CN211906067U

CN211906067U - 一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端

Info

Publication number: CN211906067U
Application number: CN201921932862.2U
Authority: CN
Inventors: 高罗卿
Original assignee: Changzhou Vocational Institute of Light Industry
Current assignee: Changzhou Vocational Institute of Light Industry
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2029-11-11
Also published as: CN109814495A

Abstract

本实用新型公开了一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，监控终端在孤立设备和云端服务以及人机终端之间设置有一智能交互控制层，智能交互控制层用于实现孤立设备与云端服务以及人机终端之间的数据交互，并对数控机床外围的自动化设备进行控制；智能交互控制层包括基本板和选配板，基本板通过设定的标准插口连接所述选配板，基本板与自动化设备组件形成智能生产岛，用于控制数控机床外围的自动化设备，并对智能生产岛的过程数据做本地化保存和处理；选配板用于实现智能生产岛与云端服务和人机终端之间的数据交互；本实用新型的监控终端可通过智能交互控制层实现数控机床的本地化决策和控制，具有良好的监控管理效果。

Description

一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端

技术领域

本实用新型属于数控机床领域，主要应用于孤立数控机床或者自动化设备的智能化升级改造，具体涉及一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端。

背景技术

目前主流的智能生产车间的构建，主要是在车间构建车间级中央控制室，然后通过网络与机床通讯，通过传感器或者数据采集终端检测每台机床的运行状态，将采集数据反馈到车间级中央控制室。通过车间级中央控制室处理数据，进行生产统计、工艺指导、物流分配等管理，设备与设备之间的通讯大多也是间接通过中央控制室进行周转。智能生产车间通过车间级中央控制室与云端服务连接，经过多种软硬件的结合，对工厂的人、机、料、法、环等制造要素全面精确的感知采集和传输，并结合多类物联网感知技术手段以及生产管理科学决策，形成一套智能化的制造过程管理系统。

这类构建方式大多应用在比较大的工厂或制造基地，其存在以下的缺点：

1、常见的数控机床的运行状态监控系统，大都通过传感器模块，采集机床运行数据，比如温度、电流、振动等信号，不经过数据处理，直接将数据通过无线网络或者总线等方式传输到远程服务器，如何处理数据是在远程服务器上进行决策与控制，会影响决策的实时性；

2、常见的数控机床的运行状态监控系统，机床端大都只具备数据采集的功能，不具备PLC编程的功能，这样就不能就地将外围智能设备和自动化设备组织起来，形成一个相对独立的生产岛；

3、对于一些小工厂或者机床较少的厂区，构建成本很高，即使是只有一台设备也是需要整套的车间级中央控制室。

随着智能制造的发展越来越广泛，一方面，围绕单台数控机床周边的自动化控制设备、检测设备和工业机器人的广泛使用，也需要接入云端，接受云端的生产任务的分配和状态的监测。另一方面，小工厂单台数控机床也需要实现低成本的智能化改造，以实现生产任务的柔性化。这就使得目前主流的智能生产车间的构建方式，在使用灵活性和控制成本方面越来越不能适应市场需求，需要一个能够在数控机床周围解决局部智能采集与控制的终端控制器。

发明内容

针对上述现有技术中灵活性较低且成本较高的问题，本实用新型于提出一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端；终端通过嵌入式处理器与模块的设计，能够有效的结合数控机床周边的自动化控制设备、检测设备和工业机器人等智能设备，将孤立的数控机床或者自动化设备快速的组建成一个智能的生产岛，实现了低成本的和本地化决策的智能制造解决方案，用以解决现有技术中决策实时性差、现场控制能力差、部署成本高的问题，具体技术方案如下：

一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，所述监控终端在孤立设备和云端服务以及人机终端之间设置有一智能交互控制层，所述智能交互控制层用于实现孤立设备与云端服务以及人机终端之间的数据交互，并对数控机床外围的自动化设备进行控制，其中：

