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摘 要：采用嵌入式STM32微处理器研制数控机床车间现场监测仪，实时采集数控机床的运行参数和工艺参数，通过Zigbee无线网络通信将监测数据上传至车间级管理平台。基于图形化编程软件LabVIEW开发相应的用户管理系统，可对采集数据进行处理，结果可供管理者实时查询，从而实现制造车间数控机床运行状况和实际综合能效的可视化远程监测、统计分析和综合管理。学生科技创新团队以该项目作为载体，实施了能力进阶型系列化探究式项目教学实践，学生工程能力得到了很好的锻炼。
关键词：数控机床 综合监测系统 教学改革 能力进阶型系列化项目教学法
随着先进制造技术的快速发展，数控机床在机械制造企业中的应用越来越普及，然而对于一个单位来讲，制造成本和综合效能是非常重要的，但由于生产车间存在一系列局限性，例如机床使用和维修不当，系统参数和工艺参数设置有偏差，工序和工时分配不合理等，给生产线的高效运行和科学管理带来不利，从而降低了综合生产效率、制造精度乃至经济效益。所以，对生产车间进行有效的数控机床实时监测与综合管理是降低制造成本和提高生产效能的一种较好解决方案[1]。
基于微处理器系统研制机床可视化的综合能效管理系统，以通信网络为媒介，可以实现数控系统内部参量与外围其他控制器或PC机之间的通信，PC机等上位机则通过网络来实现对数控机床工作状态的实时监测。因此，数控机床管理平台能够对其各种参数信息进行采集，对机床的运行状态进行监测。如果将该系统应用于实际生产车间，可对整个车间进行科学管理、合理规划与调度、实时任务分配与优化，从而提高生产效率。
根据能力进阶型系列化探究式项目教学法的设计原则[2]，针对机械设计制造及其自动化专业先进制造技术方向“卓越工程师教育培养计划”的人才培养方案[3，4]，项目教学的构成方法是：大一学生主要开展专业综合调研；大二学生侧重定性要求或单元级的小型项目；大三学生侧重定量指标或系统级的复杂系统；大四学生主要完成企业项目攻关或技术革新类项目。
现以数控机床综合监测系统作为系列化项目教学载体，主要完成大二基础级项目和大三综合级项目的训练环节，对应的训练内容分别为现场监测仪单元和上位机综合管理平台。
1 数控机床综合监测系统总体方案
项目实施现场是我校先进制造技术实训实习车间，共有各类数控机床30余台（本文中设计容量暂定为32个监测端点），承担了全校相关专业的数控操作技能实训和技能鉴定等任务。具体内部布置如图1所示，图中的通信网络示意和触摸屏展示均为虚拟添加。
针对数控加工车间的监测需要，采用上下位机的总体结构，相应的拓扑结构如图2所示。图中，上位机综合管理平台选用研华公司生产显示触摸屏一体化工控机，一方面通过校园宽带网供学校教务处和实习中心主任查询，另一方面通过有线或无线的车间内部网络连接32台数控机床现场监测仪，不断收集机床的工作状态数据，并进行各种统计分析，形成报表。采用嵌入式微处理器为下位机设计一个监测仪，实时采集机床的各种参数和工艺状态，并对数控进行存储和初步分析，然后根据上位机的指令进行状态上传和数据转存。
根据上述设计任务需求的详细描述，结合能力进阶型系列化探究式项目教学的设计理念和原则方法，将该综合监测系统划分成两个层次的子项目予以执行。其中，大二基础级项目主要完成数控机床现场监测仪的具体设计与研发[5，6]，进入大三后，学生专业能力提升综合级项目主要继续完成远程管理用计算机平台的综合监测管理系统开发。
图2 数控机床综合监测系统总体拓扑结构
2 基础级项目─现场监测仪
采用嵌入式微处理器设计完成的车间现场监控仪主要由微型处理器、小型触摸显示屏、实时视频采集单元、USB接口单元、Zigbee通信模块、RJ45网络接口等组成。触摸显示屏主要用于显示监测数据，并配合用户操作显示相应的控制命令；视频采集单元由监控摄像头和USB视频采集卡组成，USB视频采集卡将监控摄像头的AV信号转换为数字信号送至微处理器，进行数据预处理及相应存储；Zigbee模块设置为协调器，在车间中负责Zigbee网络的创建与管理，并与车间内的智能采集模块（称之为“从机”）进行通信；在微处理器中对采集数据进行预处理和分析后，通过车间内部通信网络接口将数据共享至上位机，以便于管理者远程监测，监测仪的硬件结构如图3所示。
