中走絲線切割機床智能遠程監控系統設計
2017-8-11 來源：鄭州輕工業 中州工程技術 廣東省重點實驗 作者：明五一 沈娣麗 劉冬敏 張臻
摘要: 中走絲線切割機床是一種精密的特種加工機床，加工精度高，能加工各種特殊硬質材料，但是比常規加工方式耗時，因而對其進行實時的狀態監控就很有必要。針對現有國內主流的中走絲數控系統，提出 2 種集成監控方式，并結合嵌入式技術、人工智能、網絡及移動終端編程和數據庫技術研究了中走絲機床智能遠程監控系統。首先，對智能遠程監控系統的總體框架進行了闡述; 其次，對智能遠程監控系統的核心功能及其關鍵技術進行了詳細的說明; 最后，對中走絲的2 種集成監控方式進行了重點說明，特別是基于人工智能技術的圖像識別方法。所研究的中走絲線切割機床智能遠程監控系統不僅能為機床加工人員提供方便，也能為機床維護人員解決機床故障提供支撐。
關鍵詞: 中走絲線切割; 狀態識別; 智能監控; 模糊識別
根據電極絲的運行速度，電火花線切割機床通常分為三大類: 高速走絲線切割機床 ( 俗稱快走絲，走絲速度 8 ～ 10 m/s) ，中走絲線切割機床 ( 俗稱中走絲，粗加工時 8 ～ 12 m/s，精加工時 1 ～ 3 m/s) ，低走 絲 切 割 機 床 ( 慢 走 絲， 走 絲 速 度 低 于 0. 2m / s)。
快走絲機床是我國自創研發的，由于機床結構簡單、性價比高、工藝效果好，被廣泛應用于制造業中，并且自從 20 世紀被研發出來后，得到不斷的發展與升級。
中走絲線切割機床是快走絲機床的一種升級換代產品，其加工精度高、表面質量好，能加工各種特殊硬質材料。但是電加工機床的加工時間比常規方式要耗時，因而對其進行實時狀態的監控就很有必要。近年來，我國對數控機床監控問題理論上、實踐上都做了很多研究性工作，同時也有一些原型的數控機床監控系統，但是對于特種加工機床，比如中走絲線切割機床的遠程監控，還沒有這方面的研究。由于電加工機床除了監控一些狀態外，更為重要的是要積累電加工的工藝參數，因而，隨著信息和網絡技術的快速發展、智能手機的快速普及，有必要研究中走絲線切割機床的遠程監控問題。中走絲線切割機床的智能遠程監控系統正是在此背景下提出來的，該系統能對中走絲線切割機床的運行狀態進行實時監測，同時也能自動收集加工中所使用的電參數。當機床發生故障時，能通過控制終端發送到服務器端，再通過 WEB 瀏覽器或者 Android 智能手機終端提醒相關人員，同時，監控系統會自動發出聲光報警信號，并切斷高頻電路、運絲機構等電源，保障機床的安全運行。借助網絡、智能手機，中走絲線切割機床的監控將更加實時，提升了機床的網絡化制造能力。
1. 系統總體框架
整個系統的設計以計算機網絡通信為基礎，以中走絲線切割機床控制端為核心，完成中走絲電加工機床的運行狀態、加工工藝參數、加工狀態和加工圖像等的遠程監控。遠程監控系統主要包括電加工機床的狀態采集、狀態分析與處理和機床運行狀態顯示三大部分。中走絲線切割機床的遠程監控系統可在無人值守的情況下實現實時監測、數據傳輸、狀態分析、拍照、報警、急停等功能，機床的加工人員及其維護人員在遠程通過 WEB 瀏覽器或者智能手機在遠程完成上述功能。中走絲線切割機床智能遠程監控系統的總體框架如圖 1 所示。
圖 1 中走絲線切割機床智能遠程監控系統總體框架圖
中走絲線切割機床監控系統的構成主要有機床控制端、服務器端和遠程端三部分，如圖 1 所示，機床控制端分成 2 個子模塊: 一個是機床控制端軟件，它運行在機床控制平臺上，鑒于目前主流的中走絲線切割機床的控制系統都采用 Windows 平臺，因而機床控制端軟件也是采用 VC 6. 0 開發，通過數據交換協議或者截圖、模板匹配智能識別 2 種方式獲取數控系統的主要運行狀態和工藝參數; 另外一個機床控制端硬件部分，它采用 S3C44B0X 作為主控 CPU，通過各種外置接口 ( 以太網口、串口、GPIO 口等) 與攝像頭、機床急停開關、照明燈、控制端軟件以及監控服務器端軟件相連接。
