基（jī）於4G網絡的智（zhì）能數控係統（tǒng）設計-齒輪加工機床網（wǎng）-數控（kòng）機（jī）床市場網

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基於4G網絡的智能數控係（xì）統設計

2020-8-6 來（lái）源：泉州師範學院物理與信息（xī）工程學院作者：蘇建誌姚壬癸

摘要：針（zhēn）對傳統數控係（xì）統控製精度不高、智能程度不強、無通（tōng）信網絡、無法實現控製係統聯網和協調控（kòng）製等缺點．設計一種智能（néng）數控控製係統，將４Ｇ網絡技術以及智能化技術應用（yòng）於（yú）數控機床控製係統，然後對係（xì）統的硬件及軟件進行模塊（kuài）化設計．使該係統不僅實現數控控製係統實現數字化、智（zhì）能化、網絡化，而且能夠對（duì）現有的（de）數控係統進行升級（jí）換代，降低車間改造成本，提高（gāo）車間生產效率。

關鍵詞：４Ｇ網絡技術；智能化技術；智能（néng）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（shí）現製造技術以及裝（zhuāng）備現代化（huà）的核心部件．有的數控（kòng）係統（tǒng）是以單（dān）片機（jī）作為數控係統的控製芯片［１］；有的是（shì）以（yǐ）ＤＳＰ作為數控係統的控製芯片［２］；控製芯片和工業（yè） PＣ機通過串口通（tōng）信來實現數控機床與（yǔ）上位機的通信［３－６］有的提出（chū）以物聯網（wǎng）來實現數控係統的通信［７－１０］；有側重於數控控製係統本身（shēn）的伺服控（kòng）製（zhì）係統設計［１１－１６］．現有這些都與工４．０以（yǐ）及基於（yú）網絡的人工智能相差甚遠，無法滿（mǎn）足現（xiàn）代智能和無人生產車（chē）間的要求．因為現（xiàn）有的控製係統都是模擬輸入采集控製係（xì）統，導致係（xì）統輸入采集（jí）精（jīng）度不高，控製速（sù）度慢，無法實現現代數控車間的生產需求。

因此有（yǒu）必要設計一種數（shù）控係統，使係統不僅能夠通過數字信號采集和控製實現數（shù）控控製係統的數字（zì）化（huà），而且通過智（zhì）能化的ＰＩＤ設計實現數控控（kòng）製係統（tǒng）的實（shí）時閉環反饋控製實現數控控製（zhì）係統智能化；另（lìng）外為了使（shǐ）數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（mó）塊，使（shǐ）數控控製互相通信（xìn），快速響應，協調工作。

１、數控控製係統框架設（shè）計

基於４Ｇ網絡的數控控製係統（tǒng）不僅（jǐn）能夠通過４Ｇ網絡來收集數控控製係統的運行狀態和運行環境，而且能夠通過中央控製係統產生控製決（jué）策，傳送各（gè）種控製指令以及控製參（cān）數給數控機（jī）床，最終實現完全無人化的自動加工生產（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，而且使數控機床之間能夠互相交互，互通互聯（lián）．因此（cǐ）基於４Ｇ網絡的智能（néng）數控控製係統框架如圖１所示。

圖１　基於４Ｇ網絡的智能數控控製係統框架

１．１　智能閉環控製係統框架設計

智（zhì）能閉環控製係統首先通過４Ｇ網絡讀取數控控製機床１－Ｎ的各種運行參（cān）數與運行狀態，中央智能（néng）數控控製（zhì）係統對中央監控係統監控的各種運行狀態進（jìn）行抽象與分析，進行係統參數辨識，進而產生控製決策，通過４Ｇ網絡把各種控製（zhì）參數傳輸給車間的數控控製機床１－Ｎ的控製係統和執行機構，數控（kòng）控製機床１－Ｎ通過執行機（jī）構等（děng）來對（duì）控製目標進行控製（zhì），同時又把各種運行狀態（tài）以及控製誤差參數通過４Ｇ網絡反饋給中央監控係（xì）統和學習中（zhōng）心，從而（ér）形成一個有效的閉環控製係統，整個閉環的控製係統如圖２所示。

