車間數據缺失怎麽辦？機床零（líng）件在線識別

本文針對車間MDC係統和MES係統在（zài）獲取製品信（xìn）息時存在的數據缺失以及不準確、不及時（shí）的問題，提出了一種基於物聯網的數控機床零件識別係統。通過建立機床加工程序庫和（hé）零件標準程序庫，運用正則表達式和有窮自動機對機床NC程序（xù）進行識別，從而間接實現加工零件識別。經驗證，此係統具有準確性高、時效性強和維護成本低等特點。

1    序言（yán）

隨著以數控機床為主體的物聯網在航空製造領域的普遍應用，車間已經基本具備數控程序的在線下發、數控機床運行狀態的在線監控（kòng）以及設備運行效率的分析等能力。然而，工業物聯網對在製品的識（shí）別仍缺乏高（gāo）效且實用的方法，無法準確獲取機床正在加工什麽零件這一重要信息（xī），而在製品（pǐn）信息對於生產線生產能力的計算、現場在製品的統計、作業時間的分析、零件質量（liàng）過程的追溯等十分（fèn）必要。
目前（qián），對（duì）於（yú）機（jī）床在線零件識別技術，國內外主要是通過圖像識（shí）別或RFID射頻技術來實現，通過在機床上安裝視頻設備或RFID讀取設備，對零件進行識別。但兩種方法都需要安裝硬件設備，安裝維護成本（běn）較高；而且當零（líng）件外形相似或加（jiā）工原（yuán）材料時，會無法準確識別（bié）；另外，RFID標（biāo）簽在零件加工過程中會脫落（luò），需要在加工完成後重新粘貼。為能（néng）夠快速準確地獲（huò）取機床加工零件信息，需要研究設計一套機床（chuáng）加工零件的識別係統（tǒng），可以實現機床加工零件的在線高效識別判斷，同時能夠實時獲得機床加（jiā）工零件信息。

2    零件（jiàn）識別係統設計及數據流分析

（1）係統結構設計 數控機床零件識別係（xì）統按功（gōng）能劃分，分（fèn）為7個（gè）子（zǐ）模塊，即（jí）係統登錄管（guǎn）理、機床綜合信息管理（lǐ）、機床網絡管（guǎn）理、機床程序庫、標準程序庫、程序對比分析和數據存儲。係（xì）統登錄管（guǎn）理包括登錄驗證和登（dēng）錄（lù）係統，機床綜合（hé）信息管理包括（kuò）機床信（xìn）息顯示和機床信息更（gèng）新，機床網絡管理包括機床網絡開關和機床網絡異常處理，機床程序（xù）庫包括機床（chuáng）程序獲取（qǔ）激活和機床程序（xù）傳輸與（yǔ）保存，標準程序庫包括標準程序讀取激活和標準程序同步（bù），程（chéng）序（xù）對比分析包括（kuò）程序對比分析和程序遍曆，數據存儲（chǔ）包括分析結果存儲和分析結果（guǒ）查詢。係統總體（tǐ）結構如圖（tú）1所示。
圖1 係統總體結構
（2）係統數據流（liú）程分析 係統總體數據輸入輸出如圖2頂層數據流所示。係統總（zǒng）體數據輸入包括數（shù）控機床信息、數控機床當前加工程序、MDC係統標準NC程序、MDC係統服務器信息以及對比（bǐ）分析（xī）參數；係統輸出的是對比分析結果。係統內部數據流程分析如圖3一層數據流所示，由4部分組成，包括機床程序讀取模塊向機床（chuáng）程序庫提供機床程序，標準程序讀取模塊（kuài）向標準程序庫（kù）提供標準程序數據，程序對比分析模塊從機床程序庫和標準程（chéng）序庫獲取機床加工（gōng）程序數據和標準程序（xù）數據，以及對比分析模塊向數據（jù）存儲模塊提供分析結果（guǒ）。對比（bǐ）分析模（mó）塊是係統核心模塊，其內部（bù）核心數據流如圖（tú）4二層數據流所示，對比分析模塊分為4個進程，包括機床加工程序（xù）分解、標準程序庫程序遍曆與（yǔ）程序（xù）選（xuǎn）取、標準程序分解和指令單元對比分析。主要數（shù）據流包括機床加工程序分解後向程序分析模（mó）塊提供分解後的指令單元，標準程序庫遍曆程（chéng）序後向分解程序提供標準程序文件，標（biāo）準程序分解後向程序對比分析模塊提供指令單元數據，對比分析模塊技術結果並輸出。

3    程序對比方（fāng）法及識別算法

3.1 程序（xù）對比分析
運用標準程序庫和機床的在加工程序進行比對和識別，判斷機床當（dāng）前加工程序對應的標準程序庫中的程（chéng）序以及這（zhè）個程序對應的零件編號，主要對比方法是文件的遍曆查找和正則表達式對比運算。
表（biǎo）1是常用的數控機床NC程序結構，主要由三部分（fèn）組成，即程序頭、主程序和程序結（jié）尾。其中程（chéng）序頭中包含了程序（xù）名稱、路徑和機床等信息，這些信息大部分為注釋（shì）信息，對機床實際加工沒有具體作用，並且可以隨意（yì）更改，不（bú）能作為零件識別的依據，因此在程序對比識別中不包含程序頭（tóu）部分。
表1 NC程序（xù）結構（gòu）
主程序部分是機床加工零件的指令部分（fèn），包（bāo）括對機床主軸轉速、刀具的運動、主軸的進給和床身的各軸向運動的指令。目前，數控加工程序編製都是通過CAD/CAM自（zì）動編製的，每行程序都（dōu）帶有行號，如N1、N2、N3……Nn，通過行號（hào）建立程序（xù）內（nèi）容索引，根據（jù）索引進行逐行比對。

