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支持雲（yún）製造（zào）的數控係統無線移（yí）動（dòng）單（dān）元研究與設計

2018-4-3 來源：合肥土業大（dà）學機械與汽車（chē）土程學院作者：王力超韓江夏鏈

摘要:提（tí）出一種基於雲製造服務模式的數控（kòng）係統無線移動單元（yuán），該係統可使用（yòng）智能移動設備遠程訪問與操作現場數控係統，並能夠將機床運行狀態信息及故障信息（xī）發送（sòng）至雲端遠程監控（kòng）平台服務器。遠程監控平台可將曆史數據存（cún）儲起來，供異地故障（zhàng）診斷（duàn）專家分析，同時專家還（hái）能夠通過網絡攝像頭以及各種傳感（gǎn）器實時觀測到機床運行狀（zhuàng）態，並通過視（shì）頻會議的方式對（duì）故障機床進行聯合診斷。係（xì）統（tǒng）內每個的（de）製造設備都將以“社交機器”的方式在雲製造服務平台上（shàng）注冊基本（běn）信（xìn）息、技術指標、曆史加工案例等，其製造能力將作為一種“資源”在平台上共享，其他企業或個人通過查找與谘詢來租賃與自己（jǐ）加（jiā）工要（yào）求相匹配的製造能力，以實現製造資源與服務的開放式協作。

關鍵詞: 數控係統; 無線移動單元; 遠程監控（kòng）; 雲製造服務

近年來，我國機械土程研究領域取得了一係列突（tū）出進展和原創性成果，但（dàn）是機械工程科學在國際上總體還處於落後地位。未來製造技術的發展總趨勢是數字網絡化、智能集成化、高效精確化及極端製造化技術。采用德爾（ěr）菲調（diào）查方法及（jí）研究（jiū）分析，未來20年內，無線網（wǎng）絡技術、網絡光通信技術（shù），衛星通信技術，基於網絡的虛擬製造技術等科學技術將（jiāng）有大的發展隨著世界（jiè）經濟竟（jìng）爭格局正在發生的（de）深刻變化，主要發達國家都提出“再工業化”戰略（luè），並推出依靠科技創新重（chóng）振製造業的重大舉措，新一輪土（tǔ）業革命正在深化譬如，德國政府提出的“工業4. 0”戰略，旨在提高德國土業的竟爭（zhēng）力（lì），在新一輪土業革命中占領先機。製造（zào）業數字化智能化正是新的土業革命的核心（xīn）技術，這其中，實現（xiàn）現場製造設備的少廣泛互聯和遠程監控，正是未來（lái）研究的熱點之一。在德國國家科學與工程院撰寫的（de）《確保德（dé）國製（zhì）造業的未來—對實施（shī）“工業4. 0”戰略計劃的建議（yì）》一文中就提到了（le）一個遠程監控的案例:現在的遠程服務是通過在機（jī）器供應（yīng）商和用戶（hù）之（zhī）間建立（lì）個人通信解決方案來實現的。技術員通常通過調製解調器直接連（lián）接（jiē）到機器。在工業4. 0戰略中，技術人（rén）員將不再手（shǒu）動連接（jiē）到（dào）他們進行服務的機器。製造係統將作為“社交機器”進行運作—在網絡裏，並且將自（zì）動（dòng）連接到基於雲計算的遠程監控平台，用來尋找適合的專家來應（yīng）對出現的問題。專家們（men）能夠通過移動設備使用（yòng）集成知識平台、視頻會議工具和增強的工程方法來執行更有效的傳統遠程維護服務。通過（guò）將複（fù）雜的計算任務(如模擬和預測)從機器轉向門戶，可以使用大（dà）量的處理能力以確保它們能在（zài）最短的時間內運行，從而提供（gòng）額外的生產（chǎn）力。而移動互聯技術和智能掌（zhǎng）上設備（bèi）的飛速發展及其（qí）在其他領域的廣泛應用，必將對製造模式（shì）產生深刻的影響，為數字（zì）化製造帶來重大的機遇和挑戰。此前，以合肥土業大學CIMS研究所王治森教授為首的科研（yán）團隊將最新（xīn）無線通信技術和個人手持設備—掌上電腦PDA終端相結合，設計了一（yī）種便攜（xié）的（de）、可移（yí）動的數控PDA和嵌入式機床控製器集成的新型數控係統，已經在基於移動通信技術的車間數字助理（lǐ）和掌上數控課題方麵取得了非（fēi）常重要的成果。然而，數控PDA和機床控製器之間是通過藍（lán）牙技術實現（xiàn）近距離通信，由於藍牙技術（shù）的帶（dài）寬大約為1 Mbps，而傳輸距離一般為0. 5一10 m ，嚴重限製了可（kě）同時控製的數控設備數量以及（jí）操作員的地理位置，不能將“可移動”的優（yōu）勢充分發揮。此外，傳統個人數字助理也存在CPU速度比較（jiào）低、待電時間短以（yǐ）及第三方軟件不夠穩定等（děng）問題。

