車（chē）間數據缺失怎麽辦？機床零件在線識別

本文針對車間MDC係統（tǒng）和MES係統在獲取製品信息時存在的數據缺失以及不準確（què）、不及時的問題，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（chuáng）加工程序庫和零（líng）件標準程序庫，運（yùn）用正則表達式和有窮自動機對機床（chuáng）NC程（chéng）序進行識別，從而間（jiān）接實現加工零件識別。經（jīng）驗證，此係統具有準確性高、時效性（xìng）強和維護成本低等特點（diǎn）。

1    序言

隨（suí）著以數控機床（chuáng）為（wéi）主體的物聯網在航（háng）空製造領域的普（pǔ）遍應用，車間已（yǐ）經基本具備數控程序的在線下發（fā）、數控機床運行（háng）狀態的在線監控以及設備運行效率的分析等能力。然而，工業物聯網（wǎng）對在（zài）製品（pǐn）的識（shí）別仍缺乏高效且實用（yòng）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，而在製品信息對於（yú）生產線生產能力的計算、現（xiàn）場（chǎng）在（zài）製品的統（tǒng）計、作業時間的分析（xī）、零件質量過程的追溯等（děng）十分必要（yào）。
目前，對（duì）於機床在線零件識別技術，國內外主要是通過（guò）圖像（xiàng）識別（bié）或RFID射頻技術來實現，通過在機床上安（ān）裝視頻設備或RFID讀取設備（bèi），對零件進行識別。但兩種方法都需要安裝硬件設備，安裝維（wéi）護成本較高；而（ér）且當零件外形相似或加（jiā）工原材料時，會無法準確識（shí）別；另外，RFID標簽在零件加工過程（chéng）中（zhōng）會脫落，需要在加工完成後重（chóng）新粘貼。為能夠快速準（zhǔn）確地獲取機（jī）床加工零件信息，需要研究設計（jì）一套機床加工零件的識別係統，可以實現機床加工（gōng）零件的在線高效識別判斷，同時能（néng）夠實時獲得機（jī）床加工零件信息。

2    零件識別係統（tǒng）設計及數據流分析

（1）係統結構設計 數控機床零件識別係統按功能劃分，分為7個子模塊，即係統登（dēng）錄管理、機床綜合信息（xī）管理（lǐ）、機床網絡管理、機床程序庫、標準程序庫、程序對比分析和（hé）數據存儲。係統（tǒng）登錄管理包括登（dēng）錄驗證和登錄（lù）係統，機床綜合信息管理包括機床信息顯示和機床信息更新，機床網絡管理包括機床網絡開關和機床網絡異常處（chù）理，機床程序庫包括機（jī）床程序獲取（qǔ）激活和機床程序傳輸與保存，標準程序庫包括標準程序讀取激活（huó）和標準程序同步，程序對比分析包括程（chéng）序對比分析和程序遍曆，數據存儲包括（kuò）分析結果存儲和分析結果查詢。係統（tǒng）總體結構如圖1所示（shì）。
圖1 係統（tǒng）總體結構
（2）係統數據流程分析 係統總體數據（jù）輸入輸出（chū）如圖2頂層數（shù）據流所（suǒ）示。係統（tǒng）總體數（shù）據輸入包括數控機床信息、數控機（jī）床（chuáng）當前加工程序、MDC係統標準NC程序、MDC係統服務器信息以及（jí）對（duì）比分析參數；係統輸（shū）出的是對比分析結果。係統內部數據流程分析如圖（tú）3一層數據流所示，由4部分組成，包括機床程（chéng）序讀取模塊（kuài）向機床程序庫提供機床程序，標準程（chéng）序（xù）讀取模塊向標準程序庫提供標準程序數據，程序對比分析模塊從機床（chuáng）程序庫和標準程序庫獲取（qǔ）機床加工程序數據（jù）和標準程序（xù）數（shù）據，以及對比分析模塊向數據存儲（chǔ）模塊提供分析結（jié）果（guǒ）。對比分析模塊是係統核心模塊，其內部核心數據流如圖4二層數據流所示，對（duì）比分析模塊分為4個進程，包括機床（chuáng）加工程序分解（jiě）、標準程序庫程序遍曆與程（chéng）序選取、標準程序分解和指令單元對比分析。主要數據流包括機床加（jiā）工程序（xù）分解後向程（chéng）序分析（xī）模塊（kuài）提供（gòng）分解後的指（zhǐ）令單元，標準程序庫遍（biàn）曆程序後向分解程序提供標準程序文件，標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（shù）結（jié）果並輸出。

3    程序對比（bǐ）方法及識別算法

3.1 程（chéng）序（xù）對比分析（xī）
運（yùn）用標準程序庫和機床的在加工程序進行比對和識別，判斷（duàn）機床當前加工程序對應的標準程序庫中的程序以及（jí）這個程序對（duì）應的零件編號（hào），主（zhǔ）要對比方法是文件的（de）遍曆查找和正則表達（dá）式對（duì）比運算。
表1是（shì）常用的數控機床NC程序結構，主要由三部分組成，即程序頭、主程序和程序結尾。其中程序頭中包含了程（chéng）序名稱、路徑和機床等信（xìn）息，這些信息大部分為（wéi）注釋信息，對機床實際加工（gōng）沒有（yǒu）具體作用，並且可以（yǐ）隨意更改，不能作為零件識別（bié）的依據，因此在程（chéng）序對比識別中不包含程序頭部（bù）分。
表1 NC程序結構（gòu）
主程序部分是機床加（jiā）工零件（jiàn）的指（zhǐ）令（lìng）部分（fèn），包括對機床主軸轉速、刀具的運動、主軸的進給和床身的各（gè）軸（zhóu）向運動的指令。目前，數控加工程序編（biān）製都（dōu）是（shì）通過CAD/CAM自動編製的，每行程（chéng）序都帶有行號，如N1、N2、N3……Nn，通過行號建立（lì）程序內容（róng）索引，根據（jù）索引進行（háng）逐行比對。