图3 数控机床车间现场监控仪硬件结构
嵌入式微处理器采用目前比较流行的STM32作为主控芯片，其中以ARM Cortex-M3作为内核，具有高性能、低功耗和低成本等显著技术特点[7]。智能采集模块（从机）主要由采集卡（或芯片）与传感器、I/O接口电路等组成，可以选配相应合适的各种传感器实时监测数控机床的振动、噪声、耗电量、冷却液和润滑油的剩余量等。智能采集模块的主机与从机之间也是利用Zigbee模块通信，相应的硬件结构如图4所示。
图4 现场监测仪用电气硬件电路框图
通信模块Zigbee的工作方式则是采用一个主Zigbee模块与多个嵌入式系统ARM板进行通信，其中ARM又与智能采集模块进行从Zigbee通信，智能采集模块与ARM无线通信采用延时（延时时间可自行设定）发送命令，ARM板与主Zigbee模块采用等延时通信方式，最后主Zigbee模块将所有接收信号送至监测主机（PC机），其中通过Zigbee内部自带功能进行通信控制设置，使得主、从Zigbee模块之间数据传输可靠，互不干扰。在建立Zigbee模块通信以后，可以通过与机床面板主控制器单元和电气柜数据采集单元中的ARM板联合组网，实现机床加工过程参数传输。
有关数控机床现场监测仪的软件设计思路和设计流程本文从略。
3 综合级项目─车间管理平台
该系统中车间现场管理平台的计算机运行软件采用美国国家仪器（NI）公司出品的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）进行编程，这是一种图形化编程语言的开发环境[8]，主要包括控制与仿真、高级信号数字处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等许多附加软件包。程序由前面板的控制界面与后面板的编程线框组成，依据用户要求进行相应的设计编写。目前，该软件广泛地被学术界和工业界所采用，可以作为一个标准的嵌入式数据采集和仪器控制软件使用。 车间监控主机启动后，进行硬件初始化和ZigBee无线网络的建立。随后根据用户的操作选择显示对应的参数，启动摄像头组件，随之发出命令，对车间总体情况进行视频采集及图像处理；相应的机床参数也会自动采集、统计和分析，处理后的结果会在上位机的管理平台界面中充分显示，继而通过网络存入数据库（自存储），学校有关人员可以通过校园内IP地址随时进行检查。而嵌入式从机数据采集卡则置于机床内部适当位置，通过使用通信模块对其发出命令，继而将机床运行时的一些参数经各种传感器送入采集卡，由其进行信号处理和数据分析，然后将信息送至嵌入式主机STM32的ARM板，再经内部处理器对采集数据进行建模处理，最后将处理后的数据显示于界面上，方便操作者观察，同时ARM板会将收到的信息发送至监测主机以供用户查询。
图5至图7为项目组学生开发的车间管理平台模拟界面，它实现了数控机床实习车间的可视化综合管理。
图5 采用LabVIEW开发的管理平台主界面
图6 数控机床运行参数模拟显示界面
图7 数控机床监测波形模拟显示界面
4 进一步工作设想
在完成上述综合管理平台开发后，可以开展一系列更加深入的技术研究，例如机床参数或工作状态的间接软测量技术，整个制造车间的生产优化调度技术，等等。
由于系统中的数据都是瞬时变化量，必然引入一定的随机误差，一般可以采用最小二乘参数估计和主元分析法等进行相应的预处理，然后根据物理量的基本含义、比例系数、基本量程以及非线性因素等进行相应的转换，特别是对于无法直接获取的数控机床加工过程状态变量，例如机床的健康状况以及高速加工机床的切削点温度等，还可以通过软测量方法间接求得。
