MATLAB與VC混合編程技術(shù)在數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性監(jiān)測分析中的應(yīng)用

吳傳海，胡友民，金 超，吳 波

WU Chuan-hai, HU You-min, JIN Chao, WU Bo

（華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

0 引言

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高。由于裝備的故障而帶來的負(fù)面影響越來越多，造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，影響企業(yè)的競爭力，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)已經(jīng)受到世界各國技術(shù)人員的高度重視[1]。高速高精數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是速度快、加速度大，而機(jī)床的力學(xué)特性（如結(jié)構(gòu)、間隙、動靜剛度、摩擦特性、振動等因素）是影響機(jī)床運(yùn)行效率的瓶頸，機(jī)床長期運(yùn)行之后，動態(tài)特性將發(fā)生退化,機(jī)床的穩(wěn)定性及加工精度隨之降低，為了確保機(jī)床的加工質(zhì)量和效率[2]，防止機(jī)床動態(tài)特性降低，需要對機(jī)床各項(xiàng)動態(tài)特性指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測診斷。機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了機(jī)床加工過程的復(fù)雜性，從而也導(dǎo)致了機(jī)床動態(tài)特性監(jiān)測的復(fù)雜性。機(jī)床動態(tài)特性各部件的狀態(tài)變化周期長，趨勢不明顯，比較方便使用研發(fā)的動態(tài)特性監(jiān)測儀,對機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行長期監(jiān)測。故障的診斷與分析是機(jī)床動態(tài)性能監(jiān)測分析系統(tǒng)的核心功能，這部分模塊功能涉及到許多復(fù)雜算法的實(shí)用，而選擇合適的程序開發(fā)方法，對算法功能的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。鑒于VC強(qiáng)大的界面設(shè)計(jì)功能，MATLAB優(yōu)秀的數(shù)值分析與工程計(jì)算特性，所以選擇使用VC與MATLAB混合編程開發(fā)故障診斷與分析模塊。

1 數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性監(jiān)測分析系統(tǒng)介紹

圖1為機(jī)床狀態(tài)測試分析系統(tǒng)工作流程圖，通過傳感器獲取運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)信息，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，識別出設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，通過分析軟件做出診斷決策，進(jìn)而對機(jī)床進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，通過這一反饋過程[3]，可以提高機(jī)床的特性，從而提高加工質(zhì)量和生成效率。美國NI公司在這個技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，圖2為NI PXI-9230實(shí)物圖。

圖1 機(jī)床狀態(tài)分析測試系統(tǒng)流程

圖2 NI PXI-9230

本課題中所開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)通過采集設(shè)備的振動信號，加速度信號，溫度信號，對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過采集得到的數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行特性分析和診斷，根據(jù)數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性監(jiān)測分析系統(tǒng)的功能，選擇合適的硬件，包括傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，上位機(jī)。最為核心的部分為數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性監(jiān)測分析系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，按功能需要，該系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 軟件的總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)按工作過程劃分為三個層次：

第1層次：數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理。傳感器獲取的信號較微弱，通過對電流或電壓信號進(jìn)行放大、濾波處理后，用采集設(shè)備將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給計(jì)算機(jī)保存。

第2層次：實(shí)時(shí)監(jiān)視與狀態(tài)識別。對設(shè)備進(jìn)行信號采集后，即獲得了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，通過便攜式計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測過程中的振動波型、頻譜分析圖形、軸心軌跡等。在線信號分析過程主要包括常見的典型的時(shí)域、頻域等分析內(nèi)容。

第3層次：在線分析與智能診斷。根據(jù)獲取的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，如典型特征值提取，結(jié)合基于已有的故障診斷方法來評價(jià)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，如果可能存在故障，能反映出故障的相關(guān)信息。

其中第3層次功能模塊的實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，選擇合適的程序開發(fā)手段是解決這個問題的關(guān)鍵，故障分析與智能診斷模塊功能的核心算法可以選擇使用MATLAB編程語言（M代碼）開發(fā)，利用VC可以設(shè)計(jì)出人性化的界面，所以選擇VC與MATLAB混合編程，下面將重點(diǎn)介紹混合編程技術(shù)的研究。

