基于MTConnect切削過程的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控方法

袁廣超, 鮑勁松, 鄭小虎

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海, 201620)

基于MTConnect切削過程的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控方法

袁廣超, 鮑勁松, 鄭小虎

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海, 201620)

制造設(shè)備間的廣泛互聯(lián)、互操作是制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛物聯(lián)的重要前提. 對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 收集數(shù)控系統(tǒng)加工參數(shù)、刀具幾何參數(shù)、零件質(zhì)量檢測(cè)等異構(gòu)數(shù)據(jù), 進(jìn)行有效地關(guān)聯(lián)監(jiān)控是目前研究的熱點(diǎn). 基于OPC(object linking and embedding for process control) UA(unified architecture)連接數(shù)控系統(tǒng), 建立基于MTConnect的“適配器-代理(adapter-agent)”通用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控體系. 研究實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)模型、通信框架及其訪問策略, 給出了機(jī)床加工過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型. 開發(fā)的原型系統(tǒng)在某航空薄壁件的實(shí)際加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控, 實(shí)現(xiàn)了加工過程數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)的綜合可視化表達(dá), 驗(yàn)證了所提出的數(shù)控系統(tǒng)信息集成方法的有效性. 該方法構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型清晰地表達(dá)了各加工要素, 具有很好的可擴(kuò)展性.

數(shù)控機(jī)床; OPC UA; MTConnect; 刀具監(jiān)測(cè)

當(dāng)前我國(guó)正逐步邁入“智能制造2025”時(shí)代, 現(xiàn)有的數(shù)字化工廠需要與信息化技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行深度整合, 不斷提高工廠設(shè)備間的互聯(lián)互通能力. 智能工廠中存在大量的工作, 如刀具設(shè)計(jì)、刀具路徑優(yōu)化、加工參數(shù)優(yōu)化、刀具切削力預(yù)測(cè)以及專家系統(tǒng)等, 都依賴于彼此之間數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接. 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展, 為了滿足數(shù)字化車間的信息化需求, 基于網(wǎng)絡(luò)的開放式數(shù)控機(jī)床監(jiān)控技術(shù)成為研究熱點(diǎn). 本文采用(object linking and embedding for process control) UA(unified architecture)和MTConnect結(jié)合的方式, 圍繞數(shù)控機(jī)床刀具切削過程的加工狀態(tài), 設(shè)計(jì)和研發(fā)一種通用的數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控體系. 圍繞刀具使用狀況，把由異構(gòu)機(jī)床和刀具在制品產(chǎn)生的繁雜零碎的數(shù)據(jù)源組織成為一個(gè)樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型. 結(jié)合OPC UA和MTConnect優(yōu)勢(shì)將分散的資源整合在一起, 形成物理上分散、邏輯上集中的集成監(jiān)控系統(tǒng), 為解決機(jī)床加工過程中各異構(gòu)信息的有效監(jiān)控提供一種解決方案.

1 OPC UA協(xié)議介紹

目前大多數(shù)工控和軟件廠商采用OPC網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控技術(shù)，把各個(gè)分離的設(shè)備或者系統(tǒng)集成到一個(gè)統(tǒng)一、關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中, 以實(shí)現(xiàn)各廠商設(shè)備之間的互操作. 最新的OPC UA協(xié)議為滿足工控領(lǐng)域以服務(wù)為導(dǎo)向的需求, 把不同規(guī)范定義的信息模型重新歸類設(shè)計(jì)成一系列服務(wù)集的形式供用戶使用, 實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)互聯(lián).

PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席彭瑜教授認(rèn)為， OPC UA是符合工業(yè)4. 0時(shí)代構(gòu)建智慧工廠需求的一個(gè)重要的互聯(lián)網(wǎng)解決方案, 可以打破自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)多層遞階的信息流, 并將多層遞階系統(tǒng)集成為一個(gè)自動(dòng)化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)[1]. 沈斌等[2]通過研究協(xié)同服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化制造的信息化制造技術(shù), 引入云計(jì)算思想, 基于OPC UA技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)示范性協(xié)同服務(wù)平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)了企業(yè)高效的資源管理和成本控制. 原紅麗等[3]通過對(duì)EDDL(electronic device description language)和 FDT(field device tool)兩大設(shè)備集成技術(shù)的研究, 提出了在OPC UA客戶端/服務(wù)器模式下的設(shè)備集成方案, 對(duì)設(shè)備制造商和系統(tǒng)開發(fā)商都有很大幫助. Thanh等[4]在WCF(windows communication foundation)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 用OPC UA的SDK(software development kit)開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng), 減少了開發(fā)時(shí)間并降低了成本.

OPC UA技術(shù)以其強(qiáng)大的傳輸能力、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型以及各種其他服務(wù)，極大地方便了各種設(shè)備信息的采集. 但是面對(duì)不同行業(yè)需要語(yǔ)義互操作的信息模型問題, OPC UA就顯得力不從心. 例如, 印刷機(jī)可能同時(shí)屬于印刷行業(yè)、包裝行業(yè)、塑料行業(yè)等, 不同的行業(yè)對(duì)印刷機(jī)的語(yǔ)義描述側(cè)重點(diǎn)不同.

2 MTConnect標(biāo)準(zhǔn)介紹

車間各類異構(gòu)信息源構(gòu)成一個(gè)龐大的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò), 隨著多任務(wù)數(shù)控加工機(jī)床銷量的增加, 對(duì)刀具管理的需求日益增長(zhǎng), 但一些多功能刀具和刀具組件卻很難定義. MTConnect是AMT(association for manufacturing technology)聯(lián)合數(shù)控領(lǐng)域主流生產(chǎn)商提出的一種新型數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化采集標(biāo)準(zhǔn)[5], 定義了一種標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)床工具領(lǐng)域的信息模型, 有效解決了數(shù)控系統(tǒng)信息接口不兼容的問題. MTConnect通過HTTP協(xié)議傳輸目前互聯(lián)網(wǎng)通用的存儲(chǔ)格式文件——可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML). MTConnect規(guī)定了一種標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 并采用ISO 13399對(duì)刀具進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化描述[6].

劉日良等[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)符合MTConnect要求的數(shù)控雕刻機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng), 通過Internet實(shí)時(shí)收集了數(shù)控雕刻機(jī)的數(shù)據(jù). 陸小虎等[8]提出了開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)控設(shè)備信息集成方法, 建立了分層次可擴(kuò)展的機(jī)床信息模型, 通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化信息. 盧林等[9]基于 MTConnect標(biāo)準(zhǔn)的開放式數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采集接口, 提出一種可拓展的通用接口架構(gòu), 對(duì)相關(guān)時(shí)間延遲開展了測(cè)試與分析.

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制核心, 實(shí)時(shí)不斷地對(duì)影響刀具磨損參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控, 為加工策略和加工參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)[9]. 實(shí)際機(jī)床加工過程中刀具的健康情況直接影響在制品加工質(zhì)量以及機(jī)床性能, 因此，圍繞刀具健康狀況、在制品質(zhì)量檢測(cè)情況，對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)控具有重大意義. 但現(xiàn)有關(guān)于MTConnect的研究多著眼于機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ), 而忽略了對(duì)獨(dú)立于機(jī)床本體的刀具與在制品相關(guān)數(shù)據(jù)的集成研究. 因此, 迫切需要一種統(tǒng)一的、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)模型來(lái)整合和存儲(chǔ)機(jī)床、刀具以及離線在制品信息.

3 基于OPC UA的數(shù)控監(jiān)控框架

OPC UA采用一種典型的客戶端/服務(wù)器架構(gòu), 客戶端與服務(wù)器互為服務(wù)器或客戶端, 方便數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)項(xiàng)的監(jiān)控、讀寫. 服務(wù)器端把數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)各類數(shù)據(jù)源封裝在一個(gè)統(tǒng)一的地址空間內(nèi), 使得客戶端可以以統(tǒng)一的方式去訪問服務(wù)器. 地址空間是以一組用引用形式連接起來(lái)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 節(jié)點(diǎn)是一個(gè)實(shí)際設(shè)備在地址空間中的映射, 節(jié)點(diǎn)包括了屬性和引用. 地址空間為不同的實(shí)際設(shè)備提供了一個(gè)統(tǒng)一的抽象模型, 利用這個(gè)統(tǒng)一的模型, 便于對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理, 并以統(tǒng)一的形式對(duì)服務(wù)集進(jìn)行訪問. 同時(shí)基于引用可以通過基本的節(jié)點(diǎn)搭建出復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)模型, 滿足實(shí)際設(shè)備多樣性的描述需求[10].

