数控机床远程监控系统的研究

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摘要

随着计算机技术、通信技术和网络技术的飞速发展，数控机床集成化、网络

化、智能化的远程监控系统已经成为数控加工领域的发展方向。远程监控系统可

以对数控机床的工作状况和健康状态进行实时监测，有效地保证数控机床处于良

好的工作状态，缩短故障停机的时间，有效提高加工效率。因此实现数控机床远

程监控对于现代制造业意义重大。

现有的数控机床远程监控系统监测功能往往单一，无法实现对数控机床加工

状态的全方位监测；基于无线技术的远程监测系统功率有限、抗干扰能力弱、可

靠性差。针对这些问题，本文基于 FPGA 技术的高性能 cRIO 嵌入式硬件平台，

开发了多测点、多参数的全方位数控机床远程监测系统。该系统采用光纤通信，

基于 NI 网络化硬件测控平台和 LabVIEW 软件平台，确保了远程监控系统的实时

性，可靠性。论文的主要研究工作和成果如下：

(1) 研究了数控机床远程监控系统的总体结构，设计了监控系统的硬件结构，

实现了远程监控数控机床的振动、温度、切削力等状态参数和工作状态的视频监

控。

(2) 设计了采集终端程序、远程通讯程序、监控中心程序等，完成了数控机床

远程监控系统的软件设计。

(3) 以Festo 公司的无杆气缸为研究对象，对其进行了气动位置伺服的远程控

制，验证了本文所设计系统的可行性与实时性。对数控铣床的振动信号进行了远

程监控，进一步验证了本文的研究成果。

关键词：数控机床远程监控 FPGA 技术嵌入式实时性

ABSTRACT

Along with the rapid development of computer technology, the communication

technology and network technology, the CNC machine tool remote monitoring

system’s integrating, networking and intelligent have become the development

direction of CNC machining area. Remote monitoring system of CNC machine tool

can realize real-time monitoring for the machine’s work condition and health state,

ensuring the CNC machine tools are in good condition and shorten the breakdown

time , improving the machining efficiency. Therefore, realizing the remote monitoring

for CNC machine tool is a great significance to the modern manufacturing.

The function of existing CNC machine tool’s remote monitoring system

monitoring is always single, unable to realize the processing state’s all-directional

monitoring for CNC machine; the remote monitoring system based on wireless

technology has limited power, weak anti-interference ability, and poor reliability. In

view of these problems, based on the high-performance cRIO embedded hardware

platform of FPGA technology, omni-directional CNC machine tool remote monitoring

system has been developed in this paper, which with several points and several

parameters. Based on the NI networking hardware’s measurement & control platform

and LabVIEW software platform, the system ensures real-time and reliability of the

remote monitoring system, by using optical fiber communication. The paper’s main

research work and results are as follows:

(1) The overall structure of the CNC machine tool remote monitoring system is

studied, then the hardware structure of the monitoring system is designed, finally

realized the remote monitoring of vibration, temperature, cutting forces and other state

parameters for CNC machine tool and video monitoring of work status.

(2) The acquisition terminal procedure, the remote communication program and

the monitoring center procedure have been designed. Then the software design for the

CNC machine tool remote monitoring system is completed.

(3) Take the company Festo’s pneumatic rodless cylinders as the research object,

the remote control of pneumatic position servo has been completed, then the feasibility

and real-time of the designed system is proved. The remote monitoring of vibration

signals for CNC milling machine has been implemented, and the results of this paper

have been further verified.

Key Words: CNC, Remote monitoring and control, FPGA Technology,

Embedded system, Real-time

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................................................................... 1

§1.1 课题的研究背景和意义 ...................................................................... 1

§1.1.1 研究背景 ...................................................................................... 1

§1.1.2 研究意义 ...................................................................................... 2

§1.2 远程监控技术概述 .............................................................................. 2

§1.2.1 远程监控系统功能分析 .............................................................. 2

§1.2.2 监控方式的分类及其特点 .......................................................... 3

§1.3 数控机床远程监控技术国内外发展现状 .......................................... 4

§1.3.1 国外发展现状 .............................................................................. 4

§1.3.2 国内的发展现状 .......................................................................... 5

§1.4 本文的研究目的和内容 ...................................................................... 6

第二章数控机床远程监控系统总体结构设计 .................................................. 8

§2.1 数控机床远程状态数据采集方法研究 .............................................. 8

§2.1.1 数控机床系统分析 ...................................................................... 8

§2.1.2 数控机床加工性能参数分析 ...................................................... 9

§2.2 远程监控系统功能分析 .................................................................... 10