標準程序庫內部存儲結構如圖6所示，包括4層：根（gēn）目錄、機床節點、零（líng）件、程序節點。其中機床節點包含機床名稱信息，該（gāi）節點與實際機床也是一一對（duì）應關係；零件節（jiē）點包含曆史加工的零件編號（hào），此節點下的程序節點是曆史加工的程序文件。

文本對比時，將（jiāng）機床加工程序庫中（zhōng）MachineN下ProgramN節點的程（chéng）序文件，與標準程（chéng）序庫中MachineN下Program1~N節點的所有程序文件進（jìn）行遍曆對比，最終將文（wén）本（běn）相似（sì）度最高的標準程序庫中Program的父（fù）節點PartN的零件（jiàn）編號信息返回，其內容就（jiù）是零件編（biān）號。
3.2 正則表達式對比算法設計
正則表達式（shì）可匹配一組（zǔ）滿足要求（qiú）的精確字符串，而（ér）不（bú）僅（jǐn）是單條精（jīng）確（què）字符串。因此（cǐ）運用正則表達式對數控機床NC程序進行識別，可以實現準確判斷。
數控機床NC程序是運用G代碼編寫（xiě）的，其語法特（tè）點是每個指令都是由字母和數字（zì）組成，根據G代碼程序特（tè）點，將NC程（chéng）序主程序部分按照行號分成n行，將每一行按照指令（代碼+數（shù）字）分成u個單元。將標準程序（xù）的n行與機床加工程序的n行的u個指令單元（yuán）進（jìn）行逐一對比，每行中有d個不匹配單（dān）元，從第一行開始，到（dào）最後一行結（jié）束，得到最終的相似度（dù）S，具（jù）體算法如下

按照標準程序庫索（suǒ）引完成比（bǐ）對計算後，得到若幹（gàn）個（gè）相似度S，取最大值SMAX，此（cǐ）時SMAX所對應的程序（xù）並不能完全確定與機床加工程序是同一（yī）零件的加工（gōng）程序，隻能表明是標準程序（xù）庫所（suǒ）有程序中最（zuì）接近機床加工程序的。假設標準程序庫中沒（méi）有與（yǔ）機床加工程序一致的（de）程序，SMAX對應的程序雖然是最接近機床加（jiā）工（gōng）程序的，但不應被認定為是機床在加工（gōng）
零件所（suǒ）用的程序，更不能將（jiāng）標（biāo）準程序庫中（zhōng）此（cǐ）程序對應的零件編號作（zuò）為比對（duì）結果進行反饋。為了避（bì）免此類錯誤情況，係統設計增加驗證機製，經過大（dà）量（liàng）實驗，對於完（wán）全不（bú）同零件的程序比對結果，其相似度S總會低於50%，因（yīn）此當相似度值S＜50%時，係統將判定為無效值，並擴（kuò）大比對範（fàn）圍或終止比（bǐ）對計算（suàn）。正則表達式對（duì）程序行號識別：程序行號標準（zhǔn）寫法為大（dà）寫N與數字序號組合，使用正則表達式識別方案時，首先判斷每行首字（zì）符是否是N，其正則表達式為^N，如果結果為真，則（zé）繼續判斷N後字符是否（fǒu）為數（shù）字，如果結果仍為真，則繼續判斷下一字符是否為數字，直到判斷字符不是數字為止，q2為接受狀態。行號識別用有窮自動機表達，如圖7所示。圖7 行號識別
正則表達式對指令單元的識別：NC程（chéng）序是由G代碼、M代碼、F代碼（mǎ）、D代碼、I代碼、J代碼、K代（dài）碼、L代碼、S代碼、Y代碼、X代碼、Y代碼（mǎ）及Z代碼等編寫（xiě），基本規（guī）則都是指令代碼與（yǔ）數字組合，運（yùn）用正則表達式先判斷指令代碼再判斷數字。指令單元識別用自動機表達，如圖8所示。
圖8 指（zhǐ）令單元識別（bié）

4    係統開發及性能分析

由於C語言與Windows係統兼容性好，而且具有更豐富的.net類庫，因此選擇C語言進行係統開發。開發工具選擇Microsoft Visual Studio 2010版本，.net框架選擇Framework4.5版本，運行環境（jìng）要（yào）求Windows7以上版本，數（shù）據庫（kù）使用ORACLE10G版本（běn）。

通過測試零件在線識別（bié）係統，證明其可以實（shí）現對物聯網（wǎng）機床當（dāng）前加工零件的在線識別。對於標準程序庫和機床加工程序庫中記錄的程序，零件識別率可（kě）以實現100%。分析係統運行性能，由於係統主要采用（yòng）的是異步多線程結構，對每台機床（chuáng）單獨建立線程，線程間相互獨立，互不影響，所（suǒ）以可以確保（bǎo）係統的整（zhěng）體性能。單台機床程序識別響應時間受實（shí）際程序行數影響，平均（jun1）在5s左右，由於機床更換數控程序周期取決於零件加工周期（qī），而零件加工（gōng）周期最少在30min以上，所以5s響應時間對係統不造成影響。