异构数控机床群控系统关键技术研究及应用
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摘 要：以SIEMENS 840D和FANUC 16i系统机床的数据采集群控系统开发为研究对象，通过CNC系统的NCDDE/OPC服务器，采用OEM开发包实现了SIEMENS系统的嵌入式数据采集和FANUC系统的PC数据采集，同时基于B/S结构搭建了异构CNC系统机床的群控系统；同时通过研究机加工工艺误差的相关算法并调用COM组件，实现了工艺方面的系统应用模块开发，使系统可通过采集的机床数据分析加工工艺；对研究进一步分析群控系统中采集数据对工艺优化的影响起到初探讨作用，具有重要的研究价值。
关键词：SIEMENS 840D；FANUC 16i；OEM；OPC Server；工艺误差分析
中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）03-0-03
0 引 言
群控系统是指用一台或多台计算机，对多台数控机床进行综合数字控制的分布式数控系统，又叫DNC系统；他以计算机技术、通讯技术、数控技术为基础，将数控机床与系统上层管理计算机建立通信，实现PC对CNC机床加工状态的数据采集和集中控制管理。
当今制造执行系统（MES）在车间生产计划的优化调度、生产过程改进等方面起着越来越重要的作用，群控系统主要应用于MES，并为其提供几乎所有的信息来源，是MES系统的核心环节，因此有重要的研究价值。
国内外对群控系统的研究主要从两大部分展开：群控系统的通信方案与系统搭建、群控系统数据的应用研究。前者主要研究系统内部计算机与CNC机床的软硬件通信方法和群控系统的系统构建方案；后者主要研究如何利用及分析系统采集的相关数据，实现分析数控机床加工状态与刀具磨损、对机床进行故障诊断、机床加工工艺优化的应用方面的研究。
目前，在群控系统的通信方案与系统搭建研究方面，相关学者对特定系统的CNC机床提出了针对性的通信方案和群控系统搭建方案，研究并讨论了通过硬件、串行通信接口、系统宏指令、商业通信软件和系统开发包等形式采集机床数据并构建系统；然而由于各CNC系统与机床厂家的垄断，CNC系统型号、机床配置的采集接口、系统通信协议都不尽相同，研究开发的相关系统中鲜有能对不同数控机床及系统进行群控的，即异构数控机床的群控，这也给车间的制造及管理水平的提高造成了瓶颈。在群控系统的数据应用研究方面，基于数控机床加工状态与刀具磨损的研究和对机床进行故障诊断的研究已较为成熟，但在机床加工工艺优化的应用研究方面，该领域的研究较少，还未有成熟的应用体系，如何合理有效的分析并应用群控系统采集的机床数据，对提高MES中机床加工工艺质量和进行机加工工艺的质量监管有重要意义。
由于上述两个问题，文章针对异构数控机床群控系统的构建展开研究，并就群控系统采集数据的加工工艺误差分析问题进行了初步探讨和研究，建立了误差实时分析系统。
1 异构数控机床群控系统
本文研究的异构数控机床群控系统的主要功能是实时采集SIEMENS 840D和FANUC 16i等系统机床的加工状态数据，实现异构CNC机床的监控和管理；该系统可与MES内部的DNC系统、CAD/CAM/CAE/CAPP系统、PDM系统、企业自主开发的应用模块等进行系统集成，实现各系统间的信息交互，该群控系统的加工工艺误差分析模块具有利用采集的机床数据进行机加工工艺质量分析的功能。
该群控系统主要应用于两大场合：需对机床数据进行实时监控与管理的异构数控机床车间管理系统，以及需要通过数控机床加工状态数据分析其加工工艺质量的系统。
系统的整体结构如图1所示，异构数控机床群控系统主要由三大模块组成：系统底层的异构机床群、中间层的系统服务器及上层管理系统，各模块间通过以太网进行信息交互。
车间底层的异构机床群是系统进行数据采集的对象，进行加工状态数据采集的数控机床需带有以太网口，主要有SIEMENS 840D、FANUC 16i系统机床以及可通过其他方式进行数据采集的普通机床；其中，SIEMENS 840D数控系统机床中需嵌入我们开发的数据采集应用程序，以便在系统内采集相应数据，FANUC 16i机床需配置快速以太网卡，从而进行网络数据通信。
PC服务器为系统中间层，主要由两部分组成：数据库服务器及数据通讯应用程序；数据库服务器由MySQL数据库建立，数据通讯应用程序通过C#开发实现；数据通讯应用程序通过TCP/IP实现与SIEMENS 840嵌入端数据采集应用程序的动态数据交换，接收相应数据，并通过相应API指令读取FANUC 16i机床加工数据，从而实现异构机床的数据采集；之后数据通讯应用程序将采集的数据分别传送至数据库，实现各机床数据的实时管理与存储，其中数据通讯应用程序与数据库间的数据通信通过SQL语言实现。
