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基於4G網絡（luò）的智能數控係統設計

2020-8-6 來源：泉州（zhōu）師範學院（yuàn）物理與信息工程學院（yuàn）作者：蘇建誌姚壬癸

摘要：針（zhēn）對傳統數控係統控製精度不（bú）高、智能程度不強、無通（tōng）信（xìn）網絡、無（wú）法實（shí）現控製係統（tǒng）聯網和協調控製（zhì）等缺點．設計一種智能數控控製係（xì）統，將４Ｇ網絡技（jì）術以及智能化技術應（yīng）用於數控（kòng）機（jī）床控製（zhì）係統，然後對係統的硬件及（jí）軟件（jiàn）進行模塊化設（shè）計．使該係統不僅實現數控控製係統實現數字化、智能化、網絡化，而且能夠對現有的數控係統進行升（shēng）級換代，降低車間改造成本，提高車間生產（chǎn）效率。

關鍵詞：４Ｇ網絡技（jì）術；智能化（huà）技術；智能控製係（xì）統（tǒng）

０引言

數控（kòng）控製係統（tǒng）是裝備（bèi）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（bù）件．有的數控係統是（shì）以單片（piàn）機作為數控係統的控製芯片［１］；有（yǒu）的是以ＤＳＰ作為數控（kòng）係統的控製芯片［２］；控製芯片和工業（yè） PＣ機通過串口通信來實現數控機（jī）床與上位機（jī）的通信［３－６］有的提出以物聯網來實現數控係統的（de）通信［７－１０］；有側重於數控控製係統本身的伺服控（kòng）製係統設計［１１－１６］．現有這些都與工４．０以及基於網（wǎng）絡的人工智能相差甚遠，無法滿足現代智（zhì）能和無人生產車間的（de）要求．因為現有（yǒu）的控製係統都是模（mó）擬輸（shū）入采集控製係統，導致係統輸入采集精度（dù）不高，控製速度慢，無法實現現代數控車間的生產需求。

因此有必要設計一種數（shù）控係統，使係統不僅能夠通過數字（zì）信號采（cǎi）集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（de）實時閉環反饋（kuì）控製實（shí）現數控控製（zhì）係統智能化；另外為了使數控係統之間能夠快速（sù）的互聯互（hù）通，有必要在數控係統上添加（jiā）４Ｇ通信模塊，使數控控製互相通信，快速響應，協調工作。

１、數控控（kòng）製係統框架設計

基於４Ｇ網絡的數控控製係統不僅能夠通過４Ｇ網（wǎng）絡來收集（jí）數（shù）控控製係（xì）統（tǒng）的運行狀態和運行環（huán）境，而且能夠通過中央控製係統產（chǎn）生控製決（jué）策，傳送各種控製指令以及控製參數給數控機床（chuáng），最終實現完全無人化的自動加工（gōng）生產（chǎn）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，而且使數控機床（chuáng）之間能夠互相交互，互通互聯．因此基於４Ｇ網絡的智能數控控（kòng）製係統框（kuàng）架如圖１所示。

圖１　基於４Ｇ網絡的智能數控（kòng）控製係統框架

１．１　智能閉環控製係統框架（jià）設計

智能閉環控製係統首先通過４Ｇ網絡讀取數控控製機床１－Ｎ的各（gè）種運行參數與運行狀態，中央智能數控控製係統對中央監控係統監控的各（gè）種運行狀態進行抽象與分析，進行係統參數辨識，進（jìn）而產生控製決策，通過４Ｇ網絡把各種控製參數傳輸（shū）給車間的數控控製機床１－Ｎ的控製係統和執行機構，數控控製機床１－Ｎ通（tōng）過執行（háng）機構等來對控製目標進行控製，同時又把（bǎ）各種（zhǒng）運行狀態（tài）以及控製誤差參數通過４Ｇ網絡反饋給中央監控係統（tǒng）和學習中心，從而（ér）形成一個有效的閉環控製係統，整個閉環的（de）控製係統如圖２所示。

圖２　基於４Ｇ網絡的（de）智能閉環（huán）控製係統

１．２中央（yāng）智能數控控製係（xì）統框架設計

中央（yāng）智能數控控製係統通過數據分（fèn）析與處理，得（dé）到有效的控製數據以及運行狀態，再通過中央數據庫進（jìn）行數據處理（lǐ）與插補運算算法、軌跡運動算法等各（gè）種算法，對數控機床的運行軌跡（jì），運行速度等各（gè）種運行參數進行預測（cè）與計算（suàn），產生控（kòng）製決策，輸出控（kòng）製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（zhì）機床１－Ｎ進行（háng）控製，同時數控機床１－Ｎ會通過各自的傳感器陣列采集數據（jù），把自身的運行狀態，運行參數通過（guò）４Ｇ網絡傳遞給中央智能數控控製係統，產生新的控製決策，整體產生一個閉環有效的控製（zhì）係統，具體（tǐ）如圖３所示。

