唐 旎 郭隱彪 林曉輝 陳梅云

（廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建廈門 361005）

精密加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)研究*

唐 旎 郭隱彪 林曉輝 陳梅云

（廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建廈門 361005）

針對精密加工中對環(huán)境參數(shù)控制的要求以及監(jiān)控數(shù)據(jù)管理的需求，提出一種加工環(huán)境全局監(jiān)控系統(tǒng)，研究其支撐的數(shù)據(jù)庫開發(fā)。采用Windows系統(tǒng)環(huán)境支持下的SQL Server、Visual C++軟件進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)承載數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲與淘汰、環(huán)境狀況分析和及時報警等模塊功能，提高了診斷的準(zhǔn)確性，并針對精密非球面磨削數(shù)控加工，設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)實例。最后，通過系統(tǒng)測試驗證了其可行。

精密加工 監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫

在精密加工過程中，為了保證加工精度，對加工環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)測是一項非常關(guān)鍵的技術(shù)。它包括對狀態(tài)量（如振動、位移、壓力、溫度、濕度和流量等）的監(jiān)測，機(jī)械產(chǎn)生振動和損傷時的原因分析、振源判斷、故障預(yù)防等［1］。以精密磨削加工的環(huán)境監(jiān)測為例，需要監(jiān)測的對象通常包括外部環(huán)境溫度、磨削熱、砂輪與工件雙軸振動等［2－3］。目前專門針對精密加工環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的研究還不多，但隨著各種精密加工產(chǎn)品在航天、航空、國防以及民用等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，較大生產(chǎn)規(guī)模的精密加工必將越來越多。所以針對精密加工裝備提出的環(huán)境監(jiān)控技術(shù)的研究符合未來技術(shù)發(fā)展的趨勢［1］。本文針對精密加工的特點，設(shè)計一種加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對其支撐的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)。

基于Visual C++6.0與 SQL Server 2005的精密加工環(huán)境數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是把精密加工裝備各個設(shè)備的結(jié)構(gòu)信息、運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析和報警狀態(tài)等在SQL Server 2005支持下建成數(shù)據(jù)庫，并對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和統(tǒng)計，供工作人員查詢，或以報表形式輸出。

1 系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1 在線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，精密加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)分為兩層。底層是以節(jié)點監(jiān)控裝置為核心的現(xiàn)場監(jiān)控層;第2層是基于數(shù)據(jù)歸檔和分析的報警監(jiān)控層?，F(xiàn)場監(jiān)控層中，基于嵌入式ARM架構(gòu)的節(jié)點監(jiān)控裝置作為控制單元，將加工設(shè)備、加工空間和傳感器有機(jī)聯(lián)系在一起，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集、處理與上傳。報警監(jiān)控層中，主要包括歷史庫、診斷分析庫和報警庫3部分，實現(xiàn)監(jiān)控功能。兩層系統(tǒng)之間通過共享綜合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。

1.2 數(shù)據(jù)庫的總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，為綜合數(shù)據(jù)庫的總體結(jié)構(gòu)。在線監(jiān)控數(shù)據(jù)庫包括數(shù)控加工設(shè)備的靜態(tài)參數(shù)、工況參數(shù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫，其功能有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)冗余處理、數(shù)據(jù)查詢、圖形輸出、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控報警、資料修改和報表打印。

2 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

2.1 現(xiàn)場監(jiān)控層的硬件平臺

現(xiàn)場監(jiān)控層具有現(xiàn)場信號采集與處理、信號傳輸、串口通訊和無線通信等功能。如圖2所示，其核心單元是節(jié)點監(jiān)控裝置。具有多路信號采集模塊、無線通信模塊、串口通訊控制模塊及I/O接口，相對于傳統(tǒng)的集中式數(shù)控監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)點監(jiān)控裝置是整個監(jiān)控系統(tǒng)的一個節(jié)點，該裝置采用嵌入式ARM設(shè)計，裝置中的無線通訊模塊作為獨立模塊另有獨立的微處理單元（MCU），ARM通過串口與無線通訊模塊通訊，發(fā)送相應(yīng)命令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)通訊等操作。最后連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過串口與報警監(jiān)控層（PC機(jī)）建立通訊。

2.2 數(shù)據(jù)庫的軟件實現(xiàn)

基于Windows操作系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2005作為服務(wù)端，應(yīng)用程序采用Visual C++6.0開發(fā)。具體編程時使用ADO（ActiveX Data Object）將數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用程序聯(lián)接起來，見圖3所示。ADO是建立在OLE DB之上的高層數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，令應(yīng)用程序可以對存儲在不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一訪問，ADO記錄集支持無狀態(tài)環(huán)境和對存儲過程的簡便訪問，且易于使用，功能強、高速和低內(nèi)存開銷［4］。

數(shù)據(jù)庫功能模塊與工作流程如圖4所示，采用安全控制方式的賬號、密碼登錄訪問數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)賬號權(quán)限，獲得查詢在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)分析、報警數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)下載等不同的功能，以提高對精密加工環(huán)境的監(jiān)控能力。

3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫

靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如表1所示，存儲精密加工設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)庫表格式為字段名、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)屬性（表明該字段是否允許為NULL，以下同），ID作為表的關(guān)鍵字，識別某一條記錄。

表1 靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫表

3.2 加工系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫

精密加工參數(shù)信息儲存在加工系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫中，其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 加工系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫

