金星，喬興華

航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽 110000

1 序言

隨著以數(shù)控機(jī)床為主體的物聯(lián)網(wǎng)在航空制造領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，車間已經(jīng)基本具備數(shù)控程序的在線下發(fā)、數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控以及設(shè)備運(yùn)行效率的分析等能力。然而，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對在制品的識別仍缺乏高效且實(shí)用的方法，無法準(zhǔn)確獲取機(jī)床正在加工什么零件這一重要信息，而在制品信息對于生產(chǎn)線生產(chǎn)能力的計算、現(xiàn)場在制品的統(tǒng)計、作業(yè)時間的分析、零件質(zhì)量過程的追溯等十分必要。

目前，對于機(jī)床在線零件識別技術(shù)，國內(nèi)外主要是通過圖像識別或RFID射頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過在機(jī)床上安裝視頻設(shè)備或RFID讀取設(shè)備，對零件進(jìn)行識別。但兩種方法都需要安裝硬件設(shè)備，安裝維護(hù)成本較高；而且當(dāng)零件外形相似或加工原材料時，會無法準(zhǔn)確識別；另外，RFID標(biāo)簽在零件加工過程中會脫落，需要在加工完成后重新粘貼。為能夠快速準(zhǔn)確地獲取機(jī)床加工零件信息，需要研究設(shè)計一套機(jī)床加工零件的識別系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工零件的在線高效識別判斷，同時能夠?qū)崟r獲得機(jī)床加工零件信息。

2 零件識別系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)流分析

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 數(shù)控機(jī)床零件識別系統(tǒng)按功能劃分，分為7個子模塊，即系統(tǒng)登錄管理、機(jī)床綜合信息管理、機(jī)床網(wǎng)絡(luò)管理、機(jī)床程序庫、標(biāo)準(zhǔn)程序庫、程序?qū)Ρ确治龊蛿?shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)登錄管理包括登錄驗(yàn)證和登錄系統(tǒng)，機(jī)床綜合信息管理包括機(jī)床信息顯示和機(jī)床信息更新，機(jī)床網(wǎng)絡(luò)管理包括機(jī)床網(wǎng)絡(luò)開關(guān)和機(jī)床網(wǎng)絡(luò)異常處理，機(jī)床程序庫包括機(jī)床程序獲取激活和機(jī)床程序傳輸與保存，標(biāo)準(zhǔn)程序庫包括標(biāo)準(zhǔn)程序讀取激活和標(biāo)準(zhǔn)程序同步，程序?qū)Ρ确治霭ǔ绦驅(qū)Ρ确治龊统绦虮闅v，數(shù)據(jù)存儲包括分析結(jié)果存儲和分析結(jié)果查詢。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程分析 系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)輸入輸出如圖2頂層數(shù)據(jù)流所示。系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)輸入包括數(shù)控機(jī)床信息、數(shù)控機(jī)床當(dāng)前加工程序、MDC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)NC程序、MDC系統(tǒng)服務(wù)器信息以及對比分析參數(shù)；系統(tǒng)輸出的是對比分析結(jié)果。

圖2 頂層數(shù)據(jù)流

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流程分析如圖3一層數(shù)據(jù)流所示，由4部分組成，包括機(jī)床程序讀取模塊向機(jī)床程序庫提供機(jī)床程序，標(biāo)準(zhǔn)程序讀取模塊向標(biāo)準(zhǔn)程序庫提供標(biāo)準(zhǔn)程序數(shù)據(jù)，程序?qū)Ρ确治瞿K從機(jī)床程序庫和標(biāo)準(zhǔn)程序庫獲取機(jī)床加工程序數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)程序數(shù)據(jù)，以及對比分析模塊向數(shù)據(jù)存儲模塊提供分析結(jié)果。

圖3 一層數(shù)據(jù)流

對比分析模塊是系統(tǒng)核心模塊，其內(nèi)部核心數(shù)據(jù)流如圖4二層數(shù)據(jù)流所示，對比分析模塊分為4個進(jìn)程，包括機(jī)床加工程序分解、標(biāo)準(zhǔn)程序庫程序遍歷與程序選取、標(biāo)準(zhǔn)程序分解和指令單元對比分析。主要數(shù)據(jù)流包括機(jī)床加工程序分解后向程序分析模塊提供分解后的指令單元，標(biāo)準(zhǔn)程序庫遍歷程序后向分解程序提供標(biāo)準(zhǔn)程序文件，標(biāo)準(zhǔn)程序分解后向程序?qū)Ρ确治瞿K提供指令單元數(shù)據(jù)，對比分析模塊技術(shù)結(jié)果并輸出。

