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數控機床信息智能采集技術（shù）的（de）現狀與（yǔ）趨勢

2018-5-30 來源：南京工程學院機（jī）械工程學（xué）院作者（zhě）：王龍，王雲霞，蔣麒麟，李亞鵬（péng）

摘要：數控機床信息采集技術的發展對我（wǒ）國工業的發展具有非（fēi）常重要的（de）現實意義。首先闡述國內外數控機（jī）床信息采集係統的發展曆程和研（yán）究現狀，然後歸納總結不同（tóng）的數控機床信息采集方法，分析比較（jiào）各種信息采集方法的優缺點，最後展望國內外數控機床信息采集係統的發展趨勢。

關鍵詞：數控機床；信息采（cǎi）集；智能化；發展趨勢

20 世紀 80 年（nián）代以來，眾多國家都把先進製造技術的研究和開發（fā）作為（wéi）國（guó）家的關鍵技術進行優先發展，湧現出一（yī）批有代表性和影響力的製造模式及相關技（jì）術體（tǐ）係，有力地（dì）推動了製造業的發展。作為一個工業大（dà）國，我國的製造（zào）業正麵臨來自發達國家加速重振製造業與發展中國（guó）家以更低生產成本承接國際產業（yè）轉移的“雙向擠壓”。在這種嚴峻形勢下，我國唯有（yǒu）加快研發（fā）智能製造技術，提高工業化水平，以（yǐ）此來應對傳統優勢減弱的挑（tiāo）戰。傳統的製造業技術正逐（zhú）步向自動化、信息化技術發展，通（tōng）過（guò）高新技術改造製造業是（shì）現代製造業發展的必（bì）然趨勢，是企業生（shēng）存和發展的必要途徑，所以智能製造被（bèi）越來越多的國家（jiā）所（suǒ）提出或實施（shī）.現代企業製造車（chē）間中絕大（dà）部分都是數控機床，但由於（yú）現有的數控機床種類繁（fán）多，並且不具備把內（nèi）部信息自動輸出的功（gōng）能，極容（róng）易形成“信息孤島”。因此，對數（shù）控機床進行數據（jù）智（zhì）能（néng）采集是建設數字化車間的一個關鍵（jiàn）環節。通（tōng）過對數控（kòng）機床（chuáng）信息采集係統的研發，將會促使企業的辦公、管理和生產趨於自動化、網絡化（huà）和智能化，從而達到加強企業管理、減少工作失誤、提高（gāo）工作效率的目的，對數控機床利用率的提（tí）高、企業的（de）發展均有重要意義。研究製造設備數據采集在機床監管的自動（dòng）化，信息（xī）化和我國製造業發展十分重要。

1 、數控機床信息（xī）采集係統（tǒng）研究現狀

目（mù）前，國內外主要是針對 SIEMENS 係統和FANUC 係統進行（háng）數控機床數據采集研究。因為相對（duì）於其它係統（tǒng）而言，這兩種係統在實際生產中應用最為（wéi）廣泛。

國（guó）外一（yī）般大型數控廠商的數控係統都開（kāi）發有相應的數據采集（jí）係統（tǒng）與之相配套。國內由於數控係統還不是很成熟，目前的研究還主要集中在對國外數（shù）控係統的數據采（cǎi）集上，常用的係統整（zhěng）體結構如圖 1 所示.

由於機（jī）床的種（zhǒng）類非常多，機床的數據采集方法不可能做到完全一致，要（yào）實現統一的數據采集，就必須根據（jù）機床的不同類型設計出不同的采集方法。目前，數控機床的（de）主要數據采集方式有如下三（sān）種。其中，一種是（shì）基於標準通信接口的數據采集方式，這種方式中，數控（kòng）機床的標（biāo）準通信接口主要是 OPC 接口、RS-232 串口、DNC 接口等接口。當前，大部分數控機床都帶有標準（zhǔn）的通信接（jiē）口，計算機可以直接通（tōng）過（guò）這（zhè）些接口與數控機床進行信息交換，從（cóng）而實現對數控機（jī）床的數（shù）據采集。第二種是（shì）基於 PLC （ Programmable LogicControl）控製的數據采集方式，這種方式中，對於車間中一些（xiē）老式的機床（chuáng），本身不含（hán）有與外部通訊的接口（kǒu），隻能通過機床的電器電路以及機床（chuáng）內部的 PLC 進行機床（chuáng）信號的采集（jí）。這些信號可以通過外接 PLC、數據采集（jí）卡等硬件來完成。上述基於數控機床（chuáng）電器電路及PLC 的采集方法，在實際應用中並不具有通用性。在現代企業車間，要實現（xiàn）完整的數據采集係統（tǒng）必須將這些方法綜合起來，靈活地運用，這樣才能（néng）真正意義上實現企業製造車間的數字化。第三種是基於硬件的（de）數據采集方式，這種方式中（zhōng），數據是通過采用數字量及模擬量的進行采集，能夠對機床的 I/O 信號進行檢測以此實現（xiàn）對機床（chuáng）狀態的監控。

