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基（jī）於4G網絡的（de）智能數控係統設計

2020-8-6 來源：泉州師範學院物理與信息工程學院作者（zhě）：蘇建誌姚壬（rén）癸

摘要：針對傳統數控（kòng）係統控製（zhì）精度不高、智能程度不強、無通信網絡、無法實現控製係統聯網和協（xié）調控（kòng）製等缺點（diǎn）．設計一種智（zhì）能數控（kòng）控製係統，將４Ｇ網絡技術以及智能化技術應用於數控機床控製係統，然後對係統的硬件及軟件進行模塊化（huà）設計．使該係統不僅（jǐn）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級換代，降低車間改造成本，提高車間生產效率。

關鍵詞：４Ｇ網絡（luò）技術；智（zhì）能化技術；智能控製係統

０引言

數控控製係統是裝備製造業的中央處理器，是實現製造技（jì）術以及裝（zhuāng）備現代化的核心（xīn）部件．有的數控係統是以單片機作（zuò）為數控係統的控製芯片［１］；有的是以ＤＳＰ作為數控（kòng）係統的控製芯片［２］；控製（zhì）芯片和（hé）工（gōng）業 PＣ機通過串口通信來實現數控機床與上位機的通信（xìn）［３－６］有的提出以（yǐ）物聯網來（lái）實現數控係統（tǒng）的通信［７－１０］；有側重於數控（kòng）控製係統本身的伺服控製係統設計［１１－１６］．現有這些（xiē）都與工４．０以及基於網絡的人工智能相差甚遠，無法滿足現（xiàn）代智能和無人生產車間的要求．因為現有的控製（zhì）係統都是模擬輸入采集控製係統（tǒng），導致係統輸入采集精度不高（gāo），控製速度慢，無（wú）法實現現代數控車（chē）間的生產需求。

因此有必要設計一種數控係統，使係統不僅能夠通過數字信號采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（shù）控（kòng）控製係（xì）統的實時閉環反饋控製（zhì）實現數控控製係統（tǒng）智能化；另外為了使數（shù）控係統之間能夠快速的互聯互通，有必要在數控係統上添加４Ｇ通信模塊，使數（shù）控控製互相通信，快速響應，協調工作。

１、數（shù）控控製係統框架設計

基於４Ｇ網絡的（de）數控控製係統不僅能夠通過４Ｇ網絡來收集數控控製（zhì）係統的（de）運行狀態和運行環（huán）境，而且能（néng）夠通（tōng）過中央控製係統產生（shēng）控製決策，傳送各種控製指令以及控製參數給數控機床，最終實現完全無人化的自（zì）動（dòng）加工生產（chǎn）車間，使中央智能數控控製係統完全監（jiān）控各台數控機床的運行環境和狀態，而且（qiě）使數控機（jī）床之間能夠互相交互，互通互聯．因此基於４Ｇ網（wǎng）絡的智能（néng）數控控製（zhì）係統框架如圖１所示。

圖１　基於４Ｇ網絡的智能數控控製係（xì）統框架

１．１　智能閉環控製係統框架設計

智能閉（bì）環控製係統首先通過４Ｇ網（wǎng）絡讀取數（shù）控控製機床１－Ｎ的各種運行參數與運行（háng）狀態，中央智能數控控製係統對中央監控係（xì）統監控的各種（zhǒng）運行狀態進行抽象與分析，進行係統（tǒng）參數辨識，進而產生（shēng）控製決策，通過４Ｇ網絡把各種控製參數傳輸給車間的數（shù）控（kòng）控製機床１－Ｎ的（de）控製係統和執行機構，數控控製機床１－Ｎ通過執行機（jī）構等來對控製目標進行控製，同（tóng）時又把各種運行狀態以及控製誤差參數通過（guò）４Ｇ網絡反饋給（gěi）中央監控係統和學習（xí）中（zhōng）心，從（cóng）而形成（chéng）一個有效的閉環控製係統，整個閉環（huán）的（de）控製係統（tǒng）如圖２所示。

