蘇春燕 孟祥懿 崔建輝

(①天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350；②天津市鑫聯(lián)建輝金屬制品有限公司，天津 301505)

信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems,CPS)是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，可實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)?；贑PS的智能制造系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外當(dāng)前智能制造領(lǐng)域的研究熱點[1]。而數(shù)控機床是制造過程的基本單位，是智能化、信息化制造不可或缺的一部分[2]，圍繞CPS技術(shù)體系，目前已有一些探索用計算機聯(lián)網(wǎng)數(shù)控機床進(jìn)行運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的文章，但其中對利用信息技術(shù)自動記錄機床批量加工的產(chǎn)品編號、數(shù)量及時間等信息以供查詢和統(tǒng)計的研究很少，對運行監(jiān)控與生產(chǎn)過程管理的綜合系統(tǒng)實現(xiàn)的研究也較少。本文設(shè)計的系統(tǒng)在這方面做了探索和研究，其采用C/S開發(fā)框架，使用Visual C#語言、配合SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)。保證只有在企業(yè)內(nèi)安裝了系統(tǒng)程序的計算機才能監(jiān)控機床運行并記錄和管理機床信息，因此能較好地保證系統(tǒng)運行和數(shù)據(jù)的安全性。

1 平臺總體設(shè)計

在調(diào)研企業(yè)生產(chǎn)實際情況和企業(yè)對信息系統(tǒng)需求基礎(chǔ)上，系統(tǒng)功能設(shè)計如圖1所示。其中①所標(biāo)注的是只有超級用戶有權(quán)限使用的功能，而②所標(biāo)注的是只有管理用戶有權(quán)限使用的功能，其他是所有用戶都能使用的功能。平臺的車間網(wǎng)絡(luò)分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，各個車間還可進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)到總監(jiān)控區(qū)統(tǒng)一監(jiān)控。

2 系統(tǒng)主要難點問題及其解決方式

“實現(xiàn)由計算機系統(tǒng)自動記錄每臺機床批量加工的產(chǎn)品編號、數(shù)量及時間等信息”是此系統(tǒng)的一個主要難點問題。系統(tǒng)對此問題的解決主要涉及以下3個方面。

2.1 數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)讀寫

機床批量加工信息的采集首先需要系統(tǒng)與機床聯(lián)網(wǎng)。由文獻(xiàn)[3-6]得到目前已有的數(shù)據(jù)采集方式主要有PLC采集、宏程序輸出、外加傳感器采集和開放式數(shù)控系統(tǒng)接口采集。其中開放式數(shù)控系統(tǒng)接口采集不需要附加硬件設(shè)備，可以實時采集不同類型機床信息，因此系統(tǒng)采用這種方式實現(xiàn)對機床聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)讀取。

開放式數(shù)控系統(tǒng)接口，即數(shù)控機床的系統(tǒng)提供一組外部可以調(diào)用的開放函數(shù)，以實現(xiàn)外部系統(tǒng)對其聯(lián)網(wǎng)和信息讀寫。這里以FANUC系統(tǒng)數(shù)控機床為例介紹，這類系統(tǒng)提供了FOCAS開發(fā)包，調(diào)用其定義的函數(shù)可實現(xiàn)機床與計算機的聯(lián)網(wǎng)通信。這些開發(fā)包中的函數(shù)允許用 C++或C#程序調(diào)用。文獻(xiàn)[7]中給出了FOCAS開放接口函數(shù)的使用說明。如果程序中使用這種通信方式，需要將該開發(fā)包提供的一組類庫文檔(如：Fwlib32.dll)復(fù)制到項目存放其生成可執(zhí)行文件的文件夾“……/debug”下，并將開發(fā)包提供的fwlib32.cs文件復(fù)制到項目的根目錄中[8]，這個文件給出了包含訪問數(shù)控機床功能函數(shù)聲明的Focas1 類的定義，這些函數(shù)通常都定義為靜態(tài)、公有的，可以通過Focas1類名直接調(diào)用。另外，該類的定義中還包含相關(guān)類、類型和符號常量的聲明。

比如，F(xiàn)ocas1 類中的函數(shù)cnc_allclibhndl3()的作用是聯(lián)網(wǎng)指定機床，其調(diào)用方式是：

Focas1.cnc_allclibhndl3(機床IP地址 , 機床端口號 , 延遲時間 , 連接帶回的庫句柄變量)；

下面是判斷機床是否連接成功算法的偽碼描述：

ret= Focas1.cnc_allclibhndl3(……)

if (ret == Focas1.EW_OK)