所述智能交互控制层包括基本板和选配板，所述基本板通过设定的标准插口连接所述选配板，所述基本板与所述自动化设备组件形成智能生产岛，用于控制数控机床外围的自动化设备，并对所述智能生产岛的过程数据做本地化保存和处理；所述选配板用于实现所述智能生产岛与云端服务和人机终端之间的数据交互；

所述基本板包括WIFI模块、两路以太网通讯接口模块、USB接口模块、四路RS232接口模块、IO控制模块、LCD接口模块、AD采集模块以及核心控制模块，所述WIFI模块、USB接口模块、四路RS232接口模块、IO控制模块、LCD接口模块和AD采集模块均连接所述核心控制模块，两路以太网通讯接口模块通过网络控制芯片与所述核心控制模块连接；

所述选配板包括移动网络服务接口和Zigbee/CAN总线接口，所述移动网络服务接口用于所述智能交互控制层与云端服务的数据交互，所述Zigbee/CAN总线接口用于所述智能交互控制层与数控机床本地终端设备之间的数据交互。

进一步的，所述核心控制模块包括中央处理器、RAM和FLASH，所述中央处理器结合所述RAM和FLASH实现智能生产岛的所述过程数据的本地化保存和处理。

进一步的，数控机床的所述自动化设备包括喷码机、RFID读写设备、IC卡读写设备和上位触摸屏，所述智能交互控制层通过所述四路RS232接口模块模块分别与喷码机、RFID读写设备、IC卡读写设备和上位触摸屏通讯，实现喷码打标、RFID识别工件、身份识别和现场触摸操作；

所述WIFI模块通过路由器设备与云端服务器通讯，获取云端服务；

一路所述以太网通讯接口模块与数控机床的数控系统通讯；另一路所述以太网通讯接口模块与工业机器人通讯，用于控制工业机器人执行预定的程序，实现通过工业机器人执行上料和下料操作；

所述IO控制模块包括24路输入16路输出；

所述LCD接口模块用于外接液晶显示；

所述AD采集模块的输入电压为-10V~+10V。

进一步的，与喷码机连接的所述RS232接口模块可设置成与工业机器人连接，实现与工业机器人之间的通讯；所述WIFI模块可与人机终端连接，实现与人机终端之间的通讯；所述以太网通讯接口模块通过RJ45接口实现与数控系统和工业机器人的通讯，并且所述以太网通讯接口模块可通过路由设备与云端服务器通讯，获取云端服务。

进一步的，所述LCD接口模块外接的所述液晶显示包括5.6寸、7寸、8寸、10寸的触摸液晶屏。

进一步的，所述基本板的底层安装LINUX/WINCE嵌入式系统，并且所述LINUX/WINCE嵌入式系统上安装有嵌入式数据库SQLite和数控系统网络通讯链接库；所述LINUX/WINCE嵌入式系统包括控制与决策进程、软PLC进程、云服务通讯进程、身份管理进程、数控系统应用通讯进程、终端间通讯进程以及工业机器人通讯进程。

进一步的，所述IO控制模块通过所述软PLC进程控制。

与现有技术相比，本实用新型的本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端的有益效果为：通过智能交互控制层来控制数控机床，并可以使得孤立的数控机床或者自动化设备快速的组建成智能生产岛，实现操作人员的身份识别，通过RFID识别工件信息，控制工业机器人对工件进行上料和下料操作，数控机床待工件加工后，可以切换到测量传感器对工件进行在线测量；智能交互控制层可以实现现场流水线的工位控制，同时智能交互控制层的数据处理决策机制可以通过测量数据决定工件是否返修和报废，智能交互控制层同时可以通过通讯协议控制数控机床外围的自动化设备的最终状态，便于后期工人的装箱与识别，所有智能生产岛的数据，都会实时存入本地的数据库中，不会一直通讯上传到云端服务器，云端只需要设置必要的决策规则，既节省了通讯流量也提高了决策速度，只需要在一定的时间周期内终端与云端同步数据，供APP终端或其他智能终端查询。