典型的客戶端及服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示.客戶端首先通過自身的接口與客戶端通信棧交互, 客戶端通信棧再把消息傳達(dá)給服務(wù)器通信棧, 服務(wù)器調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)集(如節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)集、監(jiān)視服務(wù)集等)對(duì)服務(wù)器端通信棧傳入的請(qǐng)求進(jìn)行分析處理, 對(duì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的地址空間進(jìn)行相應(yīng)查詢、操作, 最后將結(jié)果傳遞回客戶端.

圖1 OPC UA客戶端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)Fig.1 OPC UA client / server architecture

4 基于MTConnect刀具加工過程的

實(shí)時(shí)監(jiān)控通信架構(gòu)與信息模型

4.1基于MTConnect的實(shí)時(shí)通信架構(gòu)

基于客戶端/服務(wù)器模式, MTConnect通過HTTP請(qǐng)求與應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)XML格式數(shù)據(jù)的交互. MTConnect通信體系由客戶端和代理兩個(gè)部分組成, 由于目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床廠家還未設(shè)計(jì)出針對(duì)MTConnect標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集接口, 故需要專門定制適配器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)目前采集接口的復(fù)用與擴(kuò)展.

MTConnect基礎(chǔ)通信架構(gòu)如圖2所示.由圖2可知，作為MTConnect的核心, 代理同時(shí)從多個(gè)不同數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù), 各傳統(tǒng)接口采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過代理按照統(tǒng)一的信息模型進(jìn)行編碼, 整合成符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的XML報(bào)文形式, 一個(gè)代理可以同時(shí)儲(chǔ)存多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)信息, 通過不同數(shù)控系統(tǒng)的適配器IP地址進(jìn)行區(qū)分. 代理將滿足MTConnect標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)適當(dāng)?shù)木彌_存儲(chǔ)器中并為網(wǎng)絡(luò)提供接口, 等待應(yīng)用程序提出讀取請(qǐng)求[11]. 緩沖存儲(chǔ)器內(nèi)只存儲(chǔ)一定數(shù)量的數(shù)據(jù)信息, 以一種類似隊(duì)列的形式增刪數(shù)據(jù). 數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通過客戶端與代理間的請(qǐng)求/應(yīng)答實(shí)現(xiàn), 當(dāng)應(yīng)用程序向代理提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求, 代理將返回相應(yīng)XML數(shù)據(jù)流. 客戶端查詢請(qǐng)求由適配器IP、查詢類型及查詢約束組成, 其中查詢類型主要有probe、current、sample、asset 4種基本類型, 除此之外還有debug、version、store sample等查詢類型. 針對(duì)客戶端不同類型的查詢請(qǐng)求, 代理會(huì)返回4種XML數(shù)據(jù)流包括MTConnect Devices、 MTConnect Streams、 MTConnect Error、 MTConnect Assets.

圖2 MTConnect基礎(chǔ)通信架構(gòu)Fig.2 MTConnect basic communication architecture

MTConnect只規(guī)定了機(jī)床工具數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)規(guī)范, 而不做完全的標(biāo)準(zhǔn)約束, 即如果監(jiān)控需求有變動(dòng), 開發(fā)者無(wú)需對(duì)源程序做太大改動(dòng)，而只需更換一個(gè)滿足MTConnect語(yǔ)義要求的本地化設(shè)備參數(shù)描述文件, 以往的互聯(lián)程序如OPC UA則必須修改地址空間內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu), 所以MTConnect具有更好的通用性和靈活性.