監控服務器端的一個核心功能是要實現機床運行狀態的智能分析，其主要的數據來源就是機床控制端上傳的各類數據，監控服務器端的數據存儲采用關系數據庫 SQL Server 2008，建立從用戶表到智能終端表等各類系統需要的數據庫表，監控服務器端程序也采用 VC 6. 0 開發。遠程端也分為 2 個子模塊: 一個為WEB 遠程監控端，它采用 . Net 2005 工具開發; 智能手機監控端的 Android 程序采用 Java 語言開發。
2 .機床控制端設計
2. 1 硬件模塊設計
機床 控 制 端 硬 件 模 塊 的 主 核 心 采 用 基 于ARM7MDI 內核的 S3C44B0X，它是 ARM 公司最早為業界普遍認可并且贏得最廣泛應用的處理。該處理器芯片最高工作頻率為 66 MHz，采用 0. 25 μm 工藝的 CMOS 標準宏單元和存儲編譯器，具有 71 個通用的多功能輸入輸出引腳，能夠實現機床控制端的各種外圍操作。
圖 2 機床控制端硬件原理圖
機床控制端硬件原理圖如圖 2 所示。硬件通過光耦電路采集斷絲、短路、高頻和絲筒等信號，對于需要實時控制的報警、急停等外部操作，同樣通過光耦電路，控制電磁繼電器對這些機床外部電路進行切換，從而實現相關功能。拍照模塊采用基于串口通信( RS232) 的 OV 200 萬像素的攝像頭，通信速率采用19 200 b / s，照片存儲格式為標準 JPEG 格式，尺寸大小有多種模式可選，默認為 640 像素 × 480 像素大小，ARM 與拍照模塊之間的數據按幀來傳送，一共有 3 種幀結構: 命令幀、應答幀和數據幀。機床控制端硬件與機床控制端軟件采用串口 ( RS232) 進行通信，采集中走絲數控系統中顯示的各種加工狀態、工藝參數等數據，機床控制端硬件與監控服務器端通信采用以太網通信方式，通信模式為點到點協議?？刂贫擞布倪\行狀態通過 LED 液晶屏顯示，各種配置參數存入 E2PROM 芯片中。
2. 2 軟件模塊設計
機床控制端軟件模塊的主要目的是實現與中走絲機床數控系統的集成。鑒于現有機床情況，此項目采用 2 種集成方式: 一種是對于作者自己研發的數控系統，采用基于 TCP/IP 服務的集成方式，數控系統提供 Socket 服務，可以為機床控制端軟件模塊提供運行狀態查詢服務，相關的部分通信協議如表 1 所示。通過 Socket 相關命令的調用，機床控制端軟件能獲取到相關的字符串，各個狀態之間用字符 “| ” 區別開來，按照預先設計好的協議進行解析，之后通過串口將狀態轉發到機床控制端硬件模塊。
另外一種方式是處理與其他廠家研發的數控系統，軟件模塊采用截圖、模板匹配智能識別方法來獲取數控系統的運行狀態。數控系統運行過程中，機床控制端軟件模塊在后臺運行，每間隔一定時間自動抓拍數控系統的主界面，對屏幕進行截圖，之后，按照預先定義好的模板對截圖進行劃分，分別獲取數控系統的每個具體子狀態，再按照模 板定 義的特征值( 顏色、英文、數字、漢字) 智能判斷其子狀態。圖3 為一個配置的模板中的一個子模板。
圖 3 運行狀態的配置模板
圖 3 中的配置模板設置好位置屬性后，就可獲取“開始”、“暫停”、“停止”的 3 個獨立小圖像，該數控系統這 3 個按鈕通過改變顏色來示意相關操作，因而，子模板對這 3 個的特征值為顏色屬性，通過獲取顏色屬性來智能推理其運行狀態; 另外 3 個 “水泵開”、“運絲開”、 ‘“高頻開”為漢字特征值，通過圖像矩或者特征值，再由支持向量機 ( SVM) 分類獲取狀態。
3 .監控服務器端設計