为了提高生产实习制造车间的综合能效指标，还会涉及工厂或车间的生产调度与优化决策问题，其目标为最小化工件的最大完工时间。具体如下：对于混合流水车间的调度问题（Hybrid Flow-shop Scheduling Problem，HFSP）可描述为：假设有N个独立的工件J={i=1，2，…，n}，需依次通过k道工序加工，在每道工序上有mi≥1（i=1，2，…，k）台独立的可并行工作的数控机床执行该阶段任务，而每个工件的每道工序只需在一台数控机床上完成加工，任意两道工序间有无限的存储能力，即被加工工件在两道工序之间可以等待任意时间。为此，记该调度问题为：Fk（m1，m2，…，mk）‖Cmax，最大完工时间Cmax是目标函数，问题求解就是确定并行工作数控机床的分配方案以及同一台机床上工件的加工排序，使最大完工时间Cmax最小化。针对这类复杂的调度优化问题，可采用改进遗传算法，即采用一套新的染色体编码方法以保证个体的合法性与计算的方便性，并设计出相应的交叉和变异操作算子，生成准最优的加工排序计划，从而利用改进后的顺序自适应交叉遗传算法有效地解决混合流水车间调度问题。这部分工作有待深入展开[9，10]。
5 结束语
本项目在第一轮试点过程中，特别要求高年级学生和低年级学生混合组成项目团队，“以高带低”参与项目训练过程，然后逐步形成循环接力运行状态。在第一轮试点结束后，可以展示项目成果，并作为下一轮项目实施的目标系统。第二轮项目可以采用同样的课题，但要求学生在再次实施过程中有所提升，例如请学生参观完第一轮项目作品后，一起讨论并提出不足和需要或者可以完善改进的地方，同时也可以要求第二轮的技术方案不同于第一轮的方案，例如本项目中可以要求学生选用不同的车间通信组网技术，不同的微处理器以及不同的管理平台开发软件等。另外，还可以在该系统基础上要求开发出新的高级功能，例如本文第3部分所述的软测量功能和车间调度优化功能等，从而形成系统化的实用成果。
该项目在实施过程中成功申请到江苏省大学生课外科技创新计划训练重点项目和地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目，原项目负责人费凯成同学毕业后作为后备高科技培养人才被南京康尼机电股份有限公司高薪聘用，在企业独立完成的毕业设计（论文）“智能电动轮椅控制器设计”进入产业转化阶段，同时被学校推荐参与江苏优秀毕业设计（论文）评选。现在，费凯成已在公司担任新产品开发项目负责人，在工作中表现出相当全面的科技攻关和综合协调能力。
参考文献
[1]汪木兰.数控原理与系统[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]汪木兰，周明虎，张艳丽.“卓越工程师教育培养计划”中系列化探究式项目教学的设计原则[J].中国现代教育装备，2011（23）：9-12.
[3]Wang Mu-lan， Zhou Ming-hu， Feng Shi-xin， Li Jiang-qi. Serial Project Teaching Method in the Excellent Engineer Education of Advanced Manufacturing Technology[C]. 2011 2nd International Conference on Management Science and Engineering （MSE 2011）， Vol（6）：366-372.
[4]汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制订先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010（12）：15-19.
[5]韩晞春，汪木兰.数控机床现场监测仪的研制[J].机床与液压，2003（6）：45-47.
[6]汪木兰，朱晓春，王令其.基于PSTN数控机床远程监测技术研究[J].中国制造业信息化，2003，32（9）：104-106.
[7]魏洪兴，胡亮，曲学楼.嵌入式系统设计与实例开发实验教材（Ⅱ）─基于ARM9处理器与Linux操作系统[M].北京：清华大学出版社，2012.
[8]任玲.LabVIEW虚拟仪器[M].北京：电子工业出版社，2012.