服务器获得相关数据后，网页客户端可利用其数据进行各机床的实时状态监控、数据管理及利用率分析。网页客户端是上层管理系统的重要组成部分，主要进行各机床的监控与管理；此外系统还可与具有数据管理与应用功能的其他系统集成，进行数据的交互利用，如：DNC系统、CAD/CAE/CAM/CAPP系统、PDM系统以及其他自主开发的机床数据应用模块。
2 异构数控机床群控系统的数据采集功能
数据采集功能是本文研究的异构机床群控系统的主要功能，数据采集系统可以采集到的机床数据主要包括：零件数据、驱动数据、工艺数据、报警数据以及其他可用状态数据，详细介绍如下：
（1）零件数据主要包括：NC名、运行状态、刀具号等；
（2）驱动数据包括：主轴电流、电压、负载百分比等；
（3）工艺数据包括：主轴转速及倍率、进给速度及倍率等；
（4）报警数据包括：报警序号、报警相关参数等；
（5）其他可用状态数据包括：轴坐标值、系统运行模式等数据。
数据采集系统要求采集的数据实时、准确、稳定、精度高。本文研究的数据采集系统在满足这些要求的前提下，还具有可进行异构机床数据采集的特点，并且数据采集范围广泛。
数据采集系统具有两大功能模块，分别为SIEMENS 840D数据采集和FANUC 16i数据采集功能模块。SIEMENS 840D和FANUC 16i为机床加工领域的常用系统，由于其开放性特征，我们利用其特有的OEM开发包进行开发，实现所需数据采集功能。
对于SIEMENS 840D数控系统，可利用其OEM软件的HMI Program Package开发包对数控系统进行二次开发，课题主要研究了通过嵌入式系统开发的方式对840D进行数据采集的方法；我们利用VB编程实现了数据采集嵌入式应用程序的开发，并将其嵌入到机床的840D系统中；通信程序有权限访问840D的NCDDE服务器并读取其内部机床加工状态数据，从而实现机床数据的内部获取；群控系统的系统服务器端具有通过C#开发的数据采集应用程序，可通过Socket连接实现其与840D机床内部嵌入式程序的数据交换，最终实现机床数据在群控系统端的采集并存储在数据库服务器中；西门子840D系统嵌入端数据通信原理及应用程序如图2和图3所示。
对于FANUC 16i系统，可利用其OEM软件的FOCAS开发包，通过调用其API通信函数指令访问FANUC系统的OPC服务器，利用以太网TCP/IP协议编程实现通信程序的开发，并将该程序集成在系统PC服务器的数据采集应用程序端，实现访问FANUC系统完成数据采集的工作。因此，开发的数据采集应用程序实现了SIEMENS 840D和FANUC 16i系统的异构机床数据采集功能。FOCAS提供的部分API机床数据通信指令如表1所列。
数据采集系统除应用于异构机床的数据采集外，系统还具有单独的网页客户端，数据采集系统的网页客户端如图5所示。网页客户端是系统上层管理端的主要部分，除可实时监控各机床加工状态外，还可应用于各机床的数据管理、利用率统计等，图6所示为某机床的实时状态监控界面。通过试用证明该系统运行稳定可靠，满足所需的实时性与准确性要求。
3 异构数控机床群控系统的误差分析功能
实现了群控系统的数据采集功能，我们可以利用其数据进行相应的工艺误差分析，误差分析的目的是利用机床加工状态数据分析其加工工艺误差，通过分析机加工数据与误差之间的关系，最终达到提高工艺质量的目的；由于传统测量方式存在缺陷如：需来回搬运待检零部件、零件二次装夹误差、检测可能对零件造成的损害等，而本文采用的分析方案可进行误差的在线检测，不存在上述问题，因此具有重要的研究意义。进行误差分析需满足两点要求：数据获取的实时性与机床数据的准确性；由于研究的群控系统采用以太网数据传输，数据延时误差为毫秒级，因此完全满足数据获取实时性的要求，而通过群控系统采集的相关加工数据精度为亚微米级，因此也满足机床数据的准确性要求。本文研究的工艺误差分析采用最小二乘法原理，由于采用最小二乘法可使计算的工艺误差数据与误差真实值间差值的平方和最小，因此能最准确地计算出所需的工艺误差值，故采用此方法。
工艺误差分析模块采用VB编程实现，通过在VB内引入数学计算COM组件：MatrixVB，利用VB与Matlab混合编程方式，实现了平面度误差分析控制算法的程序开发。该工艺误差分析模块具有很好的开放性，可很好地集成在数据采集系统中，主要应用于数控机床加工中的误差分析计算、评估加工工艺质量，并对研究机床加工数据与工艺质量间的关系有重大意义；通过程序试运行，该系统模块运行稳定，响应迅速，能较好地满足误差分析所需的精度与实时性要求。
4 结 语
本文研究开发了异构数控机床群控系统，实现了SIEMENS 840D和FANUC 16i系统机床的数据采集功能，克服了传统系统无法进行异构数控机床群控的缺点。通过研究工艺误差算法并利用最小二乘理论，实现了群控系统的误差分析功能。实验证明该系统运行稳定可靠，为实际企业车间进行异构机床的群控和工艺分析提供了行之有效的方法。
参考文献
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