2 MATLAB 與C語言的接口技術(shù)研究

利用MATLAB接口可以在Visual C++中充分發(fā)揮MATLAB的數(shù)值計(jì)算功能，同時(shí)可以利用VC強(qiáng)大的界面開發(fā)功能，這樣可以大大減少編碼工作量[4]。

2.1 VC++與MATLAB混合編程的實(shí)現(xiàn)方法

MATLAB 與C語言的接口技術(shù)即MATLAB與VC混合編程技術(shù), 它是通過應(yīng)用程序接口（API）[5]實(shí)現(xiàn)的。一般而言，MATLAB與VC混合編程的實(shí)現(xiàn)方法有以下三種：

1）通過引擎（Engine）[6],采用客戶機(jī)服務(wù)器的計(jì)算模式，通過Window的ActiveX通道和MATLAB進(jìn)行連接。具體應(yīng)用時(shí)，往往在VC中設(shè)計(jì)程序框架，以編譯的程序作為前端客戶機(jī)；通過調(diào)用MATLAB引擎在后臺實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的連接，實(shí)現(xiàn)動態(tài)通信；

2）應(yīng)用MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫，MATLAB中包含了內(nèi)容豐富的函數(shù)庫，而且還提供了與VC的數(shù)學(xué)函數(shù)接口，用戶可以方便的在VC的IDE（集成開發(fā)環(huán)境）中調(diào)用；

3）通過DLL[7]實(shí)現(xiàn)VC與MATLAB的混合編程。DLL是一個可執(zhí)行的二進(jìn)制文件。把很多通用的功能放在DLL中，可以供多個應(yīng)用程序調(diào)用，這樣可以很好的減少外部存儲空間的占有量，并實(shí)現(xiàn)代碼的共享。

2.2 VC++與MATLAB混合編程各方法的對比與選擇

第一種方法對調(diào)用MATLAB的工具箱很實(shí)用，用這種方法進(jìn)行編程開發(fā)，方便結(jié)合MATLAB命令窗口調(diào)試程序，能充分發(fā)揮MATLAB編程語言簡潔容易掌握的優(yōu)點(diǎn)，可以更好實(shí)現(xiàn)MATLAB工程計(jì)算優(yōu)勢，便于復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

第二種方法開發(fā)軟件對程序員要求較高，要同時(shí)對兩款軟件都很熟悉，對于大型復(fù)雜算法來說，這種方法將使程序開發(fā)工作量過大。用戶不能在基于MATLAB、C/C++數(shù)學(xué)函數(shù)庫的應(yīng)用程序中使用eval()和input()，不能調(diào)用MATLAB圖形句柄系統(tǒng)的函數(shù)，不能調(diào)用MATLAB工具箱函數(shù)，MATLAB中的一些方法在C/C++中得不到支持,這種方法不能發(fā)揮MATLAB的巨大優(yōu)勢。

第三種方法實(shí)用于小型軟件的開發(fā)，可以整體減少文件外部存儲空間的占有量，但是對于大計(jì)算量的程序而言，這種方法開發(fā)的軟件穩(wěn)定性差。

介于數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性監(jiān)測分析系統(tǒng)的復(fù)雜性，特別是該系統(tǒng)中應(yīng)用到了很多復(fù)雜的故障診斷算法，如粒子群優(yōu)化算法[8]，自適應(yīng)共振理論的混合智能診斷算法[9]等等。但是這些繁雜的算法利用MATLAB實(shí)現(xiàn)起來比較方便，采用MATLAB引擎的方式實(shí)現(xiàn)混合編程，使程序開發(fā)工作量明顯減少，便于軟件維護(hù)，提高故障監(jiān)測診斷分析的速度與精度。

3 VC++調(diào)用MATLAB引擎技術(shù)研究

所謂MATLAB引擎（engine），是指一組MATLAB提供的接口函數(shù)，支持C/C++、Fortran等語言，通過這些接口函數(shù)，用戶可以在其他編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對MATLAB的控制?？梢詫?shí)現(xiàn)的主要功能有：打開/關(guān)閉一個MATLAB對話;向MATLAB環(huán)境發(fā)送命令字符串；向MATLAB環(huán)境中寫入數(shù)據(jù)；從MATLAB環(huán)境中讀取數(shù)據(jù)。調(diào)用引擎之前需要配置編譯器，要在VC中成功編譯，必須包含引擎頭文件engine.h,并引入MATLAB對應(yīng)的庫文件libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib。

