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數控機床信息智能采集（jí）技術的現狀與趨勢

2018-5-30 來源：南京工程學院機械工程學院作（zuò）者：王龍，王雲霞，蔣（jiǎng）麒麟，李亞鵬（péng）

摘（zhāi）要：數控（kòng）機（jī）床信（xìn）息采（cǎi）集技術（shù）的發展對我國工業的發展具有非常重要的現實意義。首先闡述國內外數控機床信息采集係統的發展曆程和研究（jiū）現狀，然後歸納總結不同的數（shù）控（kòng）機床信息采集方法，分析比較各種信（xìn）息采集方法的優缺點，最後展望國內外數（shù）控機床（chuáng）信息采集係統的（de）發展趨勢。

關鍵詞：數控機床；信息采集；智能化（huà）；發展趨勢

20 世紀 80 年代以來，眾多國家（jiā）都把先進製造技術的（de）研究（jiū）和開發作為國家的關鍵技術（shù）進行優先發展，湧現出一批有代表性和影響力的製造模式及相關技術體係，有力地推動了製造業的（de）發展。作為一（yī）個工（gōng）業大國，我國的製（zhì）造業正麵臨（lín）來自發（fā）達國家加速重振製造（zào）業（yè）與發展（zhǎn）中國家以更低生產成本承接國（guó）際產業轉移（yí）的（de）“雙向擠壓”。在這種嚴峻形勢下，我國唯有加快（kuài）研發智能製造技術，提（tí）高（gāo）工業（yè）化水平（píng），以此來（lái）應對傳統優勢減弱的（de）挑（tiāo）戰。傳統的製造業（yè）技術正（zhèng）逐步向自動化、信息化技術（shù）發展，通過高新技術改造製（zhì）造業（yè）是現代製造業發展的必（bì）然趨勢，是企業生存和發展的必要途徑（jìng），所以（yǐ）智能製造被越來（lái）越多的國家（jiā）所提出或實施.現代企業（yè）製（zhì）造車間中絕大部分都是數控（kòng）機床，但由於現有的數控機（jī）床種類繁多，並且（qiě）不具備把內部信息自動輸出的功能（néng），極（jí）容（róng）易形成“信息孤島”。因此（cǐ），對數控機床進行數據智能采集是（shì）建設數（shù）字化車間的（de）一個關（guān）鍵環節。通過對數控機床信息采集係統的研發，將會促使企業（yè）的辦公、管理和（hé）生產趨於自（zì）動化、網絡化（huà）和智能化，從（cóng）而（ér）達到加強企業管理、減少工作失誤、提（tí）高工作效率的目的，對（duì）數控機床利用（yòng）率的提高、企業的發（fā）展（zhǎn）均有重要意義。研究製造設備數據采集在機床（chuáng）監管的（de）自動化，信息化和我國製造業發展十（shí）分重要。

1 、數（shù）控機床（chuáng）信息采集係統研究現狀

目前，國（guó）內外主要是針對 SIEMENS 係統和FANUC 係統（tǒng）進（jìn）行數控機（jī）床數據采集研究。因為相對於其它係統而言（yán），這兩種係統在實際生產中應用最為廣泛。

國外一（yī）般大型數（shù）控廠商（shāng）的數控係統（tǒng）都開（kāi）發有相應的數據采集係統與之相配套。國內由（yóu）於數控係統還不是很成熟（shú），目前的研究還主（zhǔ）要（yào）集中在對國外數控係統的（de）數據采集（jí）上，常用的係統整體結（jié）構如圖 1 所（suǒ）示.

由於機床的種類非常多，機床的（de）數據采（cǎi）集方法不可能（néng）做到完全一（yī）致，要實現統一的數據采集，就必須根據機床的不同（tóng）類型設計出不同的采集方法。目前，數控機床的主（zhǔ）要數據采集方式有如下三種。其中，一種（zhǒng）是基於標準（zhǔn）通信接口（kǒu）的數據采集方式，這種方式中（zhōng），數控機床的標準通信接口主要是 OPC 接口、RS-232 串口、DNC 接口等（děng）接口。當前，大（dà）部分數控機（jī）床都帶有標準的通信（xìn）接口，計算機可以直接通過這些接口與數控機（jī）床進行信（xìn）息交換，從而實現對數控機床的數（shù）據（jù）采集。第二種（zhǒng）是基（jī）於 PLC （ Programmable LogicControl）控製的數據采集方式（shì），這種方式中，對於車間中（zhōng）一些老式的機（jī）床，本（běn）身不含（hán）有與外部通訊的接口，隻能通過機床的電器電路以及機床內部的（de） PLC 進行機（jī）床信號的采集。這些信號可以通過外接 PLC、數據采集卡（kǎ）等硬件來（lái）完成。上述基於（yú）數控機（jī）床電器電路及PLC 的采集（jí）方法，在實際應用中並不具有通用性。在現代企業車間，要實現完整的數據采集係統必須將這些（xiē）方法綜合起來，靈活（huó）地運用，這樣才能真正意義上（shàng）實現企業製造車間的數字化。第三種是基（jī）於硬件的數據采集方式，這種方式中，數（shù）據是通（tōng）過采用數字量及模擬（nǐ）量的進行采集，能夠對機床的 I/O 信號進行（háng）檢測以此實現對機床狀態的監控。

