中走絲線切割機床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
2017-8-11 來源：鄭州輕工業(yè) 中州工程技術(shù) 廣東省重點實驗 作者：明五一 沈娣麗 劉冬敏 張臻
摘要: 中走絲線切割機床是一種精密的特種加工機床，加工精度高，能加工各種特殊硬質(zhì)材料，但是比常規(guī)加工方式耗時，因而對其進行實時的狀態(tài)監(jiān)控就很有必要。針對現(xiàn)有國內(nèi)主流的中走絲數(shù)控系統(tǒng)，提出 2 種集成監(jiān)控方式，并結(jié)合嵌入式技術(shù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)及移動終端編程和數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究了中走絲機床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。首先，對智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架進行了闡述; 其次，對智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能及其關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細(xì)的說明; 最后，對中走絲的2 種集成監(jiān)控方式進行了重點說明，特別是基于人工智能技術(shù)的圖像識別方法。所研究的中走絲線切割機床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不僅能為機床加工人員提供方便，也能為機床維護人員解決機床故障提供支撐。
關(guān)鍵詞: 中走絲線切割; 狀態(tài)識別; 智能監(jiān)控; 模糊識別
根據(jù)電極絲的運行速度，電火花線切割機床通常分為三大類: 高速走絲線切割機床 ( 俗稱快走絲，走絲速度 8 ～ 10 m/s) ，中走絲線切割機床 ( 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 于 0. 2m / s)。
快走絲機床是我國自創(chuàng)研發(fā)的，由于機床結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、工藝效果好，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中，并且自從 20 世紀(jì)被研發(fā)出來后，得到不斷的發(fā)展與升級。
中走絲線切割機床是快走絲機床的一種升級換代產(chǎn)品，其加工精度高、表面質(zhì)量好，能加工各種特殊硬質(zhì)材料。但是電加工機床的加工時間比常規(guī)方式要耗時，因而對其進行實時狀態(tài)的監(jiān)控就很有必要。近年來，我國對數(shù)控機床監(jiān)控問題理論上、實踐上都做了很多研究性工作，同時也有一些原型的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)，但是對于特種加工機床，比如中走絲線切割機床的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還沒有這方面的研究。由于電加工機床除了監(jiān)控一些狀態(tài)外，更為重要的是要積累電加工的工藝參數(shù)，因而，隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展、智能手機的快速普及，有必要研究中走絲線切割機床的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題。中走絲線切割機床的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)正是在此背景下提出來的，該系統(tǒng)能對中走絲線切割機床的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，同時也能自動收集加工中所使用的電參數(shù)。當(dāng)機床發(fā)生故障時，能通過控制終端發(fā)送到服務(wù)器端，再通過 WEB 瀏覽器或者 Android 智能手機終端提醒相關(guān)人員，同時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動發(fā)出聲光報警信號，并切斷高頻電路、運絲機構(gòu)等電源，保障機床的安全運行。借助網(wǎng)絡(luò)、智能手機，中走絲線切割機床的監(jiān)控將更加實時，提升了機床的網(wǎng)絡(luò)化制造能力。
1. 系統(tǒng)總體框架