混合編程中的關(guān)鍵問題及解決方法

1）利用VC啟動MATLAB引擎

先定義一個指針再利用相應(yīng)的接口函數(shù)啟動引擎。具體的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

2）建立對話框，利用V C控件實(shí)現(xiàn)對MATLAB計(jì)算程序中相應(yīng)參數(shù)的輸入

主要用到了ClassWizard定義相應(yīng)的變量，再利用Format()，engEvalString()等接口函數(shù)使得VC窗口中輸入的語句在后臺MATLAB中被執(zhí)行。

3）實(shí)現(xiàn)多維數(shù)組數(shù)據(jù)的讀入

利用相應(yīng)的API函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)大型數(shù)組的讀入，方法是：先VC中建立一個矩陣，再把VC環(huán)境下的多維數(shù)組數(shù)據(jù)寫入該矩陣，最后利用接口函數(shù)engPutVariable()將矩陣寫入MATLAB。相應(yīng)代碼如下：

4）后臺MATLAB引擎計(jì)算結(jié)果的返回與顯示

利用MATLAB引擎計(jì)算之后，需要將計(jì)算結(jié)果返回并顯示到VC代碼構(gòu)建的窗口中，方法為：先建立一個矩陣用于存放MATLAB引擎的計(jì)算結(jié)果，再利用mxGetPr()函數(shù)讀取引擎中的數(shù)據(jù)，最后利用接口函數(shù)mxGetPr將計(jì)算結(jié)果返回到VC窗口界面中。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4 模塊開發(fā)

4.1 絲桿驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)支撐點(diǎn)軸向剛度與阻尼測量模塊的開發(fā)流程

絲桿驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)支撐點(diǎn)軸向剛度與阻尼測量模塊是課題所研發(fā)的數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性監(jiān)測分析系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵模塊。該模塊的核心算法是粒子群優(yōu)化算法，算法程序采用MATLAB編程語言（M語言）編寫，然后利用VC創(chuàng)建一個單文檔應(yīng)用程序，最后在軟件的總體界面上添加一個菜單按扭，并建立相應(yīng)的消息響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)直接調(diào)用已創(chuàng)建的單文檔對話框，在該對話框的消息響應(yīng)函數(shù)中加入相應(yīng)的代碼，實(shí)現(xiàn)VC調(diào)用MATLAB引擎運(yùn)行相應(yīng)的算法程序，結(jié)合測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)支撐點(diǎn)剛度與阻尼的識別。

開發(fā)以上模塊就能夠應(yīng)用論文中所研究的VC調(diào)用MATLAB引擎的技術(shù)。該模塊的開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 模塊開發(fā)流程

圖5為所開發(fā)的數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性分析儀的軟件界面圖，圖6為絲桿驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)支撐點(diǎn)軸向剛度與阻尼測量模塊的運(yùn)行結(jié)果。

圖5 分析儀軟件界面圖

圖6 剛度與阻尼測量模塊計(jì)算界面

實(shí)驗(yàn)過程中如果是第一次調(diào)用此程序，由于需要在計(jì)算機(jī)中啟用MATLAB，所以需要幾秒種的延遲。上圖中計(jì)算結(jié)果相應(yīng)窗口中所顯示的數(shù)據(jù)即為絲桿驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)支撐點(diǎn)軸向剛度和阻尼。根據(jù)該數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的指標(biāo)，對機(jī)床的狀態(tài)特性出做評估與分析，可以實(shí)現(xiàn)對支撐點(diǎn)狀態(tài)特性的識別與預(yù)測。

5 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究開發(fā)的成果，可心得出如下結(jié)論：

1）VC調(diào)用MATLAB引擎可以避免編寫煩索的VC代碼，縮短了開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率。

2）對于復(fù)雜算法，特別是涉及到大型數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，文中所提的混合編程方法能更好的發(fā)揮MATLAB工程計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也增強(qiáng)了程序整體的穩(wěn)定性。

綜上所述，在涉及大型數(shù)據(jù)計(jì)算的軟件開發(fā)項(xiàng)目中，文章所研究的方法可以提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

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