CN1556446A - 一种用电子化技术改造传统数控设备的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种用电子化技术改造传统数控设备的实现方法，通过在数控设备前端建立一个Web服务器，并采用Java技术在该服务器上集成一系列与硬件、制造过程、工况以及质量控制等相关的应用服务，进而使得e－化后的设备能在制造任务排队与调度、工序动态质量控制、工况监视、制造过程可视化和制造协同等方面提供服务，最终形成一个I/P/O(输入/中间过程/输出)透明且具有网络兼容能力的数字化、网络化、可视化的新型加工服务设备，从而为制造透明及“数字化精确生产”奠定基础。本发明从制造最底层即数控设备着手，提出了一种用“e－技术”改造现有数控设备的新方法。

Description

一种用电子化技术改造传统数控设备的实现方法

技术领域

本发明涉及一种用电子化技术改造传统数控设备的实现方法。

背景技术

在当前传统制造系统向电子化制造系统的转型过程中，针对制造系统的基本执行单元即制造设备的改造，国内外学术界和工业界进行了广泛的研究，并提出了以下解决方案：1)开发全新的制造设备，使之具有模块化、自治化及可访问化等特点，并能通过简单的挂接与剥离直接配置到联接制造单元的工业实时以太网上、且兼容TCP/IP通讯协议，从而使之成为可重配置的新型加工服务设备；2)对现有制造设备进行“改造”，利用现有硬件(如传感器、数据采集卡等)与软件技术使之具有上述功能；采用第一种方案可彻底地改变制造系统的现状，加速传统制造系统向电子化制造系统的转型。事实上，构造这种设备模型的基础技术正在研发中，如德国Jetta公司的产品JetControl、JetNode、JetWeb等。但是在我国，采用第一种方案不符合我国国情，首先开发和生产全新的网络化软硬件必须具备充足的人力、物力、财力以及技术支撑，企业为此需耗费巨资，其次会造成大量的传统软、硬件资源的闲置。第二种方案作为一种过渡方案，已经得到一定的研究和应用，如美国加州大学的伯克利分校集成制造实验室承担的CyberCut项目，主要目标是开发能在Internet上快速进行产品设计和制造的网络化分散制造基础环境和服务。针对传统的CNC加工设备的网络化集成问题，其采用Agent技术实现了对CNC设备的封装机制和网络化接口。在国内，利用多Agent技术实现对传统制造车间的重构和制造设备的封装的研究和实践也正在进行，典型的有华中科技大学利用多Agent技术对网络化制造系统的构建和传统数控设备的封装和网络化集成进行了原理上的例证并提供了实现框架。第二种方法研究侧重于如何基于网络接口对CNC设备进行控制，然而就目前而言，这种方案在我国的实用性较差。由于生产是制造企业最重要的依托，产品的制造信息只有实时地直接从生产设备反馈上来，企业才能把握制造瞬间的动态规律，以实现“数字化精确生产”。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使加工设备具有服务化、模块化、自治化和可访问化的特点，最终形成一个由“Web-Service”服务节点组成的、并能够通过简单的挂接与剥离直接配置、联接到工业实时以太网上、且兼容TCP/IP通讯协议的可重配置的用电子化技术改造传统数控设备的实现方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：1)通过集成器hub将数控设备前端的控制计算机相连组成一个制造单元，并在数控设备前端安置传感器和数据采集卡及第三方数据采集硬件；2)所说的控制数控设备的前端计算机上安装有相应的Web服务器，并在数控设备前端的计算机上配置包含有队列服务模块A、质量控制服务模块B、工况监视服务模块C、可视化服务模块D和协同服务模块E的数控设备e-服务软件；3)管辖制造数控设备所在的制造单元通过Web服务器将本单元内的每台数控设备需要加工的队列服务信息下达给各数控设备的队列服务模块A；4)传感器将数控设备加工现场采集到的生产信息转化为模拟信号，通过数据采集卡将模拟信号转化为数据信号；5)根据步骤4)采集到的信息数据，质量控制服务模块B、工况监视服务模块C并行地对所采集的数据进行处理，将处理结果实时发布到Web服务器上，直到完成该设备上的所有任务队列。

