張秋杰 申會明

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530026）

隨著《中國智能制造2025》提出，國內(nèi)各大制造廠商紛紛進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級，將中國工業(yè)發(fā)展由“制造”推向“智造”發(fā)展新高潮。作為智能制造單元核心設(shè)備之一的數(shù)控機(jī)床，其技術(shù)研發(fā)與利用直接影響制造業(yè)整體發(fā)展進(jìn)程。在傳統(tǒng)制造業(yè)智能化改造升級過程中，主要通過研究遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)智能制造單元智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化、信息化等要求。

國內(nèi)外經(jīng)過多年研究開發(fā)出多種樣式和功能的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，如美國Cimco DNC系統(tǒng)和日本FANUC DNC1/2系統(tǒng)等，國內(nèi)用戶在使用過程中代價昂貴，開放性集成化差；清華大學(xué)CIMS/ERC DNC系統(tǒng)采用專業(yè)通訊手段實現(xiàn)，技術(shù)門檻較高，通用性難以保障；鄭州大學(xué)FANUC_DNC系統(tǒng)實現(xiàn)加工過程中有限數(shù)據(jù)采集，功能單一且與其他設(shè)備系統(tǒng)集成度差。因此，在智能制造單元升級改造領(lǐng)域需要開發(fā)出功能完善、技術(shù)通用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

本文針對國內(nèi)市場占有率較高FANUC數(shù)控系統(tǒng)組成的智能制造單元為研究對象，采用Socket編程和多線程通信技術(shù)，基于.NET平臺搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序，通過以太網(wǎng)連接智能制造單元數(shù)控機(jī)床，實時讀寫FANUC通訊協(xié)議FOCAS 中動態(tài)鏈接庫相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)智能制造過程中多種設(shè)備間狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)調(diào)試、故障記錄診斷和生產(chǎn)效能管理等功能。

1 系統(tǒng)功能分析與模塊設(shè)計

1.1 功能需求分析

由多臺加工制造設(shè)備參與組成的智能制造單元結(jié)構(gòu)如圖1，加工運(yùn)行過程中實時產(chǎn)生大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括機(jī)床位移數(shù)據(jù)、工件幾何參數(shù)、刀具管理數(shù)據(jù)、加工工藝參數(shù)、料倉物料信息、機(jī)械手姿態(tài)信息、設(shè)備間交互邏輯指令等等。為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)智能制造單元智能化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化、信息化等要求，要求其具備：

圖1：智能制造單元硬件組成

（1）設(shè)備遠(yuǎn)距離管理與控制功能，監(jiān)控系統(tǒng)通常遠(yuǎn)離加工車間，在滿足安全通訊協(xié)議條件下集中管理并控制多臺制造設(shè)備。

（2）設(shè)備實時運(yùn)行監(jiān)測記錄功能，對加工制造過程中設(shè)備運(yùn)行重要數(shù)據(jù)信息實時記錄，在出現(xiàn)故障風(fēng)險后便于檢修參考。

（3）設(shè)備間必要控制調(diào)試功能，監(jiān)控系統(tǒng)可以針對簡單故障進(jìn)行排除或者輔助維護(hù)人員進(jìn)行故障及工藝聯(lián)調(diào)。

1.2 功能模塊設(shè)計

智能制造單元遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)全局監(jiān)控所有參與加工制造的各自動化設(shè)備，如圖2所示，系統(tǒng)主要由用戶管理、機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、機(jī)械手動作狀態(tài)監(jiān)控、料倉管理、故障記錄與診斷、設(shè)備參數(shù)調(diào)試、生產(chǎn)效能管理等模塊組成。

圖2：智能制造單元遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用戶管理模塊實現(xiàn)來賓與專業(yè)維修人員模式切換，保護(hù)關(guān)鍵性參數(shù)數(shù)據(jù)不易被誤操作修改。機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊經(jīng)通訊配置后，實現(xiàn)制造單元內(nèi)所有參與加工機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，是系統(tǒng)核心功能模塊之一。機(jī)械手動作狀態(tài)監(jiān)控模塊實現(xiàn)機(jī)械手邏輯指令動作監(jiān)控，確保與機(jī)床共同順利完成加工循環(huán)。料倉管理模塊可以實時顯示物料儲備情況。故障記錄與診斷模塊對機(jī)床故障報警進(jìn)行分類記錄，并通過查詢PMC中相關(guān)參數(shù)（G信號、F信號、X信號、Y信號、A信號）進(jìn)行故障診斷。生產(chǎn)效能管理模塊直觀反映所有設(shè)備利用率、工件加工效率，便于安排調(diào)整生產(chǎn)進(jìn)度。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