附图说明

图1为本实用新型实施例中所述嵌入式智能监控终端工厂应用部署图示意；

图2为本实用新型实施例中所述嵌入式智能监控终端硬件结构图示意；

图3为本实用新型实施例中所述嵌入式智能监控终端软件架构图示意；

图4为本实用新型实施例中所述嵌入式智能监控终端工厂典型应用流程图示意。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1，在本实用新型实施例中，提供了一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，所述监控终端在孤立设备和云端服务以及人机终端之间设置有一智能交互控制层，智能交互控制层用于实现孤立设备与云端服务以及人机终端之间的数据交互，并对数控机床外围的自动化设备进行控制；结合图2，其中，智能交互控制层包括基本板和选配板，基本板通过设定的标准插口连接选配板，基本板与自动化设备组件形成智能生产岛，用于控制数控机床外围的自动化设备，并对智能生产岛的过程数据做本地化保存和处理；选配板用于实现智能生产岛与云端服务和人机终端之间的数据交互；基本板包括WIFI模块、两路以太网通讯接口模块、USB接口模块、四路RS232接口模块、IO控制模块、LCD接口模块、AD采集模块以及核心控制模块，WIFI模块、USB接口模块、四路RS232接口模块、IO控制模块、LCD接口模块和AD采集模块均连接所述核心控制模块，两路以太网通讯接口模块通过网络控制芯片与核心控制模块连接；其中，核心控制模块包括中央处理器、RAM和FLASH，中央处理器结合所述RAM和FLASH实现智能生产岛的过程数据的本地化保存和处理；优选的，本实用新型中中央处理器采用A8处理器，并且A8处理器使用AM335x微处理器作为核心处理器，AM335x微处理器能够支持主流的Linux、Android、WinCE等嵌入式系统，在各类工业领域应用很广，主频可达720MHz，集成了2个千兆以太网、6个UART串口、24位的LCD控制器和触摸屏控制器、2个USB高速OTG接口、2个CAN总线接口以及多种外围设备接口和总线通讯接口（EtherCAT和PROFIBUS）；当然，此仅为本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型方案的限制和固定；选配板包括移动网络通讯服务接口和Zigbee/CAN总线接口，移动网络通讯服务接口用于智能交互控制层与云端服务的数据交互，Zigbee/CAN总线接口用于智能交互控制层与数控机床本地终端设备之间的数据交互；在实际操作中，可根据实际需求将移动网络通讯服务接口设计成3G/4G/5G接口，具体可根据实际情况进行选择；且所有的3G/4G/5G模块统一采用支持AT命令的的通讯模块，采用pppd的应用拨号连接上网服务；CAN总线采用处理器自身的CAN总线控制器实现。

具体的，数控机床外围的自动化设备包括喷码机、RFID读写设备、IC卡读写设备和上位触摸屏，智能交互控制层通过四路RS232接口模块模块分别与喷码机、RFID读写设备、IC卡读写设备和上位触摸屏通讯，实现喷码打标、RFID识别工件、身份识别和现场触摸操作；而且在实际操作中，与喷码机连接的RS232接口模块可设置成与工业机器人连接，实现与工业机器人之间的通讯；WIFI模块通过路由器设备与云端服务器通讯，获取云端服务；同时，WIFI模块也可与人机终端连接，实现与人机终端之间的通讯；两路以太网通讯接口模块均采用RJ45接口的方式外接进行通信；其中，一路以太网通讯接口模块与数控机床的数控系统通讯；另一路以太网通讯接口模块与工业机器人通讯，用于控制工业机器人执行预定的程序，实现通过工业机器人执行上料和下料操作；并且以太网通讯接口模块可通过路由设备与云端服务器通讯，获取云端服务；IO控制模块包括24路输入16路输出；LCD接口模块用于外接液晶显示；AD采集模块的输入电压为两路-10V~+10V大小的电压，可以接入类似电流、电压或者温度变送器的输出信号，实现机床状态的实时监测。