與加工緊密相關(guān)的信息包括機(jī)床型號(hào)、主軸運(yùn)行信息(轉(zhuǎn)速、加速度、驅(qū)動(dòng)功率)、在制品信息、當(dāng)前刀具號(hào)和刀具長(zhǎng)度等, 按照不同變化頻率信息可以被分為連續(xù)型數(shù)據(jù)和非連續(xù)型數(shù)據(jù)兩種. 連續(xù)型數(shù)據(jù)(采樣型, 如xyz軸坐標(biāo)值、主軸驅(qū)動(dòng)功率等)變化頻率較高, 數(shù)值類型為實(shí)數(shù). 而非連續(xù)型數(shù)據(jù)又可被分為狀態(tài)型和事件型兩種, 狀態(tài)型用于描述開關(guān)狀態(tài)和邏輯值, 事件型則用于描述取值跳變的狀態(tài), 如加工程序名、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)模式以及報(bào)警信息等.

對(duì)于各種異構(gòu)數(shù)據(jù)源的分類存儲(chǔ)必須解決信息間共有部分和差異部分的存儲(chǔ)問題, 目前對(duì)于數(shù)據(jù)共有部分的標(biāo)準(zhǔn)化研究已有很多, 但對(duì)于數(shù)據(jù)差異部分的標(biāo)準(zhǔn)化描述則缺少可行的規(guī)則. 采用一種面向?qū)ο蟮膶哟位瘮?shù)據(jù)模型來(lái)描述數(shù)控機(jī)床繁雜的異構(gòu)信息, 針對(duì)各機(jī)床共有參數(shù)的描述，以MTConnect Devices數(shù)據(jù)流的形式存儲(chǔ)各機(jī)床設(shè)備及主要組件數(shù)據(jù). 對(duì)于差異部分的參數(shù)描述, 引入資產(chǎn)概念. 資產(chǎn)雖不屬于設(shè)備本身的組件, 但在機(jī)床加工周期中需要用到, 與加工過程密切相關(guān), 在不影響機(jī)床功能情況下可以移除, 刀具就是一種典型的機(jī)床資產(chǎn)[12]. 刀具磨損對(duì)機(jī)床實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及在制品表面質(zhì)量影響極大, 若按照常規(guī)組件的分類方法進(jìn)行分類, 數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)聯(lián)性較差, 采用ISO 13399《切削刀具數(shù)據(jù)的表達(dá)與交換》對(duì)數(shù)控刀具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述. 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于識(shí)別和描述切削刀具組件的數(shù)字代碼的通用格式, 采用具有相同含義的相同術(shù)語(yǔ)和數(shù)字以減少模糊性[12]. 本文在MTConnect原有機(jī)床數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上重新構(gòu)建機(jī)床、刀具、在制品信息模型, 以滿足實(shí)際加工過程監(jiān)控需求.

按照MTConnect Devices_1.3_1.0.xsd構(gòu)造的一臺(tái)配備西門子840D型數(shù)控系統(tǒng)的DMG數(shù)控加工中心信息模型如圖3所示. DMG機(jī)床作為一個(gè)設(shè)備由軸組件、控制器組件和系統(tǒng)組件三部分組成. 其中, 控制器組件包含機(jī)床此時(shí)正在使用的刀具和在制品的索引, 用于關(guān)聯(lián)查詢機(jī)床本體以外的刀具、在制品資產(chǎn)的詳細(xì)信息.

圖3 DMG數(shù)控銑床數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Data storage structure model of DMG NC milling machine

如圖4所示為本系統(tǒng)構(gòu)建的刀具信息存儲(chǔ)模型. 為了檢測(cè)刀具生命周期, 模型把刀具信息分為兩部分描述, 即Description和Cutting Tool Life Cycle, 綜合了機(jī)床在線數(shù)據(jù)和刀具數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù), 按照ISO 13399重點(diǎn)對(duì)刀具的生命周期進(jìn)行描述.

