中走丝线切割机床智能远程监控系统设计
2017-8-11 来源：郑州轻工业 中州工程技术 广东省重点实验 作者：明五一 沈娣丽 刘冬敏 张臻
摘要: 中走丝线切割机床是一种精密的特种加工机床，加工精度高，能加工各种特殊硬质材料，但是比常规加工方式耗时，因而对其进行实时的状态监控就很有必要。针对现有国内主流的中走丝数控系统，提出 2 种集成监控方式，并结合嵌入式技术、人工智能、网络及移动终端编程和数据库技术研究了中走丝机床智能远程监控系统。首先，对智能远程监控系统的总体框架进行了阐述; 其次，对智能远程监控系统的核心功能及其关键技术进行了详细的说明; 最后，对中走丝的2 种集成监控方式进行了重点说明，特别是基于人工智能技术的图像识别方法。所研究的中走丝线切割机床智能远程监控系统不仅能为机床加工人员提供方便，也能为机床维护人员解决机床故障提供支撑。
关键词: 中走丝线切割; 状态识别; 智能监控; 模糊识别
根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为三大类: 高速走丝线切割机床 ( 俗称快走丝，走丝速度 8 ～ 10 m/s) ，中走丝线切割机床 ( 俗称中走丝，粗加工时 8 ～ 12 m/s，精加工时 1 ～ 3 m/s) ，低走 丝 切 割 机 床 ( 慢 走 丝， 走 丝 速 度 低 于 0. 2m / s)。
快走丝机床是我国自创研发的，由于机床结构简单、性价比高、工艺效果好，被广泛应用于制造业中，并且自从 20 世纪被研发出来后，得到不断的发展与升级。
中走丝线切割机床是快走丝机床的一种升级换代产品，其加工精度高、表面质量好，能加工各种特殊硬质材料。但是电加工机床的加工时间比常规方式要耗时，因而对其进行实时状态的监控就很有必要。近年来，我国对数控机床监控问题理论上、实践上都做了很多研究性工作，同时也有一些原型的数控机床监控系统，但是对于特种加工机床，比如中走丝线切割机床的远程监控，还没有这方面的研究。由于电加工机床除了监控一些状态外，更为重要的是要积累电加工的工艺参数，因而，随着信息和网络技术的快速发展、智能手机的快速普及，有必要研究中走丝线切割机床的远程监控问题。中走丝线切割机床的智能远程监控系统正是在此背景下提出来的，该系统能对中走丝线切割机床的运行状态进行实时监测，同时也能自动收集加工中所使用的电参数。当机床发生故障时，能通过控制终端发送到服务器端，再通过 WEB 浏览器或者 Android 智能手机终端提醒相关人员，同时，监控系统会自动发出声光报警信号，并切断高频电路、运丝机构等电源，保障机床的安全运行。借助网络、智能手机，中走丝线切割机床的监控将更加实时，提升了机床的网络化制造能力。
1. 系统总体框架
整个系统的设计以计算机网络通信为基础，以中走丝线切割机床控制端为核心，完成中走丝电加工机床的运行状态、加工工艺参数、加工状态和加工图像等的远程监控。远程监控系统主要包括电加工机床的状态采集、状态分析与处理和机床运行状态显示三大部分。中走丝线切割机床的远程监控系统可在无人值守的情况下实现实时监测、数据传输、状态分析、拍照、报警、急停等功能，机床的加工人员及其维护人员在远程通过 WEB 浏览器或者智能手机在远程完成上述功能。中走丝线切割机床智能远程监控系统的总体框架如图 1 所示。
图 1 中走丝线切割机床智能远程监控系统总体框架图
中走丝线切割机床监控系统的构成主要有机床控制端、服务器端和远程端三部分，如图 1 所示，机床控制端分成 2 个子模块: 一个是机床控制端软件，它运行在机床控制平台上，鉴于目前主流的中走丝线切割机床的控制系统都采用 Windows 平台，因而机床控制端软件也是采用 VC 6. 0 开发，通过数据交换协议或者截图、模板匹配智能识别 2 种方式获取数控系统的主要运行状态和工艺参数; 另外一个机床控制端硬件部分，它采用 S3C44B0X 作为主控 CPU，通过各种外置接口 ( 以太网口、串口、GPIO 口等) 与摄像头、机床急停开关、照明灯、控制端软件以及监控服务器端软件相连接。