標準程序庫內部存儲結構如圖6所示，包括4層：根目錄、機床節點、零件、程序（xù）節點。其中機床（chuáng）節點包含機床名稱信息，該節（jiē）點與實際機床也（yě）是一一對應關係（xì）；零件節點包含曆史加工的零件編號，此節（jiē）點下的程序節點是曆史加工的程序文件。

文（wén）本對比時，將機床加工程序庫中MachineN下ProgramN節點的程序文件，與標準程序庫中MachineN下（xià）Program1~N節點的所有程序文件進行遍曆對比，最終將文本相似度最高的標準程序庫（kù）中Program的父節點PartN的零件編號信息返回，其內容就是零件編號。
3.2 正則表達式對比算法（fǎ）設（shè）計（jì）
正則表達式可匹（pǐ）配一組滿足要求的精（jīng）確字符（fú）串，而不僅是單條精確字符串（chuàn）。因（yīn）此運用（yòng）正則表達式對數控機床NC程序進行識別，可以實現準確（què）判斷。
數控機床NC程序是運用G代碼（mǎ）編寫的，其語（yǔ）法特點是每個指令都是由字母和數字組成，根據G代碼程序特點，將NC程序主程序部分按照行號分（fèn）成n行，將每一行按照指令（代碼+數字）分成u個（gè）單元。將標準程序的（de）n行與機床（chuáng）加工程序的n行的u個指令單元進行逐一對比，每行中（zhōng）有d個不匹配單（dān）元，從第一行開始，到最後一行（háng）結束，得到最終的相似度S，具體算法如下

按照標準（zhǔn）程序庫索引（yǐn）完成比對計算後（hòu），得到若幹個相似度（dù）S，取最大值SMAX，此時SMAX所對應的程序（xù）並不能（néng）完全（quán）確定與機床加工程序（xù）是同一零件的加工程序，隻能表明是（shì）標準程序庫所有（yǒu）程序（xù）中最接（jiē）近機（jī）床加工程（chéng）序的。假設標（biāo）準程序庫中沒有與機床加工程序一致的程序，SMAX對應的程序雖然是（shì）最接（jiē）近機床加工程序的，但不應被認定為是機床在加工
零件所用的程序，更不能將標準程序庫中此程序對應的零件編號作為比（bǐ）對結果進行反饋。為了避免此類錯誤情況（kuàng），係統設計增加驗證機製，經過大量實驗，對於完全不同零件的（de）程序比對結果，其相似度S總會低於50%，因此當相似度值S＜50%時，係統將判定為無（wú）效值，並（bìng）擴大比對範（fàn）圍或終止比對計（jì）算。正則表達式對程序行號識別：程序（xù）行（háng）號標準寫法為大寫（xiě）N與數字序號組合，使用正則表達式識別方案時，首先判斷每行首字符是否是N，其正則（zé）表達式（shì）為（wéi）^N，如果結果為真，則繼續判斷（duàn）N後字（zì）符是否為數（shù）字，如（rú）果結果仍為真，則繼（jì）續判斷下一字符是否為數（shù）字（zì），直到（dào）判斷字（zì）符不是數字為（wéi）止，q2為接受狀態。行號識別用有窮自動機表達，如（rú）圖7所示。圖7 行號識別
正則表（biǎo）達式（shì）對指令單元的識（shí）別：NC程序是（shì）由G代碼、M代碼、F代碼（mǎ）、D代碼（mǎ）、I代碼（mǎ）、J代碼、K代（dài）碼、L代碼、S代碼、Y代碼、X代碼、Y代碼及Z代碼等編寫，基本規（guī）則都是（shì）指（zhǐ）令代碼（mǎ）與數字組合，運用正則表達式先判（pàn）斷指令代碼再判斷數字。指令單元（yuán）識別用自動機表達，如圖8所示。
圖8 指令（lìng）單元識別

4    係統開發及性能分（fèn）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（zé）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，運行環境要求Windows7以（yǐ）上版本，數據（jù）庫使用ORACLE10G版本。

通過（guò）測試零件在線識別係統，證明其可以實現對物聯網機床當前加工零（líng）件的在線識別。對於（yú）標準（zhǔn）程序庫和機床加工程序庫（kù）中記錄的程序，零件識別率（lǜ）可以實現100%。分析係統運行性能，由於（yú）係統主要采用的是異步多線程結構，對每台機床單獨建立線程，線程（chéng）間相互獨立，互不影響，所（suǒ）以可以確保係統的整體性能。單台機床程序識別（bié）響應時間受實際程（chéng）序行數影響，平均在5s左右，由於機床更換數控程序周期取決於零件加工周期，而零件加工（gōng）周期最少在30min以上，所以5s響應時（shí）間對係（xì）統不造成（chéng）影響。