圖２　基於４Ｇ網絡（luò）的智（zhì）能閉環控製係統

１．２中央智能數控控製係統框架設（shè）計

中（zhōng）央智能數（shù）控控製係統（tǒng）通過數據分析與處理，得到有效的控製數據以（yǐ）及運行狀態，再通過中央數據庫進行數據處理與插補運算算法、軌跡（jì）運動算（suàn）法等各種（zhǒng）算法，對數控機床的運行軌跡，運行速度等各（gè）種運行參數進行（háng）預測與計算，產（chǎn）生（shēng）控製決策，輸出控製參數到智能伺服控製係統；在通過４Ｇ網絡傳遞給（gěi）數控控製機床１－Ｎ，對數控控製機床１－Ｎ進行控製，同時數控機（jī）床１－Ｎ會通過各（gè）自的傳感器陣列采集數據，把自身（shēn）的運行狀態，運行參數通過４Ｇ網絡傳遞給中央（yāng）智能數控控製係統，產生新的控製決策，整體產生（shēng）一個閉環（huán）有效的（de）控製係統，具（jù）體如圖３所示。

２　、智能（néng）數控（kòng）控製係統軟硬件設計

２．１　４Ｇ網絡數控控製係（xì）統組成

基於４Ｇ網絡（luò）的數控（kòng）控製係統主（zhǔ）要由中央監測係統模塊、中央（yāng）控製係統模塊、機床信息終端顯示模塊、機床係統模塊組成．

２．１．１　中央控製係統（tǒng）模塊

主（zhǔ）要負責對監測係統模塊中得到的數據進行抽象，提取有用（yòng）的數（shù）據，然後根據數據庫的數據進行係統辨識（shí）以及產生控製（zhì）決策；再根據控製決策選擇（zé）合適的控製算法以及智能伺（sì）服控製係（xì）統，實現（xiàn）智能控製．中央控製係統模塊分為算法集子模（mó）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（zhì）係統框架

２．１．２　中（zhōng）央監控（kòng）係統模塊

中央監控係（xì）統模塊主要通過４Ｇ網絡對（duì）數控機床１－Ｎ的數據包進行接收與解析，並（bìng）對其中的一些簡單數據包進行分析、比較，初步篩選機床運行中（zhōng）的有用原始數據和信息，然（rán）後把數據同時傳送給中央數據庫以及中央智能數控控製進一步處理；同時中央智能數控控製係統（tǒng）通過中央監控係統模塊與數控控製機床１－Ｎ進行數據交互，監控係（xì）統接收來自中央智能控製係統發出的各種控製指（zhǐ）令以及（jí）控製參數（shù），經過４Ｇ網絡傳遞給（gěi）數控控製機床，實現對數控機床（chuáng）的運行狀態，運行環境進行實時檢測與監控。分為監控係統子模塊（kuài）、數（shù）據交互子模塊以及通信子模塊等。

２．１．３　終端係統模（mó）塊

終端係統模（mó）塊主（zhǔ）要負責整個係統的監控（kòng）顯示，數據（jù）采集過程中異常報（bào）警（jǐng）等．分為（wéi）監控顯示子模塊（kuài）、數（shù）據采集子模（mó）塊、控製輸（shū）出（chū）子（zǐ）模塊（kuài）以及異常報警子（zǐ）模塊等。

２．１．４　機床係統模塊

主要（yào）通過裝（zhuāng）在機床上麵的射頻感知硬（yìng）件以及傳感器陣列（liè）硬（yìng）件來實現對機床運行數（shù）據、運（yùn）行狀態的采集，通過各種總線接口實現（xiàn）機床內部的通信，以及通過機床通信子模塊來實現機床之間的通信，分（fèn）為機（jī）床與機床（chuáng）通信的機床子通信（xìn）模塊、傳感器陣列數據采（cǎi）集子模塊、總線接口子模塊，射頻感知子模塊等（děng）。

