唐 佳，王玉國，謝 斌，鄭 堃

（1.南京工程學院汽車與軌道交通學院，南京 211167；2.南京康尼精密機械有限公司，南京 210038）

0 引言

隨著德國工業(yè)4.0中智能制造、智能工廠等概念逐漸普及[1]，我國出臺“中國制造2025”、“智能制造發(fā)展規(guī)劃”等政策[2]。智能制造工廠需要實時監(jiān)控車間作業(yè)運行狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測能夠滿足這一要求。對車間監(jiān)控層和設(shè)備監(jiān)控層的運行狀態(tài)信息進行信息分類、信息表述及映射關(guān)系研究，是智能制造領(lǐng)域研究熱點[3]。

機械加工設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測是依靠設(shè)備狀態(tài)信息采集，為了滿足數(shù)據(jù)采集的要求，將現(xiàn)場設(shè)備層的生產(chǎn)加工設(shè)備與車間監(jiān)控層緊密關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對車間設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測。通過采集的機械加工設(shè)備運行狀態(tài)信息，可以對零件加工信息、質(zhì)量信息、生產(chǎn)設(shè)備能耗信息、故障信息等進行監(jiān)測，將這些生產(chǎn)信息通過算法進行篩選、處理和分析，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層和車間監(jiān)控層之間的有效信息管理[4]。根據(jù)機械加工設(shè)備特點，采用不同的采集方式。將現(xiàn)有設(shè)備信息采集方式整理分析，提出一套符合中小型制造單位設(shè)備信息采集需求的混合采集方式。

1 機械加工設(shè)備信息采集方式

經(jīng)過長期發(fā)展與研究，專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)廠商主要以德國SIEMENS系統(tǒng)和日本FANUC為主，對此展開相關(guān)的設(shè)備信息采集研究較多[5]。國內(nèi)如沈陽數(shù)控的i5 數(shù)控系統(tǒng)[6]、華中數(shù)控的華中8 型高端數(shù)控系統(tǒng)[7]、北京精雕的JD50數(shù)控系統(tǒng)[8]等研究相對較少。數(shù)控系統(tǒng)的廠商根據(jù)自身需要開發(fā)適用于其生產(chǎn)特點的數(shù)控信息采集系統(tǒng)，如SIEMEN 的Sincom[9]、FANUC 的MODEL、西班牙Fagor的WINDNC軟件[10]等。由于受數(shù)控系統(tǒng)和接口的限制，這些軟件費用高，且兼容性差。因此，衍生出適用統(tǒng)一且兼容性好的設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究。

從總體而言，機械加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集方式可以大體概括為3 種：第一種是基于傳感裝置的采集方式，主要是針對不具備數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)控設(shè)備或者不同品牌、系列的機械加工設(shè)備等，通過傳感裝置如主軸控制電路的電流、功率等電氣信號或者振動、噪聲等機械信號，完成設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集；第二種是手工錄入信息采集，人工錄入或者配合二維碼、RFID 射頻識別技術(shù)等來完成生產(chǎn)信息的錄入和采集；第三種是基于機床數(shù)控系統(tǒng)通信接口，如RS232、以太網(wǎng)接口等，通過接口采集到數(shù)據(jù)導出進一步分析，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

機械加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集方法框圖如圖1 所示，3種采集方式實現(xiàn)的平臺大致分為嵌入式和PC 平臺2種。以往嵌入式平臺中基于單片機的研究較多，現(xiàn)今嵌入式功能強大、工作穩(wěn)定，在制造業(yè)得到越來越廣泛的應用。在生產(chǎn)制造企業(yè)，數(shù)據(jù)采集以PC平臺為主，相關(guān)采集研究較多。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，離散型制造車間涉及到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和穩(wěn)定性，以往對有線網(wǎng)絡(luò)通信較多，現(xiàn)如今無線傳輸?shù)目焖侔l(fā)展，具有傳輸快速、安全、穩(wěn)定的優(yōu)點，越來越多的企業(yè)采用無線傳輸?shù)姆绞健?/p>

圖1 機械加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集方法框架圖

2 機械加工設(shè)備信息采集現(xiàn)狀

一般的數(shù)控加工設(shè)備一般帶有RS232、DNC 接口。少部分高性能高品質(zhì)的數(shù)控設(shè)備帶有網(wǎng)絡(luò)接口和雙向通信OPC/UA 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集方法，如SIE?MENS推出的Sinumerik840Dsl，840Disl等。有基于傳感裝置可以對設(shè)備加工數(shù)據(jù)、進給數(shù)據(jù)等進行后臺自動實時采集；也有傳統(tǒng)手工錄入的數(shù)據(jù)采集方式，實現(xiàn)生產(chǎn)信息管理。

