中走絲（sī）線（xiàn）切割機床智（zhì）能遠程（chéng）監控係統設計 -特種加工機床網-數控機床市場網

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中走絲（sī）線切割機（jī）床智能遠程監控係統設（shè）計

2017-8-11 來（lái）源：鄭州輕工業中州工程技術廣東省重點實（shí）驗作者：明五一沈娣麗劉冬敏張臻

摘要: 中走絲線切（qiē）割機床是一種精密（mì）的特種（zhǒng）加工機床，加工精度高，能加工各種特（tè）殊硬質材料，但是比常規加工方式耗（hào）時，因而對其進（jìn）行實時的狀態監控就很（hěn）有必要。針對現有國內（nèi）主（zhǔ）流的中走絲數控係統，提出 2 種（zhǒng）集成監控方式，並結合嵌入式技術、人工智（zhì）能、網絡（luò）及移動終端編程和數據庫技術研究了中走絲機床智能遠程監控係統。首先，對智能遠程監控係統的總體框架進行了闡（chǎn）述; 其次，對智能遠程監控係統的核心功能及其關鍵技術進行了詳細的說明; 最後，對中走絲的2 種集成監控方式進行了重點說明，特別是基於人工智能技術的圖像識別方法。所研究的中走絲線切割機床智能（néng）遠程監控係統不僅能（néng）為機床加工人員提供（gòng）方便，也能為機床維護人員解決機床故障（zhàng）提供支撐。

關鍵詞（cí）: 中走絲線切割; 狀態識（shí）別; 智能監控; 模糊識別（bié）

根據電極絲的運行速度（dù），電火花線切割機床通常分為（wéi）三（sān）大類: 高速走（zǒu）絲線切（qiē）割機床 ( 俗稱快走絲，走絲速度 8 ～ 10 m/s) ，中走（zǒu）絲線切割機床 ( 俗稱中走絲，粗加工時 8 ～ 12 m/s，精加工時 1 ～ 3 m/s) ，低走絲切割機床 ( 慢走絲，走絲速度低於 0. 2m / s)。

快走絲機床（chuáng）是我國自創研發的，由於（yú）機床（chuáng）結構（gòu）簡單、性價比高、工（gōng）藝效果好，被廣泛應（yīng）用於製造業中，並且自從 20 世紀被（bèi）研發出來後，得到不斷的發展與（yǔ）升級。

中走絲線切割機床（chuáng）是快走絲機床的一種升級換代產品，其加工精度高、表麵（miàn）質量好，能加工各種特殊硬質材料。但是電加工機床的加工時間比常規方式要耗時，因而對（duì）其進行實時狀態的監控就很有必要（yào）。近年（nián）來，我國對數控機床監控問題（tí）理論（lùn）上、實踐（jiàn）上都做了很多研究性（xìng）工作，同時也有一些原型的數控（kòng）機床監控係統，但是對於特種加工機（jī）床，比（bǐ）如中走絲線切割機床的遠程監控，還沒有這方麵的研究。由於電加工機床除了監控一些（xiē）狀態外，更為重要的（de）是要積累（lèi）電加工的工（gōng）藝參數，因而，隨著信息和網絡（luò）技術的快（kuài）速發展、智能手機的快速普（pǔ）及，有必（bì）要研究中（zhōng）走絲線（xiàn）切割（gē）機床的遠程監控問題。中（zhōng）走絲線切割機床的（de）智能遠程監控（kòng）係統正是在此背（bèi）景下提出來的，該係（xì）統能（néng）對（duì）中走絲線（xiàn）切割機（jī）床的運行狀態進行實時監測，同時也能自動收集加工中所使（shǐ）用的電參數。當機（jī）床（chuáng）發生故（gù）障時，能通過控製終端發送到服務器端，再通過 WEB 瀏（liú）覽器或者 androids 智能手機（jī）終端提醒（xǐng）相關人員，同時，監控係統（tǒng）會（huì）自動發出聲光報警信號，並切斷高頻電路、運絲機構等電源（yuán），保障機床的安全運行。借助網絡、智能（néng）手機，中走絲線切割機床（chuáng）的監控將更加實時，提升了機床的網絡化製造能力。

