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數控機床信息智能采集技術的現狀與趨勢（shì）

2018-5-30 來源：南京（jīng）工程學院機械工程學院作者：王龍，王雲霞，蔣麒麟，李亞鵬

摘要：數控機床信息采集技術的發展對（duì）我國（guó）工業的發展（zhǎn）具有非常重（chóng）要的現實意義。首先闡（chǎn）述國內外數控機床信息采集係統的發展曆程和研（yán）究現狀，然後歸納總結不同（tóng）的數控機床信息采集方法，分析比較各種信息采集方（fāng）法的優缺點（diǎn），最後展望國內外數控機床信息采集係（xì）統的發（fā）展趨勢。

關鍵詞：數控（kòng）機床；信息采集；智能化；發展趨（qū）勢（shì）

20 世紀 80 年代（dài）以來，眾多（duō）國家都把先進製造技術的研究（jiū）和開發作為國（guó）家的關鍵技術進行優先發展，湧現出一批有（yǒu）代表性和影響力的製造模式及相關（guān）技術（shù）體係，有力地推動了製造業的發展。作為（wéi）一個工（gōng）業大國，我國的（de）製造業正麵臨來自發達國家（jiā）加速重振製造業與發展中國家（jiā）以更低生產（chǎn）成本承接國際（jì）產業轉移的“雙向擠壓”。在這（zhè）種嚴峻形勢下，我（wǒ）國唯有加快研發智能製造（zào）技術，提高工業化水（shuǐ）平，以此來應對傳統優勢減弱的挑戰。傳統的製（zhì）造業技術正逐（zhú）步向自動化、信息化（huà）技術發展（zhǎn），通（tōng）過（guò）高新技（jì）術改造製造業是現（xiàn）代製造業發展的必然趨勢，是企業生存和發展的必要（yào）途徑，所以智能製造被（bèi）越來越多的國家所提出或實施.現代企業製造車間中絕大部分都是數控機床，但由於現有的數控（kòng）機床種類繁多，並且不具備把內（nèi）部信息自動輸出（chū）的功能，極容易形成“信息孤島”。因（yīn）此（cǐ），對數控機床進行數據智能（néng）采集是建設數字（zì）化車（chē）間（jiān）的一個關鍵環節。通過對數（shù）控機床信息采集係統的研發（fā），將會促使企業的辦公、管理和（hé）生產趨於自動化、網絡化和智能化，從而達到（dào）加強企業管理（lǐ）、減少工作失誤、提高工作效率的目的，對數控機床利（lì）用率（lǜ）的提高、企業的發展均（jun1）有重要意義。研究（jiū）製造設備數據采集在機床監（jiān）管的自動化，信息（xī）化和我國製造業發展十分重（chóng）要。

1 、數控機床信息采集係統研究現狀

目前（qián），國內外主要是針對 SIEMENS 係統和FANUC 係統進行數控機床（chuáng）數據采集研究。因為相對於其它（tā）係（xì）統而言，這兩（liǎng）種係統在實際生（shēng）產中（zhōng）應用最為廣泛。

國外一般大型數控廠商的數（shù）控係統都開發有相應的數據采集係統與之相配套。國內由於數控係（xì）統還不是很成熟，目前的研究還主要集中在對國外數（shù）控（kòng）係統的數據采集上，常用的係統整體結構如圖 1 所示.

由於機（jī）床的種類非常（cháng）多，機床的數據采集方法不可能做到完全一致，要（yào）實現統一的（de）數（shù）據采集，就必須根據機床（chuáng）的不同類型設計出不同的采集方法。目前，數控機床的主要數（shù）據采集方式有如下（xià）三種。其中，一種是基於標準通信接口的數據采集（jí）方式，這種方式中，數控機床的標準通信接口主要是 OPC 接口、RS-232 串口、DNC 接口等接口。當前，大部分數控機床都帶有標準的通信接口，計算機可以直（zhí）接通過這些接口與數控機床進行信息交換，從（cóng）而實現對數控機床的數據采集。第二種是基於 PLC （ Programmable LogicControl）控製的數據采集方式，這種方式中，對於車間中一些老式的機床，本身不含有與外部通訊的接口，隻能通過機床的（de）電器電路（lù）以及機床內部的 PLC 進行機床信號的采集。這些（xiē）信號可以通（tōng）過外接 PLC、數據采集卡等硬件來完成。上述基於數控機（jī）床電器電路及PLC 的采集方法，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（bì）須將這些方法綜合起來，靈活地運用，這樣才能真正意義上實現企業製造車間的數（shù）字化。第三種是基於（yú）硬件的數據采集方式，這種方式中，數據是通過采用數（shù）字量及模擬（nǐ）量的進行采集，能夠對機床的 I/O 信號進行檢測以（yǐ）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析