本发明的第三方数据采集硬件电脑眼或摄像头还可安置在数控设备的前端，电脑眼或摄像头直接采集现场音视频信息，通过数控设备e-服务软件中的可视化服务模块D将现场音视频信息用JAVA语言中的JMF将现场音视频信息直接发布到Web服务器上；数控设备e-服务软件中还包括协同服务模块E，通过JAVA语言中的SOCKET、JMF、APPLET、SERVLET、并基于TCP/IP协议使得分布在不同制造场所的操作人员可以同他们所在的制造单元负责人进行基于Web的文本、音频、视频和工程图纸的实时交流；队列服务模块A是使投放于制造单元的任务首先基于遗传算法产生一个调度结果，为组成该制造单元的每个设备发送初始任务队列；当任务在设备上加工时，制造单元的调度系统与每个设备之间建立一个通信线程，每个设备根据任务的执行状况利用各自的队列服务线程同制造单元实时协调，一旦某个设备上的队列在执行时出现异常，制造单元立即进行处理，并将新的结果传送给各个设备队列服务模块；同样地，当投放于制造单元的制造任务发生变化时，把新的队列队列信息传送给各个设备队列服务模块A，重复以上步骤，直至制造任务的完成；质量控制服务模块B首先对当前工件的加工参数进行初始化，然后选择当前生产模式并读取在传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其生产质量数据信号；基于不同的生产模式分别进行数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工序是否处于正常状态，如异常立即采取措施调节加工参数，使工序质量符和加工要求；重复以上步骤，直至制造任务的完成；工况监视服务模块C首先对当前工况的监视参数进行初始化，读取传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其数据信号；对采集的数据进行基于统计知识的数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工况是否处于正常状态，如异常立即调节加工参数，使工况状态稳定，重复以上步骤，直至制造任务完成；可视化服务模块D并行地将电脑眼或摄像头捕获的音视频信息、工序制造状态信息、工况信息、制造状态信息并反映到web上，重复以上步骤，直至制造任务完成；协同服务模块E首先对参与协同的每个用户启动协同环境，然后对每一个用户建一个相应的Socket通信线程，在协同期间可以并行地进行文本交互、视频交互、公用白板和工程图纸浏览，当协同结束后关闭Socket通信线程。

由于本发明从制造企业底层的制造设备入手，在设备级上进行相关的“e-技术”化改造，把设备在实际生产过程中所产生的动态数据实时反映到Web上，使加工设备具有服务化、模块化、自治化和可访问化等特点，最终形成一个由“Web-Service”服务节点组成的、并能够通过简单的挂接与剥离直接配置到联接e-制造系统的工业实时以太网上、且兼容TCP/IP通讯协议的可重配置的新型加工服务设备，为实现在电子化制造模式下的“制造单元动态重组”、“数字化精确生产”奠定基础。本发明的“e-技术”主要指基于Web的电子化、数字化、服务化、在线化及协同技术。

附图说明

图1是本发明e-服务软件的整体结构框图；

图2是本发明e-服务软件中队列服务模块A的程序流程图；

图3是本发明e-服务软件中质量控制服务模块B的程序流程图；

图4是本发明e-服务软件中工况监视服务模块C的程序流程图；

图5是本发明e-服务软件中可视化服务模块D的程序流程图；

图6是本发明e-服务软件中协同服务模块E的程序流程图；

图7是本发明e-服务软件的工作流程。

发明内容

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明通过集成器hub将数控设备前端的控制计算机相连组成一个制造单元，并在数控设备前端安置传感器、数据采集卡和电脑眼或摄像头及第三方数据采集硬件，在控制数控设备的前端计算机上安装实现e-化应用服务功能的Web服务器，Web服务器为e-化软件的运行提供支撑环境，特别是满足客户端和服务器端的Applet与Servlet程序之间的通信，并在数控设备前端的计算机上配置包含有保证生产正确执行和按时完成的队列服务模块A、保证产品最终质量的质量控制服务模块B、保证制造系统的稳定性和可靠性的工况监视服务模块C、将与制造过程的状态信息、视频信息反映到Web上的可视化服务模块D和为不同类型用户间的协同提供环境支持的协同服务模块E的数控设备e-服务软件；通过对数控设备前端建立一个Web服务器，在该服务器上集成一系列应用服务，如对相应硬件(电脑眼或摄像机、数据采集卡)的软封装、与制造过程和质量控制相关的应用服务，进而使得e-化后的数控设备能在制造任务排队与调度、工序动态质量控制、设备工况监视、制造过程可视化和制造协同方面提供服务，最终形成一个具有更高生产效率、灵活可靠、I/O透明且具有网络兼容能力的数字化、网络化、可视化的新型制造设备。

