第十一屆全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會學(xué)術(shù)論文

推薦意見表學(xué)術(shù)論文題目一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電火花線切割機床遠(yuǎn)程監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)項目名稱往復(fù)走絲電火花線切割機床的無人值守與遠(yuǎn)程監(jiān)控作者姓名鄒逸君、湯維磊、蔡宇、許悅、殷盈項目編號201710287038已獲資助金額20000元立項時間2017年04月項目成員鄒逸君、蔡宇、許悅、殷盈指導(dǎo)教師邱明波論文是否正式發(fā)表過 是 刊號(ISSN) 1009-279X期刊名稱電加工與模具期刊期次2018(1)中央部委所屬高校名或省份名：南京航空航天大學(xué)學(xué)科類別：工學(xué)論文摘要:為了解決往復(fù)走絲電火花線切割機床長時間工作時需操作人員在附近值守的問題，通過對單片機和ECS云服務(wù)器的研究與運用，基于工控計算機控制的電火花線切割機床，開發(fā)了一款遠(yuǎn)程監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)，并對新系統(tǒng)未來的發(fā)展和應(yīng)用提出了幾點思考。該系統(tǒng)與移動終端APP互聯(lián)，具有遠(yuǎn)程報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程授權(quán)功能，其目的是減輕操作人員的勞年會專家組評審意見:專家簽名：年月日注：學(xué)科類別請按工學(xué)、理學(xué).農(nóng)學(xué).醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、管理學(xué)、法學(xué).哲學(xué)、教育學(xué).文學(xué).歷史學(xué).藝術(shù)學(xué)、軍事學(xué)等學(xué)科分類一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電火花線切割機床遠(yuǎn)程

監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)南京航空航天大學(xué)鄒逸君1，湯維磊2，蔡宇1，許悅1，殷盈3（1．南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院機械制造及其自動化系，江蘇省南京市210016；