3.3 實時數(shù)據(jù)庫、特征數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫

記錄各監(jiān)測信號的實時數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以ID和時間作為關(guān)鍵字。歷史數(shù)據(jù)庫是各實時數(shù)據(jù)經(jīng)篩選壓縮后保留下來的有用信息。特征數(shù)據(jù)是監(jiān)測信號經(jīng)信號分析（頻域分析、相關(guān)性分析、趨勢分析等）后的表明環(huán)境參數(shù)（如振動）實質(zhì)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。由于監(jiān)測信號較多，因此將實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和特征數(shù)據(jù)庫分為加工環(huán)境溫度、磨削溫度、振動、砂輪磨損、非球面表面誤差等數(shù)據(jù)庫表。以振動數(shù)據(jù)庫表為例，其他數(shù)據(jù)庫表類似，其結(jié)構(gòu)如表3。

表3 特征數(shù)據(jù)庫

3.4 報警記錄數(shù)據(jù)庫

在精密加工環(huán)境監(jiān)控過程中的報警信息，由報警記錄數(shù)據(jù)庫存儲與讀取，結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4 報警記錄數(shù)據(jù)庫

在報警模塊當(dāng)中，通過現(xiàn)場監(jiān)控層數(shù)據(jù)采集信號如機(jī)床振動、加工環(huán)境溫度和磨削溫度等進(jìn)行分析處理，提取特征值，與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)信號的特征值進(jìn)行比較，將它們之間的距離作為判別函數(shù)來識別精密加工環(huán)境所處的狀態(tài)，并在非達(dá)標(biāo)時進(jìn)行報警，如圖5所示。系統(tǒng)采用歐氏貼近度作為距離判別函數(shù)，表達(dá)式如下：

其中：Pi為采集信號的特征值（i=1，2，…n）;Qi為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的信號的特征值（i=1，2，…n）;N（P，Q）為P與Q的歐氏貼近度。

4 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫測試

針對精密非球面磨削加工，實現(xiàn)精密加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)并測試了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的運行。測試基于瑞士Magerle公司磨床（具體型號：MFP125.65.65）的磨削作業(yè)，根據(jù)加工設(shè)備故障診斷與加工誤差補償?shù)男枰?，對各環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。如表5所示，環(huán)境監(jiān)控對象包括振動、環(huán)境溫度和磨削溫度等。對數(shù)據(jù)庫的訪問控制測試包括現(xiàn)場監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集和報警監(jiān)控兩部分。主要測試各個子庫的數(shù)據(jù)訪問以及各個功能能否實現(xiàn)。

表5 環(huán)境監(jiān)控對象

測試表明對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫訪問和控制方便快捷，并且其采集通訊功能、數(shù)據(jù)存儲功能、查詢功能、監(jiān)控報警功能、系統(tǒng)管理功能均能夠完整實現(xiàn)，達(dá)到建置精密加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的目的和要求。

表6 處理后振動數(shù)據(jù)

以測試磨頭的振動－1監(jiān)測單元為例，經(jīng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)處理后獲得的振動數(shù)據(jù)如表6所示，分析認(rèn)為，表6中頻率為16 Hz的振動，其振源為轉(zhuǎn)速1 000 r/min的轉(zhuǎn)軸，考慮外圍可控振源因素的影響，振動頻率采集精度達(dá)到96%。圖6所示為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的參數(shù)監(jiān)控界面，根據(jù)不同的權(quán)限賦予可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、編輯及刪除等功能，并可進(jìn)行條件查詢。監(jiān)控狀態(tài)在安全限制內(nèi)，報警狀態(tài)顯示安全。其他監(jiān)控子庫的功能實現(xiàn)與振動監(jiān)控庫類似。

5 結(jié)語

本文論述了適用于精密加工裝備的加工環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、工作原理與功能組成，并針對精密非球面加工開發(fā)了監(jiān)控實例。通過測試，表明系統(tǒng)有效運行。該系統(tǒng)能夠?qū)芗庸きh(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)控，數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了對監(jiān)控數(shù)據(jù)的快捷訪問和科學(xué)管理。

［1］姜晨，郭隱彪，韓春光，等.精密加工環(huán)境分布式無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，49（5）：631－635.

［2］KWAK J S，HA M K.Intelligent diagnostic technique of machining state for grinding［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2004，23（3）：436－443.

［3］MARINESCU I D，HITCHINER M，UHLMANN E，et al.Handbook of machining with grinding wheels［M］.USA：CRC Press Taylor＆ Francis Group，2007.

［4］桂思強.數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)與實踐［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

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Study and develop on monitoring system database for precision manufacturing environment

TANG Ni，GUO Yinbiao，LIN Xiaohui，CHEN Meiyun
（Physics and Mechanical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，CHN）

This paper presents a monitoring and whole situation control system for machining process according to the characteristic of precision manufacturing，and studies on its system database development.In this paper，the database was established by adopting Visual C++and SQL Server supported based on Windows system.There are real time monitoring，data storage and elimination，environment conditions analysis，and timely alarm modules in this system，for improving the data management and accuracy of the system.Finally，an example of monitoring system for precision aspheric surface manufacturing was designed and verified by test.

Precision Machining;Monitoring System;Database

TP277

A

* 國家自然科學(xué)基金項目（51075343）

唐旎，女，1986年生，碩士研究生，主要研究方向為精密檢測，已發(fā)表論文2篇。

（編輯 李 靜）（

2011－08－31）

120111