適用于智能制造的數控機床全信息監(jiān)控系統

高舒凱,畢 果

(廈門大學航空航天學院，福建廈門361102)

我國正面臨制造業(yè)轉型升級的關鍵階段，新一代智能制造將數字化、網絡化、智能化作為基本范式，物聯網、賽博物理系統與信息技術的深度融合使得云制造成為新的制造模式.制造業(yè)總體的發(fā)展方向和創(chuàng)新的生產模式對制造裝備提出了更高的要求，即要求裝備之間能夠互聯互通和數據共享，裝備個體具備自我優(yōu)化的能力，且能以最小智能單元無障礙連接于各種智能制造網絡和云制造平臺.

機床的服役期為15～20年，新舊機床的長期共存是機床行業(yè)的現實情況，現有服役機床往往來自于不同的廠家、采用不同的通信協議，將其無差別納入智能化制造網絡的前提是構建統一的數據信息監(jiān)控平臺.監(jiān)控平臺需要有能力獲取機床內部運行數據，并且能對運行時外部環(huán)境的變化進行有效感知.目前，有部分機床廠商提供了匹配自身數控系統的商業(yè)數據采集軟件，例如西門子的運動控制信息系統(motion control imformation system,MCIS)和Fanuc的Smart NC Link，但這些軟件往往價格較高且軟件間不通用.也有學者嘗試通過數控系統的串口和分布式數字控制(distributed numerical control，DNC)等通用接口進行數據采集，這種采集方式雖然有一定的通用性，但采集的數據往往是有限的.例如通過在機床外接可編程邏輯控制器(PLC)實現對機床部分信號的采集[1]、通過RS-232和DNC接口對機床進行監(jiān)控[2]，這些方法只能采集到部分開關信號和一些與程序運行相關的數據.為了更加全面地監(jiān)測機床運動過程，并對機床外部環(huán)境信息進行感知，需要引入多傳感器的監(jiān)控框架，對使用的傳感器與信號處理軟件進行選擇[3]，實現對數控機床加工過程、工件質量的監(jiān)控[4].也有學者使用數控程序鑲嵌宏指令和外接傳感器的數據采集架構對機床運行狀態(tài)進行感知[5].但往往在感知外部環(huán)境變化時選用的傳感器沒有統一的數據通信方式，傳輸的過程遵循各自使用的協議.因此，一種使用統一通信協議對機床內部運動數據和外部環(huán)境變化信息進行全面監(jiān)測的方法在智能制造中顯得尤為重要.

開放平臺通信(open plantform communication,OPC)統一架構(unified architecure,UA)作為工業(yè)通訊的數據交互規(guī)范協議，具有安全、可靠且獨立于制造商和平臺的特性，可以為該問題提供解決方案.該規(guī)范可以在具有不同數控系統和通信協議的數控機床之間，建立安全有效的統一通信模式，且不依賴于特定操作系統和編程語言，能方便地與工業(yè)設備結合，做到數據的統一管理，以實現設備間的互聯互通.將OPC UA與傳感器結合，實現工廠設備與傳感器之間的通信[6].通過對數控機床搭建OPC UA服務器，對加工過程進行監(jiān)測[7-8]，實現刀具磨損程度的預測[9].使用OPC UA協議搭建智能生產線，以解決生產線上的信息孤島現象[10]，García等[11]提出一種低成本的信息物理生產系統(cyber physical production system,CPPS)架構.關于OPC UA性能方面的研究，Ghazivakili等[12]探討了協議網絡傳輸的吞吐量和數據的傳輸時間.Li等[13]在資源受限的STM32平臺上實現OPC UA服務器，使其具有廣泛的應用.

目前，OPC UA的訪問統一性、安全可靠性、開放性等多種優(yōu)勢，使得很多工業(yè)裝備制造商都將其作為基本配置，集成在較新的產品中.例如西門子公司在其整個TIA產品組合中支持OPC UA；三菱、海德漢等公司也在其PLC和數控系統中搭載了OPC UA服務器.對于未提供該服務的工業(yè)裝備，可以使用主流編程語言實現OPC UA通信，從而為數據的傳輸建立一個統一的通信接口.為此，兼顧以上兩種方式，本文嘗試針對異構數控機床建立統一的通信接口，將多種工業(yè)設備協議向OPC UA協議轉換，實現機床的全信息監(jiān)控系統.通過搭建數控系統的數據服務器以及為外接傳感器搭建數據服務器，對機床內部運行信息與外部環(huán)境信息進行全面采集與傳輸.同時在服務器局域網內搭建客戶端作為近端監(jiān)控節(jié)點，接收監(jiān)測數據，對數據進行分析以完成補償反饋算法，并將補償值實時反饋回機床數控系統中，提升機床性能.