因此，本文提出一種新的基於雲製（zhì）造的（de）數控係（xì）統無線移動單（dān）元（yuán）。此係統（tǒng）既可供現（xiàn）場操作工遠程（chéng）移動操作數控機床，也可供企業管理層實時了解機器運行狀態，更有效地進行生產（chǎn）任務（wù）調度與管理。同時，對於發（fā）生故（gù）障的機器（qì），處在異地的專家可以獲（huò）取其現狀及曆史運行數（shù）據，方便對其進行故障診斷，而企業內維修工人將第（dì）一時間（jiān）得到專家診（zhěn）斷的結果，大大縮短因故障造成的停機時（shí）間，有效提高企業生產效率，增強竟爭力。係統（tǒng）內的（de）所有製造設備都會作（zuò）為（wéi）一種製造資源共（gòng）享在雲端平台上，為其他（tā）有需求的企業或個人提供製造服務，充分利用社會資源（yuán）。

1、總（zǒng）體（tǐ）架構及係統功能概述

本文提（tí）出的係統根據訪問所限製的地理位置可分為兩個模塊，分別是加工現場的手持數控模塊以及（jí）全球（qiú）範圍（wéi）的遠程監控平台與雲製造服務平台模塊。其總體架構圖如圖1所（suǒ）示（shì）。

圖1 總體架構圖

《半導體（tǐ）製（zhì）造技術》一書中提出了半導體製造業E一診斷標準，其中E一診斷功能根（gēn）據能力水平的提高可分為4個等級，等級的提高基於一些混合因素（sù），比如支持任務的順序執行、是否易於（yú）實現、是否可以減少人的因素以及增加自（zì）動化能力（lì）。對於本文研究的製造係統，可（kě）以借鑒E一診斷（duàn）標準來進行功能評估其所具備的功能如表1所示。

表1 功能總結(E一診斷（duàn）標準)

2、手持數控係統模塊

本文提出一種新型手持數控係統(HNC， handheldnumerical control)，采用通用的手持智能移動設備(如智能手機、平板電腦)作為終端，利用成熟並且通用的Wi — Fi 無線通信技術 (Wi一Fi標準的帶寬可以達到（dào）11~108 Mbps，傳輸（shū）距離可（kě）以達到1 km 。加上中繼器之後其信號（hào）可（kě）以覆蓋整個土廠，可以實時地遠程訪（fǎng）問與操作現場數控設備。目前，市場上很多高性能手持智能移動設備(以下簡稱“手持設備”)的（de）出現，為HNC的研究提供了堅實（shí）的基礎和現（xiàn）實意義。

手（shǒu）持設備（bèi）與多個數控係統之間的連接主要采用C/S架構。手持設備充當服務器，主要包括界麵展示層、業務（wù）邏輯（jí）層以及數據訪（fǎng）問層。數控係統充當客戶端，主要包（bāo）括數據訪問層以及相關（guān）的數據（jù）更（gèng）新程序。

圖2 手持設備與數控係統間的C/S架（jià）構

2.1 手持設備端

手持設備作為服務端，安（ān）裝自主研發的APP軟件HandheldNC。

出於安全考慮，手（shǒu）持設備必須與數控係統（tǒng）處於企業內部同一個無線局域網段內，此無線網必須采用先進技術進行加密（mì）(加密算法本文中不再贅述)。作為客戶端的數控係統隻對指（zhǐ）定MAC地址和IP地址的手持設備發送連接請求，即（jí）隻有被（bèi）指定的那個(或那些)手持設備才能與數控係統進行（háng）無線連接。此外，手持端（duān）APP軟件HandheldNC將采用指紋識別技術（shù）進行登錄，由企業對其所指定的操作土或管理人員進（jìn）行授權。而（ér）Hand-he1dNC會將使用者一的姓（xìng）名（míng）、土號（hào）以及（jí）登（dēng）錄時間等信息記錄到數據庫中，以便日後（hòu）查詢，安全責（zé）任落實到人。

