自1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统以来，至今已经历了50多年，数控装置也逐渐由NC发展为CNC。计算机技术的飞速发展使得开放式数控(Open CNC)已成为当今数控技术的主题，数控系统可以集成更多、更复杂的功能。并且随着需求的推动，智能化与网络化已成为数控系统的一个主要发展趋势。本文以开放式数控系统为平台，构建以加工安全及加工优化为目标的智能化解决方案，提出了基于加工过程多物理状态的集成在线监测策略；同时，针对日益增强的远程监测与诊断的功能需求，提出开放结构数控平台基于网络的层次化状态监测策略。
1 系统状态监测与控制
在加工过程中，应时刻保持机床处于良好或最优工作状态，尤其对于单件加工成本较高的工件以及复杂精密机床。其产品报废及机床损坏甚至是加工效率的降低都将造成巨大损失。在此隋况下，需要及时掌握加工状态信息，以便迅速做出调整。传统上采用巡检或定期检测的方式，以保持机床性能。但这种方式不足以防止加工过程中的异常发生。近来，人们开始研究将加工与监测相结合的实现模式，并且取得了一定进展。
然而目前状态监测与优化控制系统大都采用独立于数控系统的外挂式形式，两者未能实现无缝集成。无疑这不符合开放式数控系统的模块化设计理念及发展趋势，并于无形中提高了系统复杂程度，增加了安装调试乃至操作的难度。同时目前的研究尚缺乏加工状态监测与在机质量检测的综合一体化集成响应方案，以及系统自身功能结构的自适应调整方案。
1.1 加工过程的数控系统集成在线状态监测
本文以运行安全与加工优化为目标，采用数控系统集成在线监测方案，将监测信号分为系统限制级信号、平稳信号及突变信号，由系统进行分类处理。
(1)系统限制级信号指与系统安全运行相关的状态信号，包括逻辑控制单元各端口状态、伺服驱动状态、通汛连接状态以及其它周边设备状态等。这类信号与系统安全直接相关。属于最高级别的状态信息，要求系统迅速做出反应，严重情况下进行自动停机处理。数控系统内部通过高速轮询各相关电气端口状态，以简单快速的响应方式完成此类状态信息的监测与处理。
(2)平稳信号在此定义为机床加工过程中产生并由各类传感器件反馈的各类具有渐变趋势物理状态信号，反映了加工过程的运行平稳性。典型的如振动信号、声发射信号、电机电流等。通常稳定加工情况下，这类信号不会有太大的波动，并可利用时间序列等手段进行可靠预测。利用开放式数控系统的可扩展优势，开发适于数控加工的信号采集单元，以PCI总线及相应API与数控系统无浅奎集成，实现对多传感器信息的有效获取。系统内盖唁息处理单元将对这些信号进行分析得到运行状态及经过优化的加工参量信息，并艇终分别反馈至诊断模块与运动控制模块，以实现预测维护与加丁优化。
(3)突变信号则指的是在加工中无法预知何时发生而又对系统或机床造成重大影响的冲击信号。典型的如电网电压的突变、不规范作业或刀具松动而造成的刀具碰撞等。这类信号发生几率较小，但由于在发生时系统没有足够的时间进行响应，往往造成难以估量的损失。因此本文提出采用类视觉前馈与安全缓冲相结合的策略，在冲击信号发生前进行预警或在发生时实现缓冲保护，以极大限度地减少损失。所谓类视觉前馈是指采用类似于人类视觉的预警机制,在危险尚未发生时提前预判，以防止危险发生而系统却“无力自保”的一种安全防护机制，采用预警并主动规避的策略来实瑰。而安全缓冲则是指对于无法预瞥的突变信号，通过缓冲装置将信号转化为安全的平稳信号，然后通知主控单元进行处理。图1显示了系统状态监测模块的功能结构简图。
图1 系统状态监测模块的功能结构简图
1.2 在机质龄检侧及状态信息综合响应
在机质量检测可减少工件装卡次数，提高定位精度，并有效降低废品率。基于此，利用开放式数控系统的结构优势，开发在机质检测控制功能具有现实的意义。
相较于离线检测，在机检测方式的一个显著优势是在加工过程中，可按需及时向数控系统提供准确可靠的工件形位误差信息。采用高灵敏度的红宝石测头与红外线定位相结合的方式，可有效保证在机检测的精度:在集成了加工过程在线状态监测的系统平台中，将这种形位误差低急作为一种倍息流导向两个不同的目的地(图2)。
