金應(yīng)威 汪木蘭 周義皓 周明虎 李麗穎

摘要：數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障可能會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢和生產(chǎn)停滯，給制造企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。為了實(shí)現(xiàn)高端數(shù)控機(jī)床全生命周期接近零故障運(yùn)行，不至于出現(xiàn)停機(jī)事故，基于模型—視圖—視圖模型（Model-View-ViewModel，MVVM）架構(gòu)開(kāi)發(fā)了數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，并將運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，以供分析統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)回溯，從而監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)床的健康狀態(tài)，甚至可以提前預(yù)報(bào)故障隱患。通過(guò)德西MVC-L640 數(shù)控機(jī)床驗(yàn)證，遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)與FANUC 系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)一致，說(shuō)明設(shè)計(jì)軟件達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；數(shù)據(jù)采集；MVVM 架構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52；TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

采用傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)對(duì)復(fù)雜的高端數(shù)控機(jī)床等制造設(shè)備進(jìn)行診斷和維修，其難點(diǎn)在于故障過(guò)程往往不能復(fù)現(xiàn)，這會(huì)影響診斷速度和修復(fù)時(shí)間，從而導(dǎo)致維修成本增加。通過(guò)充分利用數(shù)控系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果存儲(chǔ)等，滿(mǎn)足生產(chǎn)廠(chǎng)家遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的需求，甚至提前對(duì)故障隱患進(jìn)行報(bào)警，極大簡(jiǎn)化了維修流程[1]。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)以德西MVC-L640 為應(yīng)用對(duì)象， 該機(jī)床裝配有FANUC 0i-MF 系統(tǒng)，具有高速網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到100 Mb/s?；谀Ｐ汀晥D—視圖模型（Model-View-ViewModel，MVVM）架構(gòu)開(kāi)發(fā)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)在該架構(gòu)下的代碼結(jié)構(gòu)清晰，可維護(hù)性好，便于后期升級(jí)，提高開(kāi)發(fā)效率。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和傳輸、運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化、結(jié)果存儲(chǔ)和故障報(bào)警等功能，在高效生產(chǎn)、健康管理、售后維護(hù)等方面為數(shù)控機(jī)床提供有力支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能，數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)采用3 層架構(gòu)設(shè)計(jì)，分別為提供數(shù)據(jù)的物理設(shè)備層、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯處理的軟件層與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的云服務(wù)平臺(tái)層。該系統(tǒng)在本地端進(jìn)行機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和展示，同時(shí)通過(guò)消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（message queuing telemetry transport，MQTT）協(xié)議上傳至云服務(wù)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

為了使數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件具有易開(kāi)發(fā)、可維護(hù)、高內(nèi)聚低耦合等特點(diǎn)，需要對(duì)軟件整體進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。該軟件最終實(shí)現(xiàn)本地與云平臺(tái)同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)床狀態(tài)的功能，因此系統(tǒng)采用客戶(hù)機(jī)/ 服務(wù)器（client/server）的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

在這種結(jié)構(gòu)中，通常由專(zhuān)業(yè)工作站或高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）部署服務(wù)器，內(nèi)嵌大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在用戶(hù)端開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的客戶(hù)端軟件，充分利用硬件環(huán)境優(yōu)勢(shì)，合理分配任務(wù)，極大降低系統(tǒng)通信開(kāi)銷(xiāo)。該客戶(hù)端采用MVVM 架構(gòu)，結(jié)合Prism 框架實(shí)現(xiàn)視圖層與數(shù)據(jù)解耦合，通過(guò)Prism 的導(dǎo)航框架實(shí)現(xiàn)不同頁(yè)面之間的切換，并且可以?xún)H切換局部頁(yè)面，降低內(nèi)存使用壓力。通過(guò)組件的復(fù)用，可以降低代碼量，提高代碼可讀性與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率[2]。

每一個(gè)組件都包含3 個(gè)部分：View、Model、ViewModel。通過(guò)View 展示用戶(hù)界面（userinterface，UI）， 與用戶(hù)進(jìn)行交互，ViewModel 對(duì)用戶(hù)發(fā)出的指令進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，在Model 中處理數(shù)據(jù)，并基于綁定機(jī)制，將ViewModel 中的變化通知到View，使View 及時(shí)做出對(duì)應(yīng)的變化。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件包含4 個(gè)模塊，分別為用戶(hù)管理、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理與上云。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖2 所示。