1. 係統總體（tǐ）框架

整個係統的設計以計算機（jī）網絡（luò）通信為基礎，以（yǐ）中走（zǒu）絲線切割機床控製端為核心，完成中走絲電加工機床的運行狀態、加工（gōng）工藝參數、加工狀態和加工圖像等的遠程監控。遠程監控係統主要包括電加工機床的狀態采集、狀（zhuàng）態分析（xī）與處理（lǐ）和機床運行狀態顯示三大部分。中走絲線切割機床的（de）遠程監（jiān）控係統可在無人值守的（de）情況下實現實時監測、數據（jù）傳輸、狀態分析、拍照、報警、急停等（děng）功（gōng）能，機（jī）床的加工人員及其維護人員（yuán）在遠（yuǎn）程通過 WEB 瀏覽器或者智能手機在遠程完成上述功能。中走絲線切割機床智（zhì）能遠程監控係統的總體框架如圖 1 所示。

圖 1 中走絲線切割機床智能遠程（chéng）監控係統總（zǒng）體框架圖

中走絲（sī）線切割機床監控係統的構成（chéng）主要（yào）有（yǒu）機床控製端、服務器端和遠程端三部分，如圖 1 所示，機床控製端分成 2 個子模塊: 一個是機床控製（zhì）端軟件，它運行在機床控製平台上，鑒於目前主流的（de）中（zhōng）走絲線切割機床的控製係統都采用 Windows 平台，因而機床（chuáng）控製端軟件也是采用 VC 6. 0 開發，通過數據（jù）交換協議或者截（jié）圖、模板匹配智能識別 2 種方式獲（huò）取數控係（xì）統的主要（yào）運行狀態和工藝參數; 另外一個機床控製端硬件部分，它（tā）采用 S3C44B0X 作為主控 CPU，通過各種外（wài）置接口 ( 以太（tài）網口（kǒu）、串口、GPIO 口等) 與攝像頭、機床急停開關、照明燈、控製端軟件以及監控服務器端軟件相連接。

監控服務器端的一個（gè）核（hé）心功能是要實現機床運行狀態的智能分析，其（qí）主要的數據來源（yuán）就是機床控製端（duān）上傳（chuán）的各類（lèi）數據，監控服務器端的數據存儲（chǔ）采用關（guān）係數（shù）據庫 SQL Server 2008，建立從用戶表到智能終端表等各類係統需要的數據（jù）庫表，監控服務器端程序（xù）也采用 VC 6. 0 開發。遠程端也分為 2 個（gè）子模塊: 一個為（wéi）WEB 遠程監控端，它采用 . Net 2005 工具開發; 智能（néng）手機監控端的 androids 程序采用 Java 語言開（kāi）發。

2 .機（jī）床控製端設計

2. 1 硬件模塊設計

機床（chuáng）控製端（duān）硬（yìng）件模塊的主核心采用基於ARM7MDI 內核的 S3C44B0X，它是 ARM 公司最早為業界普遍認可並且贏得（dé）最廣泛應用的處（chù）理。該處理器芯片最高（gāo）工作頻率為（wéi） 66 MHz，采用 0. 25 μm 工藝的 CMOS 標（biāo）準（zhǔn）宏單元和存儲編（biān）譯器，具有 71 個通用的多功能輸入輸出引腳，能夠實現機床控（kòng）製端的各種外圍操作。

圖 2 機（jī）床控製端硬件原理圖

機床控製端硬件原理圖如圖 2 所示。硬件通過光耦電路采集斷絲、短路、高頻和絲筒等信號，對於需要實時控製的報（bào）警、急（jí）停等外部操作，同樣通（tōng）過光耦電路，控製電（diàn）磁繼電器對這些機床外部電路進行切換，從而（ér）實（shí）現（xiàn）相關（guān）功能（néng）。拍照模塊采用基於串口通信( RS232) 的 OV 200 萬像素的（de）攝（shè）像（xiàng）頭，通信速率采用19 200 b / s，照片存儲格式為標準 JPEG 格式，尺寸大小有多種模式可選，默認為 640 像素 × 480 像素大小，ARM 與拍照模塊之間的數據按幀（zhēn）來傳送，一共有 3 種幀結構: 命令幀、應答幀和數據（jù）幀。機床控製端硬件與機床控製端軟件采用串（chuàn）口 ( RS232) 進行通信，采集（jí）中走絲數控係統中顯示的各種加工狀態、工藝參數等數據，機床控製端硬件與監（jiān）控服務（wù）器（qì）端通信（xìn）采用以太網通信方式，通信模式為點到點協議。控製端硬件的運行狀態通過 LED 液晶屏顯示，各種配置（zhì）參數存入 E2PROM 芯（xīn）片中（zhōng）。

