基于B/S 数控机床远程监测系统设计及实现
发布日期：2016-11-16 来源：《上海设备管理》
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随着数字技术和计算机技术的日益发展和提高，以数控机床为代表的数控设备应用越来越广泛。故障造成的停机损失要远远比传统的机床大，故障诊断也相对复杂得多，而如何迅速、正确地进行故障诊断和排除相应故障是保证数控机床正常运转的核心问题。
面对日益复杂的高档数控机床等生产设备，在生产加工过程中实时、快速、及时地检测识别其中的故障，已经远非操作人员力所能及。因此，远程实时在线状态监测系统作为数控机床控制系统的一部分，越来越显示其重要性。
随着嵌入式技术，网络技术和控制技术的飞速发展，远程监测技术得到了快速的提高。针对数控机床的远程监测系统正朝着网络化、分散化和智能化方向发展。本文设计了一个基于B/S模式的数控机床远程监测系统，来实现对数控机床进行及时的故障诊断并快速做出反应。
一、系统的整体设计
1、系统需要实现的目标
本系统的目标是融合多传感器，利用嵌入式ARM微处理器和PC机来建立基于B/S模式的数控机床远程监测系统，从而实现实时采集和分析数控机床运行过程中的各种状态参数如温度信号、振动信号、电流信号等，对机床设备进行实时状态监测评估、故障预测并能快速做出反应，来提高机床设备运行的安全性、可靠性，从而避免发生可预防性故障和灾难性事故，造成停机或巨额经济损失甚至人员伤亡。
2、系统的设计方案
本系统采用B/S（浏览器/Web服务器）模式来设计，在数控机床的关键部件上安装振动传感器、温度传感器、电流传感器来采集信号，将振动、温度、电流作为检测对象，利用嵌入式ARM微处理器来处理、存储及传输信号。在PC机上以Myeclipse10作为开发平台，结合SSH（Struts2.0 + Spring3.0 + Hibernate3.0）开发框架，使用HTML5 + CSS + jQuery +
JSP + Ajax技术来进行Web服务器的开发，数据库采用SQL Server2008。最后使用Socket技术进行编程，来实现嵌入式ARM微处理器与PC机的通信，将处理过的信号传输并存储到SQL Server2008数据库中，并通过Web服务器读取，将信号以实时数据及图形曲线的形式显示在浏览器上。
3、系统的结构设计
为了实现对数控机床运行状态参数的监测，本系统在结构上由数据采集、处理及传输模块、数据库、Web 服务器模块及CNC系统组成。系统的整体结构图如图1所示。
数据采集、处理及传输模块首先使用多传感器对信号进行采集，之后通过工业现场总线将采集到的信号传送至ARM微处理器中进行数据处理及存储，然后通过编写Socket相关程序来实现ARM微处理器与PC机的通信，将数据以文件夹的形式传输到PC端，接着在PC端进行相应的格式转换，最后存储到数据库SQL Server2008中。用户通过浏览器登陆系统后，点击查看参数按钮，浏览器会发出请求给Web服务器，紧接着Web服务器会调用数据库SQL Server2008中的数据，对请求作出响应，将数据以实时数据及图形曲线的形式显示在浏览器上，同时会将相应的数据与初设的报警阈值进行比对，发现超过阈值后会报警并提示操作者。
二、数据采集、处理及传输模块设计
目前对数控机床状态信息采集的研究，主要有基于数控系统通信接口和基于外接电路两类方法。基于通信接口的方法依赖数控机床的接口配置，比如ＲS-232串口DNC接口网络口等，同时也受制于数控机床的封闭性和异构性，难以形成统一有效的采集方案。基于外接电路的采集方式是从机床电气电路中提取信号，与具体的数控系统类型没有直接的联系，因而具有一定的通用性。
本系统采用外接电路，融合多传感器及嵌入式ARM微处理器的数控机床状态信息采集方案。相比于采用数据采集卡，该方案不需要依赖工控PC机运行，简化了车间布置；相比于单片机或DSP，嵌入式ARM技术可以为分布式采集节点提供更强大的运算处理能力，能够独立地进行采集处理存储和显示等任务，将嵌入式ARM技术应用于车间和数控机床的信息采集，能够有效地提升分布式处理能力和智能化网络集成。