[9]赵建峰，朱晓春，汪木兰.基于自适应遗传算法混合Flow-shop的调度与仿真[J].组合机床与自动化加工技术，2010（3）：98-102.
[10]赵建峰，朱晓春，汪木兰.基于遗传算法柔性制造系统生产调度的优化与仿真[J].制造业自动化，2010，32（5）：156-159，178.
关键词：数控机床 综合监测系统 教学改革 能力进阶型系列化项目教学法
随着先进制造技术的快速发展，数控机床在机械制造企业中的应用越来越普及，然而对于一个单位来讲，制造成本和综合效能是非常重要的，但由于生产车间存在一系列局限性，例如机床使用和维修不当，系统参数和工艺参数设置有偏差，工序和工时分配不合理等，给生产线的高效运行和科学管理带来不利，从而降低了综合生产效率、制造精度乃至经济效益。所以，对生产车间进行有效的数控机床实时监测与综合管理是降低制造成本和提高生产效能的一种较好解决方案[1]。
基于微处理器系统研制机床可视化的综合能效管理系统，以通信网络为媒介，可以实现数控系统内部参量与外围其他控制器或PC机之间的通信，PC机等上位机则通过网络来实现对数控机床工作状态的实时监测。因此，数控机床管理平台能够对其各种参数信息进行采集，对机床的运行状态进行监测。如果将该系统应用于实际生产车间，可对整个车间进行科学管理、合理规划与调度、实时任务分配与优化，从而提高生产效率。
根据能力进阶型系列化探究式项目教学法的设计原则[2]，针对机械设计制造及其自动化专业先进制造技术方向“卓越工程师教育培养计划”的人才培养方案[3，4]，项目教学的构成方法是：大一学生主要开展专业综合调研；大二学生侧重定性要求或单元级的小型项目；大三学生侧重定量指标或系统级的复杂系统；大四学生主要完成企业项目攻关或技术革新类项目。
现以数控机床综合监测系统作为系列化项目教学载体，主要完成大二基础级项目和大三综合级项目的训练环节，对应的训练内容分别为现场监测仪单元和上位机综合管理平台。
1 数控机床综合监测系统总体方案
项目实施现场是我校先进制造技术实训实习车间，共有各类数控机床30余台（本文中设计容量暂定为32个监测端点），承担了全校相关专业的数控操作技能实训和技能鉴定等任务。具体内部布置如图1所示，图中的通信网络示意和触摸屏展示均为虚拟添加。
针对数控加工车间的监测需要，采用上下位机的总体结构，相应的拓扑结构如图2所示。图中，上位机综合管理平台选用研华公司生产显示触摸屏一体化工控机，一方面通过校园宽带网供学校教务处和实习中心主任查询，另一方面通过有线或无线的车间内部网络连接32台数控机床现场监测仪，不断收集机床的工作状态数据，并进行各种统计分析，形成报表。采用嵌入式微处理器为下位机设计一个监测仪，实时采集机床的各种参数和工艺状态，并对数控进行存储和初步分析，然后根据上位机的指令进行状态上传和数据转存。
根据上述设计任务需求的详细描述，结合能力进阶型系列化探究式项目教学的设计理念和原则方法，将该综合监测系统划分成两个层次的子项目予以执行。其中，大二基础级项目主要完成数控机床现场监测仪的具体设计与研发[5，6]，进入大三后，学生专业能力提升综合级项目主要继续完成远程管理用计算机平台的综合监测管理系统开发。
图2 数控机床综合监测系统总体拓扑结构
2 基础级项目─现场监测仪
采用嵌入式微处理器设计完成的车间现场监控仪主要由微型处理器、小型触摸显示屏、实时视频采集单元、USB接口单元、Zigbee通信模块、RJ45网络接口等组成。触摸显示屏主要用于显示监测数据，并配合用户操作显示相应的控制命令；视频采集单元由监控摄像头和USB视频采集卡组成，USB视频采集卡将监控摄像头的AV信号转换为数字信号送至微处理器，进行数据预处理及相应存储；Zigbee模块设置为协调器，在车间中负责Zigbee网络的创建与管理，并与车间内的智能采集模块（称之为“从机”）进行通信；在微处理器中对采集数据进行预处理和分析后，通过车间内部通信网络接口将数据共享至上位机，以便于管理者远程监测，监测仪的硬件结构如图3所示。
图3 数控机床车间现场监控仪硬件结构
