自1952年美國麻省理工學院研制出第一臺試驗性數控系統以來，至今已經歷了50多年，數控裝置也逐漸由NC發展為CNC。計算機技術的飛速發展使得開放式數控(Open CNC)已成為當今數控技術的主題，數控系統可以集成更多、更復雜的功能。并且隨著需求的推動，智能化與網絡化已成為數控系統的一個主要發展趨勢。本文以開放式數控系統為平臺，構建以加工安全及加工優化為目標的智能化解決方案，提出了基于加工過程多物理狀態的集成在線監測策略；同時，針對日益增強的遠程監測與診斷的功能需求，提出開放結構數控平臺基于網絡的層次化狀態監測策略。
1 系統狀態監測與控制
在加工過程中，應時刻保持機床處于良好或最優工作狀態，尤其對于單件加工成本較高的工件以及復雜精密機床。其產品報廢及機床損壞甚至是加工效率的降低都將造成巨大損失。在此隋況下，需要及時掌握加工狀態信息，以便迅速做出調整。傳統上采用巡檢或定期檢測的方式，以保持機床性能。但這種方式不足以防止加工過程中的異常發生。近來，人們開始研究將加工與監測相結合的實現模式，并且取得了一定進展。
然而目前狀態監測與優化控制系統大都采用獨立于數控系統的外掛式形式，兩者未能實現無縫集成。無疑這不符合開放式數控系統的模塊化設計理念及發展趨勢，并于無形中提高了系統復雜程度，增加了安裝調試乃至操作的難度。同時目前的研究尚缺乏加工狀態監測與在機質量檢測的綜合一體化集成響應方案，以及系統自身功能結構的自適應調整方案。
1.1 加工過程的數控系統集成在線狀態監測
本文以運行安全與加工優化為目標，采用數控系統集成在線監測方案，將監測信號分為系統限制級信號、平穩信號及突變信號，由系統進行分類處理。
(1)系統限制級信號指與系統安全運行相關的狀態信號，包括邏輯控制單元各端口狀態、伺服驅動狀態、通汛連接狀態以及其它周邊設備狀態等。這類信號與系統安全直接相關。屬于最高級別的狀態信息，要求系統迅速做出反應，嚴重情況下進行自動停機處理。數控系統內部通過高速輪詢各相關電氣端口狀態，以簡單快速的響應方式完成此類狀態信息的監測與處理。
(2)平穩信號在此定義為機床加工過程中產生并由各類傳感器件反饋的各類具有漸變趨勢物理狀態信號，反映了加工過程的運行平穩性。典型的如振動信號、聲發射信號、電機電流等。通常穩定加工情況下，這類信號不會有太大的波動，并可利用時間序列等手段進行可靠預測。利用開放式數控系統的可擴展優勢，開發適于數控加工的信號采集單元，以PCI總線及相應API與數控系統無淺奎集成，實現對多傳感器信息的有效獲取。系統內蓋唁息處理單元將對這些信號進行分析得到運行狀態及經過優化的加工參量信息，并艇終分別反饋至診斷模塊與運動控制模塊，以實現預測維護與加丁優化。
(3)突變信號則指的是在加工中無法預知何時發生而又對系統或機床造成重大影響的沖擊信號。典型的如電網電壓的突變、不規范作業或刀具松動而造成的刀具碰撞等。這類信號發生幾率較小，但由于在發生時系統沒有足夠的時間進行響應，往往造成難以估量的損失。因此本文提出采用類視覺前饋與安全緩沖相結合的策略，在沖擊信號發生前進行預警或在發生時實現緩沖保護，以極大限度地減少損失。所謂類視覺前饋是指采用類似于人類視覺的預警機制,在危險尚未發生時提前預判，以防止危險發生而系統卻“無力自保”的一種安全防護機制，采用預警并主動規避的策略來實瑰。而安全緩沖則是指對于無法預瞥的突變信號，通過緩沖裝置將信號轉化為安全的平穩信號，然后通知主控單元進行處理。圖1顯示了系統狀態監測模塊的功能結構簡圖。
圖1 系統狀態監測模塊的功能結構簡圖
1.2 在機質齡檢側及狀態信息綜合響應
在機質量檢測可減少工件裝卡次數，提高定位精度，并有效降低廢品率。基于此，利用開放式數控系統的結構優勢，開發在機質檢測控制功能具有現實的意義。
相較于離線檢測，在機檢測方式的一個顯著優勢是在加工過程中，可按需及時向數控系統提供準確可靠的工件形位誤差信息。采用高靈敏度的紅寶石測頭與紅外線定位相結合的方式，可有效保證在機檢測的精度:在集成了加工過程在線狀態監測的系統平臺中，將這種形位誤差低急作為一種倍息流導向兩個不同的目的地(圖2)。
