基於4G網絡的智能數控（kòng）係（xì）統設計-數（shù）控機床市場網

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基於（yú）4G網絡的智（zhì）能數控係統設計

2020-8-6 來源：泉州師範（fàn）學院物理與信息工（gōng）程學院作者：蘇建誌姚壬癸

摘要：針對傳統數控係統控製精度不高、智能程度不強、無通信網絡、無法實現控製係統聯網（wǎng）和協調控（kòng）製等缺點（diǎn）．設計一種智能數控控製係統，將４Ｇ網絡技術（shù）以及智能化技術應用於數控機床控製係統，然（rán）後對（duì）係統的硬件及軟件進行模塊化設（shè）計．使該係統（tǒng）不僅實現數控控製係統實現數字化（huà）、智能化、網絡化，而且能夠對現有的數控係（xì）統進行升級換代（dài），降低（dī）車間改造成本，提高車間生產效率。

關鍵詞：４Ｇ網絡技術；智能化技術；智能控製係統

０引言

數控控製係統是裝備製造業的中央處理器，是實現製造技術以及裝備現代化的核心部件．有的數控係統是以單（dān）片機作為數控係統的控製芯片［１］；有的是以ＤＳＰ作為數控係統的控製芯片［２］；控製芯片和工業 PＣ機通過（guò）串口通信來實（shí）現數控機（jī）床與上位機的通信（xìn）［３－６］有的提出以物聯網來實現數控係統的通信［７－１０］；有側重於數控控製係統本（běn）身的伺服控製係（xì）統設計（jì）［１１－１６］．現有這些都與工４．０以及基（jī）於網絡（luò）的人工智能（néng）相差甚遠，無法滿足現代智能和無人生產車間的要求（qiú）．因為現有的控（kòng）製係統都是（shì）模（mó）擬輸入采集控製係統，導致（zhì）係統輸入采（cǎi）集精度不高（gāo），控製速度慢，無法實現現代（dài）數（shù）控車間的生產需求。

因此有必要設計一種數控係統（tǒng），使係統不僅能夠通過數字信（xìn）號采集（jí）和控製實現數控控製係統的數字化，而且通過智能化的ＰＩＤ設計實現數控控製係統的實時閉環反饋控製（zhì）實現數控控（kòng）製係統智能化；另外為了使數（shù）控（kòng）係統之間能夠快速的互聯互通，有必要（yào）在（zài）數控係統上添加４Ｇ通信模塊，使數控控製互相通信，快速（sù）響應，協調工作（zuò）。

１、數（shù）控控製（zhì）係統框架設（shè）計

基於４Ｇ網絡的數控控製係統不僅能夠（gòu）通過４Ｇ網絡來（lái）收集數控控製（zhì）係統的運（yùn）行狀態和運行環境，而且能夠通（tōng）過中央控（kòng）製係統（tǒng）產生控製決策，傳送各種控製指令以及控製參數給數（shù）控機床，最終實現完全無人化的自（zì）動加工生（shēng）產車間，使中央智能數控控製係統完全監控各台數控（kòng）機床的運行環境和狀態，而且（qiě）使（shǐ）數控機床之（zhī）間能夠互相交互，互通互聯．因此基於４Ｇ網絡的智能數控控製係統框架如圖１所示（shì）。

圖１　基於４Ｇ網（wǎng）絡的智能數控控製（zhì）係統框架

１．１　智能（néng）閉環控製係統框架設計

智能閉環控製係統首先通過４Ｇ網絡讀取數控控製（zhì）機床（chuáng）１－Ｎ的各種（zhǒng）運行（háng）參數與運行狀態，中央智能數控控製係統對中央監控係統監控的各種運（yùn）行狀態進行抽象與分析，進行係統參數辨（biàn）識，進而產生控製決策，通過４Ｇ網絡把各種控製參（cān）數（shù）傳（chuán）輸（shū）給車（chē）間的數控控製機（jī）床１－Ｎ的控製（zhì）係（xì）統和（hé）執行（háng）機構，數控控製機床１－Ｎ通過執（zhí）行機構等來（lái）對控（kòng）製（zhì）目（mù）標進行控製，同時又把（bǎ）各種運行狀態以及控製誤差參（cān）數通（tōng）過４Ｇ網絡反（fǎn）饋給中央監控係統和學習中心，從（cóng）而形成一個有效的閉環控製係統（tǒng），整個閉環的控製係統如圖（tú）２所示。

