基于JSP的數(shù)控機(jī)床智能保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 晨，高宏力，明 濤，黃海鳳，王耀琦，王振剛

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610031）

0 引 言

數(shù)控機(jī)床是發(fā)展現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)必須的基礎(chǔ)設(shè)備，高檔數(shù)控機(jī)床己經(jīng)成為航空航天、汽車等各種高新技術(shù)行業(yè)機(jī)械制造的主要裝備，數(shù)控機(jī)床故障造成的停機(jī)事故將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。人們越來越不滿足于傳統(tǒng)的事后維修方式，其高昂的成本和低下的及時性迫使人們尋求新的維護(hù)方式。為此，基于JSP 技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)控機(jī)床智能保障系統(tǒng)，通過時時監(jiān)測顯示機(jī)床各部件狀態(tài)及參數(shù)，為讓操作人員及時了解數(shù)控機(jī)床狀態(tài)從而提前采取維修維護(hù)措施，并將記錄進(jìn)行保存，為日后性能的改善等提供了依據(jù)。系統(tǒng)基于Java編程環(huán)境，選取B／S 模式（Browser／Server），運(yùn)用Tomcat做服務(wù)器和MySQL做數(shù)據(jù)庫，采用JSP、Javabean和JavaServlet技術(shù)［2］。與現(xiàn)在常用的C／S架構(gòu)保障系統(tǒng)相比，簡化開發(fā)維護(hù)難度，降低經(jīng)濟(jì)投入成本，提高系統(tǒng)實(shí)時性，并可實(shí)現(xiàn)不同工作人員在不同地點(diǎn)進(jìn)行操作，對于企業(yè)生產(chǎn)效率和競爭力的提高具有重大意義，在實(shí)際生產(chǎn)中具有極大推廣運(yùn)用價值［3］。

1 系統(tǒng)體系介紹

1.1 JSP

在服務(wù)器首次獲得客戶端瀏覽器對JSP 頁面請求后，服務(wù)器處負(fù)責(zé)JSP 頁面請求的容器會通過JSP 引擎將JSP頁面轉(zhuǎn)換為Java代碼，在此過程中若無語法錯誤，JSP 引擎將調(diào)用Java編譯器將文件編譯為Servlet；如若有語法錯誤，轉(zhuǎn)換將中斷并返回錯誤信息，處理流程如圖1所示［4］。

圖1 JSP處理流程

Servlet編譯成功后會被加載在內(nèi)存中，采用多線程處理技術(shù)來處理應(yīng)對可能的多個客戶端同時請求，不僅極大降低系統(tǒng)資源需求，提高系統(tǒng)開發(fā)量和響應(yīng)時間，并由于該方法將servlet一直加載在內(nèi)存，所以響應(yīng)非常快?？梢娫摴ぷ鬟^程中只有首次運(yùn)行由于需要處理、加載及編譯會耗費(fèi)稍多時間，所謂的 “第一人懲罰”［5，6］。

1.2 Javabean

Javabean是一個具有良好重用性和移植性的特殊Java類，用于處理用戶的請求，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來指定bean的命名和設(shè)計(jì)規(guī)范，通過定義get和set函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對屬性和事件的相關(guān)操作［7］。

1.3 Servlet

為了解決單純使用JSP 導(dǎo)致的頁面臃腫、服務(wù)器負(fù)荷過大，因此一般將JSP和Servlet結(jié)合使用進(jìn)行開發(fā)，Servlet負(fù)責(zé)激活Javabeans和創(chuàng)建對用戶的應(yīng)答。

如圖2所示，可見Servlet是Web瀏覽器和J2EE 之間的紐帶，它首先從Web處接受其發(fā)送的請求，經(jīng)過處理進(jìn)而把請求傳到Web服務(wù)器，最后它會把服務(wù)器的響應(yīng)返回到瀏覽器［8］。

1.4 本系統(tǒng)的體系

本系統(tǒng)在src下建立DAO、database、javabean、servlet和util，通過在javabean中實(shí)現(xiàn)對成員變量的值的更改或獲取操作，在DAO 中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建、更新、編輯和刪除等事務(wù)性操作，database與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，在util下有個用于定義的signal。

JSP文件通過import調(diào)用javabean和DAO，當(dāng)JSP界面中出現(xiàn) “cmd”命令時，將到util下的signal進(jìn)行識別，識別后返回一個具體的COMMAND＿XX＿XX 命令，該COMMAND＿XX ＿XX命令到servlet中與switch下的command進(jìn)行比對，與case下的command成功比對后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的方法中執(zhí)行，執(zhí)行后如若有語法錯誤，跳轉(zhuǎn)出“出錯！”提示；如若沒有，將跳轉(zhuǎn)出例如" 絲杠相關(guān)參數(shù)修改成功！" 的界面。

