唐 佳，王玉國，謝 斌，鄭 堃

（1.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，南京 211167；2.南京康尼精密機(jī)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(tái)“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(shí)時(shí)監(jiān)控車間作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)能夠滿足這一要求。對(duì)車間監(jiān)控層和設(shè)備監(jiān)控層的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)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(diǎn)[3]。

機(jī)械加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。通過采集的機(jī)械加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，可以對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，將這些生產(chǎn)信息通過算法進(jìn)行篩選、處理和分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)械加工設(shè)備特點(diǎn)，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(jī)械加工設(shè)備信息采集方式

經(jīng)過長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(diǎn)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(fèi)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(jī)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(duì)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(jī)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(hào)或者振動(dòng)、噪聲等機(jī)械信號(hào)，完成設(shè)備運(yùn)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(shí)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(jī)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(dǎo)出進(jìn)一步分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

機(jī)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(shí)現(xiàn)的平臺(tái)大致分為嵌入式和PC 平臺(tái)2種。以往嵌入式平臺(tái)中基于單片機(jī)的研究較多，現(xiàn)今嵌入式功能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定，在制造業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)制造企業(yè)，數(shù)據(jù)采集以PC平臺(tái)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(duì)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(diǎn)，越來越多的企業(yè)采用無線傳輸?shù)姆绞健?/p>

圖1 機(jī)械加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集方法框架圖

2 機(jī)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(duì)設(shè)備加工數(shù)據(jù)、進(jìn)給數(shù)據(jù)等進(jìn)行后臺(tái)自動(dòng)實(shí)時(shí)采集；也有傳統(tǒng)手工錄入的數(shù)據(jù)采集方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息管理。

2.1 基于通信接口的機(jī)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(xué)的李波[11]基于RS232串口，采用宏指令和編寫程序上報(bào)的方法對(duì)具有自動(dòng)輸出功能的FANUC 數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行信息采集，對(duì)一些不具備串口變量自動(dòng)輸出的SIEMENS 系統(tǒng)，只能通過手動(dòng)方式將采集的信息輸出。上海交通大學(xué)夏志等[12]基于機(jī)床串口利用無線傳輸?shù)姆绞剑邪l(fā)出新型的嵌入式數(shù)據(jù)采集終端，定制相應(yīng)的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)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(wù)商根據(jù)實(shí)際需求增加了機(jī)床信息采集模塊，同時(shí)對(duì)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(yùn)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(jì)大學(xué)的樊留群[16]針對(duì)SIEMENS840 型號(hào)的數(shù)控機(jī)床展開了針對(duì)性研究，基于以太網(wǎng)口對(duì)機(jī)床加工信息、刀具信息、PLC 開關(guān)信號(hào)等進(jìn)行采集。劉培躍等[17]利用數(shù)控機(jī)床開放的以太網(wǎng)接口，整合包括SIEMENS 提供的DDE 服務(wù)、人機(jī)界面和FU?NAC 提供官方FOCAS 庫，對(duì)加工過程中的軸坐標(biāo)和宏變量進(jìn)行讀取、采集，開發(fā)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。北京理工大學(xué)的高振清等[18]利用以太網(wǎng)和RS232 接口對(duì)PLC 的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)信息監(jiān)測(cè)。巴西圣保羅大學(xué)研究的Nunzio M.Torrisi 等[19]利用數(shù)控設(shè)備的OPC 協(xié)議，設(shè)計(jì)出一種基于CyberOPC 的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)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(duì)PLC 變量進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。Ke Wang[21]利用以太網(wǎng)接口和Windows NT 技術(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)控加工設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備信息采集和傳輸。利用主流數(shù)控機(jī)床本身提供的開放接口和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)采集較為復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要不同，直接購買數(shù)控機(jī)床，開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備和系統(tǒng)費(fèi)用較高。數(shù)控機(jī)床通信接口如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床通信接口圖

2.2 基于傳感裝置的機(jī)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(jī)械加工設(shè)備運(yùn)行管理。國內(nèi)外許多研究院和高校都在開發(fā)機(jī)械加工設(shè)備采集系統(tǒng)，許多研究成果在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)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(jī)械信號(hào)和電氣信號(hào)。

圖3 基于傳感裝置的設(shè)備狀態(tài)采集圖

2.2.1 基于機(jī)械信號(hào)