圖（tú）２　基於４Ｇ網（wǎng）絡的智能閉環控製係統

１．２中央智能數控控製係統框架設計

中央智能（néng）數控控製係（xì）統通過數據分析與處（chù）理，得到有效的控製數據（jù）以及運行狀態，再通過中央數據庫進行數據處理與插補運算算法（fǎ）、軌跡運動算法等各種算法，對（duì）數（shù）控機床（chuáng）的運行軌跡（jì），運行速度等各種運行參數進行預測與計算，產生控（kòng）製決策，輸出控製（zhì）參數到智能伺服控製係統；在通過４Ｇ網絡傳遞給數控控製機床１－Ｎ，對數控控製機床１－Ｎ進行（háng）控製，同時數控（kòng）機床１－Ｎ會通過各自的傳感器陣列采集數據，把自身的運行狀態，運行參數通過４Ｇ網絡傳遞（dì）給中央智能數控控製係統，產生新（xīn）的控製決策，整體產生（shēng）一個閉環有效的控製係統，具體如圖３所示。

２　、智能數控控製係統軟硬件設計

２．１　４Ｇ網絡數控控製係統組成

基於４Ｇ網絡（luò）的數控控製係統主要由中央監測係統模塊、中央控製係統模（mó）塊、機床信息（xī）終端顯（xiǎn）示模（mó）塊（kuài）、機床係統（tǒng）模塊組成（chéng）．

２．１．１　中央控製係（xì）統模塊

主要負責對（duì）監測係統模塊中得到的數據進行抽象，提取有用的數據，然後（hòu）根據數據庫的數據進行係統辨識以及產生控製決策；再根據控製決策選（xuǎn）擇合適的控製算法以及智能伺服控製係統，實現智能控製．中（zhōng）央控製係統模塊分（fèn）為算（suàn）法集子模塊、智能伺服係統子模塊、數據（jù）處理子模塊等。

圖３　中（zhōng）央智（zhì）能控製係統框架

２．１．２　中央（yāng）監控係統模塊

中央監控係統模塊主（zhǔ）要通過４Ｇ網絡對數控機床１－Ｎ的數據（jù）包進行接收與解析，並對其中的一些簡單數據包進（jìn）行分析、比較，初步篩選機床運行中的有（yǒu）用原始數據和信息，然後把數（shù）據同時傳送給中央數據庫以及中央智能數控控製進一步處理；同（tóng）時中（zhōng）央（yāng）智能數（shù）控控製係（xì）統（tǒng）通過中央監控係統模塊與數控控（kòng）製機床１－Ｎ進行數據交互，監控係統接收來自中央智能控製（zhì）係統發出的各種控製指令以及控製參數，經過４Ｇ網絡傳遞給數控控製（zhì）機床，實現對數控機床的運行狀態，運行（háng）環境（jìng）進（jìn）行（háng）實時檢測與（yǔ）監控。分為監控係統子模塊（kuài）、數據交互子模塊以（yǐ）及通信子模塊等。

２．１．３　終端係統模塊（kuài）

終端（duān）係統模塊主（zhǔ）要負責整個係統的監控顯示（shì），數據采集過（guò）程中異常報警等．分為監控顯示子模塊、數據采集子（zǐ）模塊、控製輸出子模塊以及異（yì）常報警子模塊（kuài）等。

２．１．４　機床係統模塊

主要通過裝在機床上麵的射頻感知硬件以及傳感器（qì）陣列硬件來實現對機（jī）床運行數據（jù）、運行狀態的采集，通過各種總線接口實現機床內部的通信，以及通過機床通信子模塊來實現機（jī）床之間的通信，分為機床與機床通信的機（jī）床子通信模塊、傳感（gǎn）器陣列數（shù）據采集（jí）子模（mó）塊、總線接口子模塊，射頻感知子模塊等。