图2监测信息集成响应策略
由图看出，误差信息流其一是作为后续工艺加工调整的依据，直接进入数控系统的工艺决策模块，并继续影响后续加工过程;其二是作为加工制造系统的一种状态信息，与前述加工过程在线监测得到的状态信息一起，作为系统状态评定及故障诊断的数据源，进入故障珍断模块，实现数控系统、机床以及工件的状态信息闭环，从而丰富了单纯依靠加工过程的状态信息进行诊断与维修的信息量。提高了状态预测与诊断的精度。
1.3 系统自整定策略
机床运行过程中，随着状态的改变，智能系统要求能实现自身功能给构的自整定以适应外界环境的变化。基于此，本文提出了元胞冗余与自调整策略。所谓元胞，在此定义为系统功能的最小执行单位。它们拥有自己的数据资源并能共享系统的公共资源，由一个唯一定义的ID以标志自身。多个元址替险照一定的逻辑规则组成一个完整的功能实体，称为模块。通过调整内部结构，模块可以在不同的工作模式下正常运行。在系统爵态设计初期，通过对底层元胞的冗余设计，可实现对上层多种工作模式的资源支撑。间时，还可利用数控系统的开放结构优势，动态添加新的元胞，以实现对更多工作模式的支撑。在模块内部，每个元胞拥有一个随状态可变的位置号，标志该元胞在模块内部所处的逻辑位置，以属性变童MyPos表示。模块内部维护一个元胞位置号与模块功能结构的关系映射表。而在元胞内部，则通过该位置号控制元胞与外界的连接关系。当外界状态发生变化时，通过底层元胞的位置自动调整，系统实现整体功能结构的自适应改变。图3为在外界状态改变剑模块内部劝能结构调整示例。
图3元胞姿式调整示意图
图中,C1-C6为该模块的组成元胞，按照预设，每个元胞都可与特定的元胞直接发生联系。如C1可直接与C2、C3及G4发生联系。元咆的上下层代表了数据的流向。而同一层间元胞的左右顺序代表了上层公共元胞与它们建立连接的先后关系。
图4为集成状态监测环境下，数控系统自适应调整自身功能结构的控制模型。
图4系统自适应调整控制模型
2 基于网络的层次化监控机制
网络技未的发展使得对数控系统的婀络需求日益提高，网络化已成为数控技术的又一发展趋势。以开放式数控体系架构为支撑，开发统的网络支持单元，可多乏现基于网络的状态监侧与远程诊断。
系统远程监测对象被确认为数控系统界面，加工场景以及传感器反馈的运行状态信息。不同的监测对象将向远程终端提供不同的机床加工信息。
为保证监测数据在网络中的平稳传输，除选用高速网络设备外，系统采用同步切换机制，由远程丝喘选取监测对象，而控制策略单元则负责确保远程终端同一时刻最多只监测一种对象，并根据远程终端反馈的诊断结论以及CNC系统对运行状态数据的分杆结果更新控制信息。由于数据采集及传输涉及大量数据，将耗费较多的系统资源，因此在软件结构上分别被分配了一个独立线程，实现与系统主控线程的异步并行协调运行;图5所示为针对不词监测对象系统的网络监控模块功能结构图。
图5系统的网络监控模块功能结构图
系统采用层次化控制策略以实现远程监测的快速响应以及对网络资源的合理利用。上述CNC系统在网络环境中可视为一个智能体。机床运行过程中,CSC系统自动监测并调整加工状态。对于系统无法确认并自主处理的信息,CNC系统将主动向最近的诊断服务器发送诊断请求信息。如果得到响应，系统将按照诊断结果继续执行:否则，CNC将向上一级服务器继续此流程。经由企业内部网，系统按照车间级、工厂级及企亚级三级网络监测机制配置资源请求策略:同时经由万维网实现CNC系统与世界范围的远程终端的互联.以充分共享异地诊断专家的知识，并方便用户实现异地监测。
3 结论
以并放式CNC为平台构建系统集成状态监测及元胞自调整策略为系统安全及加工优化提供了一体化解决方案;功能基于网络的层次化监控机制合理利用网络资源，并为远程监侧及诊断服务终端提供丰富的状态信息。
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本文标题：基于网络与状态监测的智能数控技术
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