该模块主要由振动传感器、温度传感器、电流传感器、工业现场总线、嵌入式ARM微处理器组成。
首先，将振动传感器、温度传感器、电流传感器安装在数控机床的关键部件上。
然后，通过工业现场总线将传感器采集到的信号传输到嵌入式ARM微处理器中，由于传感器采集的是模拟电信号，所以首先使用ARM微处理器中的A/D转换模块将模拟电信号转换成可以被识别读取的数字信号，接着进行简单的去噪预处理，来降低采集信号中的噪声干扰，然后将信号存储到ARM微处理器的文件夹中。
最后通过Socket技术建立嵌入式ARM微处理器与PC机的通信。常用的Socket 类型有两种：流式Socket（SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM），其中流式Socket是面向连接的，针对于TCP服务应用。本系统就是采用流式Socket类型。具体的Socket编程流程如图2所示。
三、数据库的设计
本系统数据库采用SQL Server2008，系统数据库名称为db _CncMonitorSystem。数据库db _Cnc-MonitorSystem 中包含9 张表。具体包括用户表、用户角色表、用户资源表、机床基本信息表、机床主轴运行状态参数表、机床滚珠丝杠运行状态参数表、机床导轨运行状态参数表、机床故障检修信息表、机床报警信息表。其中，用户表、用户角色表、用户资源表用来存储用户信息、用户的权限等级及不同权限等级可使用的资源等信息；机床基本信息表用于存储数控机床的基本信息，包括数控机床的生产厂家、生产时间、投入使用时间、机床类型、机床型号、机床参数等；机床主轴运行状态参数表主要用于存储主轴在运行状态下的振动（频率、振幅）、温度、电流信号；机床滚珠丝杠运行状态参数表主要用于存储滚珠丝杠在运行状态下的振动（频率、振幅）、温度、电流信号；机床导轨运行状态参数表主要用于存储导轨在运行状态下的振动（频率、振幅）、温度信号；机床故障检修信息表主要用于存储故障发生的部位、原因、时间、检修人员；机床报警信息表主要用于存储报警原因、报警时间、发生故障引起报警的部位。
四、 Web 服务器模块的设计
本模块的开发平台采用Myeclipse10，前台采用HTML5 + CSS + JavaScript + JSP + Ajax 进行编写，后台采用Java编程语言，同时结合Struts2.0，Spring3.0，Hibernate3.0 三大主流框架进行开发。
整个Web 服务器包括六个模块，分别是数控机床基本信息模块、机床关键部件监测数据模块、机床检修记录模块、机床报警记录模块、报表查询模块、系统管理模块。
Web 服务器的开发是整个系统开发的核心部分，图3是该系统Web服务器的功能结构图。
在Web 服务器开发中，采用了Ajax技术来实现浏览器的无闪动的实时刷新效果。
五、系统测试
将该系统安装在数控车床上来测试系统的可行性，通过测试发现，该系统能够实时显示机床运行状态下的各项参数及实时曲线，能够达到实时远程监测的目的。
六、结束语
本文针对目前数控机床在运行状态下的监测问题，设计并实现了基于B/S模式的数控机床远程监测系统。整个系统利用多传感器、嵌入式ARM微处理器等硬件来采集、处理及传输数据，使用HTML5+ CSS + JavaScript + JSP + Ajax 等相关技术来编写Web服务器，采用SQL Server2008作为数据库存储数据，通过提前预设报警阈值，来实现对数控机床在运行状态下的实时、快速、及时的远程状态监测。目前，该系统只能监测到机床运行状态下关键部件的信号，还不能进行相应的故障诊断，针对该问题，后续会进行BP神经网络诊断故障的相关研究，来建立相应专家系统，并应用到该系统中。
作者：徐振 孙首群 上海理工大学机械工程学院