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

2.1 采用標準通信接（jiē）口進行數（shù）據采集方式

（1）基於數控機床的 OPC（OLE for Process Con－trol）接口數據采集文中英（yīng）文（wén）簡稱格式（shì）要一致。

西門子係列的高檔係統和 FANUC 係統都可（kě）以通過采用（yòng） OPC 的方式（shì）進行數據采集。巴西聖保羅大學基於機床 OPC 接口，實現對（duì）機床（chuáng）的狀態信息采集遠程訪問。德國約翰內斯·海德漢博士公司研製的 Heidenhain 係統中大部分采用以太網對 OPC 接口進行數據采集。中國科學院大學（xué）的王帥采用多線程與 OPC 技術作為信（xìn）息采（cǎi）集的手段，在建立 OPC 客戶（hù）程序與（yǔ）數控設備的 DCOM 通（tōng）訊連接的基（jī）礎上（shàng）對服務器進行數據（jù）采集。在采集中隻需（xū）對 OPC 接口及采集軟件做（zuò）相應的配（pèi）置即可，而無需額外添加硬件（jiàn）設備，並且這種（zhǒng）方式能采集到機床幾乎所有的狀態信息。浙江大學付林雲研發的（de）基於 OPC 的數控機床數（shù）據（jù）采集係統，通過機（jī）床以太網口采集機床信息。南京工程學（xué）院李亞鵬通過利用 C# 編寫 OPC 客戶端程序，易控組態軟件作為 OPC 服務器，實現了客（kè）戶端程序對易控 OPC 服務器的訪問並且獲取了服務器中的數據，從而實（shí）現（xiàn）了數據的實時采集。這種采（cǎi）集方式的優點是采集到數據比較多，缺點是對機床配置要求比較高，老式機床會受到限製。

（2）基（jī）於（yú）數控（kòng）機床的 DNC 接口數據采集

這種采集方法主要是通過對機床（chuáng）係統或者電氣電路的特定部位（wèi）設置采集點（diǎn），測試出控製電路（lù）的電壓信號，通過對照檢測電壓信號的變化，實現機（jī）床狀態數據采集（jí）的功能。對於自帶 DNC 通訊（xùn）接口的高檔數控，通過在 DNC 接口外接數據采集卡並運行相應的軟（ruǎn）件，實現對數控機床的數據（jù）采集功能。通過這種類型的 DNC 外接口，還可以實現對機床加工信息的實（shí）時采集和遠程（chéng）控（kòng）製，並可（kě）以實時機床主（zhǔ）軸轉速、進給速度、刀具使用壽命等信息進行采（cǎi）集。日本 mori－seiki 公司研製的 MORI -NET Global Edition 信息采集軟件能夠實現對數控機（jī）床的監控及遠（yuǎn）程控製等，並把各種加工信息及采（cǎi）集的輔助信（xìn）息能夠分享或者上傳至網上。南京航空航天（tiān）大學（xué）武國峰（fēng）通過外接數據采集卡的方式利用 DNC 實現了對數控機床的運行狀態、完工零（líng）件等信息的采集。

（3）基於數控機床的 RS-232 串（chuàn）口數據采集

這種采集方法主要是通過 RS-232 串口在數控（kòng）機床的（de）控製程序裏加（jiā）入特定的（de）宏程序指令（lìng），通過對返回（huí）的狀態信息，如（rú）機床刀具坐標、加工狀態、主軸轉速（sù）、進給速度等信息的實時采集（jí）。日係數（shù）控係統，如 MAZAK ，三菱 M70 係列等（děng）采用（yòng）係統廠商的數據采集軟件進行數據采集（jí），均能采集比較多的數據（jù）。大（dà）多支持串口編寫宏程序，因而可使用宏程序進行數據的采集。北京華洋宏軟件公司研製的 DNC-NET軟件。該采集方式的優點（diǎn）是適用（yòng）於（yú）老式（shì）的機（jī）床；缺點是機床輸出的（de）數據類（lèi）型有限，想要對操作狀態，監控等信息輸出較為困難，尤其是當機床處在非加工狀態時，就不能采集到機床狀態信號。其次（cì），機床輸出數據有延時，不能夠（gòu）實時顯示（shì）機床的運作狀態。並且，采集需要要在加工程序中加入采集指令，程序（xù）編製複雜（zá）、較為麻煩。因（yīn）此，宏程序數據采集一般（bān）隻運用於老式機床（chuáng）數據采集。