智能制造單元遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)基于Windows 操作系統(tǒng)平臺進(jìn)行開發(fā)，利用C#開發(fā)工具面向?qū)ο笤O(shè)計系統(tǒng)各部分功能，系統(tǒng)監(jiān)控主界面如圖3所示，可以直觀的反映主要設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)，可操作性強(qiáng)，在TCP/IP協(xié)議下較穩(wěn)定的與數(shù)控機(jī)床和其他設(shè)備建立連接。

圖3：智能制造單元遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主界面

2.1 機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)

機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能是智能制造單元遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能之一，在設(shè)備管理中首先根據(jù)制造單元設(shè)置機(jī)床的基本信息，如機(jī)床的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址、設(shè)備通訊端口等，才能在隨后打開系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接。

機(jī)床側(cè)的連接設(shè)置如圖4所示，在主面板如圖按system鍵，進(jìn)入系統(tǒng)界面，按右翻頁切換鍵，切換到公共選項，按公共輔助按鍵跳轉(zhuǎn)至設(shè)置IP界面（圖4-1），設(shè)置IP與計算機(jī)同網(wǎng)段192.168.0.224，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。按FOCAS2按鈕，跳轉(zhuǎn)至設(shè)置端口號和超時時間界面（圖4-2）。設(shè)置端口號為8193和時間之后，重啟設(shè)備。注意，設(shè)備有效是在內(nèi)置板模式下，如果顯示為PCMIA模式，需要按操作按鈕切換至內(nèi)置板模式下。

圖4 -1：機(jī)床IP設(shè)置頁面

圖4 -2：機(jī)床端口設(shè)置頁面

監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)在TCP/IP協(xié)議下與機(jī)床進(jìn)行通訊連接，讀寫FOCAS動態(tài)鏈接庫fwlib32.dll中函數(shù)返回值實現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，其中FOCAS是FANUC提供給用戶的一組針對 CNC 系統(tǒng)的API 函數(shù)。下面以與機(jī)床建立連接并讀取設(shè)備坐標(biāo)值為例說明功能實現(xiàn)具體過程。

如圖5所示，cnc_allclibhndl3.lib為機(jī)床連接函數(shù)，在系統(tǒng)配置頁面將參與加工制造設(shè)備IP地址、端口號及超時時間數(shù)據(jù)設(shè)定后，點(diǎn)擊連接設(shè)備。系統(tǒng)調(diào)用連接函數(shù)，讀取返回值EW_OK，當(dāng)返回值為0時，代表設(shè)備連接成功?？梢灾苯油ㄟ^cnc_rdposition函數(shù)讀取相應(yīng)設(shè)備機(jī)械坐標(biāo)、絕對坐標(biāo)、相對坐標(biāo)和剩余坐標(biāo)值并顯示到監(jiān)控系統(tǒng)頁面。當(dāng)返回值不為0時，將記錄返回值并報錯提醒。部分程序代碼及注釋如下：

圖5：系統(tǒng)連接機(jī)床CNC讀取坐標(biāo)值流程

string ip = txtIp.Text;//定義系統(tǒng)界面用戶輸入設(shè)備IP地址；

string port = txtPort.Text;//定義系統(tǒng)界面用戶輸入設(shè)備端口號；

string timeout = txtTimeOut.Text;//定義系統(tǒng)界面用戶輸入通訊超時量；

int ret =Fanuc.cnc_allclibhndl3(ip,Convert.ToUInt16(port),Convert.ToInt32(timeout),out Fanuc.h);//傳入用戶參數(shù)調(diào)用連接函數(shù)并定義返回值；

Fanuc.ODBPOS fos = new ；Focas1.ODBPOS();//定義坐標(biāo)讀取函數(shù)返回數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

short num = Fanuc.8;//設(shè)置軸數(shù)；

short type = -1;//設(shè)置連接句柄；

short ret = Fanuc.cnc_rdposition(Fanuc.h,type,ref num,fos);//定義坐標(biāo)讀取函數(shù)返回值；

double MachX;//定義機(jī)床X軸坐標(biāo)；

MachX= fos.p1.mach.data * Math.Pow(10,-fos.p1.mach.dec);//讀取并計算機(jī)床X軸坐標(biāo)值；

labelX.Text = MachX.ToString("#0.000");//系統(tǒng)界面顯示坐標(biāo)值；

2.2 多軸移動機(jī)器人與自動化料倉監(jiān)控實現(xiàn)

多軸移動機(jī)器人與自動化料倉是智能制造單元的重要組成部分，多軸機(jī)器人主要負(fù)責(zé)完成機(jī)床加工工件成上下料動作（取下加工后成品件換上毛坯件），自動化料倉主要完成取料點(diǎn)自動供毛坯件和放料點(diǎn)存放回收成品件。智能制造單元在實際加工時，各自由相應(yīng)控制器完成設(shè)備控制指令動作，其中多軸移動機(jī)器人由其運(yùn)動控制器所控，自動化料倉由可編程邏輯控制器（PLC）所控。運(yùn)行過程中關(guān)鍵指令/信號點(diǎn)如表1所示。