圖2監測信息集成響應策略
由圖看出，誤差信息流其一是作為后續工藝加工調整的依據，直接進入數控系統的工藝決策模塊，并繼續影響后續加工過程;其二是作為加工制造系統的一種狀態信息，與前述加工過程在線監測得到的狀態信息一起，作為系統狀態評定及故障診斷的數據源，進入故障珍斷模塊，實現數控系統、機床以及工件的狀態信息閉環，從而豐富了單純依靠加工過程的狀態信息進行診斷與維修的信息量。提高了狀態預測與診斷的精度。
1.3 系統自整定策略
機床運行過程中，隨著狀態的改變，智能系統要求能實現自身功能給構的自整定以適應外界環境的變化。基于此，本文提出了元胞冗余與自調整策略。所謂元胞，在此定義為系統功能的最小執行單位。它們擁有自己的數據資源并能共享系統的公共資源，由一個唯一定義的ID以標志自身。多個元址替險照一定的邏輯規則組成一個完整的功能實體，稱為模塊。通過調整內部結構，模塊可以在不同的工作模式下正常運行。在系統爵態設計初期，通過對底層元胞的冗余設計，可實現對上層多種工作模式的資源支撐。間時，還可利用數控系統的開放結構優勢，動態添加新的元胞，以實現對更多工作模式的支撐。在模塊內部，每個元胞擁有一個隨狀態可變的位置號，標志該元胞在模塊內部所處的邏輯位置，以屬性變童MyPos表示。模塊內部維護一個元胞位置號與模塊功能結構的關系映射表。而在元胞內部，則通過該位置號控制元胞與外界的連接關系。當外界狀態發生變化時，通過底層元胞的位置自動調整，系統實現整體功能結構的自適應改變。圖3為在外界狀態改變劍模塊內部勸能結構調整示例。
圖3元胞姿式調整示意圖
圖中,C1-C6為該模塊的組成元胞，按照預設，每個元胞都可與特定的元胞直接發生聯系。如C1可直接與C2、C3及G4發生聯系。元咆的上下層代表了數據的流向。而同一層間元胞的左右順序代表了上層公共元胞與它們建立連接的先后關系。
圖4為集成狀態監測環境下，數控系統自適應調整自身功能結構的控制模型。
圖4系統自適應調整控制模型
2 基于網絡的層次化監控機制
網絡技未的發展使得對數控系統的婀絡需求日益提高，網絡化已成為數控技術的又一發展趨勢。以開放式數控體系架構為支撐，開發統的網絡支持單元，可多乏現基于網絡的狀態監側與遠程診斷。
系統遠程監測對象被確認為數控系統界面，加工場景以及傳感器反饋的運行狀態信息。不同的監測對象將向遠程終端提供不同的機床加工信息。
為保證監測數據在網絡中的平穩傳輸，除選用高速網絡設備外，系統采用同步切換機制，由遠程絲喘選取監測對象，而控制策略單元則負責確保遠程終端同一時刻最多只監測一種對象，并根據遠程終端反饋的診斷結論以及CNC系統對運行狀態數據的分桿結果更新控制信息。由于數據采集及傳輸涉及大量數據，將耗費較多的系統資源，因此在軟件結構上分別被分配了一個獨立線程，實現與系統主控線程的異步并行協調運行;圖5所示為針對不詞監測對象系統的網絡監控模塊功能結構圖。
圖5系統的網絡監控模塊功能結構圖
系統采用層次化控制策略以實現遠程監測的快速響應以及對網絡資源的合理利用。上述CNC系統在網絡環境中可視為一個智能體。機床運行過程中,CSC系統自動監測并調整加工狀態。對于系統無法確認并自主處理的信息,CNC系統將主動向最近的診斷服務器發送診斷請求信息。如果得到響應，系統將按照診斷結果繼續執行:否則，CNC將向上一級服務器繼續此流程。經由企業內部網，系統按照車間級、工廠級及企亞級三級網絡監測機制配置資源請求策略:同時經由萬維網實現CNC系統與世界范圍的遠程終端的互聯.以充分共享異地診斷專家的知識，并方便用戶實現異地監測。
3 結論
以并放式CNC為平臺構建系統集成狀態監測及元胞自調整策略為系統安全及加工優化提供了一體化解決方案;功能基于網絡的層次化監控機制合理利用網絡資源，并為遠程監側及診斷服務終端提供豐富的狀態信息。
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本文標題：基于網絡與狀態監測的智能數控技術
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