顯示聯(lián)網(wǎng)成功消息框

else

顯示聯(lián)網(wǎng)失敗消息框

上面?zhèn)未a中Focas1.EW_OK 即為Focas1類中定義的符號常量EW_OK，其代表操作成功的標(biāo)記值。

又如，F(xiàn)ocas1 類中的函數(shù)cnc_freelibhndl()的常用調(diào)用方式是：

ret = Focas1.cnc_freelibhndl(連接帶回的庫句柄變量);

上面調(diào)用方式的作用是與“連接帶回的庫句柄變量”中指定的已聯(lián)網(wǎng)機床斷開連接，且將返回值存入變量ret。如果ret等于Focas1.EW_OK，也表示斷開成功。該函數(shù)參數(shù)對應(yīng)cnc_allclibhndl3()函數(shù)的第4個參數(shù)。

2.2 “記錄機床批量加工產(chǎn)品相關(guān)信息”算法設(shè)計

難點問題的解決還需要根據(jù)機床加工產(chǎn)品的特點研究一個算法，來確定并保存特定機床批量加工產(chǎn)品的數(shù)量等信息。

機床加工的產(chǎn)品常通過多道工序完成，數(shù)控機床的一個CNC程序負(fù)責(zé)一道工序。由于數(shù)控加工的工序相對集中[9]，即數(shù)控機床上產(chǎn)品(工件)一次裝夾所完成的工序中，可加工完成鉆、擴、絞和銑等這些普通

機床的多道工序，所以這里說的工序可能包括普通機床的多道工序。數(shù)控機床每運行一次CNC程序即可完成產(chǎn)品某道工序的加工，這里的加工產(chǎn)品數(shù)是指產(chǎn)品的某道工序完成加工的數(shù)量。機床通常是讓某個工序?qū)?yīng)的CNC程序重復(fù)運行來批量完成產(chǎn)品此工序的加工。每個數(shù)控機床都有一個計數(shù)器，記錄和顯示該機床加工產(chǎn)品累計數(shù)量。這里開發(fā)的系統(tǒng)假設(shè)的工作流程是單人單日在一單臺機床完成一批產(chǎn)品的加工任務(wù)后記錄下此產(chǎn)品-工序在這個機床批量加工的數(shù)量，并在下個批量加工任務(wù)開始前將計數(shù)器人為清零。

算法整體設(shè)計思路是建立一個獨立線程，在此線程中根據(jù)數(shù)控機床數(shù)據(jù)表中記錄的每個機床的IP地址和端口號循環(huán)掃描、聯(lián)網(wǎng)各機床，并利用機床提供的開放接口函數(shù)從當(dāng)前聯(lián)網(wǎng)機床計數(shù)器讀取累計加工產(chǎn)品數(shù)量，再將這個加工數(shù)量及工序CNC程序號、機床號和觀測時間自動存入“產(chǎn)品工序加工記錄信息表”，即history表，這些信息可在此系統(tǒng)的信息管理中修改或刪除等，其也可為統(tǒng)計工人工作量提供參考數(shù)據(jù)。

算法具體設(shè)計是，對于一臺機床如果出現(xiàn)計數(shù)器清零(即同一工序新讀取的加工數(shù)小于數(shù)據(jù)表中存儲的加工數(shù))、運行的CNC程序改變或新的一天開始等條件，則表示一個新的批量加工開始。此時，系統(tǒng)就在history表中添加一條記錄此批量加工的CNC程序號、機床號和加工數(shù)量等的新記錄，否則表示繼續(xù)原來的批量加工，就只修改其對應(yīng)記錄的加工數(shù)、觀測時間的信息。此外智能判斷和提示機床批量加工前計數(shù)器未清零的情況。

記錄一臺機床在一個時間段內(nèi)、批量加工某產(chǎn)品工序的加工數(shù)算法的實現(xiàn)邏輯較復(fù)雜，這里用圖3流程圖說明。其設(shè)計前提是系統(tǒng)每掃描一遍所有機床的時間小于機床任意工序的裝夾與加工處理時間之和。

2.3 保存特定機床批量加工某個產(chǎn)品的生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)表

系統(tǒng)設(shè)計了機床的產(chǎn)品工序加工記錄信息表history、產(chǎn)品工序信息表proProcedure、工人信息表makerInfo和機床基本信息表cncInfo，通過這些表的關(guān)聯(lián)來記錄和處理機床的批量加工信息。其中history表包括ID、makerID、cncID、proProcedID、watchTime和quantity字段，它們依次表示記錄編號、工人編號、機床序號、產(chǎn)品工序編號、觀察時間和加工產(chǎn)品數(shù)量。