用戶(hù)管理模塊包含4 個(gè)部分：用戶(hù)登錄、用戶(hù)注冊(cè)、修改密碼和權(quán)限驗(yàn)證。用戶(hù)登錄是通過(guò)驗(yàn)證用戶(hù)輸入的賬戶(hù)密碼與服務(wù)器存儲(chǔ)賬戶(hù)密碼是否一致，決定登錄是否成功；用戶(hù)注冊(cè)是采用MD5 消息摘要算法加密技術(shù)，將用戶(hù)輸入的賬戶(hù)密碼信息加密、存儲(chǔ)至服務(wù)器端并記錄用戶(hù)權(quán)限等級(jí)；修改密碼是通過(guò)修改數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)信息來(lái)修改用戶(hù)密碼；權(quán)限驗(yàn)證是通過(guò)加載服務(wù)器中用戶(hù)權(quán)限來(lái)區(qū)別用戶(hù)等級(jí)。

系統(tǒng)配置模塊包含數(shù)據(jù)庫(kù)連接配置、機(jī)床IP地址配置、機(jī)床端口號(hào)配置、MQTT 連接配置等4 個(gè)部分。在數(shù)據(jù)庫(kù)連接配置中可以修改連接到的服務(wù)器；在機(jī)床IP 地址配置與機(jī)床端口號(hào)配置中可以修改IP 地址與端口號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)不同機(jī)床的連接；在MQTT 連接配置中設(shè)定云平臺(tái)的連接與否和連接密鑰配置。

數(shù)據(jù)處理模塊包含對(duì)數(shù)控機(jī)床不同數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)不同組件使數(shù)據(jù)可視化，這些數(shù)據(jù)分別是設(shè)備當(dāng)前連接狀態(tài)、工作總時(shí)間、工件總計(jì)數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給倍率、切削速度、開(kāi)機(jī)時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、切削時(shí)長(zhǎng)、數(shù)控機(jī)床（computer numericalcontrol machine tools，簡(jiǎn)稱(chēng)CNC）類(lèi)型、CNC 系統(tǒng)型號(hào)、CNC 工作模式、當(dāng)前報(bào)警記錄、歷史報(bào)警記錄、伺服系統(tǒng)相對(duì)坐標(biāo)與絕對(duì)坐標(biāo)、主程序號(hào)、當(dāng)前運(yùn)行程序號(hào)、當(dāng)前程序運(yùn)行行號(hào)等[3]。

數(shù)據(jù)管理與上云模塊包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與輸出（數(shù)據(jù)管理部分）和上傳阿里云平臺(tái)（上云部分）。數(shù)據(jù)管理部分實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、采集數(shù)據(jù)和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)功能；上云部分通過(guò)MQTT 協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至阿里云界面并存入云端服務(wù)器，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

本軟件采用基于TCP/IP（transmission controlprotocol/internet protocol， 傳輸控制協(xié)議/ 網(wǎng)際協(xié)議）接口的FOCAS 開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通過(guò)高速串行總線(xiàn)（high-speed serial bus，HSSB）或者以太網(wǎng)TCP/IP 與設(shè)備進(jìn)行連接。該協(xié)議用于FANUC 公司的CNC、機(jī)器人和通用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于該協(xié)議采用C++ 語(yǔ)言編寫(xiě)，為保證編譯語(yǔ)言一致性，將其封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在開(kāi)發(fā)時(shí)通過(guò)引用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)行代碼調(diào)用，用戶(hù)可以基于該協(xié)議進(jìn)行上位機(jī)操作軟件的開(kāi)發(fā)或定制PLC 模塊與下位設(shè)備數(shù)據(jù)交互組件，通信框架如圖3 所示。

在實(shí)際使用C# 語(yǔ)言編程中，首先在項(xiàng)目中添加FOCAS 的fwlib32.dll 文件和fwlib32.cs 類(lèi)庫(kù)，通過(guò)調(diào)用其中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與CNC 的通信以及數(shù)據(jù)采集功能，實(shí)現(xiàn)步驟如下[4-5]。