圖2 Servlet的工作流程

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能保障系統(tǒng)是集狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、性能評估和維護(hù)建議于一體的綜合性軟件，依據(jù)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的原則及參考用戶實(shí)際需求，本軟件由機(jī)床管理、一鍵診斷、機(jī)床故障預(yù)警、設(shè)備加工性能評估和機(jī)床保養(yǎng)計(jì)劃5個子系統(tǒng)組成，如圖3所示［9］。

圖3 系統(tǒng)整體框架

為了方便使用，本系統(tǒng)在主頁頂部橫向放置5個子系統(tǒng)導(dǎo)航，通過點(diǎn)擊導(dǎo)航跳轉(zhuǎn)到界面左側(cè)各個子系統(tǒng)中，左側(cè)放置各個子系統(tǒng)的子模塊，在子模塊下再采用樹狀模式，下接各個選項(xiàng)，從而層次鮮明、清晰明了的實(shí)現(xiàn)三層查詢，并可根據(jù)實(shí)際情況在下面添加更低一級子菜單。同時考慮到機(jī)床眾多，切換不便，我們在右上角顯示目前是哪臺機(jī)床，同時放置機(jī)床選擇頁快捷按鈕，可以進(jìn)行機(jī)床間切換。上側(cè)主頁按鈕可以快捷返回主頁，幫助按鈕點(diǎn)開會有整個系統(tǒng)詳細(xì)的使用指導(dǎo)［10］。

2.1 機(jī)床管理子系統(tǒng)

包括：機(jī)床相關(guān)參數(shù)設(shè)置、傳感器設(shè)置和傳感器診斷3個模塊。用戶可以在該系統(tǒng)中看到機(jī)床、通道和傳感器的基本參數(shù)信息，并可以根據(jù)實(shí)際情況對類型、安裝位置和放大倍數(shù)等隨時進(jìn)行更新調(diào)整，傳感器診斷處會顯示傳感器正常與否，同時可提供傳感器標(biāo)定報(bào)告生成功能如圖4所示，在PDF報(bào)告中會對診斷結(jié)果提供詳細(xì)的理論依據(jù)和圖像說明，該報(bào)告可自定義名稱和路徑。

圖4 傳感器標(biāo)定

考慮到主軸、導(dǎo)軌和絲杠的數(shù)據(jù)量有時會非常龐大，為了顯示的整潔明了和查看時的便捷，提供分頁功能，在界面中有首頁、尾頁和下一頁快捷按鈕，下拉框可自定義跳轉(zhuǎn)到某一頁面。

2.2 一鍵診斷子系統(tǒng)

包括：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)四方面功能。在機(jī)械系統(tǒng)中，顯示機(jī)床故障預(yù)警結(jié)果、故障提示、設(shè)備加工性能評估結(jié)果、機(jī)床維修維護(hù)建議和評估依據(jù)圖，在此對系統(tǒng)各功能子系統(tǒng)的結(jié)果做整體概括性展示，并提供一鍵診斷報(bào)告，報(bào)告中對各個子系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說明。電氣、液壓和PLC 系統(tǒng)提供各個系統(tǒng)的原理圖，并有幫助說明按鈕。

2.3 故障預(yù)警子系統(tǒng)

包括：故障預(yù)警、評估規(guī)則設(shè)置、人工添加故障維修維護(hù)記錄和故障維修維護(hù)記錄查看4個模塊。

（1）故障預(yù)警模塊提供工況、當(dāng)前狀態(tài)、故障提示、故障依據(jù)和診斷結(jié)果等預(yù)警的詳細(xì)信息，工況處提供機(jī)床的一些主要參數(shù)，并可生成報(bào)告。通過對這些工況的監(jiān)視，操作人員可以大概了解機(jī)床的工作狀態(tài)。

（2）評估規(guī)則設(shè)置處是用于顯示評判機(jī)床狀態(tài)的參數(shù)，并可對各參數(shù)權(quán)重進(jìn)行設(shè)置。

（3）維護(hù)人員在進(jìn)行維護(hù)后，可人工添加維修維護(hù)記錄，包括：日期、故障位置、故障現(xiàn)象、排除方法和操作人員編號，添加成功后可以在查看故障預(yù)警日志中查看到，如圖5所示。

圖5 故障預(yù)警界面

（4）故障維修維護(hù)記錄查看是人工添加的匯總，并提供生成報(bào)告功能，報(bào)告中會對維修情況有個更為詳細(xì)說明。

2.4 加工性能評估子系統(tǒng)