嵌入式微处理器采用目前比较流行的STM32作为主控芯片，其中以ARM Cortex-M3作为内核，具有高性能、低功耗和低成本等显著技术特点[7]。智能采集模块（从机）主要由采集卡（或芯片）与传感器、I/O接口电路等组成，可以选配相应合适的各种传感器实时监测数控机床的振动、噪声、耗电量、冷却液和润滑油的剩余量等。智能采集模块的主机与从机之间也是利用Zigbee模块通信，相应的硬件结构如图4所示。
图4 现场监测仪用电气硬件电路框图
通信模块Zigbee的工作方式则是采用一个主Zigbee模块与多个嵌入式系统ARM板进行通信，其中ARM又与智能采集模块进行从Zigbee通信，智能采集模块与ARM无线通信采用延时（延时时间可自行设定）发送命令，ARM板与主Zigbee模块采用等延时通信方式，最后主Zigbee模块将所有接收信号送至监测主机（PC机），其中通过Zigbee内部自带功能进行通信控制设置，使得主、从Zigbee模块之间数据传输可靠，互不干扰。在建立Zigbee模块通信以后，可以通过与机床面板主控制器单元和电气柜数据采集单元中的ARM板联合组网，实现机床加工过程参数传输。
有关数控机床现场监测仪的软件设计思路和设计流程本文从略。
3 综合级项目─车间管理平台
该系统中车间现场管理平台的计算机运行软件采用美国国家仪器（NI）公司出品的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）进行编程，这是一种图形化编程语言的开发环境[8]，主要包括控制与仿真、高级信号数字处理、统计过程控制、模糊控制和PID控制等许多附加软件包。程序由前面板的控制界面与后面板的编程线框组成，依据用户要求进行相应的设计编写。目前，该软件广泛地被学术界和工业界所采用，可以作为一个标准的嵌入式数据采集和仪器控制软件使用。 车间监控主机启动后，进行硬件初始化和ZigBee无线网络的建立。随后根据用户的操作选择显示对应的参数，启动摄像头组件，随之发出命令，对车间总体情况进行视频采集及图像处理；相应的机床参数也会自动采集、统计和分析，处理后的结果会在上位机的管理平台界面中充分显示，继而通过网络存入数据库（自存储），学校有关人员可以通过校园内IP地址随时进行检查。而嵌入式从机数据采集卡则置于机床内部适当位置，通过使用通信模块对其发出命令，继而将机床运行时的一些参数经各种传感器送入采集卡，由其进行信号处理和数据分析，然后将信息送至嵌入式主机STM32的ARM板，再经内部处理器对采集数据进行建模处理，最后将处理后的数据显示于界面上，方便操作者观察，同时ARM板会将收到的信息发送至监测主机以供用户查询。
图5至图7为项目组学生开发的车间管理平台模拟界面，它实现了数控机床实习车间的可视化综合管理。
图5 采用LabVIEW开发的管理平台主界面
图6 数控机床运行参数模拟显示界面
图7 数控机床监测波形模拟显示界面
4 进一步工作设想
在完成上述综合管理平台开发后，可以开展一系列更加深入的技术研究，例如机床参数或工作状态的间接软测量技术，整个制造车间的生产优化调度技术，等等。
由于系统中的数据都是瞬时变化量，必然引入一定的随机误差，一般可以采用最小二乘参数估计和主元分析法等进行相应的预处理，然后根据物理量的基本含义、比例系数、基本量程以及非线性因素等进行相应的转换，特别是对于无法直接获取的数控机床加工过程状态变量，例如机床的健康状况以及高速加工机床的切削点温度等，还可以通过软测量方法间接求得。
为了提高生产实习制造车间的综合能效指标，还会涉及工厂或车间的生产调度与优化决策问题，其目标为最小化工件的最大完工时间。具体如下：对于混合流水车间的调度问题（Hybrid Flow-shop Scheduling Problem，HFSP）可描述为：假设有N个独立的工件J={i=1，2，…，n}，需依次通过k道工序加工，在每道工序上有mi≥1（i=1，2，…，k）台独立的可并行工作的数控机床执行该阶段任务，而每个工件的每道工序只需在一台数控机床上完成加工，任意两道工序间有无限的存储能力，即被加工工件在两道工序之间可以等待任意时间。为此，记该调度问题为：Fk（m1，m2，…，mk）‖Cmax，最大完工时间Cmax是目标函数，问题求解就是确定并行工作数控机床的分配方案以及同一台机床上工件的加工排序，使最大完工时间Cmax最小化。针对这类复杂的调度优化问题，可采用改进遗传算法，即采用一套新的染色体编码方法以保证个体的合法性与计算的方便性，并设计出相应的交叉和变异操作算子，生成准最优的加工排序计划，从而利用改进后的顺序自适应交叉遗传算法有效地解决混合流水车间调度问题。这部分工作有待深入展开[9，10]。