當被授權的使用者一成（chéng）功登錄之後，軟件便呈現出企業（yè）內車間與機（jī）床的選擇界麵。右（yòu）邊選擇車間，左邊將會顯示這個車間內所（suǒ）有的數控機床。作為服務端的（de）手持設（shè）備在登錄成功後便打開網絡端口，接受運行中並且打（dǎ）開網絡功能的數控係統的連（lián）接。若某一台數（shù）控機床（chuáng）與（yǔ）手持設備連（lián）接成功，那麽與其對應（yīng）的機（jī）床圖片右下角的Wi一Fi按鈕將會呈現為藍色可選狀態，表示此數控機床可進行遠程監控。若未能成功連接，Wi -Fi按鈕將會（huì）呈現為（wéi）灰色不可選狀態。此時，所有（yǒu）連（lián）接成功的數（shù）控係統將（jiāng）會實時監測（cè）其報警信息，若發（fā）生報警，數控係統會將報（bào）警時間、報（bào）警號等信息及時發（fā）送給手持設備。手持設備（bèi）會在第一時間出現紅色報警信息框以提示（shì）操作土人。操作工根據情況需要可（kě）以對機（jī）床進行急停操作（zuò）。遠程急停操作依賴（lài）於一個令門的急停控製中（zhōng）樞中心，該中心通過（guò）無（wú）線（xiàn）方式與數個急停控製單元相連。一個急停控製單元與一個機床相（xiàng）連接，是一個獨立的硬件模塊，並不依賴於數控係統。急停控製單元電路板成本低廉，無需改動機床操作麵板原有布局及功能。急停模塊原理見圖3。

圖3 急停（tíng）模塊原理圖

選中某個需要監（jiān）控的機床之後，手持設備將進入與該機床的數控係統相匹配的操作界（jiè）麵。該界麵與其係（xì）統界麵保持高度一致（zhì），可以監測（cè）到（dào）數控係統（tǒng）上能呈現的所有（yǒu）運行狀態信息，並且可以實時地對其進行操作，所有功能與該數控係統本身的功能保持一致。也就是說，在手持設備上對數控係統進行操作與（yǔ）現場直接操作數控係統可以達到（dào）同樣的（de）目的。

2. 2 數控（kòng）係統端

企業內各個機床的（de）數控係統作為客戶端，采用合肥（féi）工業大學CIMS研（yán）究所自主（zhǔ）研發的、針對各種類型機床的數控係統。數控係統正常啟動之後，將由現（xiàn）場操作工選擇（zé）是否打開其網絡功能。如果網絡功能被打開（kāi），數控係統會向指（zhǐ）定MAC地址和IP地址的手持設備發送連接請求。待成功建（jiàn）立連接後，數控係統會將機床（chuáng）運行（háng）狀態等相（xiàng）關信息實時地發送（sòng）給（gěi）手持終端，供其遠（yuǎn）程監測。與（yǔ）此同時，等（děng）待手持設備的（de）相關操作指（zhǐ）令。

手持設（shè）備的操作（zuò）指令發送給數控係統的網絡模塊，網絡模塊（kuài）負責解讀指令並下發給（gěi）係統相應執行模塊。手持設備端（duān）操作與現場數控係統端操作並不衝突，並且互相獨立，即便手持設備（bèi）出（chū）現故障也（yě）不會影響到數控（kòng）係統本身的功能。

3、遠程監控（kòng）及（jí）雲製造服務模塊（kuài）(圖4)

遠程監控（kòng）平台主（zhǔ）要（yào）提供（gòng）現場製造設備狀態信息異地訪問，以及相關曆史（shǐ）數據存儲，供異地故障診斷令家分析。雲製造服務平台主要將各種製造設備信息共享，為有需求的企業或個人提（tí）供製造服務。

圖4 遠程（chéng）監控（kòng）及雲製造（zào）服務（wù）平（píng）台架構

為（wéi）了便於用戶使用方便，遠程（chéng）監控及雲製造服務（wù）模塊都采用B/S架（jià）構（gòu），任何安裝了瀏覽器（qì）的設備（bèi）都可以進行訪問。

3.1 數控係統端

HNC係統正常土作時，手持設備會將與其（qí）連接（jiē）的所有機（jī）器的運（yùn）行狀態發送至雲端的數據庫服務器。數據庫服務器用十存儲機器曆史運行及故障等相（xiàng）關數據。任何被授（shòu）權的用戶隻需安（ān）裝瀏覽器就可以查詢機器相關信息。