中科院張愛瑜等[22]在數(shù)控機(jī)床故障多發(fā)部增添振動(dòng)、噪聲等傳感裝置，建立一種數(shù)據(jù)機(jī)床故障診斷分析的模型，設(shè)計(jì)機(jī)床設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Faassen Ronald[23]通過測(cè)量數(shù)控機(jī)床的不同信號(hào)對(duì)刀具走刀時(shí)切削產(chǎn)生顫振頻率的影響，在監(jiān)測(cè)過程中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其中加速度信號(hào)對(duì)切削的顫振影響最大，對(duì)加速度監(jiān)測(cè)可以更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。CH Lee等[24]利用切削力傳感裝置對(duì)機(jī)床進(jìn)行信號(hào)采集，完成對(duì)工件加工質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

2.2.2 基于電氣信號(hào)

金東勛等[25]根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)現(xiàn)場(chǎng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)車間內(nèi)數(shù)控設(shè)備加工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。D.Mourtzis 等[26]基于無線傳感裝置設(shè)計(jì)了一套生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)，利用電流傳感器對(duì)車間數(shù)控設(shè)備的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且對(duì)設(shè)備生產(chǎn)能耗進(jìn)行預(yù)估。南京航空航天大學(xué)的徐永樂[27]通過采集機(jī)床主軸電流信號(hào)，通過以太網(wǎng)完成設(shè)備狀態(tài)信息的上傳。重慶大學(xué)的劉飛[28]基于功率信號(hào)，參考功率曲線實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

無論是對(duì)機(jī)械信號(hào)還是對(duì)機(jī)床的電氣信號(hào)進(jìn)行采集，不依賴于數(shù)控系統(tǒng)，在機(jī)床故障診斷中應(yīng)用較為廣泛，針對(duì)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(jìn)行相應(yīng)的研究較少，在未來機(jī)床數(shù)據(jù)采集方式中將會(huì)成為研究熱點(diǎn)問題。

2.3 手工錄入的機(jī)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(dòng)信息采集技術(shù)，對(duì)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(xué)的舒冬梅等[29]基于單片機(jī)設(shè)計(jì)出一套遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。清華大學(xué)的馬智亮等[30]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，開發(fā)一套基于掌上電腦的信息管理終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。浙江大學(xué)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工過程信息實(shí)時(shí)監(jiān)控。

表1 3種采集方式特點(diǎn)對(duì)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(shí)間間隔較大、實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確性較差、易受人為因素干擾等問題，但憑借易實(shí)現(xiàn)、成本低的優(yōu)勢(shì)，在中小型企業(yè)得到廣泛應(yīng)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(duì)鍛造設(shè)備信息、數(shù)控機(jī)床信息、質(zhì)量檢測(cè)信息、生產(chǎn)物料等信息實(shí)現(xiàn)在線管理與監(jiān)測(cè)。如表1所示的3種采集方式特點(diǎn)對(duì)比，將以上3種采集方式就兼容性、適用范圍等特點(diǎn)匯總分析，提出一種混合機(jī)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(jī)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(jìn)的設(shè)備，新老設(shè)備之間無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的信息管理，希望低成本實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能耗、效率等方面的監(jiān)測(cè)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(jī)械加工設(shè)備采用電流、功率等傳感裝置進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集，通過嵌入式平臺(tái)終端上傳至企業(yè)服務(wù)器。混合采集方式與生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES結(jié)合，擴(kuò)充對(duì)生產(chǎn)信息管理和過程監(jiān)測(cè)。其作為實(shí)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(dòng)采集相配合，降低人工干擾因素，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

基于機(jī)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(jī)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(jī)床數(shù)據(jù)采集方式不依賴于數(shù)控系統(tǒng)，可以針對(duì)不同設(shè)備靈活選用，但前期研發(fā)成本高、實(shí)現(xiàn)較為困難?；谑止や浫氲臋C(jī)床數(shù)據(jù)采集，具有易實(shí)現(xiàn)、低成本的優(yōu)勢(shì)，但人為干擾因素強(qiáng)，實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)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(jìn)行生產(chǎn)管理，主觀性和隨意性較強(qiáng)，機(jī)械設(shè)備種類繁雜且存在大量離線設(shè)備，設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，也無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)過程控制。因此，對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息采集的需求強(qiáng)烈，想以較低的成本實(shí)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(cè)。