监控服务器端的一个核心功能是要实现机床运行状态的智能分析，其主要的数据来源就是机床控制端上传的各类数据，监控服务器端的数据存储采用关系数据库 SQL Server 2008，建立从用户表到智能终端表等各类系统需要的数据库表，监控服务器端程序也采用 VC 6. 0 开发。远程端也分为 2 个子模块: 一个为WEB 远程监控端，它采用 . Net 2005 工具开发; 智能手机监控端的 Android 程序采用 Java 语言开发。
2 .机床控制端设计
2. 1 硬件模块设计
机床 控 制 端 硬 件 模 块 的 主 核 心 采 用 基 于ARM7MDI 内核的 S3C44B0X，它是 ARM 公司最早为业界普遍认可并且赢得最广泛应用的处理。该处理器芯片最高工作频率为 66 MHz，采用 0. 25 μm 工艺的 CMOS 标准宏单元和存储编译器，具有 71 个通用的多功能输入输出引脚，能够实现机床控制端的各种外围操作。
图 2 机床控制端硬件原理图
机床控制端硬件原理图如图 2 所示。硬件通过光耦电路采集断丝、短路、高频和丝筒等信号，对于需要实时控制的报警、急停等外部操作，同样通过光耦电路，控制电磁继电器对这些机床外部电路进行切换，从而实现相关功能。拍照模块采用基于串口通信( RS232) 的 OV 200 万像素的摄像头，通信速率采用19 200 b / s，照片存储格式为标准 JPEG 格式，尺寸大小有多种模式可选，默认为 640 像素 × 480 像素大小，ARM 与拍照模块之间的数据按帧来传送，一共有 3 种帧结构: 命令帧、应答帧和数据帧。机床控制端硬件与机床控制端软件采用串口 ( RS232) 进行通信，采集中走丝数控系统中显示的各种加工状态、工艺参数等数据，机床控制端硬件与监控服务器端通信采用以太网通信方式，通信模式为点到点协议。控制端硬件的运行状态通过 LED 液晶屏显示，各种配置参数存入 E2PROM 芯片中。
2. 2 软件模块设计
机床控制端软件模块的主要目的是实现与中走丝机床数控系统的集成。鉴于现有机床情况，此项目采用 2 种集成方式: 一种是对于作者自己研发的数控系统，采用基于 TCP/IP 服务的集成方式，数控系统提供 Socket 服务，可以为机床控制端软件模块提供运行状态查询服务，相关的部分通信协议如表 1 所示。通过 Socket 相关命令的调用，机床控制端软件能获取到相关的字符串，各个状态之间用字符 “| ” 区别开来，按照预先设计好的协议进行解析，之后通过串口将状态转发到机床控制端硬件模块。
另外一种方式是处理与其他厂家研发的数控系统，软件模块采用截图、模板匹配智能识别方法来获取数控系统的运行状态。数控系统运行过程中，机床控制端软件模块在后台运行，每间隔一定时间自动抓拍数控系统的主界面，对屏幕进行截图，之后，按照预先定义好的模板对截图进行划分，分别获取数控系统的每个具体子状态，再按照模 板定 义的特征值( 颜色、英文、数字、汉字) 智能判断其子状态。图3 为一个配置的模板中的一个子模板。
图 3 运行状态的配置模板
图 3 中的配置模板设置好位置属性后，就可获取“开始”、“暂停”、“停止”的 3 个独立小图像，该数控系统这 3 个按钮通过改变颜色来示意相关操作，因而，子模板对这 3 个的特征值为颜色属性，通过获取颜色属性来智能推理其运行状态; 另外 3 个 “水泵开”、“运丝开”、 ‘“高频开”为汉字特征值，通过图像矩或者特征值，再由支持向量机 ( SVM) 分类获取状态。
3 .监控服务器端设计