2.1 基于通信接口的機床數(shù)據(jù)采集

2.1.1 基于RS232串口的采集方法

南京航空航天大學的李波[11]基于RS232串口，采用宏指令和編寫程序上報的方法對具有自動輸出功能的FANUC 數(shù)控加工設(shè)備進行信息采集，對一些不具備串口變量自動輸出的SIEMENS 系統(tǒng)，只能通過手動方式將采集的信息輸出。上海交通大學夏志等[12]基于機床串口利用無線傳輸?shù)姆绞?，研發(fā)出新型的嵌入式數(shù)據(jù)采集終端，定制相應的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控機床加工狀態(tài)的信息采集。

2.1.2 基于DNC接口的采集方法

DNC 服務商根據(jù)實際需求增加了機床信息采集模塊，同時對一些軟件公司開放了數(shù)控系統(tǒng)的訪問權(quán)限，如丹麥CIMCO 公司的MDC-MAX 6[13]、德國SIEMENS 公司的MCIS[14]和美國Ascendant Technolo?gies 的eXtremeDNC 軟件[15]。通過DNC、RS232 等串口通信設(shè)備運行狀態(tài)采集方式，存在設(shè)備類型不同、通信接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)異常等問題。

2.1.3 基于OPC規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)接口的采集方法

上海同濟大學的樊留群[16]針對SIEMENS840 型號的數(shù)控機床展開了針對性研究，基于以太網(wǎng)口對機床加工信息、刀具信息、PLC 開關(guān)信號等進行采集。劉培躍等[17]利用數(shù)控機床開放的以太網(wǎng)接口，整合包括SIEMENS 提供的DDE 服務、人機界面和FU?NAC 提供官方FOCAS 庫，對加工過程中的軸坐標和宏變量進行讀取、采集，開發(fā)了一套監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)機床運行狀態(tài)的監(jiān)測。北京理工大學的高振清等[18]利用以太網(wǎng)和RS232 接口對PLC 的開關(guān)信號進行采集，實現(xiàn)對車間現(xiàn)場信息監(jiān)測。巴西圣保羅大學研究的Nunzio M.Torrisi 等[19]利用數(shù)控設(shè)備的OPC 協(xié)議，設(shè)計出一種基于CyberOPC 的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控機床信息采集和監(jiān)控功能。西門子公司[20]研究的SIMATIC WINCC 系統(tǒng)，通過對PLC 變量進行采集，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測。Ke Wang[21]利用以太網(wǎng)接口和Windows NT 技術(shù)，設(shè)計數(shù)控加工設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)機床設(shè)備信息采集和傳輸。利用主流數(shù)控機床本身提供的開放接口和通信協(xié)議，實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)采集較為復雜，根據(jù)現(xiàn)場需要不同，直接購買數(shù)控機床，開發(fā)相應的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備和系統(tǒng)費用較高。數(shù)控機床通信接口如圖2所示。

圖2 數(shù)控機床通信接口圖

2.2 基于傳感裝置的機床數(shù)據(jù)采集

隨著企業(yè)開展信息化、數(shù)字化生產(chǎn)，重視機械加工設(shè)備運行管理。國內(nèi)外許多研究院和高校都在開發(fā)機械加工設(shè)備采集系統(tǒng)，許多研究成果在企業(yè)的實際生產(chǎn)中得到應用，基于傳感裝置的設(shè)備采集圖如圖3所示，其中設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集主要分為機械信號和電氣信號。

圖3 基于傳感裝置的設(shè)備狀態(tài)采集圖

2.2.1 基于機械信號

中科院張愛瑜等[22]在數(shù)控機床故障多發(fā)部增添振動、噪聲等傳感裝置，建立一種數(shù)據(jù)機床故障診斷分析的模型，設(shè)計機床設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)控機床狀態(tài)實時監(jiān)測。Faassen Ronald[23]通過測量數(shù)控機床的不同信號對刀具走刀時切削產(chǎn)生顫振頻率的影響，在監(jiān)測過程中對比發(fā)現(xiàn)，其中加速度信號對切削的顫振影響最大，對加速度監(jiān)測可以更好地實現(xiàn)機床運行狀態(tài)的監(jiān)測。CH Lee等[24]利用切削力傳感裝置對機床進行信號采集，完成對工件加工質(zhì)量的監(jiān)測。

2.2.2 基于電氣信號

金東勛等[25]根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場需要研究開發(fā)了一套U-Manufacturing 系統(tǒng)，利用電流傳感裝置設(shè)計現(xiàn)場終端實現(xiàn)對車間內(nèi)數(shù)控設(shè)備加工狀態(tài)的監(jiān)測。D.Mourtzis 等[26]基于無線傳感裝置設(shè)計了一套生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)，利用電流傳感器對車間數(shù)控設(shè)備的功率進行實時監(jiān)測，且對設(shè)備生產(chǎn)能耗進行預估。南京航空航天大學的徐永樂[27]通過采集機床主軸電流信號，通過以太網(wǎng)完成設(shè)備狀態(tài)信息的上傳。重慶大學的劉飛[28]基于功率信號，參考功率曲線實時對設(shè)備狀態(tài)信息進行監(jiān)測。