因此基於４Ｇ網（wǎng）絡的智能數控控製係統功能，如圖４所示。

圖４　基於４Ｇ網絡的智能數控控製係統功能

２．２　下位機數控控（kòng）製機床（chuáng）硬件係統設計

基於４Ｇ網絡能數（shù）控控製機床是整個係統的下位機部分，其硬件係統主（zhǔ）要包括主控芯片ＣＰＵ、傳感器陣列Ａ／Ｄ采集電路、射頻感知采集電路、４Ｇ網絡通信（xìn）電（diàn）路、總（zǒng）線接口電路（lù）、電源管理電路、異（yì）常報警電路等．首先主控芯片（piàn）ＣＰＵ通過傳感器陣（zhèn）列采集電路和射頻感知電路采集數控機床的運行狀態和運行（háng）參（cān）數（shù），在通過總線接口和４Ｇ網絡通信電路把（bǎ）狀態和參數傳輸給中央智能控製係統，然後經過一係列的控製運算（suàn）以（yǐ）及處理，把控製參數通過４Ｇ傳輸給機床，機（jī）床在通過各種控製總線傳輸給各個控製分支，經過Ｄ／Ａ轉換以及驅動來控製機床（chuáng）的（de）各個傳動機構，

實現對機床的實時（shí）控製。

基於４Ｇ網絡的數控控製機床硬（yìng）件係統設計，如圖５所示.

圖５　基於４Ｇ網絡的數控控（kòng）製機床硬件係統設計

２．３　上位機中央控製係統硬件設計

基於４Ｇ網絡的上位（wèi）機中央控製係統是整個係統的主要部分，其硬件係統（tǒng）主要包括主控芯片ＣＰＵ、存儲器陣列電路、智能伺服控製係統電路、４Ｇ網絡通信電、電源管（guǎn）理電路、控製係（xì）統異常報警電路等．首先主控芯片ＣＰＵ通過４Ｇ網絡通信電路采集下位機的運行（háng）狀態和（hé）參數（shù），保（bǎo）存到存儲器陣列中，同時通過中央（yāng）軟件（jiàn）控製（zhì）係統學習以及產生（shēng）控製決策，經過（guò）一係列的算法（fǎ）計算，產生各種控製參數，經過中央智能伺服控製係統電路產生最終的控製量，在通過４Ｇ網絡傳輸給下位機機床，機床在通（tōng）過各種控製總線傳輸給各個控製分支，經過Ｄ／Ａ轉換以及驅動來控製機床的各個（gè）傳動機構，實現對機床的實時控製（zhì）。

基於４Ｇ網絡的中央控製硬（yìng）件係統設計，如圖６所示．

圖６　基於（yú）４Ｇ網絡的中央控（kòng）製係統硬件設計

２．４　下位機（jī）控（kòng）製係統軟件設計（jì）

下位機軟件係統主要包含４Ｇ網絡（luò）通信軟件、電路 A／Ｄ采樣軟件、射頻感知軟（ruǎn）件、接口（kǒu）軟件、電源（yuán）管理軟件、電機驅動軟件、緊急報警處理軟件等（děng）．首先通過電路Ａ／Ｄ采樣軟件和射頻感知（zhī）軟件模塊（kuài）負責下位機的所有運行（háng）狀態以及運行（háng）參數的采集．最後通過４Ｇ網（wǎng）絡通信模塊軟件把參數（shù）傳輸給上位機，整個下位機控製係統的數據采集（jí）軟件流程，如圖７所（suǒ）示。

圖７　下（xià）位機數據采（cǎi）集軟件流程

下位機控製係（xì）統的軟件主要通過（guò）４Ｇ網絡接收來自（zì）上位（wèi）機的控製係統（tǒng）數據（jù），如果和上位機的（de）握手成功，那麽下位（wèi）機（jī）接收（shōu）數據成功，把接收數據通過驅動程序來驅動（dòng）下位（wèi）機的數控控（kòng）製機床，實現對下位機的控製（zhì），因此下位（wèi）機的控製係統軟件（jiàn）流程，如圖８所示。

圖８　下位機控製（zhì）係統軟件

２．５　上位機中央控製係統軟件設計（jì）

上位機控製係統的軟件（jiàn）主要通過（guò）４Ｇ網（wǎng）絡接收（shōu）來自下位機的數據（jù）采集係統（tǒng）參數，然後（hòu）根據采集參數，進行係（xì）統辨識，產（chǎn）生控製決（jué）策，在通過智能（néng）伺（sì）服控製係統（tǒng）模型進行計算，產生（shēng）控製參數，通（tōng）過４Ｇ網絡發送（sòng）控製參數實現對下位機的控製，因（yīn）此上位機的控製係統軟件流程，如（rú）圖９所示。