3 系統(tǒng)測試

3.1 主要難點問題解決效果測試

這里主要測試圖3算法邏輯是否正確。假設(shè)測試前“產(chǎn)品工序信息表proProcedure” 的具體內(nèi)容如表1所示，而history表的記錄為空，“機床基本信息表cncInfo”所列機床中只有編號為2和3的2臺機床處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。

表1 系統(tǒng)產(chǎn)品工序信息數(shù)據(jù)表proProcedure 內(nèi)容

測試基本操作：選擇“聯(lián)網(wǎng)所有機床”功能，此時系統(tǒng)循環(huán)重復(fù)掃描、聯(lián)網(wǎng)的所有機床，讀取當(dāng)前聯(lián)網(wǎng)機床的產(chǎn)品加工信息存入history表，同時所有聯(lián)網(wǎng)機床的基本信息以圖4展示的列表信息顯示，如果單擊此圖窗口中的“停止掃描聯(lián)網(wǎng)所有機床”按鈕，即可停止循環(huán)掃描。進(jìn)行邏輯功能測試前，首先啟動“聯(lián)網(wǎng)所有機床”功能。

邏輯測試1：將2臺數(shù)控機床加工產(chǎn)品工序的工序名均指定為“O1000”, 啟動機床加工工序，當(dāng)兩臺機床計數(shù)器的值都為1時暫停機床，此時history表內(nèi)容如表2所示。從表1可知工序名為“O1000”的“產(chǎn)品工序序號”是“1”，因此表2中proProcedID字段值為“1”。由于不能自動采集操作工人信息，這里 makerID的值設(shè)置為默認(rèn)值“0000”, 可使用此軟件系統(tǒng)手動輸入真正操作機床的工人編號。

表2 運行測試1后history數(shù)據(jù)表內(nèi)容

邏輯測試2：啟動2臺數(shù)控機床加工程序，當(dāng)其計數(shù)器值均為5時暫停運行，此時由于在同一工作日，機床CNC程序沒有變化，仍然為“O1000”，計數(shù)器的值有所增加，系統(tǒng)判定這是同一次批量加工，所以history表中記錄的quantity字段值由“1”變?yōu)椤?”。

邏輯測試3：將2臺數(shù)控機床的計數(shù)器值都清零，啟動加工程序，當(dāng)兩臺機床計數(shù)器值為1時暫停運行，此時雖然機床的 CNC程序沒有變化，但計數(shù)器的值由5變1，減少了，系統(tǒng)就判定已經(jīng)開始了一次新的批量加工，所以history表中會多出2條分別表示兩臺機床批量加工產(chǎn)品信息的新記錄，其quantity字段值為當(dāng)時機床計數(shù)器的值“1”。

邏輯測試4：將2臺數(shù)控機床加工產(chǎn)品工序的工序名均指定為“O1001”, 并清零計數(shù)器的值，啟動機床加工，當(dāng)兩臺機床計數(shù)器值為2時暫停機床，此時由于工序名改變，系統(tǒng)確定一次新的批量加工開始，所以history表中會再次多出兩條分別表示這兩臺機床批量加工產(chǎn)品信息的新記錄，其quantity字段值為當(dāng)時機床計數(shù)器的值2。從表1可知工序名為“O1001”的“產(chǎn)品工序序號”是“2”，因此新增兩條記錄的proProcedID字段值為“2”。

邏輯測試5：啟動其中1臺數(shù)控機床的加工運行，當(dāng)這臺機床計數(shù)器數(shù)值為3時暫停，此時由于工序名沒有變，兩臺機床當(dāng)前計數(shù)器值均大于或等于以前的值，系統(tǒng)判定這是同一次批量加工，所以history表中測試4中新增的兩條記錄的quantity字段值一個不變，另一個變?yōu)樾碌臋C床計數(shù)器值“3”。

邏輯測試6：修改計算機系統(tǒng)時間為后面新的1天，將其中1臺機床加工產(chǎn)品工序的工序名指定為“O1002”, 另1臺工序名不變，清零這2臺機床計數(shù)器值，然后啟動機床加工運行，當(dāng)其計數(shù)器值都為2時暫停機床運行，此時由于系統(tǒng)時間為后面新的1天，無論工序名是否改變，系統(tǒng)都判斷是一次新的批量加工，history表會又一次增加新的兩條信息來記錄這兩個新增批量加工。

邏輯測試7：將2臺機床加工產(chǎn)品工序的工序名指定為“O1007”, 再啟動機床加工運行，當(dāng)計數(shù)器值為1時暫停，此時history表內(nèi)容不變，且系統(tǒng)運行窗口下方文本區(qū)給出“該工序 CNC程序不存在”的提示信息。這是由于從表1可知系統(tǒng)沒有工序名為“O1007”的產(chǎn)品工序。