监控服务器端是整个智能监控系统的核心部分，起到中心枢纽作用。监控数据的收集存储都在服务器端的数据库中，后期的数据分析也由它完成。监控服务器端软件系统主要由机床监控端管理、工艺数据分析、WEB 端监控、智能手机端服务、系统管理等五大部分组成，如图 4 所示。机床监控端管理中的参数设置主要是配置数控系统的模板参数、硬件模块参数等，可通过命令下发、加工状态智能采集为下位机提供服务，将数据实时采集到服务端，数据存储采用关系型数据库进行，方便后期分析处理。工艺数据分析是远程监控系统的一个核心功能，电加工的工艺参数优化在工程中占有很重要的位置，加工的优劣与工艺参数有很大关系，因而，其工艺数据统计、稳定性分析及其 状 态 统 计 等 相 关 的 数 据 分 析 就 尤 为 重 要。WEB 端监控主要是为面向计算机远程访问监控系统的用户提供服务，除了显示报警等信息外，还能显示相关统计报 表。智 能 手 机 端 服 务 主 要 是 提 供 相 关Webservice 服务，通过 HTTP 将查询到的机床状态、运行图片等传输到智能手机终端上。系统管理完成控端软件的配置设置、用户权限等操作。
图 4 监控服务器端软件功能
4 .关键技术分析
4. 1 智能文字识别技术
由第 2. 2 节可知，模板匹配的关键是要对图片中的文字进行智能识别。文中采用图像矩技术识别英文、数字、汉字，其中汉字通过模板匹配后只识别有限的状态。图像矩既可以对图像形状信息进行全局特征的描述，也可以对其几何特征信息进行描述。图像矩的属性与力学和统计学有类似之处，力学中的质量分布密度函数的零阶、一阶和二阶矩分别对应于质心质量、矩心位置和惯量，而统计学中的概率密度函数的零阶、一阶和二阶矩则分别表示其全概率、数学期望和方差。因而，当用二维密度分布表示一个图像时，图像的形状信息，如图像的总面积、矩心位置和方位等，可用对应的几何矩函数来描述。用几何矩函数标识的图像特征信息可用来构造特征变量，可在图像的平移、缩放和旋转操作中保持不变性。
函数。因此，对于一幅具有有限尺寸的二维图像，f( x，y) 在最差的情况下是分段连续的，因而其几何矩必定唯一存在，也即通过所获得的几何矩系列就能唯一确定图像信息。对于通过模板匹配后的文字辨识，只需要求其一定范围内的矩系列就能获取该图像的核心信息。在此基础上，文中的智能文字识别算法流程图如图 5 所示。
图 5 智能文字识别算法流程图
4. 2 智能手机监控技术
Android 4. 0 只提 供一个版本，同时支持智能手机、平板电脑、电视等设备。系统的操作界面和蜂巢系统风格类似，并且新的 UI 设计更加成熟。此系统的智能手机客户端基于 Android 4. 0 进行开发，提升用户的使用 体 验，并 且 能 与 市 场 上 主 流 的 手 机 相兼容。
图 6 描述了智能手机端软件与监控服务器端的通信。智能手机端软件主要包括用户界面、数据接口和数据库存储 3 个子模块。用户界面子模块包含状态显示、报警和逻辑控制等; 数据接口子模块定期获取中走丝线切割机床的各种状态，之后将状态数据存入智能手机本地的 SQLite 数据库中; 用户界面子模块通过访问本地 SQLite 数据库，显示各个机床的运行状态。
图 6 智能手机端软件与监控服务器端通信方式
智能手机用户界面子模块定时调用数据接口子模块的 get Rows ( ) 静态方法，该方法通过调用远程服务器端的 Web Service 服务，从而返回待查询的数据表，解析对应的 XML 文件后存入 SQLite 数据库。需要上方各种控制命令时，通过 Http Client 类实例执行HTTP 的 Get 方法，各种命令参数放入 Get 方法中，之后判断 Http Response 类实例的状态标识来作进一步处理。
5 .结束语
电加工机床的智能远程监控目前还不多见，文中提出的中走丝线切割机床智能远程监控系统为相关机床的监控提供了一种新 方法、新 思 路。系 统 通 过WEB 浏览器或者智能手机即可实现远程对车间内多台机床进行监控和维护，通过工艺智能分析系统还能对电加工的工艺参数进行分析，改善加工效率，提升加工稳定性。文中对系统的架构、关键部分和关键实现技术都进行了详细的描述，机床智能远程监控系统具有良好的应用前景，后期可将中走丝线切割机床的故障诊断加入其中，研究与之适配的智能诊断算法，进一步提升监控系统的工程应用能力。
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