本发明实现了在先进制造模式下对制造执行系统最基本的加工单元——数控设备上开发与制造设备队列服务相关的应用服务、与加工现场的工序质量控制相关的应用服务、与加工现场工况监视相关的应用服务、与制造信息可视化相关的应用服务以及在制造过程中协同相关的应用服务，对于每一个经过这样“e-技术化”改造后的数控设备通过一个集线器(Hub)对其进行联接就可以灵活的组成制造单元(即现实社会中的生产车间)；同样地，对这些制造单元进行组合就可以形成制造系统(对应于现实社会的生产企业)，对于这样的一个制造系统，我们可以利用信息技术并结合本发明所提供的应用服务从生产调度、质量控制、工况监视、制造可视化、制造协同多方面、多层次地对制造过程的信息流进行控制，为实现“数字化精确生产”奠定基础。

参见图2，本发明的队列服务模块A是保证生产能够正确执行和按时完成的重要因素，使投放于制造单元的任务首先基于遗传算法产生一个调度结果，为组成该制造单元的每个设备发送初始任务队列；当任务在设备上加工时，制造单元的调度系统与每个设备之间建立一个通信线程，每个设备根据任务的执行状况利用各自的队列服务线程同制造单元实时协调，一旦某个设备上的队列在执行时出现异常，制造单元立即进行处理，并将新的结果传送给各个设备队列服务模块；同样地，当投放于制造单元的制造任务发生变化时，把新的队列信息传送给各个设备队列服务模块A，重复以上步骤，直至制造任务的完成，从而全方位保证投放于整个制造单元的任务能被安全、高效、可靠地完成。

参见图3，产品质量控制不仅是企业赖以生存和发展的基础，更体现了先进制造模式在生产上的要求。在制造环境中，存在着诸多影响质量的因素，其中加工过程的质量保证是控制产品质量的最重要的环节。本发明的质量控制服务模块B首先对当前工件的加工参数进行初始化，然后选择当前生产模式并读取在传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其生产质量数据信号；基于不同的生产模式分别进行数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工序是否处于正常状态，如异常立即采取措施调节加工参数，使工序质量符和加工要求；重复以上步骤，直至制造任务的完成。质量控制服务模块B以工序为研究对象，在线地对当前工序的制造质量进行监测，采用数理统计方法对现场采集的数据进行分析，判断当前工序是否稳定，发现异常立即采取措施保证工序的质量要求。

本发明主要研究两种生产模式的质量控制方法，即大批量生产模式和多品种、小批量生产模式。在大批量生产模式下，由于样本容量大且加工质量特性具有相同的分布情况，对其控制相对简单，本发明通过建立相应的X-R控制图和X-S控制图对工序质量进行控制。多品种、小批量意味着产品数量少，即数据少，而控制图方法是统计方法，需要大量的数据，这就是多品种、小批量产品质量控制的难点。本发明采用目前在这方面比较有成效的P.J.Harrison、余忠华等人提出的基于贝叶斯预测理论的动态质量控制方法来实现。

参见图4，在机械制造过程中，工况状态监视与控制的目的是保证制造系统的稳定性和可靠性，以提高产品质量及生产率。本发明的工况监视服务模块C首先对当前工况的监视参数进行初始化，读取传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其数据信号；对采集的数据进行基于统计知识的数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工况是否处于正常状态，如异常立即调节加工参数，使工况状态稳定，重复以上步骤，直至制造任务完成。下面以切削过程中刀具的磨损为例来说明对工况异常的处理。切削过程中刀具的磨损使切削力发生变化，势必影响到刀杆系统振动参数的变化，振动信号是一种信息载体，其突出优点是频响范围宽，但是由传感器检测到的原始信号是随机的，需要通过特征分析找出能够反映刀具磨损状态变化的特征量才能进行下一步分析。在模式空间里，同类模式都具有聚类性，但不同的特征量所构成的模式空间的聚类可分性并不相同。时域分析中能用于表达工况状态的特征量很多，通过对这些特征量进行研究表明：正常磨损阶段的一步自相关函数和样本方差近似服从正态分布。根据数理统计理论，当待检模式满足以下条件

$\frac{{\mathrm{\σ}}_x^2}{{\stackrel{-}{\mathrm{\σ}}}_x^2}\≥1.96$ 和 $\frac{|{\mathrm{\ρ}}_1-{\stackrel{-}{\mathrm{\ρ}}}_1|}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ρ}1}}\≥1.96$

其中： ${\stackrel{-}{\mathrm{\σ}}}_x^2=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xi}}^2,$ ${\stackrel{-}{\mathrm{\ρ}}}_1=\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{1i}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ρ}1}=\sqrt{\frac{1}{k}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\ρ}}_{1i}-{\stackrel{-}{\mathrm{\ρ}}}_1)}^2}$

k-自学习次数；时，该模式相对于正常磨损状态所对应的模式发生显著变化，即刀具处于异常(急剧磨损或破损)状态。

参见图5，本发明的可视化服务模块D并行的将电脑眼或摄像头捕获的音视频信息、工序制造状态信息、工况信息、制造状态信息并反映到web上，重复以上步骤，直至制造任务完成。可视化服务模块D对制造现场进行监视主要用于让不同的角色即时了解产品的加工进度、加工状态，使制造过程对制造商、客户、供应商透明，为客户和供应商进一步参与制造过程提供支持。