参阅图3，在本实用新型实施例中，基本板的底层安装LINUX/WINCE嵌入式系统，并且LINUX/WINCE嵌入式系统上安装有嵌入式数据库SQLite和数控系统网络通讯链接库；LINUX/WINCE嵌入式系统包括控制与决策进程、软PLC进程、云服务通讯进程、身份管理进程、数控系统应用通讯进程、终端间通讯进程以及工业机器人通讯进程；其中，IO控制模块通过软PLC进程控制，输入点可以接入接近传感器或者其他IO类传感器进行状态采集，输出点输出电流驱动能力为100毫安，能够驱动大部分继电器。

其中，决策的规则与策略可以是在终端上使用脚本程序文件写入设置，也可以是云端服务器软件设置，通过脚本程序或协议的方式设置给终端，当决策的规则与策略确定后，对智能生产岛的控制将通过采集外围状态数据，依据控制决策来执行；数控系统应用通讯进程是在数控系统厂商提供的数控系统网络通讯链接库的基础上，根据实际应用需求，封装不同的数据包和查询包，通过通讯链接库与相应的数控系统建立连接，实现数据下发与查询；终端间通讯进程，主要是通过嵌入式智能监控终端选配板上的Zigbee/CAN总线基础上实现的，用于多类孤立设备间的数据通讯，便于了解相关设备的运行情况，供控制与决策进程进行工艺的调整和安排；云服务通讯进程主要是与远程云端服务器建立连接，根据远程云端服务器能够实现的功能和需要实现的功能，编写终端上的云服务通讯进程配合整个管理需求。

2choseokwork.BAT，文件2choseokwork.BAT完成后将保存在终端文件系统中的固定路径文件夹内，系统在启动的时候将根据文件2choseokwork.BAT的开头数字编号为优先级，按优先级依次执行相应的批处理文件；批处理文件可以直接访问软PLC进程中定义的内存地址；其中#开头的为批处理文件中定义的内存变量；@开头是软PLC中的对应地址号；具体程序代码如下:

BEGIN：O111 //程序开始，程序名为O111

#100=99.9 //100内存中保存尺寸的最大数

#101=90.0 //101内存中保存尺寸的最小数

IF(@65==1) //@65是软PLC中变量，用于控制是否判断测量范围

{

IF(@67>#100) //@67是软PLC中内存值，是实际获取测量值

@68=1 //@68是软PLC中内存值，是标识测量结果大于上限

ELSE IF(@67<#101)

@68=-1 //@68是软PLC中内存值，是标识测量结果小于下限

ELSE

@68=0 //@68是软PLC中内存值，是标识测量结果正常

ENDIF

}

END： //程序结束

终端在程序启动时，就会执行由上述源代码构成的文件2choseokwork.BAT，即批处理文件，通过解析BAT文件中的命令定义，获得测量判断的结果， BAT脚本执行程序可以读写访问软PLC循环流程序的内存空间，同时，软PLC会根据变量的结果和软PLC的程序逻辑，控制输出操作。BAT脚本执行程序和软PLC程序的执行是多任务系统同步执行的进程程序的关系。

决策的规则与策略的命令定义不限于上述源程序代码中的内容，上述源程序所示举例只是基本语法的示例，并不是对本实用新型方案的限制和固定；比如决策的规则与策略还支持WHILE，DO-WHILE，GOTO等跳转指令；在本实用新型中，所有的指令和符号都是预先在系统程序中设计和定义好的，通过读取BAT文件，解析语法，执行相应的操作来实现的。[A1]

作为本实用新型的优选实施例，WIFI模块采用RTL8189e网络芯片，采用SDIO WIFI接口，适应IEEE802.11n，IEEE802.11g，IEEE802.11b三个无线通信标准，使用IEEE802.11n标准时网速最高可达150Mbps。