整個系統(tǒng)的設(shè)計以計算機網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)，以中走絲線切割機床控制端為核心，完成中走絲電加工機床的運行狀態(tài)、加工工藝參數(shù)、加工狀態(tài)和加工圖像等的遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括電加工機床的狀態(tài)采集、狀態(tài)分析與處理和機床運行狀態(tài)顯示三大部分。中走絲線切割機床的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可在無人值守的情況下實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)分析、拍照、報警、急停等功能，機床的加工人員及其維護人員在遠(yuǎn)程通過 WEB 瀏覽器或者智能手機在遠(yuǎn)程完成上述功能。中走絲線切割機床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架如圖 1 所示。
圖 1 中走絲線切割機床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖
中走絲線切割機床監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成主要有機床控制端、服務(wù)器端和遠(yuǎn)程端三部分，如圖 1 所示，機床控制端分成 2 個子模塊: 一個是機床控制端軟件，它運行在機床控制平臺上，鑒于目前主流的中走絲線切割機床的控制系統(tǒng)都采用 Windows 平臺，因而機床控制端軟件也是采用 VC 6. 0 開發(fā)，通過數(shù)據(jù)交換協(xié)議或者截圖、模板匹配智能識別 2 種方式獲取數(shù)控系統(tǒng)的主要運行狀態(tài)和工藝參數(shù); 另外一個機床控制端硬件部分，它采用 S3C44B0X 作為主控 CPU，通過各種外置接口 ( 以太網(wǎng)口、串口、GPIO 口等) 與攝像頭、機床急停開關(guān)、照明燈、控制端軟件以及監(jiān)控服務(wù)器端軟件相連接。
監(jiān)控服務(wù)器端的一個核心功能是要實現(xiàn)機床運行狀態(tài)的智能分析，其主要的數(shù)據(jù)來源就是機床控制端上傳的各類數(shù)據(jù)，監(jiān)控服務(wù)器端的數(shù)據(jù)存儲采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫 SQL Server 2008，建立從用戶表到智能終端表等各類系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)庫表，監(jiān)控服務(wù)器端程序也采用 VC 6. 0 開發(fā)。遠(yuǎn)程端也分為 2 個子模塊: 一個為WEB 遠(yuǎn)程監(jiān)控端，它采用 . Net 2005 工具開發(fā); 智能手機監(jiān)控端的 Android 程序采用 Java 語言開發(fā)。
2 .機床控制端設(shè)計
2. 1 硬件模塊設(shè)計
機床 控 制 端 硬 件 模 塊 的 主 核 心 采 用 基 于ARM7MDI 內(nèi)核的 S3C44B0X，它是 ARM 公司最早為業(yè)界普遍認(rèn)可并且贏得最廣泛應(yīng)用的處理。該處理器芯片最高工作頻率為 66 MHz，采用 0. 25 μm 工藝的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲編譯器，具有 71 個通用的多功能輸入輸出引腳，能夠?qū)崿F(xiàn)機床控制端的各種外圍操作。
圖 2 機床控制端硬件原理圖
機床控制端硬件原理圖如圖 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，對于需要實時控制的報警、急停等外部操作，同樣通過光耦電路，控制電磁繼電器對這些機床外部電路進行切換，從而實現(xiàn)相關(guān)功能。拍照模塊采用基于串口通信( RS232) 的 OV 200 萬像素的攝像頭，通信速率采用19 200 b / s，照片存儲格式為標(biāo)準(zhǔn) JPEG 格式，尺寸大小有多種模式可選，默認(rèn)為 640 像素 × 480 像素大小，ARM 與拍照模塊之間的數(shù)據(jù)按幀來傳送，一共有 3 種幀結(jié)構(gòu): 命令幀、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀。機床控制端硬件與機床控制端軟件采用串口 ( RS232) 進行通信，采集中走絲數(shù)控系統(tǒng)中顯示的各種加工狀態(tài)、工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，機床控制端硬件與監(jiān)控服務(wù)器端通信采用以太網(wǎng)通信方式，通信模式為點到點協(xié)議。控制端硬件的運行狀態(tài)通過 LED 液晶屏顯示，各種配置參數(shù)存入 E2PROM 芯片中。