2 、數控機（jī）床信息采集主要方（fāng）式的對比分析

現在國內外市場上出現了一些對數控機床進行數（shù）據采集和監（jiān）控的係統。現對這些係統的采集方法進行比較常見的數（shù）據采集軟件普遍都（dōu）是數據采（cǎi）集軟件或係統二次開發軟件來進行數據的（de）采集。

2.1 采用標準通信接口進行數據采集（jí）方式

（1）基於數控機床的（de） OPC（OLE for Process Con－trol）接（jiē）口數據采集文中英文簡稱格式要一（yī）致。

西門子係列的高檔係統和 FANUC 係統都可以通過采用 OPC 的方式進行數據采集。巴西（xī）聖保羅大學基於機床 OPC 接口，實現對機床（chuáng）的狀態信息采集遠程訪問。德國（guó）約翰內斯·海德漢博士（shì）公司研製的 Heidenhain 係統中大部分采用（yòng）以太網對 OPC 接口進行（háng）數據采集。中國科學院大學的王帥（shuài）采用（yòng）多線程與 OPC 技術作為信息采集的手段，在建立 OPC 客戶程序與數控設備的（de） DCOM 通（tōng）訊連接的基礎上對服務器進行數據采集（jí）。在采集中隻需對 OPC 接口及采集軟件做相應的配置即（jí）可，而無需額外添加硬件設備，並且這種方式（shì）能采集到機（jī）床幾乎所有的狀態信息。浙江大學付林雲研發（fā）的基於 OPC 的數控機床數據采集係統，通過（guò）機床以太網口采集機床信息。南京（jīng）工程學院李亞鵬通過利（lì）用 C# 編寫（xiě） OPC 客戶端程序，易控組態軟件作為 OPC 服務器，實現了客戶端（duān）程（chéng）序（xù）對易控 OPC 服務器的訪問並且獲取了服務器中的數據，從（cóng）而實現了數據的實時采集。這種采集方式的優（yōu）點是采集到數據比（bǐ）較多（duō），缺點是（shì）對機床配置要求比較高，老式機床會受到（dào）限製。

（2）基於數控機床的 DNC 接口數據采集

這種（zhǒng）采集方法主要是通過對機床係統或者電氣（qì）電路的特定部位設置采集點，測試出控製電路的電壓信號，通過對照檢（jiǎn）測電壓信號的變化，實現機床（chuáng）狀態數據采集的功能。對於自帶 DNC 通訊接口的高檔數控，通過在 DNC 接（jiē）口外接數據采集卡並運行相應的軟件，實現（xiàn）對數控機床的數據采集（jí）功能。通過這種類型的 DNC 外接口，還（hái）可以實（shí）現對機床（chuáng）加工信息的實時采集和（hé）遠程控製（zhì），並可以實時機床（chuáng）主軸轉速、進給速度、刀具使用壽命等信（xìn）息進行采集。日（rì）本 mori－seiki 公司研製（zhì）的 MORI -NET Global Edition 信息采集（jí）軟件能（néng）夠實現對數控機（jī）床的監（jiān）控（kòng）及遠程控製等，並把各（gè）種加工信息及采（cǎi）集的輔助信息能夠分享或者上傳至網（wǎng）上。南京航空航（háng）天大學（xué）武國（guó）峰通過外接數據采（cǎi）集卡（kǎ）的方式利用 DNC 實現了對數控機（jī）床的運行狀態、完工零件等信息的（de）采集。

（3）基於數控機床的 RS-232 串口數據采集

這種采集方法主要是通過 RS-232 串口在數控機床的控製程序裏加入特定的宏程序指令，通過對返回的狀（zhuàng）態信息，如機床刀具坐標、加（jiā）工狀態、主（zhǔ）軸轉速、進給速度等信（xìn）息的實時采集。日係數（shù）控（kòng）係統，如 MAZAK ，三（sān）菱 M70 係列等采用係統廠商的數據采集軟件進行數據采集，均能采集比較（jiào）多的數據。大多支（zhī）持串口編寫宏程序，因而可使用宏程序進行數據的采集。北京華洋宏（hóng）軟件公司研製的 DNC-NET軟件。該采集方式的優點是（shì）適用於老式（shì）的（de）機床；缺點是機床輸出的數據類型有限（xiàn），想要對操（cāo）作狀態，監控等信息輸出（chū）較為困難，尤其是當機床處在（zài）非加工狀態時，就不能采集到機床狀態信號。其次，機床輸出數據有延時（shí），不能夠實時顯示機床（chuáng）的運作狀態。並（bìng）且（qiě），采集需要要（yào）在（zài）加工程序中加入采集指令，程序編製複（fù）雜、較為麻煩。因此（cǐ），宏程序數據采集一般隻運用於老式機床數（shù）據采集。