§2.2.1 采集终端功能要求 .................................................................... 10

§2.2.2 上位机功能要求 ......................................................................... 11

§2.3 系统总体结构设计 ............................................................................. 11

§2.3.1 RT 技术 ........................................................................................ 11

§2.3.2 FPGA 技术 ................................................................................. 12

§2.3.3 cRIO 嵌入式系统 ....................................................................... 13

§2.3.4 系统总体结构设计 .................................................................... 14

第三章数控机床远程监控系统的硬件实现 .................................................... 16

§3.1 采集终端硬件结构设计 .................................................................... 16

§3.1.1 采集终端嵌入式系统硬件简介 ................................................ 17

§3.2 温度采集模块 .................................................................................... 19

§3.2.1 STT-M A1 温度传感器 .............................................................. 19

§3.2.2 NI-9217 RTD 100ohm 采集卡 ................................................... 20

§3.3 声音振动采集模块 ............................................................................ 21

§3.3.1 EA-LV-141 加速度传感器 ........................................................ 21

§3.3.2 MI 17 声音传感器 ..................................................................... 23

§3.3.3 NI-9234 声音振动采集卡 ......................................................... 24

§3.4 切削力采集模块 ................................................................................ 25

§3.4.1 KISTLER 9257B 测力仪........................................................... 25

§3.4.2 电荷放大器接口电路连接 ........................................................ 26

§3.5 通讯平台硬件设计 ............................................................................ 26

§3.5.1 光端机 ........................................................................................ 27

§3.5.2 光纤收发器 ................................................................................ 27

第四章数控机床远程监控系统的软件设计 .................................................... 29

§4.1 基于 FPGA 技术的 LabVIEW 编程 ................................................. 29

§4.1.1 LabVIEW 虚拟仪器构建 ........................................................... 29

§4.1.2 基于 FPGA 技术的程序功能分配 ........................................... 30

§4.1.3 程序设计流程 ............................................................................ 30

§4.2 采集终端程序实现 ............................................................................ 31

§4.2.1 定时循环技术 ............................................................................ 31

§4.2.2 FPGA 和RT 数据传输技术....................................................... 32

§4.2.3 FXP数据转换 ............................................................................ 34

§4.2.4 振动信号采集程序设计 ............................................................ 36

§4.2.5 温度采集程序实现 .................................................................... 38

§4.3 通讯模块程序设计 ............................................................................ 39

§4.3.1 LabVIEW 网络通信方式分析 ................................................... 40

§4.3.2 网络共享变量 ............................................................................ 40

§4.3.3 Datasocket 编程 .......................................................................... 41

§4.3.4 TCP 编程 .................................................................................... 42

§4.4 监控中心程序设计 ............................................................................ 44

§4.4.1 分析处理程序 ............................................................................ 44

§4.4.2 窗口分屏实现 ............................................................................ 46

§4.4.3 数据存储 .................................................................................... 47

§4.4.4 网络发布 .................................................................................... 48

§4.4.5 TeamViewer 软件实现 ............................................................... 49

第五章远程监控系统应用实例 ........................................................................ 52

§5.1 监控系统的实时控制性试验 ............................................................ 52

§5.1.1 系统测试环境 ............................................................................ 52

§5.1.2 测控原理 .................................................................................... 54

§5.1.3 运行结果及分析 ........................................................................ 56

§5.2 数控机床运行状态的远程实时监测 ................................................ 57

§5.2.1 系统测试环境 ............................................................................ 58

§5.2.2 测试流程 .................................................................................... 59

§5.2.3 测试结果 .................................................................................... 60

§5.2.4 运行结果分析 ............................................................................ 62

第六章总结与展望 ............................................................................................ 63

§6.1 主要工作总结 .................................................................................... 63

§6.2 未来展望 ............................................................................................ 63

参考文献 ................................................................................................................ 65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................... 70

致谢 ........................................................................................................................ 71