２　、智能數控（kòng）控製係統軟硬件設計

２．１　４Ｇ網絡數控控製係統組成

基（jī）於４Ｇ網絡的數控（kòng）控製係統主要由中（zhōng）央監測係統模塊、中央控製係（xì）統模塊、機床信息（xī）終端顯示（shì）模（mó）塊、機床係統模塊組成．

２．１．１　中央控製係統模塊

主要負責對監（jiān）測係統模塊（kuài）中（zhōng）得到的數據進行抽（chōu）象，提取有用的（de）數據，然後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（jù）控（kòng）製決策選擇合適（shì）的控製算法以及智能伺服控製係（xì）統，實（shí）現智能控（kòng）製（zhì）．中央（yāng）控製係（xì）統模塊分為算法集子模塊、智能伺服係統子（zǐ）模（mó）塊、數據處理子模塊等（děng）。

圖３　中央智（zhì）能控製係統框架

２．１．２　中央監控係統模塊

中央監控（kòng）係統模塊主要通過４Ｇ網絡對數控機床１－Ｎ的數據包進行（háng）接收與解析，並對其中的（de）一（yī）些簡單數據包進行分析、比較，初步篩選機床運行（háng）中的（de）有用原始數據和信息，然後把數據同時傳送給中央數據庫以及中央智能數控控製（zhì）進一步處理；同時中央智能數控控製係統通過中（zhōng）央監控係統模（mó）塊與數控控製機床１－Ｎ進行數據（jù）交互，監控係統接（jiē）收來自（zì）中（zhōng）央智能控製係統發出（chū）的（de）各種控製指令以及控製參數（shù），經過４Ｇ網絡傳遞給數控控製機（jī）床，實（shí）現對數控機床的運行狀態，運行環境（jìng）進行實（shí）時檢測與監控。分為監控係統子模塊、數據（jù）交互子模（mó）塊以及通信子模塊等。

２．１．３　終端係統模塊

終端係統模（mó）塊主要負（fù）責整個係統的監控顯示，數據采集過程中異常報警等（děng）．分為監控顯示子模塊、數據采集子（zǐ）模（mó）塊、控製輸出子模塊（kuài）以及異常報警子模塊等。

２．１．４　機床係統（tǒng）模塊

主要通過裝（zhuāng）在機床上麵的射頻（pín）感知硬（yìng）件以及（jí）傳感器（qì）陣列硬件來實現對（duì）機（jī）床運（yùn）行數據、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床之間的（de）通信（xìn），分為機床與機床通信的機床子通信模塊、傳感器陣列數據采集子模塊、總線接口子模塊，射（shè）頻感知子（zǐ）模塊等。

因此（cǐ）基於４Ｇ網絡的智能數控控製係統功能，如圖４所示（shì）。

圖４　基於４Ｇ網絡的智能數（shù）控控（kòng）製係統功能

２．２　下位（wèi）機數（shù）控控製（zhì）機床硬件係統設（shè）計

基於（yú）４Ｇ網絡能數控控製（zhì）機床是整個係統的下位機（jī）部分（fèn），其硬件係（xì）統（tǒng）主要包括主控芯片ＣＰＵ、傳感器陣列（liè）Ａ／Ｄ采集（jí）電路、射頻感（gǎn）知（zhī）采集電路、４Ｇ網絡通信電路、總線接口電路、電源管理（lǐ）電路、異常報警電路等（děng）．首先主（zhǔ）控芯片ＣＰＵ通過傳感器陣列采集電路和射頻（pín）感知（zhī）電路采集數控機床的運行狀態和（hé）運行參數（shù），在通過總線接口和４Ｇ網絡通信電路把狀（zhuàng）態和參數傳輸給中央智能控製係統（tǒng），然後經過（guò）一係列的控製運算以及處理，把控製參數通過４Ｇ傳（chuán）輸給（gěi）機（jī）床，機床在通過各種控製（zhì）總線傳輸給各個控製分支，經過Ｄ／Ａ轉換以及（jí）驅動（dòng）來控製機床的（de）各個傳動機構，

實現對機床的實時控製。

基於４Ｇ網絡的數控控製機（jī）床硬（yìng）件（jiàn）係統設計（jì），如圖５所示（shì）.