包括：評估規(guī)則設(shè)置和綜合評估。相關(guān)權(quán)限人員可對性能評估的規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，綜合評估處提供包括評估日期、評估結(jié)果、評估部位和操作人員等綜合評估的詳細(xì)信息，同樣可生成報(bào)告并在報(bào)告中進(jìn)行更詳細(xì)的說明。

2.5 維修維護(hù)子系統(tǒng)

包括：保養(yǎng)計(jì)劃、備件計(jì)劃、日常點(diǎn)檢和專業(yè)點(diǎn)檢4個模塊。

（1）保養(yǎng)計(jì)劃模塊對設(shè)備提供詳細(xì)的保養(yǎng)計(jì)劃和制度信息，對一些關(guān)鍵及易損傷部位提供特殊的保養(yǎng)規(guī)范及要求，從而防范于未然。

（2）備件計(jì)劃模塊是對各部件的備件名稱、數(shù)量和需求時間等信息的展示，從而方便了解各部件備件的庫存情況，方便及時購買以防耽誤設(shè)備使用，并且讓備件情況一目了然避免了重復(fù)查看倉庫。

（3）點(diǎn)檢模塊包括日常和專業(yè)點(diǎn)檢兩個等級，都包括：點(diǎn)檢項(xiàng)目與要求、點(diǎn)檢結(jié)果、點(diǎn)檢時間、點(diǎn)檢人員和是否合格等信息，但區(qū)別是點(diǎn)檢的要求和操作人員不同。專業(yè)點(diǎn)檢是由專業(yè)工程師定期及出現(xiàn)異常時進(jìn)行的詳細(xì)專業(yè)的點(diǎn)檢，而日常點(diǎn)檢是操作人員的每日初步點(diǎn)檢，都提供人工添加功能，并可在點(diǎn)檢報(bào)告中查看詳細(xì)情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PDF報(bào)告生成

由于界面所容納的信息量的局限性以及方便查看重點(diǎn)內(nèi)容的原則，本系統(tǒng)的重要頁面都提供生成PDF 報(bào)告功能，在報(bào)告中對頁面數(shù)據(jù)和結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步詳解，并提供推導(dǎo)過程及依據(jù)。

結(jié)合該軍工制造廠需求，我們提供手動和自動生成PDF兩種方式，手動是操作人員人工選擇指定時間段生成所需時間段報(bào)告，自動是預(yù)先設(shè)定生成報(bào)告的周期或者時間點(diǎn)，滿足條件時自動生成，在此我們根據(jù)其需求設(shè)定每周五下午三點(diǎn)自動生成PDF。

3.1.1 自動生成報(bào)告

在servlet下定義一個自啟動的startup，設(shè)置一個無限自相加的i使程序循環(huán)一直執(zhí)行，通過將日期和時間分別定義為字符串weekday和time，并定義fixedTime為weekday和time相連后的時間，將fixedTime與設(shè)定的時間fix進(jìn)行比對，如果相等，執(zhí)行循環(huán)中生成報(bào)告的程序，同時為了防止生成的報(bào)告自動覆蓋前面生成的報(bào)告，在生成的fileName處額外加一個自循環(huán)的i，從而保證生成的報(bào)告可以一直保存，程序如下所示：

在web.xml中定義開機(jī)自啟動startup，并將其優(yōu)先級設(shè)置為1，程序如下所示：

3.1.2 手動生成報(bào)告

如圖6所示，在界面中定義2 個日期選擇框，分別為startdate和enddate，點(diǎn)擊日期選擇框選定日期，程序如下：

圖6 手動生成報(bào)告

通過傳遞獲取的startdate和enddate從數(shù)據(jù)庫選定時間段數(shù)據(jù)，程序如下：

手動生成報(bào)告首先要在web.xml中配置Servlet，在其中進(jìn)行命名和配置ActionServlet映射，從而實(shí)現(xiàn)客戶請求的url信息和服務(wù)器端具體處理的映射關(guān)系。servlet－mapping的url－parrern標(biāo)簽里面放的是servlet訪問路徑，根據(jù)servlet－name服務(wù)器會找到被映射的同名servlet的字節(jié)碼。文件代碼如下［11］：

在JSP頁面利用Form 定義生成報(bào)告按鈕，點(diǎn)擊按鈕生成相應(yīng)PDF報(bào)告。

3.2 從數(shù)據(jù)庫讀取圖片

機(jī)床故障預(yù)警中的故障預(yù)警模塊檢測到故障時，將給出故障提示圖，該圖是由檢測到的狀態(tài)信息經(jīng)過算法計(jì)算用matlab時時繪圖，繪出的圖會以一定周期存放到數(shù)據(jù)庫中。在此我們在MySQL中建表并將圖片類型定義為Blob，建立show.jsp頁面，show.jsp作用是從數(shù)據(jù)庫中讀出blob，并產(chǎn)生image／jpg，然后在實(shí)際界面gzyj.jsp中引用show.jsp即可在界面中讀取并顯示圖片。

