基于网络与状态监测的智能数控技术

　　自1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统以来，至今已经历了50多年，数控装置也逐渐由NC发展为CNC。计算机技术的飞速发展使得开放式数控(Open CNC)已成为当今数控技术的主题，数控系统可以集成更多、更复杂的功能。并且随着需求的推动，智能化与网络化已成为数控系统的一个主要发展趋势。本文以开放式数控系统为平台，构建以加工安全及加工优化为目标的智能化解决方案，提出了基于加工过程多物理状态的集成在线监测策略；同时，针对日益增强的远程监测与诊断的功能需求，提出开放结构数控平台基于网络的层次化状态监测策略。

1 系统状态监测与控制

　　在加工过程中，应时刻保持机床处于良好或最优工作状态，尤其对于单件加工成本较高的工件以及复杂精密机床。其产品报废及机床损坏甚至是加工效率的降低都将造成巨大损失。在此隋况下，需要及时掌握加工状态信息，以便迅速做出调整。传统上采用巡检或定期检测的方式，以保持机床性能。但这种方式不足以防止加工过程中的异常发生。近来，人们开始研究将加工与监测相结合的实现模式，并且取得了一定进展。

　　然而目前状态监测与优化控制系统大都采用独立于数控系统的外挂式形式，两者未能实现无缝集成。无疑这不符合开放式数控系统的模块化设计理念及发展趋势，并于无形中提高了系统复杂程度，增加了安装调试乃至操作的难度。同时目前的研究尚缺乏加工状态监测与在机质量检测的综合一体化集成响应方案，以及系统自身功能结构的自适应调整方案。

　　1.1 加工过程的数控系统集成在线状态监测

　　本文以运行安全与加工优化为目标，采用数控系统集成在线监测方案，将监测信号分为系统限制级信号、平稳信号及突变信号，由系统进行分类处理。

　　(1)系统限制级信号指与系统安全运行相关的状态信号，包括逻辑控制单元各端口状态、伺服驱动状态、通汛连接状态以及其它周边设备状态等。这类信号与系统安全直接相关。属于最高级别的状态信息，要求系统迅速做出反应，严重情况下进行自动停机处理。数控系统内部通过高速轮询各相关电气端口状态，以简单快速的响应方式完成此类状态信息的监测与处理。

　　(2)平稳信号在此定义为机床加工过程中产生并由各类传感器件反馈的各类具有渐变趋势物理状态信号，反映了加工过程的运行平稳性。典型的如振动信号、声发射信号、电机电流等。通常稳定加工情况下，这类信号不会有太大的波动，并可利用时间序列等手段进行可靠预测。利用开放式数控系统的可扩展优势，开发适于数控加工的信号采集单元，以PCI总线及相应API与数控系统无浅奎集成，实现对多传感器信息的有效获取。系统内盖唁息处理单元将对这些信号进行分析得到运行状态及经过优化的加工参量信息，并艇终分别反馈至诊断模块与运动控制模块，以实现预测维护与加丁优化。

　　(3)突变信号则指的是在加工中无法预知何时发生而又对系统或机床造成重大影响的冲击信号。典型的如电网电压的突变、不规范作业或刀具松动而造成的刀具碰撞等。这类信号发生几率较小，但由于在发生时系统没有足够的时间进行响应，往往造成难以估量的损失。因此本文提出采用类视觉前馈与安全缓冲相结合的策略，在冲击信号发生前进行预警或在发生时实现缓冲保护，以极大限度地减少损失。所谓类视觉前馈是指采用类似于人类视觉的预警机制,在危险尚未发生时提前预判，以防止危险发生而系统却“无力自保”的一种安全防护机制，采用预警并主动规避的策略来实瑰。而安全缓冲则是指对于无法预瞥的突变信号，通过缓冲装置将信号转化为安全的平稳信号，然后通知主控单元进行处理。图1显示了系统状态监测模块的功能结构简图。

图1 系统状态监测模块的功能结构简图