圖4 二層數(shù)據(jù)流

3 程序?qū)Ρ确椒白R別算法

3.1 程序?qū)Ρ确治?/h3>

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)程序庫和機(jī)床的在加工程序進(jìn)行比對和識別，判斷機(jī)床當(dāng)前加工程序?qū)?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)程序庫中的程序以及這個程序?qū)?yīng)的零件編號，主要對比方法是文件的遍歷查找和正則表達(dá)式對比運(yùn)算。

表1是常用的數(shù)控機(jī)床NC程序結(jié)構(gòu)，主要由三部分組成，即程序頭、主程序和程序結(jié)尾。其中程序頭中包含了程序名稱、路徑和機(jī)床等信息，這些信息大部分為注釋信息，對機(jī)床實(shí)際加工沒有具體作用，并且可以隨意更改，不能作為零件識別的依據(jù)，因此在程序?qū)Ρ茸R別中不包含程序頭部分。

表1 NC程序結(jié)構(gòu)

主程序部分是機(jī)床加工零件的指令部分，包括對機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、刀具的運(yùn)動、主軸的進(jìn)給和床身的各軸向運(yùn)動的指令。目前，數(shù)控加工程序編制都是通過CAD/CAM自動編制的，每行程序都帶有行號，如N1、N2、N3……Nn，通過行號建立程序內(nèi)容索引，根據(jù)索引進(jìn)行逐行比對。

程序?qū)Ρ仁窃跈C(jī)床加工程序庫和標(biāo)準(zhǔn)程序庫之間完成的，其中機(jī)床加工程序庫內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括3層：根目錄、機(jī)床節(jié)點(diǎn)、程序節(jié)點(diǎn)。其中機(jī)床節(jié)點(diǎn)包含機(jī)床名稱信息，該節(jié)點(diǎn)與實(shí)際機(jī)床一一對應(yīng)；程序節(jié)點(diǎn)存放的是機(jī)床當(dāng)前加工程序。

圖5 機(jī)床加工程序庫內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)程序庫內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括4層：根目錄、機(jī)床節(jié)點(diǎn)、零件、程序節(jié)點(diǎn)。其中機(jī)床節(jié)點(diǎn)包含機(jī)床名稱信息，該節(jié)點(diǎn)與實(shí)際機(jī)床也是一一對應(yīng)關(guān)系；零件節(jié)點(diǎn)包含歷史加工的零件編號，此節(jié)點(diǎn)下的程序節(jié)點(diǎn)是歷史加工的程序文件。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)程序庫存儲結(jié)構(gòu)

文本對比時，將機(jī)床加工程序庫中MachineN下ProgramN節(jié)點(diǎn)的程序文件，與標(biāo)準(zhǔn)程序庫中MachineN下Program1～N節(jié)點(diǎn)的所有程序文件進(jìn)行遍歷對比，最終將文本相似度最高的標(biāo)準(zhǔn)程序庫中Program的父節(jié)點(diǎn)PartN的零件編號信息返回，其內(nèi)容就是零件編號。

3.2 正則表達(dá)式對比算法設(shè)計

正則表達(dá)式可匹配一組滿足要求的精確字符串，而不僅是單條精確字符串。因此運(yùn)用正則表達(dá)式對數(shù)控機(jī)床NC程序進(jìn)行識別，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷。

數(shù)控機(jī)床NC程序是運(yùn)用G代碼編寫的，其語法特點(diǎn)是每個指令都是由字母和數(shù)字組成，根據(jù)G代碼程序特點(diǎn)，將NC程序主程序部分按照行號分成n行，將每一行按照指令（代碼+數(shù)字）分成u個單元。將標(biāo)準(zhǔn)程序的n行與機(jī)床加工程序的n行的u個指令單元進(jìn)行逐一對比，每行中有d個不匹配單元，從第一行開始，到最后一行結(jié)束，得到最終的相似度S，具體算法如下