5 结束语
本项目在第一轮试点过程中，特别要求高年级学生和低年级学生混合组成项目团队，“以高带低”参与项目训练过程，然后逐步形成循环接力运行状态。在第一轮试点结束后，可以展示项目成果，并作为下一轮项目实施的目标系统。第二轮项目可以采用同样的课题，但要求学生在再次实施过程中有所提升，例如请学生参观完第一轮项目作品后，一起讨论并提出不足和需要或者可以完善改进的地方，同时也可以要求第二轮的技术方案不同于第一轮的方案，例如本项目中可以要求学生选用不同的车间通信组网技术，不同的微处理器以及不同的管理平台开发软件等。另外，还可以在该系统基础上要求开发出新的高级功能，例如本文第3部分所述的软测量功能和车间调度优化功能等，从而形成系统化的实用成果。
该项目在实施过程中成功申请到江苏省大学生课外科技创新计划训练重点项目和地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目，原项目负责人费凯成同学毕业后作为后备高科技培养人才被南京康尼机电股份有限公司高薪聘用，在企业独立完成的毕业设计（论文）“智能电动轮椅控制器设计”进入产业转化阶段，同时被学校推荐参与江苏优秀毕业设计（论文）评选。现在，费凯成已在公司担任新产品开发项目负责人，在工作中表现出相当全面的科技攻关和综合协调能力。
参考文献
[1]汪木兰.数控原理与系统[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]汪木兰，周明虎，张艳丽.“卓越工程师教育培养计划”中系列化探究式项目教学的设计原则[J].中国现代教育装备，2011（23）：9-12.
[3]Wang Mu-lan， Zhou Ming-hu， Feng Shi-xin， Li Jiang-qi. Serial Project Teaching Method in the Excellent Engineer Education of Advanced Manufacturing Technology[C]. 2011 2nd International Conference on Management Science and Engineering （MSE 2011）， Vol（6）：366-372.
[4]汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制订先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010（12）：15-19.
[5]韩晞春，汪木兰.数控机床现场监测仪的研制[J].机床与液压，2003（6）：45-47.
[6]汪木兰，朱晓春，王令其.基于PSTN数控机床远程监测技术研究[J].中国制造业信息化，2003，32（9）：104-106.
[7]魏洪兴，胡亮，曲学楼.嵌入式系统设计与实例开发实验教材（Ⅱ）─基于ARM9处理器与Linux操作系统[M].北京：清华大学出版社，2012.
[8]任玲.LabVIEW虚拟仪器[M].北京：电子工业出版社，2012.
[9]赵建峰，朱晓春，汪木兰.基于自适应遗传算法混合Flow-shop的调度与仿真[J].组合机床与自动化加工技术，2010（3）：98-102.
[10]赵建峰，朱晓春，汪木兰.基于遗传算法柔性制造系统生产调度的优化与仿真[J].制造业自动化，2010，32（5）：156-159，178.