优选的，本实用新型中LCD接口模块外接的液晶显示可以是5.6寸、7寸、8寸、10寸的触摸液晶屏，具体设置可根据实际情况进行选择；用户可以在触摸液晶屏上设置终端的相应参数和PLC的编辑调试等应用。

在本实用新型的具体实施例中，通过智能控制终端可以结合数控机床外围的IC卡读写设备、RFID识别设备、工业机器人、喷码机设备和自动化检测设备等，将孤立的数控机床或者自动化设备快速的组建成一个智能生产岛；可以实现操作人员的身份识别，通过RFID识别工件信息，控制工业机器人对工件进行上料和下料操作，数控机床待工件加工后，可以切换到测量传感器对工件进行在线测量，智能交互控制层与数控系统通讯获取机床状态和测量数据，智能交互控制层可以实现现场流水线的工位控制，同时智能交互控制层的数据处理决策机制可以通过测量数据决定工件是否返修和报废，智能交互控制层同时可以通过通讯协议控制数控机床外围的自动化设备的最终状态，便于后期工人的装箱与识别，所有智能生产岛的数据，都会实时存入本地的数据库中，不会一直通讯上传到云端服务器，云端只需要设置必要的决策规则，既节省了通讯流量也提高了决策速度，只需要在一定的时间周期内终端与云端同步数据，供APP终端或其他智能终端查询。

另外，在没有外围自动化设备配合的应用中，智能控制终端可以通过与自动化设备的控制系统通讯，只实现简单的通讯任务，以及本地化的数据管理、数据采集等任务，具有较高的使用灵活性。

在实际运用本实用新型的智能监控终端的实例中，若不需要组建大型的智慧车间的工程项目时，可以不使用选配板，只用基本板就可以实现简易的智能生产岛的控制需求，还可以通过例如手机等终端设备直接连接基本板上的WIFI网络，实现手机监控生产岛的任务；本实用新型可以提供嵌入式的WEB服务器或者专用的手机APP软件提供这项服务。

结合图4，在本实用新型的监控系统的实际操作过程中，首先是操作人员通过IC卡等工具进行身份识别，待系统确认操作权限后，才可以进行机床的启动等控制操作；当生产线开始工作后，每个工件都通过工件上嵌入的RFID芯片来标识自己，智能交互控制层通过RFID来识别唯一的工件编号，然后智能交互控制层与数控系统通讯，机床空闲后，终端通知工业机器人自动上料，将该工件上到数控机床上。

数控机床如果准备就绪，就会按照预定加工程序加工零件，待加工结束后，数控机床就会执行换刀程序，利用尺寸测量传感器在线测量工件，测量结果会保存到数控系统的宏变量中，此时智能交互控制层与数控系统通讯，获取测量数据，智能交互控制层中数据处理与决策模块会根据云端设定好的规则区分析数据，最简单的判断是数据是否符合公差要求，如果没有则会判断是不是严重超差，如果是严重超差则会当废品处理，如果公差还在可修正的范围内，则会通知数控系统启动修正程序，修正公差。

公差的结果和比较的结果数据，都将跟随工件信息一起存入到本地终端上的嵌入式数据库中，然后终端控制工业机器人将工件下料放置到流水线上，在流水线上，终端会根据数据库中的结果信息，与喷码机通讯，控制喷码机喷印必要的标识和数据在工件上，流水线还可以根据数据库中数据分拣工件，将工件分为精品、良品和废品。