1 機床全信息監(jiān)測與反饋控制系統整體架構

全信息監(jiān)控系統監(jiān)測機床內部運行數據與外部環(huán)境數據，從而提取有效信息，實現機床性能提升，其整體架構如圖1所示，包含采集、傳輸信息的數據服務器與提供補償反饋功能的監(jiān)控節(jié)點.其中數據服務器的主要作用是對機床內外數據做監(jiān)測并且傳輸信息，而監(jiān)控節(jié)點負責匯總多臺服務器中傳輸的數據并計算機床優(yōu)化值來實現運動的反饋控制.在服務器中，數據的來源被分為兩大部分，一部分是通過機床數控系統獲取的內部靜態(tài)屬性與動態(tài)運行數據，另一部分是通過外接傳感器感知機床加工過程時外部環(huán)境變化的數據.兩部分數據統一使用OPC UA協議進行傳輸，相互補充，以提供更加全面的監(jiān)測信息.監(jiān)控系統整體的數據流動過程如圖2所示，近端監(jiān)控節(jié)點通過獲取服務器中的數據與部署的優(yōu)化算法得到機床運動補償值，將補償值反饋回機床，以提高機床性能.同時，在廣域網中，云主機為電腦、手機等遠程移動設備提供數據訪問接口.并且云主機可以實現數控裝備群之間的信息共享與交互，利用更強大的計算性能將多個近端監(jiān)控節(jié)點中的數據進行匯總以建立更加復雜的模型.從而將更多的個體制造單元互相連接，實現智能制造的分布式多自主體智能系統.

圖1 機床監(jiān)測與反饋系統整體架構Fig.1Overall architecture of the machine monitoring and feedback system

圖2 系統數據流動過程Fig.2System data flow

2 監(jiān)控系統實現

2.1 數據服務器的設計與實現

如圖3所示為數據服務器的示意圖，數據服務器為監(jiān)控系統提供統一格式的實時數據.根據提供數據的設備不同，分為兩類服務器來設計與開發(fā).一類是設備出廠自帶OPC UA服務，這類服務器主要提供設備運行時內部數據.另一類是針對本身不支持OPC UA協議的工業(yè)設備設計的，主要是為加工過程中的外部監(jiān)測與檢測數據提供傳輸服務.OPC UA作為工業(yè)4.0中的通信標準，逐漸成為工業(yè)領域中流行的通信協議，ABB、羅克韋爾、愛默生、西門子等主流企業(yè)都推出了基于OPC UA的應用程序與開發(fā).在本文的監(jiān)控系統中，使用機床搭載的西門子數控系統(SINUMERIK)，其內部包含OPC UA服務器，通過該服務器提供了機床全局用戶數據、PLC程序塊數據、機床數據和設定數據等.可以通過變量地址來對數據進行訪問，在表1中展示了其中部分數據和對應的地址.其中，系統對R參數具有讀寫雙向權限，即外部客戶端不僅可以讀取該地址上的數據，還能對該地址對應的數據進行更改，為后續(xù)監(jiān)控節(jié)點的反饋控制提供實現的可能性.

圖3 數據服務器Fig.3 Data server

表1 SINUMERIK的OPC UA變量

為了更好地感知加工過程，利用外接傳感器在線監(jiān)測機床運動與加工過程，包括溫度、振動、力等不同的物理量.同時對于大部分加工過程，加工工件的在位檢測也同樣重要，經常需要根據檢測結果對加工過程進行一定的調整.因此全信息監(jiān)控系統需要針對更多的外部傳感器搭建數據服務器，將在線監(jiān)測與在位檢測的傳感器所提供的數據進行采集與傳遞.由于目前大部分傳感器不具備OPC UA標準接口，需要使用軟件開發(fā)工具包來搭建通用OPC UA服務器.在工業(yè)加工中，大部分設備都有不同的通信協議和數據編碼格式，常用的數據采集方法有基于RS-232、RS-485等通用標準接口采集，基于廠家提供的動態(tài)鏈接庫進行二次開發(fā)等.面對各類外接傳感器，本系統搭建的數據服務器首先使用不同的數據采集設備獲取外接傳感器的數據，然后借助OPC UA協議對數據進行統一封裝與傳輸.