按照標(biāo)準(zhǔn)程序庫索引完成比對計算后，得到若干個相似度S，取最大值SMAX，此時SMAX所對應(yīng)的程序并不能完全確定與機(jī)床加工程序是同一零件的加工程序，只能表明是標(biāo)準(zhǔn)程序庫所有程序中最接近機(jī)床加工程序的。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)程序庫中沒有與機(jī)床加工程序一致的程序，SMAX對應(yīng)的程序雖然是最接近機(jī)床加工程序的，但不應(yīng)被認(rèn)定為是機(jī)床在加工零件所用的程序，更不能將標(biāo)準(zhǔn)程序庫中此程序?qū)?yīng)的零件編號作為比對結(jié)果進(jìn)行反饋。為了避免此類錯誤情況，系統(tǒng)設(shè)計增加驗(yàn)證機(jī)制，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，對于完全不同零件的程序比對結(jié)果，其相似度S總會低于50%，因此當(dāng)相似度值S＜50%時，系統(tǒng)將判定為無效值，并擴(kuò)大比對范圍或終止比對計算。

正則表達(dá)式對程序行號識別：程序行號標(biāo)準(zhǔn)寫法為大寫N與數(shù)字序號組合，使用正則表達(dá)式識別方案時，首先判斷每行首字符是否是N，其正則表達(dá)式為^N，如果結(jié)果為真，則繼續(xù)判斷N后字符是否為數(shù)字，如果結(jié)果仍為真，則繼續(xù)判斷下一字符是否為數(shù)字，直到判斷字符不是數(shù)字為止，q2為接受狀態(tài)。行號識別用有窮自動機(jī)表達(dá)，如圖7所示。

圖7 行號識別

正則表達(dá)式對指令單元的識別：NC程序是由G代碼、M代碼、F代碼、D代碼、I代碼、J代碼、K代碼、L代碼、S代碼、Y代碼、X代碼、Y代碼及Z代碼等編寫，基本規(guī)則都是指令代碼與數(shù)字組合，運(yùn)用正則表達(dá)式先判斷指令代碼再判斷數(shù)字。指令單元識別用自動機(jī)表達(dá)，如圖8所示。

圖8 指令單元識別

4 系統(tǒng)開發(fā)及性能分析

由于C語言與Windows系統(tǒng)兼容性好，而且具有更豐富的.net類庫，因此選擇C語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。開發(fā)工具選擇Microsoft Visual Studio 2010版本，.net框架選擇Framework4.5版本，運(yùn)行環(huán)境要求Windows7以上版本，數(shù)據(jù)庫使用ORACLE10G版本。

系統(tǒng)頁面主要包括登錄頁面和系統(tǒng)主頁面，分別如圖9、圖10所示。

圖9 系統(tǒng)登錄頁面

圖10 系統(tǒng)主頁面

通過測試零件在線識別系統(tǒng)，證明其可以實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)機(jī)床當(dāng)前加工零件的在線識別。對于標(biāo)準(zhǔn)程序庫和機(jī)床加工程序庫中記錄的程序，零件識別率可以實(shí)現(xiàn)100%。分析系統(tǒng)運(yùn)行性能，由于系統(tǒng)主要采用的是異步多線程結(jié)構(gòu)，對每臺機(jī)床單獨(dú)建立線程，線程間相互獨(dú)立，互不影響，所以可以確保系統(tǒng)的整體性能。單臺機(jī)床程序識別響應(yīng)時間受實(shí)際程序行數(shù)影響，平均在5s左右，由于機(jī)床更換數(shù)控程序周期取決于零件加工周期，而零件加工周期最少在30min以上，所以5s響應(yīng)時間對系統(tǒng)不造成影響。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的零件識別方法存在的零件識別率低、系統(tǒng)成本高等缺陷，本文創(chuàng)新性地提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床零件在線識別系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工零件的在線識別判斷，實(shí)時獲得機(jī)床加工零件編號等功能。其優(yōu)點(diǎn)在于通過機(jī)床實(shí)際運(yùn)行的程序識別零件，準(zhǔn)確性更高、受人為干擾更小，大大提高了識別效率，降低了投入成本和維護(hù)成本。