2 、數控機床信息采集主要方式的對比分（fèn）析

現在國內外市場上出現了一些對數控機床進行數據（jù）采集和監控（kòng）的係統。現對這些係統的采集方法進行比較常見的（de）數據采（cǎi）集軟件普遍都是數據采集軟件或係統二次開發軟件來進行數據的采（cǎi）集（jí）。

2.1 采用標準通信接口進行數據采集方式

（1）基於（yú）數控機床的 OPC（OLE for Process Con－trol）接口數據采集文中英文簡稱格式要一致。

西門子係列的高檔係統和 FANUC 係統都可以通過采用 OPC 的方式進行（háng）數據采集。巴西聖保羅大學基於機床 OPC 接口，實（shí）現對（duì）機床的狀態信息采集遠程訪問。德國（guó）約翰內（nèi）斯·海德（dé）漢博士公司研製的 Heidenhain 係（xì）統中大部分采用以太網對 OPC 接口進行數據（jù）采集。中國科學院大學的王帥采用多（duō）線程與 OPC 技術作為信息采集（jí）的手段，在建立 OPC 客戶程序與數控設備（bèi）的 DCOM 通訊（xùn）連接（jiē）的基礎上對服務器進行數據采集。在采集中隻需（xū）對 OPC 接口及采集軟件做相應的配置即可，而無需額（é）外添加硬件設備，並且這種方（fāng）式能采集到機（jī）床幾（jǐ）乎（hū）所（suǒ）有的狀態信息。浙江大學付林雲研發的基於 OPC 的數控機床數據采集係統，通過機床（chuáng）以太網口采集機床信息。南京工程學院（yuàn）李亞鵬通過利用 C# 編寫 OPC 客戶端程序，易控組態（tài）軟件作為（wéi） OPC 服務器，實現了客戶端程序對易控 OPC 服（fú）務器的訪問並且獲取了（le）服務器中的數據（jù），從而（ér）實（shí）現了數據的（de）實（shí）時采集。這種（zhǒng）采集方式的優點（diǎn）是采集到數據比較（jiào）多，缺點是對機床配置要求比較高，老式機床會受（shòu）到（dào）限製。

（2）基於數（shù）控機床的 DNC 接口數據采（cǎi）集

這種采集方法主要是通過對機床係統或者（zhě）電氣電路的特定（dìng）部位設置采集點，測試出控製電路的電壓信號，通過對照檢測電壓信號的變化，實現機床狀態數據采集的功能（néng）。對於自帶 DNC 通訊接口的高檔數（shù）控，通過在 DNC 接口外接數據采集卡並運（yùn）行相應的軟件，實現（xiàn）對數（shù）控機床的數據采集功能。通過這種類型的 DNC 外接口，還（hái）可以實現對機床加工信息的實時采集和遠程控製，並可以實時機床主軸轉速、進給速度、刀具使用壽命（mìng）等（děng）信息進行采集。日本 mori－seiki 公司（sī）研製的 MORI -NET Global Edition 信（xìn）息采集軟件能夠實（shí）現對（duì）數控機床的監控及遠程控製等，並把各種加工信息及采集的輔助信息能夠分享或者上傳至網上。南京航空航天大學武國（guó）峰通過（guò）外接數據采集卡的（de）方式利用 DNC 實現（xiàn）了對數控機床的運行狀態、完工零件等信息的采集。

（3）基於數控機床的 RS-232 串口數據采集（jí）

這種采集方法主要是通過 RS-232 串口在數控機（jī）床的控製程序裏加入特定的宏程序指令，通過對返回（huí）的狀態信息，如機床刀具坐標、加工狀態、主（zhǔ）軸轉速、進給速度等信息的實時采集。日係數控係統，如 MAZAK ，三菱 M70 係列等采用係統廠商的數據采集軟件進行數據（jù）采集，均能采集比較多的數據。大多支持串口編寫宏程序，因而可使（shǐ）用宏程序進行數據的采集。北（běi）京華洋宏軟件公司研製的 DNC-NET軟（ruǎn）件。該采集方式的優點是適用於老式的機床；缺點是機床輸出（chū）的數據類型有限，想要對操作狀態，監控等信息輸（shū）出較為困難，尤其是當機床（chuáng）處在非（fēi）加工狀態（tài）時，就不能采集到（dào）機（jī）床狀（zhuàng）態信號。其次（cì），機床輸出數據有延（yán）時，不能夠實時（shí）顯示機床的運作狀態。並且，采集需（xū）要要在加工程序中加入采集指令，程序編製複雜、較為麻煩。因此，宏程序數據采集一般隻運用於老式機床數據采集。

