信息中。

可視化功能：

可視化通過人機(jī)界面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)用戶登錄，顯示NC、PMC、主軸伺服參數(shù)與報(bào)警信息，幫助等功能。對(duì)主軸伺服系數(shù)等進(jìn)行記錄并顯示實(shí)時(shí)曲線。

第一部分是登陸界面。通過驗(yàn)證后才可以進(jìn)入到主界面，驗(yàn)證成功后隱去登陸界面，顯示數(shù)據(jù)采集主界面。

第二部分是數(shù)據(jù)采集主界面。在主界面中，用戶可以查看到報(bào)警信息的報(bào)警序號(hào)和報(bào)警描述；監(jiān)測(cè)到NC各個(gè)軸的實(shí)際坐標(biāo)與機(jī)器坐標(biāo)與主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度；查看主軸各I/O點(diǎn)狀態(tài)與主軸伺服參數(shù)。輔助功能是機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和系統(tǒng)時(shí)間。配有“報(bào)警詳情”按鈕、“用戶管理”按鈕、“系統(tǒng)配置”按鈕、“幫助”按鈕，方便用戶進(jìn)一步操作。

第三部分是用戶管理界面，用戶通過點(diǎn)擊主界面的“用戶”按鈕進(jìn)入。在此界面中，用戶可以查看和修改用戶數(shù)量及各用戶的用戶名與密碼。

第四部分是報(bào)警界面，用戶通過點(diǎn)擊主界面的“詳情”按鈕進(jìn)入。在此界面中，可查看當(dāng)前報(bào)警的詳細(xì)信息，包括報(bào)警序號(hào)，報(bào)警內(nèi)容及報(bào)警解決辦法；也可以查看歷史報(bào)警，并對(duì)歷史報(bào)警信息進(jìn)行查詢、刪除和刷新的操作，而且用戶可以通過“確認(rèn)”按鈕將處理完的現(xiàn)報(bào)警信息轉(zhuǎn)入到歷史報(bào)警信息中。

第五部分是系統(tǒng)界面，用戶通過點(diǎn)擊主界面的“系統(tǒng)”按鈕進(jìn)入。此界面分為兩部分：

1.連接：用于設(shè)置PC機(jī)的IP地址，與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)相互通訊。軟件預(yù)設(shè)初始IP地址為192.168.1.11，端口號(hào)為8193，用戶也可根據(jù)需要更改。

2.報(bào)警錄入：用于對(duì)報(bào)警的序號(hào)、報(bào)警描述和解決辦法進(jìn)行增加，刪除、查詢與刷新的操作。

第六部分是幫助界面，用戶通過點(diǎn)擊主界面的“幫助”按鈕進(jìn)入。此界面介紹了本采集系統(tǒng)的功能與操作說明。

如后圖3界面部分效果圖

三、結(jié)論

該界面軟件可廣泛應(yīng)用在Fanuc版本的人機(jī)交互界面中，主要面向高端數(shù)控機(jī)床。彌補(bǔ)了Fanuc自身軟件在人機(jī)交互方面專機(jī)化特點(diǎn)的不足。

該界面軟件能夠直接顯示，而且始終顯示機(jī)床重要信息，比如機(jī)床主軸、刀具當(dāng)前狀況信息，托盤、工位當(dāng)前加工工件信息等等。能第一時(shí)間將系統(tǒng)信息傳遞給操作者，避免繁瑣操作。采用該界面軟件，可以豐富機(jī)床信息的顯示方式，如圖片、文字，而不再是單一地以LED燈的方式顯示，人機(jī)交互性可明顯提高，用戶體驗(yàn)好。

[1]曹錦江，汪木蘭，左健民。PC機(jī)與FANUC數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信軟件的開發(fā)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2006,07: 53-55+61.

[2]林勤花NET平臺(tái)下基于LINQ三層架構(gòu)的應(yīng)用 [J].電腦與信息技術(shù)，2013,01: 63-65.

圖1 FOCAS功能

圖2 軟件功能結(jié)構(gòu)

圖3 界面部分效果圖