步驟1：將FOCAS 的fwlib32.dll 文件和fwlib32.cs類(lèi)庫(kù)復(fù)制到應(yīng)用程序所在的文件夾中。

步驟2：在源程序中添加已有項(xiàng)目fwlib32.cs類(lèi)庫(kù)。

步驟3：在系統(tǒng)界面中，依次輸入IP 地址和端口號(hào)，點(diǎn)擊“連接”按鈕，后臺(tái)通過(guò)調(diào)用函數(shù)cnc_allclibhndl3（[In，MarshalAs（UnmanagedType.AsAny）]Object ip，ushort port，int timeout，outushort FlibHndl）， 建立通信連接。該函數(shù)有4 個(gè)參數(shù)，ip 表示CNC 地址；port 表示端口號(hào)；timeout 表示溢出時(shí)間；FlibHndl 表示連接句柄。

步驟4：數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)用FOCAS 提供的庫(kù)函數(shù)，完成上位機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的雙向通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

步驟5：調(diào)用cnc_resetconnect（ushort FlibHndl）方法，釋放句柄，斷開(kāi)連接。

2.2 數(shù)據(jù)雙向綁定技術(shù)

由于數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求很高，需要軟件具備實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)的功能，本軟件能夠?qū)崿F(xiàn)視圖層與數(shù)據(jù)層之間交互的關(guān)鍵是使用了數(shù)據(jù)雙向綁定技術(shù)。在本軟件開(kāi)發(fā)中，通過(guò)MVVM 架構(gòu)與Prism 框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向綁定。如圖4所示，在MVVM 架構(gòu)中Model 不響應(yīng)任何用戶(hù)的操作，其通過(guò)View 層、ViewModel 層與用戶(hù)進(jìn)行交互，MVVM 架構(gòu)的核心組件是ViewModel 層。在ViewModel 層使用依賴(lài)倒置原則（dependencyinversion principle，DIP）實(shí)現(xiàn)軟件高內(nèi)聚低耦合的特點(diǎn)，ViewModel 層提供業(yè)務(wù)邏輯處理方法用于處理用戶(hù)交互，并將Model 層中封裝好的屬性暴露或者變?yōu)閷?shí)例對(duì)象傳至View 層。當(dāng)Model 層有數(shù)據(jù)變動(dòng)時(shí)，利用觀(guān)察者設(shè)計(jì)模式監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)變動(dòng)，通知ViewModel 層并刷新View 層中的視圖，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性與實(shí)時(shí)性[6]。

2.3 頁(yè)面渲染與更新技術(shù)

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件具有多個(gè)模塊，需要展示機(jī)床多個(gè)數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)可視化圖表刷新的過(guò)程中需要對(duì)當(dāng)前頁(yè)面進(jìn)行重新渲染或更新。在C# 語(yǔ)言編程中使用XmlDocument 類(lèi)對(duì)文檔對(duì)象模型（document object model，DOM）進(jìn)行操作，由于圖表中的數(shù)據(jù)值與DOM 中的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)頁(yè)面進(jìn)行重新渲染或更新時(shí)，會(huì)更新DOM 中的節(jié)點(diǎn)，如果對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)樹(shù)進(jìn)行刷新會(huì)浪費(fèi)大量?jī)?nèi)存資源，產(chǎn)生不必要的計(jì)算[3]。

在本軟件中使用Diff 算法實(shí)現(xiàn)頁(yè)面刷新。Diff算法的核心是盡可能少地修改DOM 結(jié)構(gòu)，避免更新整個(gè)DOM 結(jié)構(gòu)。該算法優(yōu)點(diǎn)在于可降低軟件開(kāi)銷(xiāo)，提高刷新效率，避免在高速采集數(shù)據(jù)時(shí)，由于大量刷新DOM 結(jié)構(gòu)導(dǎo)致出現(xiàn)頁(yè)面視圖卡頓、軟件卡死等情況。在數(shù)據(jù)發(fā)生變更時(shí)，Diff 算法會(huì)生成新的虛擬DOM 結(jié)構(gòu)對(duì)象，通過(guò)依次對(duì)比新舊虛擬DOM 結(jié)構(gòu)對(duì)象中的根節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)，確定需要修改的最小節(jié)點(diǎn)，最后再更新至真實(shí)的DOM 結(jié)構(gòu)中。如圖5 所示，Diff 算法可以做到修改最少的子節(jié)點(diǎn)從而完成頁(yè)面的渲染與更新。

2.4 數(shù)據(jù)上云技術(shù)