2.2 采用 PLC 控製方（fāng）式對機床的（de）數據采集方式（shì）

這種采集方式主要是通過機床的電器電（diàn）路以及機床內部的 PLC 進行機床信號的采（cǎi）集。如美國Predator Software 軟件技術公司研發的蓋勒普係統（tǒng）MDC（Manufacturing Data Collection & StatusManage－ment）。該係統能夠實現對（duì）現（xiàn）場數據進行實時采（cǎi）集，並在分（fèn）析管理之後，將信息存（cún）儲在 Access ，SQL 和Oracle 等數據庫（kù）中（zhōng），能通過數控設（shè）備 PLC 進行數據采集，Siemens、Fanuc、Heidenhain 等多種型號控製係統均可被采集。

由於數控機床多用 PLC 控製，在計算機網絡快（kuài）捷、高效的時代下，PC-PLC 網絡（luò）成為數控機床數據采（cǎi）集與監控的一個研究方向。中國計量學院（yuàn）的王（wáng）國強利用 Siemens PLC 設計監管機床運行，實（shí）現對機床信息采集。但是由於數控機床的封（fēng）閉（bì）性，為保證機（jī）床的正常工作需要熟悉每（měi）一台機床（chuáng）的 PLC. 實際應（yīng）用（yòng）中將很難直接從 PLC 讀取機床的各種信息，這種采集方（fāng）式的優點是對人機單元沒有要求；缺點（diǎn）是需要對每一台機床的 PLC 都比較熟悉，以保證機床的正常工作。而且 Siemens 和 FANUC 數控機（jī）床自帶的信息（xī）采集及檢測軟件價格相對昂貴。

2.3 基於數控機床的硬件數據采集方式

這種數（shù）據采集方式是通（tōng）過采用數字量及模擬量的數據進行采集（jí），能夠對機床的 I/O 信號（hào）進行檢測以此實現對機床狀態的監控。南京航空航天大學的徐永樂（lè）數控機床信息采集係統以 ARM9 為硬（yìng）件（jiàn）平台，通過開發 I/O 接口電路，實現機床側信號到 ARM 端信號的轉換。這種采（cǎi）集方式的優點是不受（shòu）係統的限製，使用範圍廣；缺點是采集的數據少，當變動程序時，現場線路也將會隨之改動，較為麻煩。

通過對上述三種采集方法（fǎ）的介紹可以得知，每種方法都有各自的（de）優點（diǎn），但也有其局限性（xìng）。在選擇（zé）方案的時候必須充（chōng）分考慮機床的型號與所配有的通信接口以及所需要（yào）采集的信號種類。

如表 1 所示是對上（shàng）述幾種信息采集方法的比（bǐ）較.

3 、數控機床信息采集方式的發（fā）展趨勢（shì）

在工業 4.0 發展和《中國製（zhì）造 2025》的大前景下，國（guó）外很多企業（yè）對網絡化（huà）車間（jiān）管理和機床信息采集進行了研究開發，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 CIMCO 公司研製（zhì）的（de） MDC-Max 6 信息（xī）采集軟件（jiàn），美國上升科技公司研製的extreme DNC 信息采集軟件。相較（jiào）於國外的機床信息管理係統，國內在這方麵（miàn）還處於起步階段，我國市場上較（jiào）為成熟的機床采集係統還較少（shǎo），與國外產品相（xiàng）比仍有許多不足之處。比較有代表性的有北京機床（chuáng）研究所研發（fā）的 DNC 係統，北京蘭光創新科技的CIMCO-DNC 係統等，九思易的自動化監控與信息管理（lǐ）平台等。

德國工業 4.0 等發展策略推（tuī）動著智能（néng）製造，機械製造技術等核心產業的發展變革，影響著（zhe）製（zhì）造業的發展趨勢，同時也影（yǐng）響著機床信息采集的發展趨勢，主要發展趨勢為：

（1）提高（gāo）數控設備利用率，減少（shǎo）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（zhì），對加工過程中外部變量進（jìn）行采樣監控，以此來（lái）實現加工參（cān）數的自動修正與補償。

4、結束語

我國是一個工業大國，機床（chuáng）信息采（cǎi）集的發展（zhǎn）對我國工業的發展有著（zhe）重要（yào）的意義。加（jiā）快推（tuī）進機床信息采集技（jì）術的研發是今後發展的必然趨勢。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（xìn）息采集係統，能（néng）實現資（zī）源共（gòng）享和對（duì）數控設備的重組，並（bìng）能提高數控（kòng）機床使用效率，這是今（jīn）後發展的重要趨勢（shì）。

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