2.2 采用 PLC 控製方式對機床的數據采集方（fāng）式

這種采集方式主要是通過機床的電器電路以及機床內部的 PLC 進行機床信號的采集。如美國Predator Software 軟件技術（shù）公司研發的蓋勒（lè）普係統MDC（Manufacturing Data Collection & StatusManage－ment）。該係統能夠實現對現場數據進行實時采集，並在分析管（guǎn）理之後，將信（xìn）息存儲在 Access ，SQL 和Oracle 等（děng）數據庫中，能通過數控設備 PLC 進行數據采集，Siemens、Fanuc、Heidenhain 等多種型號控製係統均可被采集。

由於數控機床多用 PLC 控製（zhì），在（zài）計算機網絡快捷、高效的時代下，PC-PLC 網絡成為（wéi）數控機床數據采（cǎi）集與監控的一個研究方向。中（zhōng）國計量學院的王國（guó）強利用 Siemens PLC 設計監管機（jī）床運行，實現對機（jī）床信（xìn）息采集。但是由於（yú）數控機床的封閉性，為保證機床的正常工作需要熟（shú）悉每一台機床的 PLC. 實際應用（yòng）中將很（hěn）難直接從 PLC 讀取機床的各種信息，這種采集方式的優（yōu）點是對人機單（dān）元沒有要求；缺點是需要對（duì）每一台機床的 PLC 都比較熟悉，以保證機床的正常工作。而且 Siemens 和 FANUC 數控機床自帶的信息采集及檢測軟件價格相對昂貴（guì）。

2.3 基於（yú）數控機床的（de）硬件數據采集方式

這種數據采集方式是通過采用數（shù）字量及模擬量的（de）數（shù）據（jù）進行采集，能（néng）夠對機床的 I/O 信號進行檢測以此實現對機床狀態的（de）監控（kòng）。南京航空航天大學的（de）徐永樂數控機床信息采集係統以 ARM9 為硬件平台，通過開發 I/O 接口電（diàn）路，實現機床側信號到 ARM 端信號的轉換。這種采集方式的優（yōu）點是不受係統的限製，使用範圍廣；缺點是（shì）采集的數據少（shǎo），當變動程序時，現場（chǎng）線（xiàn）路也將會隨之（zhī）改動，較為麻煩。

通過對上述三種采集方（fāng）法的介紹可以得知，每種方法都有（yǒu）各自的優點，但也有其局限性。在選（xuǎn）擇方案的時候必須充分（fèn）考慮（lǜ）機床的型（xíng）號與所配有的通信接口以及所需要采（cǎi）集的信號種類。

如表 1 所示是對上述幾種信息采（cǎi）集方法（fǎ）的比較.

3 、數控機床信息采（cǎi）集方式的發展趨勢

在（zài）工業 4.0 發展和《中國製造 2025》的大（dà）前（qián）景下，國外很多企業對網絡化車間管理和機床（chuáng）信息采集進行了研究開（kāi）發，如德國（guó） Siemens 公司（sī）研製（zhì）的MCIS （Motion Control Information System ）運動控製信息係統采集軟（ruǎn）件，丹麥 CIMCO 公司研製（zhì）的（de） MDC-Max 6 信（xìn）息采集軟件，美國上升科技公司研製的extreme DNC 信息采（cǎi）集軟件。相較於國外的機床信息管理係（xì）統，國（guó）內在這（zhè）方麵還處於起步階段，我國市場上較為成熟的機床采（cǎi）集係統還較少（shǎo），與國外產品相比仍有許多不足之處。比較有（yǒu）代表性的有北京機床研究所研發的 DNC 係統，北京蘭光創新科（kē）技的CIMCO-DNC 係統等，九思易的自動化監控與信息管理平台等。

德國工（gōng）業 4.0 等發展策略（luè）推動著（zhe）智能製造，機械製造技術等核心產業的發展變革，影響著製造業的發展趨勢，同時也影響著機床信息采集的發展趨勢，主（zhǔ）要發展趨勢為：

（1）提高數控設備利用率，減少了數控設備可加工時間的相對浪費；

（2）通過智能化加工控製，對加（jiā）工過程中外部變量進行采樣監控，以此來實現加工參數的自動修正與（yǔ）補償。

4、結束語

我國是一個工業大國，機床信息采（cǎi）集的發展對我國工業的發展有著重要的意義。加（jiā）快推進機床信息采集技術的研發是今後發展的必然趨勢。與國外相比，我（wǒ）國現階段成熟的信息（xī）采集係統還較少，研製出適合國情的數控信息采集係統，能實現資源共享和對數控設備的重組，並能提高數控機床使用效率，這是（shì）今後發（fā）展的重要趨勢。

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