圖4 數(shù)控銑刀刀具數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Data storage structure model of NC milling cutter

按照MTConnect對(duì)資產(chǎn)的定義, 在制品應(yīng)屬于資產(chǎn)類型, 但現(xiàn)有的協(xié)議內(nèi)還沒有一套在制品信息的定義規(guī)則, 因此，本文依照資產(chǎn)定義規(guī)則構(gòu)造了一個(gè)關(guān)于在制品信息的資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型, 如圖5所示.在制品的描述圍繞加工工藝展開, 將每個(gè)工序結(jié)束后的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到具體的工序, 同一機(jī)床上加工所需的NC程序段只需與相應(yīng)的工步對(duì)應(yīng)即可, 同一工序的工步可能會(huì)涉及到不同機(jī)床, 缺失的部分工步信息在后續(xù)機(jī)床加工后再填充到在制品模型內(nèi).

圖5 在制品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Work in product data storage model

5 實(shí)例與分析

本文系統(tǒng)針對(duì)配備了SIEMENS 840D型數(shù)控系統(tǒng)的DMG數(shù)控加工中心, 對(duì)某航天鈦合金薄壁件進(jìn)行多品種小批量的銑削加工過程進(jìn)行監(jiān)控. 840 D型數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示, 其中, 機(jī)床-在制品-刀具構(gòu)成的異構(gòu)信息源是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的對(duì)象.

圖6 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集流程Fig.6 Data acquisition process of NC machine tool

基于. NET平臺(tái)實(shí)現(xiàn)OPC基金會(huì)提供的WCF客戶端工具包封裝接口, 通過OPC UA訂閱方式通過Add Data Monitored Item方法設(shè)定數(shù)據(jù)采樣間隔和顯示間隔并建立監(jiān)控項(xiàng), 采集西門子840D型數(shù)控系統(tǒng)OPC UA的服務(wù)器模塊數(shù)據(jù). MTConnect客戶端與機(jī)床設(shè)備間的具體交互過程如下所述.

(1) MTConnect客戶端向OPC UA服務(wù)器發(fā)送監(jiān)控請(qǐng)求, 通過OPC UA服務(wù)器接口發(fā)送給預(yù)定, 當(dāng)預(yù)定制定的監(jiān)視項(xiàng)探測(cè)到數(shù)據(jù)變化或者事件/警報(bào)發(fā)生時(shí), 監(jiān)視項(xiàng)生成的一個(gè)通知(比如報(bào)警、數(shù)據(jù)值變化、事件和程序的執(zhí)行結(jié)果) 發(fā)送給預(yù)定[13], 由預(yù)定發(fā)送到Adapter中整合成MTConnect標(biāo)準(zhǔn)信息并緩存在Agent中;

(2) MTConnect客戶端發(fā)送URL服務(wù)請(qǐng)求, 前端PC偵聽到請(qǐng)求后, 根據(jù)請(qǐng)求類型把緩存在Agent中經(jīng)過Adapter適配后的相關(guān)類型的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)不斷反饋給客戶端并顯示.

然而, 刀具、零件部分離線信息, 如刀具制造商、刃數(shù)、材料等，以及完全離線的在制品信息如規(guī)格尺寸、加工工序、質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)等, 無(wú)法通過OPC UA讀取, 只能從現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取或從管理界面人工輸入獲得. 從OPC UA服務(wù)模塊可以讀取出數(shù)控系統(tǒng)報(bào)警內(nèi)容、NC程序名、已加工時(shí)長(zhǎng)、已加工代碼行數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、主軸功率、刀具號(hào)、刀具長(zhǎng)度、刀具半徑等信息, 當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化立即觸發(fā)Client. Data Item Changed事件. 通過構(gòu)建的轉(zhuǎn)換單元UA Client Adapter把變化數(shù)據(jù)綁定到本地的事先配置好的DMC1035v. xml文件上, 根據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)ID與XML文件內(nèi)各字段匹配關(guān)聯(lián)形成一個(gè)個(gè)XML數(shù)據(jù)流暫存在Agent緩沖區(qū)中, Agent啟動(dòng)前需要配置好agent. cfg配置文件中監(jiān)控設(shè)備的IP及端口號(hào)信息. 每個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)需定義一個(gè)能被代理識(shí)別的符合本地XML文件內(nèi)部定義的ID, 代理不斷偵聽來(lái)自客戶端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求, 一旦收到請(qǐng)求代理會(huì)把相應(yīng)緩沖區(qū)內(nèi)的XML數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回客戶端. 通過增設(shè)的UA Client Adapter單元實(shí)現(xiàn)OPC基金會(huì)的WCF客戶端工具到佐治亞理工大學(xué)研發(fā)的dot_net_sdk工具包[14]的橋接, 完成了數(shù)控系統(tǒng)、刀具、零件數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換.