2. 2 軟件模塊（kuài）設計

機床控製端軟件模塊的（de）主要目的是實現（xiàn）與（yǔ）中走絲機床數控係統的集成。鑒於現有機床情況，此項（xiàng）目采用（yòng） 2 種集成方式: 一種是對於作者自己研發（fā）的數控係統，采用基於（yú） TCP/IP 服務的集成方式（shì），數控（kòng）係統提（tí）供 Socket 服務，可以為機床控製端軟件模塊提供（gòng）運行狀態查詢服務，相關的部分通信協議如表 1 所（suǒ）示。通過 Socket 相關命令的調用，機床控製端軟（ruǎn）件能獲取到相關的字符串，各（gè）個狀態之間用字符 “| ” 區別開來，按照預先設計好的協（xié）議進行解析，之後通過串口將狀態轉發到機床控製端硬件模塊。

另外一種方式是處理與其他廠家研發的數控係（xì）統（tǒng），軟件模（mó）塊采（cǎi）用截圖、模板（bǎn）匹配智能識別方法來獲取數控係（xì）統的運行狀態。數控係統運行過程中，機床控製端（duān）軟件模塊在後台運行，每間隔一定時間自（zì）動抓拍（pāi）數控係統的主界麵，對屏幕進行截圖，之後，按照預先定義好的（de）模（mó）板對截圖進行劃分，分別獲取數控係統的每個具體子狀態，再按照模板定義的特征值( 顏色、英文（wén）、數字、漢字) 智能判斷其子狀態。圖3 為一個配置的模板中的一個子模板。

圖 3 運行狀態的（de）配置模板

圖 3 中的配置模板設（shè）置好位（wèi）置屬性後（hòu），就（jiù）可獲取“開始”、“暫停”、“停止”的 3 個獨立小圖像，該數控係統這 3 個按鈕通過改變顏色來示意相關操作，因而，子模板對這 3 個的特征值為顏色（sè）屬性，通過獲取顏色屬性來智能推理其運行狀態; 另外 3 個 “水泵開”、“運絲開”、 ‘“高頻開”為漢字特征值（zhí），通過圖像矩或（huò）者特征值，再由（yóu）支持向（xiàng）量機 ( SVM) 分類獲取狀態（tài）。

3 .監（jiān）控服務（wù）器端設（shè）計

監控服務器端是整個智能監控係統的核（hé）心（xīn）部分（fèn），起到中心樞紐作用。監控數據的收集存儲都在服（fú）務器端的數據庫中，後期的數據分析也由它完成。監控服務器（qì）端軟（ruǎn）件係（xì）統主要由（yóu）機床監控（kòng）端管理、工藝數據分析、WEB 端（duān）監控、智（zhì）能手機端服務、係統（tǒng）管理等五大部分組成（chéng），如圖 4 所示。機床監控端管理中的參數設置主要是配置數控係統（tǒng）的模板參數、硬件模塊參數等，可（kě）通過命令下發、加工狀（zhuàng）態智能采（cǎi）集為下位機提供服務，將數據實時采集到服（fú）務端，數據存儲采用關係型數據庫進（jìn）行，方便後期分析處理。工藝數據分析是遠程監控係統的一個（gè）核心功能，電加工的工藝參數優化在工程中占有很重要的位置，加工的優劣與工（gōng）藝參數（shù）有很大關係，因而，其工藝數據統計、穩定性分析及其狀態統計等相關的數據分析（xī）就尤為重要（yào）。WEB 端（duān）監控主要是為麵向計算（suàn）機遠程訪問監控係統的用戶提供服務，除了顯示（shì）報警等信息外（wài），還能顯（xiǎn）示相關（guān）統計報表。智能手機端服務主要是提供相關Webservice 服務，通過（guò） HTTP 將查詢到（dào）的機床狀態、運行圖片等（děng）傳輸到智能手機終端上。係統管理完成控端軟件的配置設置、用戶權限等操作。