2. 2 軟件模塊設(shè)計
機床控制端軟件模塊的主要目的是實現(xiàn)與中走絲機床數(shù)控系統(tǒng)的集成。鑒于現(xiàn)有機床情況，此項目采用 2 種集成方式: 一種是對于作者自己研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，采用基于 TCP/IP 服務(wù)的集成方式，數(shù)控系統(tǒng)提供 Socket 服務(wù)，可以為機床控制端軟件模塊提供運行狀態(tài)查詢服務(wù)，相關(guān)的部分通信協(xié)議如表 1 所示。通過 Socket 相關(guān)命令的調(diào)用，機床控制端軟件能獲取到相關(guān)的字符串，各個狀態(tài)之間用字符 “| ” 區(qū)別開來，按照預(yù)先設(shè)計好的協(xié)議進行解析，之后通過串口將狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)到機床控制端硬件模塊。
另外一種方式是處理與其他廠家研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，軟件模塊采用截圖、模板匹配智能識別方法來獲取數(shù)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。數(shù)控系統(tǒng)運行過程中，機床控制端軟件模塊在后臺運行，每間隔一定時間自動抓拍數(shù)控系統(tǒng)的主界面，對屏幕進行截圖，之后，按照預(yù)先定義好的模板對截圖進行劃分，分別獲取數(shù)控系統(tǒng)的每個具體子狀態(tài)，再按照模 板定 義的特征值( 顏色、英文、數(shù)字、漢字) 智能判斷其子狀態(tài)。圖3 為一個配置的模板中的一個子模板。
圖 3 運行狀態(tài)的配置模板
圖 3 中的配置模板設(shè)置好位置屬性后，就可獲取“開始”、“暫停”、“停止”的 3 個獨立小圖像，該數(shù)控系統(tǒng)這 3 個按鈕通過改變顏色來示意相關(guān)操作，因而，子模板對這 3 個的特征值為顏色屬性，通過獲取顏色屬性來智能推理其運行狀態(tài); 另外 3 個 “水泵開”、“運絲開”、 ‘“高頻開”為漢字特征值，通過圖像矩或者特征值，再由支持向量機 ( SVM) 分類獲取狀態(tài)。
3 .監(jiān)控服務(wù)器端設(shè)計
監(jiān)控服務(wù)器端是整個智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，起到中心樞紐作用。監(jiān)控數(shù)據(jù)的收集存儲都在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中，后期的數(shù)據(jù)分析也由它完成。監(jiān)控服務(wù)器端軟件系統(tǒng)主要由機床監(jiān)控端管理、工藝數(shù)據(jù)分析、WEB 端監(jiān)控、智能手機端服務(wù)、系統(tǒng)管理等五大部分組成，如圖 4 所示。機床監(jiān)控端管理中的參數(shù)設(shè)置主要是配置數(shù)控系統(tǒng)的模板參數(shù)、硬件模塊參數(shù)等，可通過命令下發(fā)、加工狀態(tài)智能采集為下位機提供服務(wù)，將數(shù)據(jù)實時采集到服務(wù)端，數(shù)據(jù)存儲采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行，方便后期分析處理。工藝數(shù)據(jù)分析是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一個核心功能，電加工的工藝參數(shù)優(yōu)化在工程中占有很重要的位置，加工的優(yōu)劣與工藝參數(shù)有很大關(guān)系，因而，其工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計、穩(wěn)定性分析及其 狀 態(tài) 統(tǒng) 計 等 相 關(guān) 的 數(shù) 據(jù) 分 析 就 尤 為 重 要。WEB 端監(jiān)控主要是為面向計算機遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控系統(tǒng)的用戶提供服務(wù)，除了顯示報警等信息外，還能顯示相關(guān)統(tǒng)計報 表。智 能 手 機 端 服 務(wù) 主 要 是 提 供 相 關(guān)Webservice 服務(wù)，通過 HTTP 將查詢到的機床狀態(tài)、運行圖片等傳輸?shù)街悄苁謾C終端上。系統(tǒng)管理完成控端軟件的配置設(shè)置、用戶權(quán)限等操作。
圖 4 監(jiān)控服務(wù)器端軟件功能
4 .關(guān)鍵技術(shù)分析
4. 1 智能文字識別技術(shù)