表1：智能制造單元部分關(guān)鍵信號

智能制造單元監(jiān)控系統(tǒng)為完成整個加工制造過程監(jiān)控，需要規(guī)劃好對應(yīng)機(jī)床、移動機(jī)器人、自動化料倉之間信號標(biāo)志，通過讀寫相應(yīng)關(guān)鍵信號完成狀態(tài)監(jiān)控并實時顯示到系統(tǒng)界面。如圖6所示，設(shè)備開啟后，多軸機(jī)械手移動至料倉取料點(diǎn)，等待料倉發(fā)出的取料點(diǎn)有毛坯信號In（22），抓取毛坯件后移動至機(jī)床艙門前換料點(diǎn)等待，收到機(jī)床換料指令信號In（8）和機(jī)床艙門打開信號In（12）后進(jìn)入機(jī)床，多軸機(jī)械手在機(jī)床內(nèi)上下料過程中向機(jī)床發(fā)送換料標(biāo)志位信號Out(8)，確保機(jī)床處于停止加工狀態(tài)，上下料動作完成要根據(jù)相應(yīng)卡盤夾緊松開動作到位信號In（9/10）判斷是否換料完成，多軸機(jī)械手取下加工成品工件完成下料動作，換上毛坯件完成上料動作，多軸機(jī)械手退出機(jī)床至換料點(diǎn)，并復(fù)位換料標(biāo)志位信號向機(jī)床發(fā)送換料完成指令，機(jī)床關(guān)閉艙門開始繼續(xù)加工下一件毛坯件，多軸機(jī)械手移動至料倉放料點(diǎn)放下成品工件并返回第一步開始新的循環(huán)。

圖6：多軸機(jī)械手上下料流程

2.3 設(shè)備參數(shù)調(diào)試功能實現(xiàn)

智能制造單元運(yùn)行過程中信號交互主要發(fā)生在數(shù)控系統(tǒng)（CNC）、PMC、多軸機(jī)械手、自動化料倉之間。所有設(shè)備均有各自運(yùn)行調(diào)試參數(shù)且種類繁雜，智能制造單元監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)集中管理，方便維護(hù)調(diào)試及故障處理。

系統(tǒng)中指定參數(shù)X為機(jī)床到PMC端輸入信號（機(jī)床面板按鈕與各開關(guān)傳感器信號，如機(jī)床面板模式選擇、急停按鍵信號），指定參數(shù)F為CNC到PMC輸入信號（可以表明CNC運(yùn)行狀態(tài)的信號，如機(jī)床主軸使能信號），指定參數(shù)Y為PMC到機(jī)床輸出信號（物理接線控制的一些指示燈、繼電器等，如機(jī)床面板按鍵執(zhí)行后的反饋指示燈信號）。

以實現(xiàn)機(jī)床遠(yuǎn)程控制的模式選擇參數(shù)調(diào)試為例簡述其實現(xiàn)過程，如圖7所示，輸入模式選擇參數(shù)地址X0010，調(diào)用函數(shù)IODBPMC0函數(shù)將輸入?yún)?shù)地址進(jìn)行屬性定義（包括地址類型、起止長度等），再輸入需要調(diào)試的參數(shù)值，調(diào)用pmc_wrpmcrng函數(shù)將參數(shù)調(diào)試值傳入，通過讀取返回值是否為0判斷參數(shù)調(diào)試結(jié)果，返回值不為0將提示參數(shù)修改失敗并報錯。

圖7：模式選擇參數(shù)調(diào)試流程

3 工程驗證

智能制造單元遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行前配置數(shù)控機(jī)床端、多軸機(jī)械手、自動化料倉通訊參數(shù)及相應(yīng)I/O信號。其中數(shù)控機(jī)床主要通過內(nèi)嵌以太網(wǎng)卡中IP地址、子網(wǎng)掩碼、路由器地址、端口編號（TCP）、時間間隔（超時量）等參數(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)建立連接。隨后依次開啟數(shù)控機(jī)床循環(huán)啟動、自動化料倉循環(huán)啟動、多軸機(jī)械手循環(huán)啟動，監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控制造過程中各設(shè)備狀態(tài)且運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

針對多設(shè)備組成的智能制造單元特點(diǎn)，設(shè)計智能制造單元遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)智能制造過程中狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)調(diào)試、故障記錄診斷和生產(chǎn)效能管理等功能。工程驗證用所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定實時可靠運(yùn)行，該研究為制造業(yè)智能化改造升級提供一種新解決思路。