以上是算法邏輯主要的運行測試，其他如新的一次批量加工開始前沒有清零機床的計數(shù)器值時，系統(tǒng)會給出計數(shù)器可能沒有清零的提示信息，這里不再一一列舉測試結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)其他主要功能運行效果測試

(1)機床聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)顯示與管理功能測試示例

運行系統(tǒng)的“機床信息管理與聯(lián)通顯示”功能，在其窗口單擊“顯示機床狀態(tài)”按鈕時，此按鈕變?yōu)椤巴Ｖ範(fàn)顟B(tài)掃描”，同時系統(tǒng)掃描、試聯(lián)網(wǎng)所有機床信息數(shù)據(jù)表中的機床，以不同圖標(biāo)顯示其是否成功聯(lián)網(wǎng)。效果如圖5所示，顯示有2臺機床是亮色，表示其成功聯(lián)網(wǎng)，其他圖標(biāo)為暗色，表示沒有聯(lián)通。

在圖5所示窗口，如果停止?fàn)顟B(tài)掃描，所有按鈕就變?yōu)榭捎脿顟B(tài)，當(dāng)單擊“修改機床”按鈕，出現(xiàn)“修改機床信息”窗口，此時如果單擊“機床型號編碼：”旁的下拉組合框，系統(tǒng)會彈出所有機床類型編碼和名稱的下拉列表供選擇，當(dāng)選中下拉列表中的某個機床類型時，該類型機床的操作系統(tǒng)、主軸速度、生產(chǎn)廠家等基本信息會根據(jù)“機床型號信息”數(shù)據(jù)表的內(nèi)容自動填充，因此這些文本框顯示為灰色不可編輯狀態(tài)，效果如圖6所示。

(2)運行與使用情況在線監(jiān)測測試

如果在“機床選擇與聯(lián)網(wǎng)”功能中選擇聯(lián)網(wǎng)了3號機床，當(dāng)運行系統(tǒng)的“機床使用與報警情況”，出現(xiàn)圖7所示窗口，顯示這臺機床的此類信息；當(dāng)運行系統(tǒng)的“機床坐標(biāo)與運行監(jiān)控”，出現(xiàn)圖8所示窗口，顯示了這臺機床的此類信息。

(3)工人操作機床批量加工“產(chǎn)品-工序”情況查詢、統(tǒng)計測試

運行“工人操作機床加工產(chǎn)品記錄信息查詢”功能，出現(xiàn)其查詢窗口。從“制造人：”旁的下拉組合框中選擇“(004)張晨迪”列表項，并指定起止時間，單擊“查詢”按鈕，出現(xiàn)圖9所示查詢效果。

運行“工人操作機床加工產(chǎn)品記錄信息統(tǒng)計”功能，出現(xiàn)其統(tǒng)計窗口。從“產(chǎn)品-工序名：”旁的下拉組合框中選擇一個列表項，再指定統(tǒng)計的起止時間，單擊右側(cè)“按產(chǎn)品-工序為主序在指定時間內(nèi)統(tǒng)計”列表項，會出現(xiàn)圖10所示的統(tǒng)計效果，顯示這個“產(chǎn)品-工序”在指定時間內(nèi)不同人的加工數(shù)量匯總和整體匯總值“26”，如果同一制造人在不同機床上都有多次批量加工，還會多出現(xiàn)一個層級的分類匯總。

(4)顯示機床運行情況測試

運行“瀏覽所有機床基本運行加工情況”功能，在其窗口中單擊“顯示機床運行情況”按鈕，其顯示變?yōu)椤八⑿聶C床運行情況”，且以列表形式顯示所有聯(lián)網(wǎng)機床的當(dāng)前加工零件的程序信息和已加工數(shù)量等，效果如圖11所示。

4 結(jié)語

本文所構(gòu)建的聯(lián)網(wǎng)數(shù)控機床運行監(jiān)控與信息管理系統(tǒng)從數(shù)控企業(yè)實際需求出發(fā)，解決了將現(xiàn)場批量加工產(chǎn)品的機床、工序、工人、時間和數(shù)量信息完整記錄的算法問題，并就算法的邏輯進(jìn)行了系統(tǒng)測試，說明該算法具有科學(xué)性和實用性。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)控機床運行實時監(jiān)控、生產(chǎn)過程管理和機床等基本信息管理有機融合，同時具有良好的安全性、通用性和易用性，可以為企業(yè)運行維護(hù)和科學(xué)管理提供技術(shù)支撐，具有較高的實用價值，是用計算機系統(tǒng)對數(shù)控機床實時監(jiān)控和信息管理的一次有益嘗試。