由第 2. 2 節(jié)可知，模板匹配的關(guān)鍵是要對圖片中的文字進行智能識別。文中采用圖像矩技術(shù)識別英文、數(shù)字、漢字，其中漢字通過模板匹配后只識別有限的狀態(tài)。圖像矩既可以對圖像形狀信息進行全局特征的描述，也可以對其幾何特征信息進行描述。圖像矩的屬性與力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)有類似之處，力學(xué)中的質(zhì)量分布密度函數(shù)的零階、一階和二階矩分別對應(yīng)于質(zhì)心質(zhì)量、矩心位置和慣量，而統(tǒng)計學(xué)中的概率密度函數(shù)的零階、一階和二階矩則分別表示其全概率、數(shù)學(xué)期望和方差。因而，當(dāng)用二維密度分布表示一個圖像時，圖像的形狀信息，如圖像的總面積、矩心位置和方位等，可用對應(yīng)的幾何矩函數(shù)來描述。用幾何矩函數(shù)標(biāo)識的圖像特征信息可用來構(gòu)造特征變量，可在圖像的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)操作中保持不變性。
函數(shù)。因此，對于一幅具有有限尺寸的二維圖像，f( x，y) 在最差的情況下是分段連續(xù)的，因而其幾何矩必定唯一存在，也即通過所獲得的幾何矩系列就能唯一確定圖像信息。對于通過模板匹配后的文字辨識，只需要求其一定范圍內(nèi)的矩系列就能獲取該圖像的核心信息。在此基礎(chǔ)上，文中的智能文字識別算法流程圖如圖 5 所示。
圖 5 智能文字識別算法流程圖
4. 2 智能手機監(jiān)控技術(shù)
Android 4. 0 只提 供一個版本，同時支持智能手機、平板電腦、電視等設(shè)備。系統(tǒng)的操作界面和蜂巢系統(tǒng)風(fēng)格類似，并且新的 UI 設(shè)計更加成熟。此系統(tǒng)的智能手機客戶端基于 Android 4. 0 進行開發(fā)，提升用戶的使用 體 驗，并 且 能 與 市 場 上 主 流 的 手 機 相兼容。
圖 6 描述了智能手機端軟件與監(jiān)控服務(wù)器端的通信。智能手機端軟件主要包括用戶界面、數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫存儲 3 個子模塊。用戶界面子模塊包含狀態(tài)顯示、報警和邏輯控制等; 數(shù)據(jù)接口子模塊定期獲取中走絲線切割機床的各種狀態(tài)，之后將狀態(tài)數(shù)據(jù)存入智能手機本地的 SQLite 數(shù)據(jù)庫中; 用戶界面子模塊通過訪問本地 SQLite 數(shù)據(jù)庫，顯示各個機床的運行狀態(tài)。
圖 6 智能手機端軟件與監(jiān)控服務(wù)器端通信方式
智能手機用戶界面子模塊定時調(diào)用數(shù)據(jù)接口子模塊的 get Rows ( ) 靜態(tài)方法，該方法通過調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)器端的 Web Service 服務(wù)，從而返回待查詢的數(shù)據(jù)表，解析對應(yīng)的 XML 文件后存入 SQLite 數(shù)據(jù)庫。需要上方各種控制命令時，通過 Http Client 類實例執(zhí)行HTTP 的 Get 方法，各種命令參數(shù)放入 Get 方法中，之后判斷 Http Response 類實例的狀態(tài)標(biāo)識來作進一步處理。
5 .結(jié)束語
電加工機床的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控目前還不多見，文中提出的中走絲線切割機床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為相關(guān)機床的監(jiān)控提供了一種新 方法、新 思 路。系 統(tǒng) 通 過WEB 瀏覽器或者智能手機即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程對車間內(nèi)多臺機床進行監(jiān)控和維護，通過工藝智能分析系統(tǒng)還能對電加工的工藝參數(shù)進行分析，改善加工效率，提升加工穩(wěn)定性。文中對系統(tǒng)的架構(gòu)、關(guān)鍵部分和關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)都進行了詳細(xì)的描述，機床智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，后期可將中走絲線切割機床的故障診斷加入其中，研究與之適配的智能診斷算法，進一步提升監(jiān)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用能力。
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