圖２　基於４Ｇ網絡的智能閉環控製係統

１．２中央智能數控控製係統框架設計

中央智能數控（kòng）控製係統通過數據分析與處理，得到有效的控製數據以及運行狀（zhuàng）態，再通過（guò）中央數據庫進行數據處理（lǐ）與插補運算算法（fǎ）、軌跡運動算法等各種算法，對數控（kòng）機床的運行軌跡，運行速度（dù）等各種運行（háng）參數進行預測與計算，產（chǎn）生控製決策，輸（shū）出控製（zhì）參數到智能伺（sì）服控製係（xì）統；在通過４Ｇ網絡傳遞給數控控製機床１－Ｎ，對數控控製機床１－Ｎ進行（háng）控（kòng）製，同時數控機床（chuáng）１－Ｎ會通過各自的傳感器陣列采集數據，把自身的運（yùn）行（háng）狀態（tài），運行參數（shù）通過４Ｇ網絡傳遞給中央智能數控（kòng）控製係統（tǒng），產生新的控製決策，整體產生一個閉（bì）環有效的控製係統，具體如圖３所示。

２　、智能數控控（kòng）製係（xì）統軟硬件（jiàn）設計

２．１　４Ｇ網絡數控控製係統組成

基於４Ｇ網絡的數控控製係統主要由中央監測係統模塊、中央控製係統模塊、機床信息（xī）終端顯示模塊、機床係統模塊組成．

２．１．１　中央控製係統模（mó）塊

主要負責對監測係（xì）統模塊中（zhōng）得到的數據進行抽象，提取有用的數據，然後根據數據（jù）庫（kù）的數據進行係統辨識（shí）以及產生控製決策；再根據控製（zhì）決策選擇合適的控製算法以（yǐ）及智能伺（sì）服控（kòng）製係統（tǒng），實現智能（néng）控製．中央控製係統模塊分為算法集子模塊、智能伺服係統子模塊、數據處理子模塊等。

圖３　中央智能控製係統框架

２．１．２　中（zhōng）央監控係統模塊（kuài）

中（zhōng）央監控係統模塊主要通過４Ｇ網絡對數控機床１－Ｎ的數據包進行（háng）接收與解析，並對其中的一些簡單數（shù）據（jù）包進行分析、比較，初步篩選機床運行中的有用原（yuán）始（shǐ）數據和信息，然後把數據同時傳送給中央數（shù）據庫以及中央智能數控（kòng）控（kòng）製進一步處理；同時中央（yāng）智能數控控製係統通（tōng）過中央監控係統模塊與數控控製機床１－Ｎ進行（háng）數據交互，監控係統接收來自中央智能控（kòng）製係統發（fā）出的（de）各種控製（zhì）指（zhǐ）令以及控製參數，經過４Ｇ網絡傳遞給數控控製機床，實現對數控機床的運行狀態，運行環境進行實時檢測與監控。分（fèn）為監控係（xì）統子模塊、數（shù）據交互子（zǐ）模（mó）塊以及通信子模（mó）塊等。

２．１．３　終端係統模塊

終端係統模塊主要負責整個係統的（de）監控（kòng）顯示，數據采集（jí）過程（chéng）中異常報警等（děng）．分為監控顯示（shì）子模塊、數據采（cǎi）集子模塊、控製輸出子（zǐ）模塊以及異常報警子模塊（kuài）等（děng）。

２．１．４　機床係統模塊

主要通過裝（zhuāng）在機床上（shàng）麵的射頻感知硬件以及傳感器陣列硬件來實現對機（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（chuáng）通信子模塊來實現機床（chuáng）之間的通信，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（zǐ）模塊、總（zǒng）線接口子模（mó）塊，射頻感知（zhī）子模塊等。