每台機器就如同一個在社交網絡上注冊的“人”，由所屬企業注冊，包括機器的基礎信息（xī），更為重要的（de）是其加土能力以及曆史加土案例展示。企業將（jiāng）其擁（yōng）有的製造（zào）能（néng）力作為一種“製（zhì）造資源”展示在“社交網絡”上，給有（yǒu）需求的企（qǐ）業或個人代工，收取一（yī）定的費用。可以充（chōng）分利用其所（suǒ）擁有的製（zhì）造裝備，在企業本身沒有加工任務的情況下提升其製（zhì）造裝備的使用率，並（bìng）為企業帶來一定的經濟收入（rù），減少資（zī）源浪費。

3. 2 遠程監控平台

遠程（chéng）監控平台（tái）擁有一（yī）個中心（xīn）服務器，所有與之（zhī）相連的數控機床會將它們的運行狀態信息以及發（fā）生故障時的故障信息發送給中心服務器。中心服務器把這些（xiē）信（xìn）息存儲起來當作（zuò）曆（lì）史數據，作為訓（xùn）練模糊神經網絡的樣本。當機床發生故障時，遠程監控（kòng）平台中（zhōng）的故障診斷模塊將會被啟（qǐ）動，利用模糊神經網絡加專家係統的方式對故障機床進（jìn）行初步診斷，並將診斷結果返回給現場操作工或維修工。對於（yú）係統不（bú）能診斷的疑難故障，平（píng）台將尋求遠程專家的人土診斷。遠程故障診斷專家既可以查（chá）詢到該故障機床曆史（shǐ）運行數據以及故障信息，他們還可以通過網絡攝像（xiàng）頭實時觀測機（jī）床（chuáng），通過一係（xì）列傳感器了解機床運行時的噪聲、振動等信息，幫助其對故障進行判斷。同時（shí），處於不同地理位置的專家們還可以采用視頻會議的方式，第一時間做出聯合診（zhěn）斷，將診斷結果發送至企業現場維修工人，有（yǒu）效地減少停機時間，降低維修成本。

3. 3 雲製造服務（wù）平台

雲製造服務平台利用信（xìn）息技術實現製（zhì）造資源的高度共享，建立共享製造資源的（de）公共服務（wù）平台，提供一個（gè）類似“社交網絡”的網（wǎng）站，把巨大（dà）的社會製造資（zī）源(大量企業、土廠或高校的製（zhì）造裝備)連接在一起，將這些願意提供製造（zào）服務的製造設備的相關信息進行公開，實現製造資源與服務的開放協作。其他企業（yè）或者（zhě）一（yī）個人用戶不再需要投入高昂的成本購買加工設備，而是在雲製造服務平台上通過查找與谘詢來租賃與自己（jǐ）加工要求相匹配的製造能力。被共享的製造設備的主要信息如表2所示。

表2 製造設備主要共享信息

4、測試與實驗

采用合肥土業大學CIMS研究所擁有的多（duō）套數控（kòng）係統及多台數控（kòng）機床為實驗平台，初步設計試（shì）驗原型係統（tǒng）的（de）框架，各模塊功能實現（xiàn）及測試。

HNC功能測試如圖5所示。手持設（shè）備與一台五（wǔ）軸聯動加土中心（xīn）的數控係統相（xiàng）連，操（cāo）作界麵與數（shù）控係（xì）統界麵保持高（gāo）度一致，數控係（xì）統的（de）相關數據實時傳輸給手持設備。

圖5 HNC測試圖

圖6 遠程觀測加工（gōng）現場

圖（tú）6所示（shì）的是（shì）一台數控插齒機在加工（gōng）時，手持設備通過互聯網訪問安裝在機（jī）床上的網絡攝像頭（tóu），可實時觀（guān）測加工狀態（tài），並（bìng）且可以控製攝像頭向4個（gè）方（fāng）向偏轉。

5、總語

未來製造業必將向網絡化、智（zhì）能化方向（xiàng）發展，並且（qiě）製造能力也將成為（wéi）一種資源，就像現在的水、電、煤氣一樣。本文結合了數控（kòng）技術、信息技（jì）術、移動互聯技術和雲計算技術等，實現多學科交叉，從實驗室角度對未來製造模式進行探索式研究，在技術層麵上證明了其是可行的。

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