圖（tú）５　基於４Ｇ網絡的數控控製機床硬件係統設計

２．３　上位機中央控製係統硬件設計（jì）

基於４Ｇ網絡（luò）的上位機（jī）中央控製係統是整個係統的主要部分，其硬件係統主要包（bāo）括（kuò）主控芯片ＣＰＵ、存儲器（qì）陣列電路、智能伺服控製係（xì）統電路、４Ｇ網絡通信電、電源（yuán）管理電路、控製係統（tǒng）異常報警電路等．首先主控芯片ＣＰＵ通過４Ｇ網（wǎng）絡通信電路采集下位機的運行狀態和參數，保存到存儲器陣列中，同（tóng）時通過中央軟件控製係統學習以及（jí）產生控製（zhì）決策，經過一係列的算法計（jì）算，產生各種控製參數，經過中（zhōng）央智能伺服控製係統電路產生最終的控（kòng）製量，在通過４Ｇ網絡傳輸給下位機機床，機床在通過各種（zhǒng）控製總線傳輸給各（gè）個控製分（fèn）支，經過Ｄ／Ａ轉換以及驅動來控製機床的各個傳動機構，實現對機床的實時控製。

基於４Ｇ網絡的（de）中（zhōng）央控製硬件係統設計，如圖６所示．

圖（tú）６　基（jī）於（yú）４Ｇ網絡的中央控（kòng）製係統硬件設計

２．４　下位機控製係統軟件設計

下位機軟件（jiàn）係統主要包含４Ｇ網絡通信軟件、電路 A／Ｄ采樣軟件、射頻（pín）感知軟件、接口軟件、電源管理軟件、電機驅動軟件、緊急報警處理（lǐ）軟件等．首先通過電路Ａ／Ｄ采樣軟件和射頻感知軟件模塊負責下位機的所有（yǒu）運行狀態以及運（yùn）行參數的采集．最後通過４Ｇ網絡通信模塊軟件把參數傳輸給上位機，整個下位機控製係統的數據采集軟件流程，如圖７所示。

圖７　下位機數據采集軟件流程

下位機控（kòng）製係（xì）統的軟件主要通過４Ｇ網絡接收來自上位機的控（kòng）製係統數（shù）據，如果和上位機（jī）的握手成功（gōng），那麽下位機接收數據成（chéng）功，把接收（shōu）數據通過驅動程序來驅動下位機（jī）的數控（kòng）控製機床（chuáng），實現對下（xià）位機的控製，因（yīn）此下位機的控製係統軟件流（liú）程，如圖８所示。

圖８　下位機控製係統軟件

２．５　上（shàng）位（wèi）機中央（yāng）控製（zhì）係統軟件設計

上（shàng）位機控製係統的軟件主要通過４Ｇ網絡接收來自下位機的數據采集係統參數，然（rán）後根（gēn）據（jù）采集參數（shù），進行係統（tǒng）辨識，產生控製（zhì）決策，在通過智能伺服控製係統（tǒng）模型進行計算，產生控（kòng）製參數（shù），通過４Ｇ網絡發送控（kòng）製參數實現對下位機的控製，因此上（shàng）位機的控製係統（tǒng）軟件流程，如圖９所示。

圖９　上位機控製係統軟（ruǎn）件流程

２．６　智能數控控製係統軟件

智能數控控製係統軟件主要由係統（tǒng）初始化、係統界麵設計、控製係統內核軟件、信（xìn）軟件４大部分組（zǔ）成（chéng），整個係統的（de）主程序（xù）如下：

本係（xì）統通過４Ｇ網絡（luò）把數控控製係統聯網（wǎng）運行（háng），並（bìng）把采集的數據傳（chuán）送到中央智能數控控製係統，通過中央控製係統可（kě）以實時監測各個數控控製（zhì）機床的運行狀態和運行數據（jù）．從而實現（xiàn）係統的網絡化、數字化、智（zhì）能化。

該係統（tǒng）能夠實現無人工車間，２４ｈ不間斷監（jiān）控數控機床，可節省大量人力，提高生產效（xiào）率。該係統用於對泉州德林機械有限公（gōng）司的數控機床進行升級換代，使（shǐ）該數控機床（chuáng）實現數字化、智能

化、網絡化，反（fǎn）饋效果良好。

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