因此基於４Ｇ網絡的智能數控控製係統（tǒng）功能，如圖４所示。

圖４　基於４Ｇ網絡（luò）的智（zhì）能數控控製（zhì）係（xì）統功能

２．２　下位機數控控製（zhì）機床（chuáng）硬件係統設計（jì）

基於４Ｇ網絡能數（shù）控控（kòng）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采集電路、射頻感知采集電路、４Ｇ網絡通信電路、總線接口電路、電源管理電路、異常（cháng）報警電路等（děng）．首先主控芯片ＣＰＵ通過傳感器（qì）陣列采集（jí）電路和射頻感（gǎn）知（zhī）電路采集數控機床的運行狀態和運行（háng）參數，在通過總線接口和４Ｇ網絡通信電路把狀態（tài）和參數傳輸給中央智能（néng）控製係統，然後經過一係列的控製運算以及處理，把控製參數通過（guò）４Ｇ傳輸給機床，機床在通過各種控製總線傳輸給各個控製分支，經過Ｄ／Ａ轉換以及（jí）驅動來控製機床的（de）各個傳動機構，

實現對機床的實時控製。

基（jī）於４Ｇ網絡的數控控製（zhì）機床硬件係（xì）統設計，如圖５所示.

圖５　基於４Ｇ網絡的數控控製機床硬件係（xì）統設計

２．３　上位機中央控製係統硬件設計

基於４Ｇ網絡（luò）的（de）上位機中央控製係統是整個係（xì）統的主要部分，其（qí）硬件係統主要包（bāo）括主控芯片ＣＰＵ、存儲器（qì）陣列電路、智能伺服控製係統電路、４Ｇ網絡通信電、電源管理電路、控製（zhì）係統異常報警電路等．首先主控芯片ＣＰＵ通過４Ｇ網絡通信電路采（cǎi）集下（xià）位機的運行狀態和參數，保存到存（cún）儲器陣列中，同時通過中央軟件控製係統學習以（yǐ）及產生控製決策，經過一係列的算法計算，產生各（gè）種控製參數，經過中央智能（néng）伺服（fú）控（kòng）製係統電路產生最終的控製（zhì）量，在通過４Ｇ網絡傳輸給下位機機床，機床在通過各（gè）種（zhǒng）控（kòng）製總（zǒng）線傳輸給各個控製分支，經過（guò）Ｄ／Ａ轉換以及驅動來控製機床的各（gè）個傳動機構，實現（xiàn）對機床的實（shí）時控（kòng）製。

基（jī）於４Ｇ網絡的中央控製硬（yìng）件係統設計，如圖６所示．

圖６　基於（yú）４Ｇ網絡（luò）的中（zhōng）央控製係統硬件設計

２．４　下位機控製係統軟件設計

下位機（jī）軟件係統（tǒng）主要包含４Ｇ網絡通信軟件、電路 A／Ｄ采樣軟件、射頻感知軟件、接口軟件、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（yàng）軟件和射頻感知（zhī）軟件模塊負責下位機（jī）的所有運行狀態以（yǐ）及運行參數的（de）采集．最後通過４Ｇ網絡通信（xìn）模（mó）塊軟件把參數傳輸給上位機，整個下位機控製係（xì）統的數據采集軟件流程，如圖７所示。

圖７　下位機數據采集軟件流程

下（xià）位（wèi）機控製係統的軟件（jiàn）主要（yào）通過４Ｇ網絡接收來自（zì）上位機的控（kòng）製係統數據，如（rú）果和上位機的握手成功，那麽下（xià）位機接收數據成功，把接收數據（jù）通過驅（qū）動程序來驅動下（xià）位機的數控控製機床，實現對下位（wèi）機的控製，因此下位機的控製係統軟件流（liú）程，如圖８所示。

圖８　下位機控製係統軟件

２．５　上位（wèi）機中央控製係統軟件設計

上位機控製係統的軟件主要通過４Ｇ網（wǎng）絡接收來自下位機的（de）數（shù）據（jù）采集係統參數，然後根（gēn）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（jìn）行（háng）計算，產生控製參數（shù），通過４Ｇ網絡發送控製參數實現對下位機的控製，因（yīn）此上位（wèi）機的控製係統軟件流程，如圖９所示（shì）。