2.2 近端監(jiān)控節(jié)點的設計與實現

近端監(jiān)控節(jié)點作為全信息監(jiān)控系統中的數據處理單元，需要在低延遲的情況下對服務器提供的數據進行訪問、處理并在必要的時候將反饋信息傳回數據服務器，具體的功能如圖4所示.本文選擇.NET框架和C#語言完成近端監(jiān)控節(jié)點的程序編寫，并且將監(jiān)控節(jié)點部署在數據服務器的近端局域網內，以滿足實時性要求.在監(jiān)控節(jié)點中，向下在局域網內與數據服務器進行雙向數據交互，向上與云主機進行連接.數據服務器為監(jiān)控節(jié)點提供加工過程的數據，監(jiān)控節(jié)點對數據進行清理、集成、分析并將補償優(yōu)化值反饋回服務器中，以調整加工過程.云主機可以提供更豐富的計算資源，以實現大型模型的學習與復用遷移等功能，同時還可以為電腦、手機等移動設備提供訪問的接口，以方便對監(jiān)控信息進行查看.

圖4 監(jiān)控節(jié)點功能圖Fig.4 Monitoring node function diagram

2.3 機床實時反饋控制實現

機床反饋控制是實現自身性能優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，本文監(jiān)控對象搭載的數控系統為SINUMERIK，該系統提供兩種使加工主程序在運行的過程中對外部變換做出響應的方式，即同步動作與異步動作，兩者之間的區(qū)別如表2所示.異步動作被觸發(fā)后，主程序會中斷運行，轉而處理設定的異步子程序.同步動作是對實時事件的反應，其響應過程不會中斷主程序運行，是一種對外部事件進行快速反應的方法.而“與位置相關的補償激活”則提供了機床刀具溫度補償的地址，只需將補償曲線對應的斜率與截距寫入對應地址即可在對應軸方向上對刀具位置微調，例如SA_TEMP_COMP_SLOPE[AX1]代表了刀具在X軸方向上的補償斜率.在后續(xù)實例研究中，將嘗試利用同步動作和“與位置相關的補償激活”為全信息監(jiān)控系統提供實時反饋控制功能.當監(jiān)控節(jié)點將補償值反饋回數控系統后，機床在保證主程序正常運行的情況下，對反饋值進行實時響應，將其傳遞給數控中具體方向的補償參數地址中，從而調整機床刀具的實際位置，其余的反饋方式需要根據不同的應用場景進行選擇.

表2 同步動作與異步動作對比

3 實例研究

為驗證全信息監(jiān)控系統的有效性，以楊森YSV-957立式加工中心作為監(jiān)測對象，嘗試對機床X軸進給系統進行溫度監(jiān)測和熱誤差補償.實驗對象機床的具體參數如表3所示.機床搭載西門子828D數控系統，其控制器內置OPC UA服務器，可通過指定變量對應的地址獲取相關數據.本文使用PT100溫度傳感器進行溫度采集，測量范圍為-20～200 ℃，測量精度為±0.1 ℃.傳感器測量部位如圖5所示，包括X軸尾端軸承測點溫度T1、T2，絲桿螺母處測點溫度T3，電機端軸承測點溫度T4，以及安裝在機床內壁和外部的環(huán)境溫度測點TE1、TE2.激光位移傳感器選擇基恩士LK-G10，測量時參考距離為10 mm，測量范圍為±1 mm，分辨率可達0.02 μm,用來測量X軸末端伸長量.其中溫度傳感器和激光位移傳感器分別使用RS485串口協議和廠家提供的動態(tài)鏈接庫進行數據采集，并統一封裝入外部數據服務器中.選擇雷尼紹XL-80激光干涉儀對機床定位誤差進行檢測，測量精度為1 nm.機床X軸行程范圍為840 mm，在行程范圍內均勻設置20個檢測點，使用激光干涉儀獲得各檢測點的定位誤差.機床實物以及干涉儀鏡組安裝架設如圖6所示.