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件需要將本地?cái)?shù)據(jù)上傳至云端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，在本軟件中使用MQTT 協(xié)議進(jìn)行消息傳輸。MQTT 協(xié)議是消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議，是一種建立于TCP/IP 協(xié)議之上、基于發(fā)布/ 訂閱模式的輕量級(jí)協(xié)議[7-8]。

在本軟件中，數(shù)據(jù)管理與上云模塊將數(shù)據(jù)打包封裝進(jìn)Model 對(duì)象然后轉(zhuǎn)為報(bào)文發(fā)送給云服務(wù)器，通過(guò)系統(tǒng)配置模塊管理云平臺(tái)的用戶(hù)名與密碼，保證了通信安全。云平臺(tái)選擇訂閱相關(guān)主題，接收采集到的機(jī)床數(shù)據(jù)信息，在使用MQTT 協(xié)議時(shí)采用異步編程，降低耦合度，并且軟件無(wú)須等待云平臺(tái)的回復(fù)響應(yīng)，提高了軟件的響應(yīng)速度。此外，采用心跳機(jī)制來(lái)驗(yàn)證設(shè)備是否在線(xiàn)，提高軟件運(yùn)行速率。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件流程

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)管理功能、數(shù)據(jù)采集及可視化功能、系統(tǒng)配置功能、數(shù)據(jù)上云功能。軟件流程如圖6 所示。

3.2 數(shù)據(jù)可視化

在數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件中，需對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給倍率、切削速度進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展示。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用LiveChart 組件作為可視化組件，LiveChart 是Windows 呈現(xiàn)基礎(chǔ)（windows presentation foundation，WPF）、WinForm等后端技術(shù)提供的開(kāi)源圖表可視化庫(kù)，該庫(kù)提供了多種類(lèi)型圖表供開(kāi)發(fā)者使用，如折線(xiàn)圖、曲線(xiàn)圖、柱狀圖、餅圖、散列圖等。這些圖表都支持自定義功能和豐富的用戶(hù)交互功能。LiveChart 可以將數(shù)據(jù)以圖像的方式進(jìn)行展示。趨勢(shì)圖可以直觀(guān)地展示機(jī)床實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，去掉以往僅能顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)的列表形式，采用動(dòng)態(tài)的圖形使用戶(hù)更好地掌握設(shè)備情況。當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，軟件能夠及時(shí)報(bào)警并標(biāo)紅，使用戶(hù)可以第一時(shí)間觀(guān)察到提示信息。

3.3 性能優(yōu)化

數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集軟件與一般上位機(jī)軟件的區(qū)別在于其采用了更多技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性能優(yōu)化，保證軟件在低配置設(shè)備上也能流暢運(yùn)行。本軟件運(yùn)用了分布式技術(shù)對(duì)大流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保護(hù)關(guān)鍵信息，降低了軟件內(nèi)存占用率；通過(guò)消息隊(duì)列請(qǐng)求排隊(duì)處理，在面對(duì)高峰數(shù)據(jù)量請(qǐng)求時(shí)增加系統(tǒng)吞吐量[9]；通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)的G 顯卡對(duì)圖像進(jìn)行渲染，避免單純依靠處理器渲染圖像導(dǎo)致的卡頓、死機(jī)等現(xiàn)象，提高了軟件的運(yùn)行流暢度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以德西MVC-L640 數(shù)控機(jī)床為試驗(yàn)對(duì)象，通信采用FOCAS 協(xié)議，軟件采用MVVM 架構(gòu)，以降低軟件系統(tǒng)耦合度、程序內(nèi)存占用、后期維護(hù)和開(kāi)發(fā)新功能難度，提高程序可讀性。相較于WinForm 架構(gòu)，MVVM 架構(gòu)可以輕易地修改功能，如將主軸轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖更改為折線(xiàn)圖，只需更改View 層顯示模型，而其他層無(wú)須變動(dòng)，從而提高軟件二次開(kāi)發(fā)效率，并降低代碼出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性。采用MQTT 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)上云功能，設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)控機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)上云，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)與下載。通過(guò)友好的用戶(hù)交互界面，以多種控件方式展示采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化功能。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)前1 000 條信息的對(duì)比統(tǒng)計(jì)，本軟件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與機(jī)床內(nèi)部數(shù)據(jù)一致，實(shí)現(xiàn)了德西MVC-L640 數(shù)控機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)采集功能，從而為后續(xù)開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床設(shè)備全生命周期的健康管理系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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