第一章绪论

§1.1 课题的研究背景和意义

本课题来源于上海市教育委员会科研创新重点项目——高档数控机床动特性

测试及其非统计分析评估技术，课题编号为 11ZZ136。

§1.1.1 研究背景

近年来，随着我国工业化进程的加速、产业结构的调整和升级，推动了数控

技术在自动化生产中的大量应用，使制造业朝着数字化的方向迈进。随着数控技

术在制造业应用的逐步成熟，数控机床日益向着高精度、高质量、高效率、高柔

性和自动化方向发展。同时，先进的数控机床在制造业中的大量应用，对提高我

国制造业水平起到了非常重要的作用[1]。

数控机床是一种高度集成化、复杂化的机、电、液、气、软硬件系统相结合

的生产设备，其控制系统也越来越复杂。在复杂的系统中，一方面故障的存在是

非常有害的甚至是危险的，一旦发生故障，不仅会造成财产损失，甚至可能危及

到人的生命安全；另一方面其自身的复杂性增加了维修的技术难度和费用。因此，

企业或生产者需要建立科学的管理方法来最大限度地发挥数控机床的经济效益，

降低生产成本、这对提高产品竞争力起到至关重要的作用[2]。

随着计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和

智能传感器的不断出现，传感器、通信和计算机领域取得了巨大成就。这使得人

们对数控系统的综合性能提出了越来越高的要求：希望能够对系统设备的工作状

况进行远程实时检测和控制，并在此基础上实现设备的智能维护

(SmartMaintenance) [3]。对企业自动化设备而言，对数控机床工作状况进行远程监

测和控制，不仅可以方便设备管理者随时了解设备的工作状态和健康状况，设备

出现异常时主动报警，便于及时维修，而且还能够拓宽对设备的服务范围，提高

工作性能，延长数控机床的使用寿命[4]。

目前，国内数控制造设备使用的大多为经济实用型机床，未装备加工过程中

运行状态参量的自动采集功能模块，不能对机床的运行状态进行远程监测。因此，

对现有的数控机床设备进行网络信息化改造，使其装备远程实时监控系统，能够

充分发挥数控设备的潜力，有效利用制造资源，显著提高企业生产率、竞争力和

经济效益，具有重要的现实意义[5][6]。

数控机床远程监控系统的研究

§1.1.2 研究意义

面对日益复杂的高档数控机床等生产设备，在生产加工过程中实时、快速、

及时地检测识别其中的故障，已经远非操作人员力所能及。因此，远程实时在线

状态监测系统作为数控机床控制系统的一部分，越来越显示其重要性。建立和应

用数控机床远程监测系统对保障机床设备的安全运行，避免造成巨大的经济损失

或灾难性事故发生、降低设备的故障率、减少设备的维护成本、提高管理水平、

提高企业的经济效益等都起到了重大作用。利用先进的网络技术、信息融合技术，

实现数据的信息化是远程在线监控的最终目标，也是远程监控系统的价值体现[7]。

基于 cRIO 嵌入式远程监控系统以其成本低、开发周期短、可靠性高、实时

性强和功能易扩展等优点非常适合于实现对数控机床的运程监控。本课题采用

FPGA 高速数字处理技术，搭建了以 cRIO 高性能嵌入式监控终端为核心的数控机

床远程监控系统，为数控机床的安全运行提供了保证[8]。

§1.2 远程监控技术概述

20 世纪 90 年代以来，网络和信息技术的迅猛发展推动了分布式网络化的应

用，远程操作及控制技术越来越引起人们的关注。对于管理员、技术服务人员来

说，远程监控提供了一种便捷、高效的手段。

监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早期的监控系

统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集

中式操作。而计算机监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行

机构与被监测控制的对象(生产过程)共同构成的整体。在该系统中，计算机实现

了生产过程的检测、监督和控制功能。在现代企业的生产和管理中，大量的物理

量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制[9]。

§1.2.1 远程监控系统功能分析

远程监控系统一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设

备等连接起来，从分立单元进入到集成单元，然后将各个管理站点的服务用局域

网连接起来，这样就形成了企业内部网(Intranet)。由于建立了网络信息结构，设

备监测、维护技术进入了集成系统，从而在企业内部实现了资源和信息共享[10]。

一般远程监控所实现的功能如下：

采集与处理功能：主要是对生产过程中的各种模拟或数字量进行检测、采样

和必要的预处理，并以一定的形式输出，为管理人员提供详实的数据，帮助他们

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摘要：

摘要随着计算机技术、通信技术和网络技术的飞速发展，数控机床集成化、网络化、智能化的远程监控系统已经成为数控加工领域的发展方向。远程监控系统可以对数控机床的工作状况和健康状态进行实时监测，有效地保证数控机床处于良好的工作状态，缩短故障停机的时间，有效提高加工效率。因此实现数控机床远程监控对于现代制造业意义重大。现有的数控机床远程监控系统监测功能往往单一，无法实现对数控机床加工状态的全方位监测；基于无线技术的远程监测系统功率有限、抗干扰能力弱、可靠性差。针对这些问题，本文基于FPGA技术的高性能cRIO嵌入式硬件平台，开发了多测点、多参数的全方位数控机床远程监测系统。该系统采用光纤通信，基于NI网...

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