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數控機床信息智能（néng）采集技術的現狀與趨勢

2018-5-30 來源：南京工（gōng）程學院機械工（gōng）程學院作者：王（wáng）龍，王雲霞，蔣麒麟（lín），李亞鵬

摘要：數控機床信息（xī）采集技術的發展對我國工業的發展具有（yǒu）非常重要的現實意義（yì）。首先闡述國內外數控機床信息采集（jí）係統的發展曆程和研究現狀，然後歸納總結不同的數（shù）控機床信息采集方法（fǎ），分析比較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（fā）展（zhǎn）趨勢。

關鍵詞：數控機床；信息采集；智能（néng）化；發展趨勢

20 世紀 80 年代以來，眾多國家都把（bǎ）先進製造技術的研究和開發作為國家（jiā）的關鍵技術進行優先發展，湧現出一批有代表性和影響力的製造（zào）模（mó）式及相關技術（shù）體係，有（yǒu）力地推動了製造（zào）業的（de）發展。作為一個工業大國，我國的製造業正麵臨來自發達國家加速重振製造業與發展中國家以更低生產（chǎn）成本承接國際產業轉移的“雙向（xiàng）擠壓”。在這種嚴峻形勢下，我國唯有加快研發智（zhì）能（néng）製造技術，提高工業（yè）化水平，以此來應對傳統優勢減弱的挑戰。傳（chuán）統的製造業技術正逐步向自動化、信息化技術發展，通過高（gāo）新技術改造製造業是（shì）現代製造業發展（zhǎn）的必然（rán）趨勢，是企業生存和發展的必要途徑，所以智能製造被越（yuè）來越多的國家所提出或實施.現代（dài）企業製造車間中絕大部分都是數控機床（chuáng），但由於現有的數（shù）控機床種類繁多，並且不具備把內部信息自動輸（shū）出的功能，極容易形成“信息孤島”。因此，對數控（kòng）機床進行數據智能采集是建設數（shù）字化車（chē）間的（de）一（yī）個關鍵環節。通過對數控機床信（xìn）息采集係統的研（yán）發，將會促使企業的辦公、管理和生產趨（qū）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（tí）高工作效（xiào）率的目（mù）的，對數控機床利用率的提高、企業的發展均有重要意義。研（yán）究製（zhì）造設備數據采集在機床監管的自動化，信息化和我國製造業發（fā）展十分重要。

1 、數控機床信息采集係統研究現（xiàn）狀

目前，國內（nèi）外主要是針（zhēn）對 SIEMENS 係統和FANUC 係統進行數控機床數據采集研究。因為（wéi）相對於其它係統而（ér）言，這兩種係統在實際生產中應用最為廣（guǎng）泛。

國外一般大型數控（kòng）廠商的數控係統都開發有相應的數據采集係統與之相配套（tào）。國內由於數控係統還不（bú）是很成熟，目（mù）前的研究還主要集中在對國外數控係統的數據（jù）采集上，常用的係統整體結構如圖（tú） 1 所（suǒ）示.

由於機（jī）床的種類非常多，機床的數據采集方法不可能（néng）做到完（wán）全一致，要實現統一的數據采集，就必須根據機床的（de）不同類型設計出不（bú）同的采集方法（fǎ）。目前，數控機床（chuáng）的主要數據采集方式有如下三種。其中，一種是基於標準通信接（jiē）口的數據采集方式，這種（zhǒng）方式中（zhōng），數控機床的標準通信接口主（zhǔ）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的通信接口，計算機可以直接通過這（zhè）些接口與數控機床進行信（xìn）息交換，從而實（shí）現對數控（kòng）機床的數據采集。第二種是基於 PLC （ Programmable LogicControl）控（kòng）製的數據采集方式，這種方式中，對於車間中一些老式的機床，本（běn）身不含有與外部通（tōng）訊的接口，隻能通過機床的電器電路以及（jí）機床內部的（de） PLC 進行機床信（xìn）號的采集（jí）。這些信（xìn）號可以通過外接 PLC、數據采集卡等硬件來完成。上述基於數控機床（chuáng）電器（qì）電路及PLC 的采集方法，在實際（jì）應用中並不具有通用性。在現代企業（yè）車間，要實現完整的數據采集係統必須將這些方法綜合起來，靈活地運用，這樣才能真正意（yì）義上實（shí）現企業製造車間的數字化。第（dì）三種是基於硬件（jiàn）的數據采集方式，這種方式中，數據是（shì）通過采用（yòng）數字量及模擬量的進行采集，能夠對（duì）機床的 I/O 信號進行檢測以此（cǐ）實現對機床狀態的監控。