監控服務器端是整個智能監控系統的核心部分，起到中心樞紐作用。監控數據的收集存儲都在服務器端的數據庫中，后期的數據分析也由它完成。監控服務器端軟件系統主要由機床監控端管理、工藝數據分析、WEB 端監控、智能手機端服務、系統管理等五大部分組成，如圖 4 所示。機床監控端管理中的參數設置主要是配置數控系統的模板參數、硬件模塊參數等，可通過命令下發、加工狀態智能采集為下位機提供服務，將數據實時采集到服務端，數據存儲采用關系型數據庫進行，方便后期分析處理。工藝數據分析是遠程監控系統的一個核心功能，電加工的工藝參數優化在工程中占有很重要的位置，加工的優劣與工藝參數有很大關系，因而，其工藝數據統計、穩定性分析及其 狀 態 統 計 等 相 關 的 數 據 分 析 就 尤 為 重 要。WEB 端監控主要是為面向計算機遠程訪問監控系統的用戶提供服務，除了顯示報警等信息外，還能顯示相關統計報 表。智 能 手 機 端 服 務 主 要 是 提 供 相 關Webservice 服務，通過 HTTP 將查詢到的機床狀態、運行圖片等傳輸到智能手機終端上。系統管理完成控端軟件的配置設置、用戶權限等操作。
圖 4 監控服務器端軟件功能
4 .關鍵技術分析
4. 1 智能文字識別技術
由第 2. 2 節可知，模板匹配的關鍵是要對圖片中的文字進行智能識別。文中采用圖像矩技術識別英文、數字、漢字，其中漢字通過模板匹配后只識別有限的狀態。圖像矩既可以對圖像形狀信息進行全局特征的描述，也可以對其幾何特征信息進行描述。圖像矩的屬性與力學和統計學有類似之處，力學中的質量分布密度函數的零階、一階和二階矩分別對應于質心質量、矩心位置和慣量，而統計學中的概率密度函數的零階、一階和二階矩則分別表示其全概率、數學期望和方差。因而，當用二維密度分布表示一個圖像時，圖像的形狀信息，如圖像的總面積、矩心位置和方位等，可用對應的幾何矩函數來描述。用幾何矩函數標識的圖像特征信息可用來構造特征變量，可在圖像的平移、縮放和旋轉操作中保持不變性。
函數。因此，對于一幅具有有限尺寸的二維圖像，f( x，y) 在最差的情況下是分段連續的，因而其幾何矩必定唯一存在，也即通過所獲得的幾何矩系列就能唯一確定圖像信息。對于通過模板匹配后的文字辨識，只需要求其一定范圍內的矩系列就能獲取該圖像的核心信息。在此基礎上，文中的智能文字識別算法流程圖如圖 5 所示。
圖 5 智能文字識別算法流程圖
4. 2 智能手機監控技術
Android 4. 0 只提 供一個版本，同時支持智能手機、平板電腦、電視等設備。系統的操作界面和蜂巢系統風格類似，并且新的 UI 設計更加成熟。此系統的智能手機客戶端基于 Android 4. 0 進行開發，提升用戶的使用 體 驗，并 且 能 與 市 場 上 主 流 的 手 機 相兼容。
圖 6 描述了智能手機端軟件與監控服務器端的通信。智能手機端軟件主要包括用戶界面、數據接口和數據庫存儲 3 個子模塊。用戶界面子模塊包含狀態顯示、報警和邏輯控制等; 數據接口子模塊定期獲取中走絲線切割機床的各種狀態，之后將狀態數據存入智能手機本地的 SQLite 數據庫中; 用戶界面子模塊通過訪問本地 SQLite 數據庫，顯示各個機床的運行狀態。
圖 6 智能手機端軟件與監控服務器端通信方式
智能手機用戶界面子模塊定時調用數據接口子模塊的 get Rows ( ) 靜態方法，該方法通過調用遠程服務器端的 Web Service 服務，從而返回待查詢的數據表，解析對應的 XML 文件后存入 SQLite 數據庫。需要上方各種控制命令時，通過 Http Client 類實例執行HTTP 的 Get 方法，各種命令參數放入 Get 方法中，之后判斷 Http Response 類實例的狀態標識來作進一步處理。
5 .結束語
電加工機床的智能遠程監控目前還不多見，文中提出的中走絲線切割機床智能遠程監控系統為相關機床的監控提供了一種新 方法、新 思 路。系 統 通 過WEB 瀏覽器或者智能手機即可實現遠程對車間內多臺機床進行監控和維護，通過工藝智能分析系統還能對電加工的工藝參數進行分析，改善加工效率，提升加工穩定性。文中對系統的架構、關鍵部分和關鍵實現技術都進行了詳細的描述，機床智能遠程監控系統具有良好的應用前景，后期可將中走絲線切割機床的故障診斷加入其中，研究與之適配的智能診斷算法，進一步提升監控系統的工程應用能力。
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