無論是對機械信號還是對機床的電氣信號進行采集，不依賴于數(shù)控系統(tǒng)，在機床故障診斷中應用較為廣泛，針對不同設(shè)備靈活選用傳感裝置，但其前期開發(fā)成本和難度較大，進行相應的研究較少，在未來機床數(shù)據(jù)采集方式中將會成為研究熱點問題。

2.3 手工錄入的機床數(shù)據(jù)采集

在離散型作業(yè)車間生產(chǎn)加工的過程中，通過手工填寫、電腦錄入，結(jié)合二維碼、RFID 采集、掃描槍等半自動信息采集技術(shù)，對人員、設(shè)備、物料、質(zhì)量、工件等生產(chǎn)過程信息采集。東北大學的舒冬梅等[29]基于單片機設(shè)計出一套遠程測控系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集以及遠程監(jiān)控。清華大學的馬智亮等[30]根據(jù)現(xiàn)場需要，開發(fā)一套基于掌上電腦的信息管理終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。浙江大學的王加興等[31]基于MIT技術(shù)和RFID射頻技術(shù)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)生產(chǎn)加工過程信息實時監(jiān)控。

表1 3種采集方式特點對比

手工數(shù)據(jù)采集方式雖然較以上2種采集方式，存在數(shù)據(jù)傳輸時間間隔較大、實時性準確性較差、易受人為因素干擾等問題，但憑借易實現(xiàn)、成本低的優(yōu)勢，在中小型企業(yè)得到廣泛應用。圖4所示為某制造企業(yè)的手工錄入設(shè)備狀態(tài)采集圖，這種采集方式可以對鍛造設(shè)備信息、數(shù)控機床信息、質(zhì)量檢測信息、生產(chǎn)物料等信息實現(xiàn)在線管理與監(jiān)測。如表1所示的3種采集方式特點對比，將以上3種采集方式就兼容性、適用范圍等特點匯總分析，提出一種混合機床數(shù)據(jù)采集方式。

圖4 基于手工錄入的設(shè)備狀態(tài)采集圖

3 手工和傳感裝置混合機床數(shù)據(jù)采集

結(jié)合中小型制造企業(yè)的現(xiàn)狀，車間內(nèi)存在一些離線老舊設(shè)備和新引進的設(shè)備，新老設(shè)備之間無法實現(xiàn)統(tǒng)一的信息管理，希望低成本實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)、能耗、效率等方面的監(jiān)測管理。因此，提出將手工和傳感裝置相結(jié)合的設(shè)備采集方式。通過終端手工錄入員工、設(shè)備、物料、工序等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將一些重要的機械加工設(shè)備采用電流、功率等傳感裝置進行設(shè)備數(shù)據(jù)采集，通過嵌入式平臺終端上傳至企業(yè)服務器?；旌喜杉绞脚c生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES結(jié)合，擴充對生產(chǎn)信息管理和過程監(jiān)測。其作為實現(xiàn)信息化、數(shù)字化生產(chǎn)的中間解決方案，給制造單位更好地提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。這種采集方式不依賴于數(shù)控系統(tǒng)，兼容性好。手工采集和設(shè)備狀態(tài)自動采集相配合，降低人工干擾因素，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性。

4 結(jié)束語

基于機床接口數(shù)據(jù)采集方式適用于同一批品牌或者相同通信協(xié)議的機械加工設(shè)備，不同設(shè)備之間存在接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)異常等問題?；趥鞲醒b置的機床數(shù)據(jù)采集方式不依賴于數(shù)控系統(tǒng)，可以針對不同設(shè)備靈活選用，但前期研發(fā)成本高、實現(xiàn)較為困難?；谑止や浫氲臋C床數(shù)據(jù)采集，具有易實現(xiàn)、低成本的優(yōu)勢，但人為干擾因素強，實時性、準確性較差。

目前國內(nèi)中小型制造單位大多采用手工方式進行生產(chǎn)管理，主觀性和隨意性較強，機械設(shè)備種類繁雜且存在大量離線設(shè)備，設(shè)備無法實現(xiàn)統(tǒng)一管理，也無法實現(xiàn)實時的生產(chǎn)過程控制。因此，對設(shè)備狀態(tài)信息采集的需求強烈，想以較低的成本實現(xiàn)。結(jié)合原有的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，將手工錄入和基于傳感裝置相結(jié)合的方式，完成生產(chǎn)信息管理和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。