2 、數（shù）控機床信息采集主要方（fāng）式的對比（bǐ）分析

現在國內（nèi）外（wài）市場上出現了一些對數控機床進行數據采集和監控的係統（tǒng）。現對這些係統（tǒng）的采集方法進行比（bǐ）較常（cháng）見的數（shù）據采集軟件普遍都是數據采集軟件或係統二次開發軟件來進行數據的采集。

2.1 采用標（biāo）準通（tōng）信接口進行數（shù）據（jù）采集方式

（1）基於數控機床的 OPC（OLE for Process Con－trol）接口數據采集文中英文簡稱格式要一致。

西門（mén）子係（xì）列的高（gāo）檔係統和 FANUC 係統都可以通過采用 OPC 的方式進行數據采集。巴西聖保羅大學（xué）基於（yú）機床 OPC 接口，實現對機床（chuáng）的狀態信息采集遠程訪問。德國約（yuē）翰內斯·海德漢博士公司研製（zhì）的 Heidenhain 係統中大部分（fèn）采用以太網對 OPC 接口進行數據采集。中國科學（xué）院（yuàn）大學的王（wáng）帥（shuài）采（cǎi）用多線（xiàn）程與 OPC 技術作為信息采集的手段，在建立（lì） OPC 客戶（hù）程序與數控（kòng）設備（bèi）的 DCOM 通訊連接的基礎上對服務器進行數據（jù）采集。在采集中隻需對（duì） OPC 接口及采集軟件做相應的配置（zhì）即可，而無需額（é）外添（tiān）加硬件設備，並且（qiě）這種方式能采集（jí）到機床（chuáng）幾乎所有的狀態信息。浙江大學（xué）付林雲研發（fā）的基於（yú） OPC 的數控機床（chuáng）數據采集係統，通過機床以（yǐ）太網口采集機床信息。南京（jīng）工程學院李亞鵬通過利用 C# 編寫 OPC 客戶端程序，易控組態軟件作為 OPC 服務器，實現了客戶端程（chéng）序（xù）對易控 OPC 服（fú）務器的訪問並（bìng）且獲取了服務器中的數據（jù），從而實現了數據的實時采集。這種采集方式的（de）優點是采集（jí）到數（shù）據比較多，缺點是對機床配置要求比較高，老（lǎo）式機床會受（shòu）到限製。

（2）基於數控（kòng）機床的 DNC 接口數據采集

這種采集方法主要是通過對機床係統或者（zhě）電氣（qì）電路（lù）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（biàn）化，實現（xiàn）機床狀態（tài）數據采集的功能（néng）。對於自帶 DNC 通訊接口的高檔數控（kòng），通過在 DNC 接口外接數據采集卡並運（yùn）行相應的軟件，實現對數控機床的數據采集（jí）功（gōng）能。通（tōng）過這種類型的 DNC 外接口，還（hái）可以實現對機床加工信息的實時采集和遠程控製，並可以實時機床主軸轉速、進給速度、刀具使用壽（shòu）命（mìng）等信息進行采集。日本 mori－seiki 公司研製的 MORI -NET Global Edition 信息采集軟件能夠實現對數控機床的監控及遠程控（kòng）製等，並把各種加工信息及采集的輔助信息能夠分享或者上傳至網上。南京航空航天大學武國峰（fēng）通過外接數據采集卡的方式利用 DNC 實現了對數（shù）控機床的運（yùn）行（háng）狀態、完工零件等信（xìn）息的采集。

（3）基於數控機（jī）床的（de） RS-232 串口數據（jù）采集

這種采集方法主要是通（tōng）過 RS-232 串口在數控（kòng）機床的控製程序裏加（jiā）入（rù）特定（dìng）的宏程序指令，通過對（duì）返回的狀態信（xìn）息，如機床刀具坐標、加工狀態、主軸轉速、進給速度等信息的實時采集（jí）。日係數控係統，如 MAZAK ，三菱 M70 係（xì）列等采（cǎi）用係統廠商的數（shù）據采集軟件進行數據采集，均能采集比較多的數據。大多支持串（chuàn）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（yáng）宏軟件公司研製的 DNC-NET軟件。該采（cǎi）集方式的優（yōu）點是適用於老式的機床；缺點是機床輸出的數（shù）據類型有限，想要對（duì）操（cāo）作狀態，監控（kòng）等信息輸出較為困難，尤其是當機床處在非加工狀態（tài）時，就不能采集到機床（chuáng）狀態信號。其次，機床輸出數據有延時，不能夠實時顯示機床的運作狀態。並且，采（cǎi）集需要要在加工程序中加入（rù）采（cǎi）集指（zhǐ）令，程序編製（zhì）複雜、較（jiào）為麻煩。因此，宏（hóng）程序數據采集一般隻（zhī）運用於老式機床（chuáng）數據采集。