参见图6，本发明的协同服务模块E首先对参与协同的每个用户启动协同环境，然后对每一个用户建一个相应的Socket通信线程，在协同期间可以并行的进行文本交互、视频交互、公用白板和工程图纸浏览，当协同结束后关闭Socket通信线程。协同服务模块E的主要目的是为在不同类型的用户间的协调通信架起一座桥梁。在调度过程中，设备管理员需要和e-制造单元调度员进行实时通讯，及时反映任务执行状况、设备异常状况等，以使生产能按时完成；在任务执行过程中，若出现工艺问题，能及时和制造工程师协调处理，把危害减少到最小；当客户参与制造过程时，能够和客户进行在线通讯，使制造结果最大限度地满足客户的需求。

在制造过程中会产生大量的各种类型的数据，为了便于直观的监测制造过程，需要对不同的数据进行处理，在设备级上对数据的处理包括以下三个方面：

(1)数据格式的定义：由于制造过程数据的多样性，这就使得必须对各种数据进行定义，使其成为有用的信息，方可为可视化服务提供基础数据。如在制造队列数据中，把每个工序信息定义为如[i，j，ID，ST，t]的数据格式，其含义为任务i的第j道工序加工起始时间为ST，加工时间为t个时间单位，ID为该任务在e-制造系统中的关联信息；

(2)任务队列的可视化：把队列服务线程每次得到调度的数据信息借助计算机语言以调度甘特图的形式体现，并以动画的方式模拟制造队列；

(3)制造状态及行为数据的动态显示：如根据设备当前的制造状态，显示NC加工指令、当前工序剩余时间、任务质量控制信息等；

本发明的e-服务软件模型采用基于Java方案的“浏览器/服务器/数据库”三层结构，由于设备e-化数据处理结果的多样性(如设备队列的图形化处理等)、通讯的实时性、并发性等，故各应用服务间采用Applet-Servlet(简称A-S)进行通信，该方案具有以下特点：

1)A-S对中的Applet由Java使能的Web浏览器下载并启动；

2)与现行基于Web的技术相比(如JSP，ASP.net)，在A-S中分别创建通信线程，可以大大提高客户端与服务器端的通信效率，同时在各个应用服务中采用多线程机制通信，可以更好的保证通信的实时性和并发性；

3)在A-S对中，可以不受浏览器功能的限制，充分发挥Java语言的优势，如使用Java2D进行数据的图形化处理；

4)在A-S对中，Applet完成客户端计算，Servlet完成服务器端计算，以减轻服务器负荷，同时由Servlet操作数据库和捕获音、视频信息。

参见图7，用户在统一的Web浏览器界面的控制下，进入数控设备的e-服务软件，针对目前设备上的以“工序”为基础的制造活动，通过启动相应的应用服务并行地将该工序的制造动态信息、工序动态质量控制信息、工况信息(如刀具磨损信息)、制造现场视频信息等反映到Web上并存入到企业动态数据库中，一旦发现异常立即采取措施或报警，从而使得传统的数控设备成为具有“输入\中间状态\输出”透明特性的新型设备，为制造透明及“数字化精确生产”奠定基础。其工作流程是：首先使投放于制造单元的任务基于遗传算法产生一个调度结果，通过web服务器为组成该制造单元的每个设备发送初始任务队列，同时根据任务的生产类型设定质量控制参数和设备监视参数，任务在设备上加工时，队列服务模块A、质量控制服务模块B、工况监视服务模块C、可视化服务模块D和协同服务模块E并行的工作，其中(1)队列服务模块A为每个设备与制造单元之间建立一个通信线程，每个设备根据任务的执行状况利用各自的队列服务线程同制造单元实时协调，一旦某个设备上的队列在执行时出现异常，制造单元立即进行处理，并将新的结果传送给各个设备队列服务模块，同样地，当投放于制造单元的制造任务发生变化时，把新的队列信息传送给各个设备队列服务模块A；(2)质量控制服务模块B对当前工件的加工参数进行初始化，实时读取在传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其生产质量数据信号；基于不同的生产模式分别进行数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工序是否处于正常状态，如异常立即采取措施调节加工参数，使工序质量符和加工要求；(3)工况监视服务模块C根据监视参数的设定值，实时读取传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其数据信号；对采集的数据进行基于统计知识的数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工况是否处于正常状态，如异常立即调节加工参数，使工况状态稳定；(4)可视化服务模块D将实时从电脑眼或摄像头捕获到的音视频信息、工序制造状态信息、工况信息、制造状态信息反映到web上；(5)协同服务模块E首先对参与协同的每个用户启动协同环境，然后对每一个用户建一个相应的Socket通信线程，在协同期间可以并行的进行文本交互、视频交互、公用白板和工程图纸浏览；重复执行以上5个服务，直至制造任务的完成，从而全方位保证投放于整个制造单元的任务能被安全、高效、可靠地完成。