4 結(jié)束語

基于JSP的B／S模式的數(shù)控智能保障系統(tǒng)是一種較新的嘗試，采用時時監(jiān)測顯示機(jī)床狀態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生前提前預(yù)警，從而防范于未然，并提供維修維護(hù)建議，從而實(shí)現(xiàn)集監(jiān)控、預(yù)測、維護(hù)和保障于一體的一種全新的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)模式。這不僅大大降低數(shù)控機(jī)床的定期維修維護(hù)時間，而且降低大量人力和物力成本從而提高企業(yè)綜合競爭力，對企業(yè)的現(xiàn)代化和科學(xué)化管理具有重大意義，因此在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有極大推廣運(yùn)用價值，并即將在某軍工制造廠中投入使用。

［1］WU Xixi.Key components of high－end CNC machine tools intelligent fault diagnosis technology ［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University （Master thesis），2011 （in Chinese）. ［吳希曦.高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部件故障智能診斷技術(shù)研究 ［D］.成都：西南交通大學(xué) （碩士學(xué)位論文），2011.］

［2］NI Juan.JSP－based open access full text journals navigation system design and implementation ［J］.Information Science，2011，32 （1）：58－59 （in Chinese）.［倪娟.基于JSP技術(shù)開放存取全文期刊導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.情報(bào)科學(xué)，2011，32 （1）：58－59.］

［3］REN Yonggong，WANG Zhengjun.JSP and MySQL based dynamic table structure design and implementation ［J］.Computer Engineering，2006，32 （5）：60－62 （in Chinese）. ［任永功，王政軍.基于JSP和MySQL的動態(tài)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2006，32 （5）：60－62.］

［4］LI Zhong，LIU Fang’ai.Teaching management and educational resources integration system design and implementation ［J］.Computer Engineering and Design，2009 （19）：4524－4526 （in Chinese）.［李重，劉方愛.教學(xué)管理與教育資源整合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009 （19）：4524－4526.］

［5］WANG Zhiqiang.Web－based e－commerce online shopping system and its implementation ［J］.Commerce，2010，54 （6）：136－137 （in Chinese）.［王知強(qiáng).基于Web的電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)購物系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) ［J］.電子商務(wù)，2010，54 （6）：136－137.］

［6］WANG Leijie，CUI Junbo，HAN Hongyu，et al.Development guide－based on Spring／Struts／Hibernate implementation［M］.Beijing：People’s Posts and Telecommunications Press，2010 （in Chinese）. ［王磊杰，崔軍波，韓紅宇，等.開發(fā)指南—基于Spring／Struts／Hibernate的實(shí)現(xiàn) ［M］.北京：人民郵電出版社，2010.］

［7］ZHANG Xiang.JSP－based coal transportation management system design ［J］.Coal Technology，2011，30 （12）：271－272 （in Chinese）.［張翔.基于JSP的煤炭運(yùn)銷管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤炭技術(shù)，2011，30 （12）：271－272.］

［8］RONG Wei，ZHANG Shuang.Proficient struts－Java popular servers，frameworks，tools and integrated application ［M］.Beijing：People’s Posts and Telecommunications Press，2006（in Chinese）. ［戎偉，張雙.精通Struts－Java流行服務(wù)器、框架、工具及整合應(yīng)用 ［M］.北京：人民郵電出版社，2006.］

［9］YAN Yan，HUANG Lin，GUO Kangquan，et al.Web－based evaluation of agricultural machinery group decision support system ［J］.Computer Engineering and Design，2009，30 （4）：1013－1014 （in Chinese）. ［閆艷，黃林，郭康權(quán)，等.基于Web的農(nóng)業(yè)機(jī)械評標(biāo)群體決策支持系統(tǒng)研究 ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30 （4）：1013－1014.］

［10］ZHANG Dabin，WANG Hui，SUN Hanwu.Production JSPbased railway safety system design and implementation ［J］.Computer Engineering and Design，2007，28 （5）：1193－1195（in Chinese）.［張大斌，王慧，孫漢武.基于JSP的鐵路生產(chǎn)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28 （5）：1193－1195.］

［11］LIU Jinghua.Java Web integrated development return of the king ［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2010 （in Chinese）.［劉京華.Java Web整合開發(fā)王者歸來 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.］