2.2 采用 PLC 控製（zhì）方式對機床的數據采集方式

這種采集方式主要是通過機床的電（diàn）器電路以及機（jī）床內部的 PLC 進行機床（chuáng）信號（hào）的采集。如美國Predator Software 軟件技術公司研發的蓋勒普係統MDC（Manufacturing Data Collection & StatusManage－ment）。該係統能夠實現對現場數據進行實時采集，並在分析（xī）管理之後，將信息存儲在 Access ，SQL 和Oracle 等數據庫中，能通過數控設備 PLC 進行數據（jù）采集，Siemens、Fanuc、Heidenhain 等多種型號控製係統均可被采集。

由（yóu）於數控機床多用 PLC 控製，在計算機網絡快捷、高效的時（shí）代下，PC-PLC 網絡成為數控機床數據采集與監控的一個研究方向。中國計量學院的王國強利用 Siemens PLC 設計監管機床（chuáng）運行，實現對機床信息采集。但是由於數控機床的（de）封閉（bì）性，為保證機床的正（zhèng）常工作需要熟悉每一台機床的 PLC. 實際應用中將很難直接從（cóng） PLC 讀取機床（chuáng）的各種信息，這種采集方式的優（yōu）點（diǎn）是對人機單元沒有要求；缺點是需（xū）要對每一台機床（chuáng）的 PLC 都（dōu）比較熟悉，以（yǐ）保證（zhèng）機（jī）床的正常工作。而且 Siemens 和 FANUC 數控（kòng）機床自帶（dài）的（de）信息采集及檢測軟件價格相對昂貴。

2.3 基（jī）於數控機床的硬件數據采集（jí）方式

這（zhè）種數據采集方式是（shì）通過采用數字量及模（mó）擬量的數據進行采集，能夠對機（jī）床的 I/O 信號進行檢測（cè）以此實現對機床狀態的監控。南京航空航天大學的徐永樂數控機床信息采集係統以 ARM9 為硬件平台，通過開發（fā） I/O 接口電路，實（shí）現機床側信號到 ARM 端信號的（de）轉換。這種采集（jí）方式的優點是不受係（xì）統的限（xiàn）製，使用範圍廣；缺點（diǎn）是采集的數據少（shǎo），當（dāng）變動程序時，現場線路也將會（huì）隨之改（gǎi）動，較為麻煩。

通過對上述三種采集方法的介紹可以得知（zhī），每種方法都有各自的優點，但也有其局限性。在選擇方案的時（shí）候（hòu）必須（xū）充分考慮（lǜ）機床的型（xíng）號與所配有的通信接口以及所需要采集的信（xìn）號種類。

如表 1 所示是對上述幾種信息采集方法的比較.

3 、數控機床信息采集方式的發展趨勢（shì）

在工業 4.0 發展和（hé）《中國製造 2025》的大前景下（xià），國外很多企業對網絡化車間管理和機床信息采集（jí）進（jìn）行了研究開發，如德國 Siemens 公司研製的MCIS （Motion Control Information System ）運動控製信息係統采集軟件，丹麥（mài） CIMCO 公司研製（zhì）的 MDC-Max 6 信息采集軟（ruǎn）件，美國上升科技公司研（yán）製（zhì）的extreme DNC 信息采集軟件。相較於國外的機床信息管理係統，國內在這方麵還處（chù）於起步階段，我國市場上較為成熟的機床采集係統還較少，與國外產品相比仍有許多（duō）不足之處。比較有代表性的有北京機床研究所研發的 DNC 係統，北京蘭光創新科技（jì）的CIMCO-DNC 係統等，九思易的自動化監控與信息管（guǎn）理平台等。

德國工業 4.0 等發展策（cè）略推動著智能製造，機械製（zhì）造技術等核心產業的發展變革，影（yǐng）響（xiǎng）著製造業的發展趨（qū）勢，同時也影響著機床信息采集的發展趨勢，主要發展趨勢為（wéi）：

（1）提高數控設備利（lì）用（yòng）率，減少了數控設備可加工時間的相對（duì）浪費；

（2）通過智能化加工控製，對加（jiā）工過程中外部變量進行采樣監控，以此來實現加工參數的（de）自動修正與補償。

4、結束語

我國是（shì）一個工業（yè）大國（guó），機床信息采集的發展對我國工業（yè）的發展有著（zhe）重要的意義。加快推進機床信息采集技（jì）術的研發是今後（hòu）發展的必然趨勢。與國外相比，我國現階段成熟的信息采集係統還較少，研製出適合國情的數控信息采集係統，能實現資源共享和對數控設備的重組，並能提高數控機床使用效率，這是今後發展的重要趨勢。

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