因（yīn）此基於４Ｇ網絡（luò）的智能數控控製係統功能，如圖４所示。

圖４　基於４Ｇ網絡的智能數控（kòng）控製係統功能

２．２　下位機數控控製機床硬件係統設計

基於４Ｇ網絡（luò）能數控控製機床是整個係統的下位機部分，其硬件係統主要包括主控芯片ＣＰＵ、傳感器陣列Ａ／Ｄ采集（jí）電路、射頻感知采集電（diàn）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．首先主控芯片ＣＰＵ通過傳感器陣列采集電路和射頻（pín）感知電路采集數控機床的（de）運行狀態和運行參數，在通過總線接口和（hé）４Ｇ網絡通信電（diàn）路把狀態和（hé）參數傳輸給中央智（zhì）能控製係統，然後經過一係列的控製運算以及（jí）處理，把控製參數通過４Ｇ傳輸給機床，機床在（zài）通過各種控製總線傳（chuán）輸給各個控製分支，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（zhì）。

基（jī）於４Ｇ網絡的數控控製機床硬件係統（tǒng）設（shè）計，如圖５所示.

圖５　基（jī）於（yú）４Ｇ網絡的數控控製機床硬件係統設計

２．３　上（shàng）位機中央控（kòng）製係統硬件設計

基於４Ｇ網絡的上位機中央控製係統是整個係統的主（zhǔ）要部分，其硬件係統主要（yào）包括主控芯片（piàn）ＣＰＵ、存儲器陣列電路、智能伺服控製係統電路、４Ｇ網絡通信電（diàn）、電源管（guǎn）理電路、控製係統異（yì）常報警電路等．首先（xiān）主控芯片ＣＰＵ通過４Ｇ網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，同時通過中央軟（ruǎn）件控製係（xì）統學習以及產生（shēng）控（kòng）製決策，經過一係列（liè）的算法計算（suàn），產生各種控製參數，經過中央智能伺服控製係統電路產（chǎn）生最終的控製量，在通過４Ｇ網絡傳輸給（gěi）下位機機床，機床在通過各種控製總線（xiàn）傳輸給各個（gè）控製分支，經過（guò）Ｄ／Ａ轉換以（yǐ）及驅動來控製（zhì）機床的各個傳動機構，實現對機床的實（shí）時控製。

基於４Ｇ網絡的中央控製硬件係統設計，如（rú）圖６所示．

圖６　基於４Ｇ網絡的中央控製係統硬件設計

２．４　下位機控製係統軟件設計

下位（wèi）機軟件係統主要包含（hán）４Ｇ網絡通信軟件（jiàn）、電路 A／Ｄ采樣（yàng）軟件、射頻感知軟件、接（jiē）口軟件、電源管理軟件、電機驅動軟件、緊急報警處理軟件等．首先通過電路Ａ／Ｄ采樣軟件（jiàn）和射頻感知軟（ruǎn）件模塊負責下位機（jī）的所有運行狀態以（yǐ）及（jí）運行參數的采集．最後通過４Ｇ網絡通信模（mó）塊軟件把參（cān）數傳（chuán）輸（shū）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（shù）據采集軟件（jiàn）流程

下位（wèi）機控製係統的軟件主（zhǔ）要通過４Ｇ網絡接收來自上位機的控製係統數據，如果（guǒ）和上位機的握手成功，那麽（me）下位機接收數據成功，把接收數（shù）據通（tōng）過驅動程（chéng）序來驅動下位機的數（shù）控控製機床，實現對下位機的控製，因此下位機的控製係（xì）統軟件流程，如圖８所示。

圖８　下位機控製係統軟件

２．５　上位機中央控製（zhì）係統軟件設計

上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，然後根據采集參數，進行係統辨識，產生控製決策，在通過智能伺服控製係統模型進行計算，產生（shēng）控製參數，通過４Ｇ網絡發（fā）送控製參數實現對下位機的控製（zhì），因此上位（wèi）機的控（kòng）製係統軟件流程，如圖９所示。