2.2 采用（yòng） PLC 控製方式對機床的數（shù）據采集方式

這種采集方式主要（yào）是通過機床的電器電路以及（jí）機床內部的 PLC 進行機床信號的采集。如美（měi）國Predator Software 軟件技（jì）術（shù）公司研（yán）發的蓋勒普（pǔ）係統MDC（Manufacturing Data Collection & StatusManage－ment）。該（gāi）係統能夠實現對（duì）現（xiàn）場數據（jù）進行實時采集，並在分析管理之後（hòu），將（jiāng）信息存儲在 Access ，SQL 和Oracle 等數據庫中，能通過數控（kòng）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，在計算機網絡快捷、高（gāo）效的時代下，PC-PLC 網絡（luò）成（chéng）為數控機床（chuáng）數據采集與監控的一個研究方向。中國計量學院的王國強利用 Siemens PLC 設計監管機床運行，實現對機床信息采集。但是（shì）由於數（shù）控機床的封閉性，為保證機床的正（zhèng）常工作需要熟（shú）悉每一台機床的 PLC. 實際應用中將很難直接從 PLC 讀取機床的各種信息，這種采集方式的優點（diǎn）是對人機單元沒（méi）有要求；缺點是（shì）需（xū）要對每一台（tái）機床的 PLC 都比較熟悉，以（yǐ）保證機床的正常工作。而且 Siemens 和 FANUC 數控機床自帶的（de）信息采集（jí）及檢測軟件價格相對昂貴。

2.3 基於數控機床的硬件數據采集方式（shì）

這種數據采集方式是通過（guò）采用數字量及模擬（nǐ）量的數據進行采集，能夠對機床的 I/O 信號進行（háng）檢測以此實現對機床狀態的監控。南京航空（kōng）航天大學的徐永樂數控機床信息（xī）采集係統以 ARM9 為硬件平台，通過開發 I/O 接口電路，實現機床（chuáng）側信（xìn）號到 ARM 端信號的轉換。這種采集方式的優點是不受係統的限製，使用範圍廣；缺點是采集的數據少，當（dāng）變動程序時，現場（chǎng）線路也將會隨之改動，較為麻煩。

通過對上述三種采集方法的介紹可以得知，每種方法都有各（gè）自的優點，但也有其局限性。在選擇方案的時候必須充分考慮機床的型號與所配有的通信接口以及所需要采（cǎi）集（jí）的信（xìn）號（hào）種類。

如表 1 所示是對上述幾（jǐ）種信息采集方法的（de）比較.

3 、數控機床信息采集方式的發展趨勢

在工業 4.0 發展和《中國製造 2025》的大前景下，國外很多企業對網絡化車間管理和機床信（xìn）息采集進行了研究開發，如德國 Siemens 公司研製（zhì）的MCIS （Motion Control Information System ）運動（dòng）控製信息係統采集軟件，丹麥（mài） CIMCO 公（gōng）司研製的 MDC-Max 6 信息采集軟件，美（měi）國（guó）上升科技（jì）公司研製的extreme DNC 信（xìn）息（xī）采（cǎi）集軟件。相較於國外的機床信息管理係統（tǒng），國內（nèi）在這方麵還處於起步階段，我國市場上較為成熟的機床采集係統還較少，與國外產品相比仍有許多不足之處。比較有代表性的有北京機床（chuáng）研究所研發的 DNC 係統，北京蘭光創新科技的CIMCO-DNC 係統（tǒng）等，九思易（yì）的自動（dòng）化監控與信（xìn）息管（guǎn）理平台（tái）等。

德國工業 4.0 等發（fā）展策略推動著智能製造，機械製（zhì）造技術等核心產業的發（fā）展變革，影響著製造業的發展趨勢，同時也影響著機床（chuáng）信息采集的（de）發展趨勢，主要發展趨勢為：

（1）提高數控設備利用率（lǜ），減少了數控設備可加工時間的（de）相對浪費；

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

4、結束語

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

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