以往以數(shù)據(jù)為中心的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模式, 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)整, 數(shù)據(jù)粒度精細(xì), 而XML可充斥各種混合內(nèi)容, 加之以各種標(biāo)簽關(guān)聯(lián)信息, 對(duì)于機(jī)器和人都具有可讀性.

為了方便管理人員的直觀監(jiān)控, 針對(duì)XML文件設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)XML數(shù)據(jù)解析后的可視化界面, 如圖7所示.

6 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工過程實(shí)時(shí)、有效、便捷的監(jiān)控, 本文提出一種基于MTConnect的在線數(shù)控系統(tǒng)刀具監(jiān)控方法， 成功讀取了數(shù)控系統(tǒng)OPC UA服務(wù)模塊內(nèi)所需數(shù)據(jù)源, 去除了大量冗余數(shù)據(jù), 綜合考慮機(jī)床、在制品、刀具三方面因素后重構(gòu)了標(biāo)準(zhǔn)化的銑削加工過程數(shù)據(jù)模型. 試驗(yàn)表明, 該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程進(jìn)行有效監(jiān)控.

OPC數(shù)據(jù)支持寫入權(quán)限正好彌補(bǔ)了MTConnect現(xiàn)階段只能遠(yuǎn)程顯示而不能控制的缺陷. 但目前MTConnect對(duì)刀具參數(shù)的描述還不包MTConnect現(xiàn)階段只能遠(yuǎn)程顯示而不能控制的缺陷. 但目前MTConnect對(duì)刀具參數(shù)的描述還不包括詳細(xì)的分級(jí)分類結(jié)構(gòu), 只規(guī)定了可能出現(xiàn)在制造商工具目錄中的個(gè)別規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)格式, 所以對(duì)刀具的標(biāo)準(zhǔn)化模型還不夠豐富. 相信在不久的將來(lái)OPC UA-MTConnect的模式會(huì)像各個(gè)廠家的智能手機(jī)都配備藍(lán)牙功能一樣廣泛地融入工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中, 成為不可缺少的功能之一.

圖7 OPC UA-MTConnect可視化界面Fig.7 Visual interface of OPC UA-MTConnect

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(責(zé)任編輯:杜佳)

OnlineMonitoringMethodforReal-TimeCuttingProcessBasedonMTConnect

YUANGuangchao,BAOJinsong,ZHENGXiaohu

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Extensive interconnection and interoperability among manufacturing equipment are an important prerequisite for the realization of extensive association. It is the focus of the current research to monitor the NC(numerical control) system in real time, and collect the relevant processing data of the NC system, the geometric parameters of the cutting tools and the quality of the parts. NC system is connected via OPC(object linking and embedding for process control) UA(unified architecture). Then, the real-time monitoring system of "Adapter-Agent" universal CNC(computer numerical control) system based on MTConnect is established. The real-time monitoring data model, communication framework and access strategy are studied. Meanwhile, a prototype system is developed for real-time monitoring in the actual process of a thin-wall part of aircraft. The system can implement the processing data and off-line data integrated visual expression, and verify the validity of the information integration method of CNC system of the proposed data model, the scalable model can implement a clear expression of the processing elements.

NC machine tools; OPC UA; MTConnect; tool monitoring

TP 391

A

1671-0444 (2017)04-0503-07

2017-02-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475301)

袁廣超(1993—)，男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苤圃炫c測(cè)控. E-mail: 937601471@qq.com

鮑勁松(聯(lián)系人)，男，副教授，E-mail: bao@dhu.edu.cn