圖 4 監控服務器端軟件功能

4 .關鍵技術分析

4. 1 智能文字識別技術

由第 2. 2 節可知，模板匹配的關鍵是要對圖片中的文字進（jìn）行智（zhì）能識別。文中采用圖像矩技術識別英（yīng）文、數字、漢（hàn）字，其中漢字通過模板匹（pǐ）配後隻識別有限的狀態。圖像矩既可（kě）以對圖像形狀信息進行全局特征的（de）描述，也可以對其幾何特征信息進行描述。圖像（xiàng）矩的屬性與力學和統計學（xué）有類似之處，力學中的質量分布密度函數的零階、一階和二階（jiē）矩分別對應於質心（xīn）質（zhì）量、矩心（xīn）位置（zhì）和慣量，而統計學中的概率密度函數的零階、一階和（hé）二階矩則分別表示其全概率、數學期望和方差。因（yīn）而，當用二維密度分布表示一個圖像時（shí），圖像的形狀信息，如圖（tú）像（xiàng）的總麵積、矩心位置和方位等，可用對應的幾何矩函數來描述。用幾何矩函數標（biāo）識的圖像特（tè）征信息可用來構造（zào）特征變量，可在圖像的平（píng）移、縮放和旋轉操作中保持不（bú）變性（xìng）。

函數。因此，對於一幅具有有限（xiàn）尺寸（cùn）的二維圖像，f( x，y) 在最差的情況下是分段連續的，因而其幾（jǐ）何矩必定唯一存在，也即通過所獲得的幾何矩係列就能唯一確定圖像信息。對於（yú）通過模板匹配後的文字辨識，隻需（xū）要求其一定範圍內的矩係列就能獲取該圖像的核心信息。在此基礎上，文中的智能文字識別（bié）算法流程圖如圖（tú） 5 所示。

圖 5 智能（néng）文字識別算法流程圖

4. 2 智能手機監（jiān）控技術

androids 4. 0 隻提供一個版本（běn），同時支持（chí）智（zhì）能手機、平板電腦、電（diàn）視等設備。係統的操作界（jiè）麵和蜂巢係統風格類似，並且新的（de） UI 設（shè）計更加成熟。此係統的智（zhì）能（néng）手機客戶端基於 androids 4. 0 進行開發，提升用戶的使用體驗，並且能與市場上主流的手（shǒu）機相（xiàng）兼容。

圖 6 描述了智能手機（jī）端軟件與監控服務器端的（de）通信（xìn）。智（zhì）能手（shǒu）機（jī）端軟件主要包括（kuò）用戶界（jiè）麵、數據接口和數據庫存儲 3 個子模塊。用戶界麵子模塊包（bāo）含狀（zhuàng）態顯示、報警和邏（luó）輯控製等; 數據接口子模塊定期獲取中走絲（sī）線（xiàn）切割機床的各種狀態，之後將狀態數據存入智能手機本地的 SQLite 數據庫中; 用戶（hù）界麵（miàn）子模塊通過訪問本地 SQLite 數據庫，顯（xiǎn）示各個機床的運行（háng）狀（zhuàng）態。

圖 6 智能手（shǒu）機端軟件與監控服務器端通信方式

智能手機用戶界麵子模塊定時調用數據接口子（zǐ）模塊的 get Rows ( ) 靜態方法，該方法通過調用遠程服務器端的 Web Service 服務，從而返回待查（chá）詢的（de）數據表，解析對應的 XML 文件後存入 SQLite 數據庫（kù）。需要上方各種控製命（mìng）令時，通過 Http Client 類實例執行HTTP 的（de） Get 方法，各種命令參數放入 Get 方法中，之後（hòu）判斷 Http Response 類實例的狀（zhuàng）態標識來作進一步處理（lǐ）。

5 .結束語（yǔ）

電加工機床的智能遠程監控目前還不多見，文（wén）中提出的中走絲線切（qiē）割（gē）機床（chuáng）智（zhì）能遠程監控係統（tǒng）為相關（guān）機床的（de）監控提供了一種（zhǒng）新方法、新思路。係統通過WEB 瀏覽器或者智能手機即可實現遠程對車間內多台機（jī）床進行監控和維（wéi）護，通（tōng）過工藝智能分析係統還能對電加工（gōng）的工藝參數進行分析（xī），改善加工效率，提升加工穩定性。文中對係統的架構、關（guān）鍵部分和關鍵實現技（jì）術（shù）都進行了詳細的描述，機床智能遠（yuǎn）程監控係統具有良好的應用前景，後（hòu）期可（kě）將中走絲線切（qiē）割機床的故障診斷加入其中，研究與之適配的（de）智能診斷算法，進（jìn）一步提升監控係統（tǒng）的工程應（yīng）用能力。

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