表3 YSV-957部分參數

圖5 溫度傳感器安裝位置Fig.5Position for installing the temperature sensor

圖6 實驗設備Fig.6Experimental equipment

利用近端監(jiān)控節(jié)點訪問機床內部數據服務器，獲得加工點在X方向的坐標，并訪問外部數據服務器獲取多路溫度傳感器的數據，熱誤差補償算法內置于近端監(jiān)控節(jié)點.鑒于機床運動過程中產生的熱誤差在運動行程上基本呈現線性關系，所以將機床運動熱誤差分解為行程原點的偏置和軸上各點的誤差增量[14].監(jiān)控節(jié)點通過監(jiān)測溫度測點和X方向定位誤差得到建模所需的數據，使用歷史數據為溫度與定位誤差曲線中斜率和截距之間的關系建立回歸模型，并在必要時根據該模型計算對應的誤差，以補償機床的運動，提高定位精度.

3.1 實驗過程

在機床溫度補償實驗中，需要監(jiān)測機床溫度測點與定位誤差.數據服務器采集機床在不同速度、不同環(huán)境溫度下運動產生的定位誤差、溫度和軸端熱膨脹量.服務器創(chuàng)建OPC UA節(jié)點，建立地址空間，將從傳感器中獲取的監(jiān)測數據存入對應的地址中，以實現服務器的數據傳輸功能.近端監(jiān)控節(jié)點瀏覽不同服務器的地址空間，對傳來的數據進行匯總、分析、計算機床定位誤差的模型.圖7展示了機床往復運動時溫度測點與X軸尾端膨脹量之間的關系.由于機床運動時，電機發(fā)熱和絲桿螺母副的運動摩擦發(fā)熱形成熱源，并傳導給軸承，使軸承的溫度因熱傳導成波動式上升，軸承沿X軸方向產生熱膨脹，從而帶來了機床定位誤差.同時，每隔10 min使用激光干涉儀對機床定位誤差進行測量，結果如圖8所示，機床的定位誤差在運動行程內呈現明顯線性關系且隨發(fā)熱量的增大不斷增加.監(jiān)控節(jié)點使用內置的溫度補償算法并結合數控系統的“同步動作”和“與位置相關的補償激活”方法實現機床運動實時的調整反饋，以降低定位誤差.

圖7 溫度與軸末端伸長量關系Fig.7Relationship between temperature and shaft end elongation

圖8 激光干涉儀測量結果Fig.8Measurement results of laser interferometer

3.2 實驗結果

在近端監(jiān)控節(jié)點中開啟補償功能后，節(jié)點從數據服務器中獲取機床實時位置和測點溫度值，并以每秒一次的頻率計算出誤差曲線的斜率與截距，將其作為補償值反饋回數控系統 .再次測量機床X軸在0～840 mm的行程運動中的定位誤差如圖9所示，未補償時定位誤差最大達到160 μm(圖9(a))；同樣條件下，使用補償功能后定位誤差降低到-8～2 μm(圖9(b)),定位誤差不到補償前的10%.實驗結果證明了全信息監(jiān)控系統能夠有效的監(jiān)測機床內部運行數據與外部環(huán)境信息，同時對機床進行實時反饋補償.

圖9 X軸定位誤差實驗結果Fig.9X-axis positioning error experimental results

4 結 論

本文從加工過程的實際需求出發(fā)，為數控機床建立一套能監(jiān)測內部運行數據與外部環(huán)境數據，且同時能對機床運動進行反饋控制的全信息監(jiān)控系統.系統分為內部數據服務器、外部數據服務器以及近端監(jiān)控節(jié)點，設備間通過OPC UA協議進行統一的信息傳輸. OPC UA協議的開放性則讓整體系統能兼容更多的設備，為機器與機器間的連接提供標準，為現有服役機床的互聯互通、數據共享提供了可行的基礎.在本文研究的全信息監(jiān)控系統中，對機床的運行過程進行在線監(jiān)測與實時補償，同時對定位誤差進行了實驗驗證，實驗結果顯示定位精度在補償程序的作用下提升較大幅度.下一步將借助OPC UA協議，實現數控裝備群的數據與信息交互、通過模型間的共享建立更加復雜的模型，提供更加全面的監(jiān)測以進一步提升機床的性能.