所有的操作都是本地化处理和决策的，过程中不需要和远程中央控制计算机通讯，只是在一定的同步周期时间内，与云端同步所有的数据，供后端管理软件的数据使用。

与现有技术相比，本实用新型的本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端的有益效果为：通过智能交互控制层来控制数控机床，并可以使得鼓励的数控机床或者自动化设备快速的组建成智能生产岛，实现操作人员的身份识别，通过RFID识别工件信息，控制工业机器人对工件进行上料和下料操作，数控机床待工件加工后，可以切换到测量传感器对工件进行在线测量；智能交互控制层可以实现现场流水线的工位控制，同时智能交互控制层的数据处理决策机制可以通过测量数据决定工件是否返修和报废，智能交互控制层同时可以通过通讯协议控制数控机床外围的自动化设备的最终状态，便于后期工人的装箱与识别，所有智能生产岛的数据，都会实时存入本地的数据库中，不会一直通讯上传到云端服务器，云端只需要设置必要的决策规则，既节省了通讯流量也提高了决策速度，只需要在一定的时间周期内终端与云端同步数据，供APP终端或其他智能终端查询。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，但并不限制本实用新型的专利范围，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本实用新型说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型专利保护范围之内。

Claims

1.一种本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，其特征在于，所述监控终端在孤立设备和云端服务以及人机终端之间设置有一智能交互控制层，所述智能交互控制层用于实现孤立设备与云端服务以及人机终端之间的数据交互，并对数控机床外围的自动化设备进行控制，其中：所述智能交互控制层包括基本板和选配板，所述基本板通过设定的标准插口连接所述选配板，所述基本板与所述自动化设备组件形成智能生产岛，用于控制数控机床外围的自动化设备，并对所述智能生产岛的过程数据做本地化保存和处理；所述选配板用于实现所述智能生产岛与云端服务和人机终端之间的数据交互；所述基本板包括WIFI模块、两路以太网通讯接口模块、USB接口模块、四路RS232接口模块、IO控制模块、LCD接口模块、AD采集模块以及核心控制模块，所述WIFI模块、USB接口模块、四路RS232接口模块、IO控制模块、LCD接口模块和AD采集模块均连接所述核心控制模块，两路以太网通讯接口模块通过网络控制芯片与所述核心控制模块连接；所述选配板包括移动网络服务接口和Zigbee/CAN总线接口，所述移动网络服务接口用于所述智能交互控制层与云端服务的数据交互，所述Zigbee/CAN总线接口用于所述智能交互控制层与数控机床本地终端设备之间的数据交互。

2.如权利要求1所述的本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，其特征在于，所述核心控制模块包括中央处理器、RAM和FLASH，所述中央处理器结合所述RAM和FLASH实现智能生产岛的所述过程数据的本地化保存和处理。

3.如权利要求1所述的本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，其特征在于，数控机床的所述自动化设备包括喷码机、RFID读写设备、IC卡读写设备和上位触摸屏，所述智能交互控制层通过所述四路RS232接口模块模块分别与喷码机、RFID读写设备、IC卡读写设备和上位触摸屏通讯，实现喷码打标、RFID识别工件、身份识别和现场触摸操作；所述WIFI模块通过路由器设备与云端服务器通讯，获取云端服务；一路所述以太网通讯接口模块与数控机床的数控系统通讯；另一路所述以太网通讯接口模块与工业机器人通讯，用于控制工业机器人执行预定的程序，实现通过工业机器人执行上料和下料操作；所述IO控制模块包括24路输入16路输出；所述LCD接口模块用于外接液晶显示；所述AD采集模块的输入电压为-10V~+10V。

4.如权利要求3所述的本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，其特征在于，与喷码机连接的所述RS232接口模块可设置成与工业机器人连接，实现与工业机器人之间的通讯；所述WIFI模块可与人机终端连接，实现与人机终端之间的通讯；所述以太网通讯接口模块通过RJ45接口实现与数控系统和工业机器人的通讯，并且所述以太网通讯接口模块可通过路由设备与云端服务器通讯，获取云端服务。

5.如权利要求3所述的本地化决策与控制的数控机床嵌入式智能监控终端，其特征在于，所述LCD接口模块外接的所述液晶显示包括5.6寸、7寸、8寸、10寸的触摸液晶屏。