本发明的e-服务软件是基于Java平台的解决方案。这使得系统继承了Java“一次编译，到处运行”的特点。系统的服务器端程序以Servlet的形式出现。它随着Web服务器的启动而启动。

Claims (8)

1、一种电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：

1)通过集成器hub将数控设备前端的控制计算机相连组成一个制造单元，并在数控设备前端安置传感器和数据采集卡及第三方数据采集硬件；

2)所说的控制数控设备的前端计算机上安装有相应的Web服务器，并在数控设备前端的计算机上配置包含有队列服务模块A、质量控制服务模块B、工况监视服务模块C、可视化服务模块D和协同服务模块E的数控设备e-服务软件；

3)管辖制造数控设备所在的制造单元通过Web服务器将本单元内的每台数控设备需要加工的队列服务信息下达给各数控设备的队列服务模块A；

4)传感器将数控设备加工现场采集到的生产信息转化为模拟信号，通过数据采集卡将模拟信号转化为数据信号；

5)根据步骤4)采集到的信息数据，质量控制服务模块B、工况监视服务模块C并行地对所采集的数据进行处理，将处理结果实时发布到Web服务器上，直到完成该设备上的所有任务队列。

2、根据权利要求1所述的电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：所说的第三方数据采集硬件电脑眼或摄像头还可安置在数控设备的前端，电脑眼或摄像头直接采集现场音视频信息，通过数控设备e-服务软件中的可视化服务模块D将现场音视频信息用JAVA语言中的JMF将现场音视频信息直接发布到Web服务器上。

3、根据权利要求1所述的电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：所说的数控设备e-服务软件中还包括协同服务模块E，通过JAVA语言中的SOCKET、JMF、APPLET、SERVLET、并基于TCP/IP协议使得分布在不同制造场所的操作人员可以同他们所在的制造单元负责人进行基于Web的文本、音频、视频和工程图纸的实时交流。

4、根据权利要求1所述的电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：所说的队列服务模块A是使投放于制造单元的任务首先基于遗传算法产生一个调度结果，为组成该制造单元的每个设备发送初始任务队列；当任务在设备上加工时，制造单元的调度系统与每个设备之间建立一个通信线程，每个设备根据任务的执行状况利用各自的队列服务线程同制造单元实时协调，一旦某个设备上的队列在执行时出现异常，制造单元立即进行处理，并将新的结果传送给各个设备队列服务模块；同样地，当投放于制造单元的制造任务发生变化时，把新的队列队列信息传送给各个设备队列服务模块A，重复以上步骤，直至制造任务的完成。

5、根据权利要求1所述的电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：所说的质量控制服务模块B首先对当前工件的加工参数进行初始化，然后选择当前生产模式并读取在传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其生产质量数据信号；基于不同的生产模式分别进行数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工序是否处于正常状态，如异常立即采取措施调节加工参数，使工序质量符和加工要求；重复以上步骤，直至制造任务的完成。

6、根据权利要求1所述的电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：所说的工况监视服务模块C首先对当前工况的监视参数进行初始化，读取传感器上的模拟信号并通过数据采集卡得到其数据信号；对采集的数据进行基于统计知识的数据分析并绘制控制图，根据分析结果判定当前工况是否处于正常状态，如异常立即调节加工参数，使工况状态稳定，重复以上步骤，直至制造任务完成。

7、根据权利要求1所述的电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：所说的可视化服务模块D并行地将电脑眼或摄像头捕获的音视频信息、工序制造状态信息、工况信息、制造状态信息并反映到web上，重复以上步骤，直至制造任务完成。

8、根据权利要求1所述的电子化技术改造传统数控设备的实现方法，其特征在于：所说的协同服务模块E首先对参与协同的每个用户启动协同环境，然后对每一个用户建一个相应的Socket通信线程，在协同期间可以并行地进行文本交互、视频交互、公用白板和工程图纸浏览，当协同结束后关闭Socket通信线程。

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