2．金陵科技學(xué)院軟件工程學(xué)院，江蘇省南京市211169;3.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系，江蘇省南京市211106）（）（《電加工與模具》2018（1））指導(dǎo)老師：邱明波副教授中文摘要：為了解決往復(fù)走絲電火花線切割機床長時間工作時需操作人員在附近值守的問題，通過對單片機和ECS云服務(wù)器的研究與運用，基于工控計算機控制的電火花線切割機床，開發(fā)了一款遠(yuǎn)程監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)，并對新系統(tǒng)未來的發(fā)展和應(yīng)用提出了幾點思考。該系統(tǒng)與移動終端APP互聯(lián)，具有遠(yuǎn)程報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程授權(quán)功能，其目的是減輕操作人員的勞動強度和提高加工過程的實時控制能力。英文摘要：TimesNewRomanInordertosolvetheunattendedsituationthatwhenreciprocatingtravelingWEDMtoworklonghours，operatorsneedtobenearby，throughthestudyandapplicationoftheSCM，ECScloudserverandWEDMbasedonIndustrialPC，weempolderaremotemonitoringmanagerialauthorizedsystem，alsoputforwardsomethoughtsonthefuturedevelopmentandapplicationofthisnewsystem.ThissystemisconnectedwithmobileterminalAPP，whichhasfunctionalitiesofremotealarm，monitoringandauthorization.Thepurposeistoalleviateworkingintensionofoperatorsandtoimprovereal-timecontrolcapabilityoftheartifactitiousprocess.關(guān)鍵詞：往復(fù)走絲電火花線切割加工；物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控管理國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃支持項目（201710287038）作者簡介：鄒逸君（1997-），男，江蘇宜興人，機械工程專業(yè)，大三本科生，主要從事電火花加工技術(shù)與設(shè)備等研究，現(xiàn)于美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校交流學(xué)習(xí)。電火花線切割技術(shù)可用于加工精密、復(fù)雜、不規(guī)則形狀、難加工導(dǎo)電材料［1］，其中，由我國首創(chuàng)的往復(fù)走絲電火花線切割機床的運行成本低、切割厚度大，其市場應(yīng)用前景巨大［2］。在往復(fù)走絲電火花線切割機床工作時，由于電極絲磨損或加工參數(shù)選擇不當(dāng)，常會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，且斷絲后會因手動穿絲慢甚至無人響應(yīng)而導(dǎo)致加工效率降低，因此在采用往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)進行長時間連續(xù)工作時，一般需操作人員在附近值守。針對上述問題，本文通過對單片機和ECS云服務(wù)器的研究與運用，基于工控計算機控制的電火花線切割機床，開發(fā)了一款遠(yuǎn)程監(jiān)控管理授權(quán)系統(tǒng)，不僅能減輕操作人員的勞動強度，還能增強加工過程的實時控制能力。使用本系統(tǒng)后，操作人員不但可在移動APP中監(jiān)控機床即時運行的基本參數(shù)，還可遠(yuǎn)程控制機床，實施緊急停機；車間或?qū)嶒炇夜芾砣藛T甚至可對機床進行遠(yuǎn)程授權(quán)，管理機床的使用情況及開放其使用權(quán)限。通過對本系統(tǒng)做小幅個性化修改，還可遠(yuǎn)程監(jiān)控同類機床的其他參數(shù)。一、系統(tǒng)檢測原理在設(shè)計系統(tǒng)時，選擇了斷絲信號、放電概率、水箱水位和環(huán)境溫度四個參數(shù)作為默認(rèn)值。為了更準(zhǔn)確地獲取上述參數(shù)，有針對性地選擇了對應(yīng)的檢測方法。（一）斷絲檢測斷絲檢測方法是基于電火花線切割機床斷絲保護功能的思路得到，其原理見圖1。斷絲保護功能由一個繼電器實現(xiàn)，直流電通過機床絲架上的兩個導(dǎo)電塊與鉬絲電極接觸，并與繼電器連接構(gòu)成閉合回路，且繼電器的觸點開關(guān)連在機床控制電路內(nèi)，當(dāng)斷絲發(fā)生時，繼電器會立刻失電，切斷控制電路，機床停止工作。在上述回路中再增加一個繼電器，并將該繼電器的觸點開關(guān)連在單片機外圍電路中，同時增加一個可調(diào)電阻。當(dāng)可調(diào)電阻的阻值增大至斷絲發(fā)生時，兩個繼電器將同時失電，而單片機引腳將由高電平轉(zhuǎn)為低電平，通過檢測引腳的電平變化，可判斷是否發(fā)生斷絲。圖1斷絲檢測原理示意圖（二）放電概率檢測放電概率檢測系統(tǒng)配備09型智能脈沖電源，其檢測裝置及原理示意見圖2。當(dāng)檢測到短路時，電源自動切斷脈沖輸出，減小短路電流。通過隨機截取100個放電脈沖，檢測到有效放電脈沖利用率。結(jié)果表明，隨著加工過程中工作液的循環(huán)和損耗，有效脈沖利用率逐步降低。圖2放電概率檢測裝置原理圖加工時，從脈沖電源正極經(jīng)取樣電路獲得電流信號，從導(dǎo)電塊和工作臺之間經(jīng)取樣電路獲得電壓信號經(jīng)信號處理后可得到電流脈沖概率或無脈沖電流概率。基于智能電源的特性，可通過檢測相應(yīng)的電流脈沖概率或無脈沖電流概率在整個取樣時間內(nèi)占總脈沖的百分比來表征放電加工狀況。實驗結(jié)果表明，電流脈沖概率小于70%時，切割效率降低，加工表面質(zhì)量變差，即可認(rèn)為工作狀態(tài)不正常。（三）水箱水位檢測電火花線切割機床的工作液無論是乳化油還是復(fù)合工作液，都具有輕微腐蝕性。因此可采用超聲波傳感器測量水位，避免傳感器與工作液直接接觸。如圖3所示，當(dāng)置于水箱頂部的換能器向液面發(fā)射聲波脈沖并經(jīng)t時間后，換能器接收到回波。設(shè)換能器到液面的距離為hi,聲速為v,貝y：h1=vt/2 （1）設(shè)換能器到水箱底部的距離為h2，則被測水位為：H=h2-hi （2）圖3超聲波傳感器水位檢測原理圖（四）環(huán)境溫度檢測采用DSi8B20單線數(shù)字溫度傳感器芯片檢測環(huán)境溫度。與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，該類型芯片可將被測溫度直接轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，與單片機引腳相連。二、系統(tǒng)硬件體系設(shè)計實驗搭建的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理授權(quán)平臺由STC單片機、繼電器陣列、傳感器、3G-DTU模塊、ECS云端服務(wù)器和移動終端APP組成，并以單片機和繼電器、傳感器構(gòu)成的外圍電路作為下位機，以3G-DTU模塊作為上位機。在信號上行時，采用一路繼電器作為斷絲信號采集，將通過并行方式與單片機相連的放電概率檢測系統(tǒng)作為放電概率采集，將分別通過串行方式與單片機相連的超聲波傳感器和DSi8B20芯片作為水位信號采集，由單片機整合上述信號并生成了一組字符串，通過單片機串口線定時發(fā)出，通過串口傳輸至3G-DTU模塊，而3G-DTU模塊每次接收到字符串后將其通過3G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程上傳至云端服務(wù)器，供軟件系統(tǒng)調(diào)用。在信號下行時，當(dāng)云端服務(wù)器得到軟件系統(tǒng)發(fā)送的緊急停機或授權(quán)信號后，生成指定字符串發(fā)送至3G-DTU模塊，再通過串口傳輸至單片機，而單片機根據(jù)其串口線引腳得到的信號指令作出相應(yīng)的判斷。若云端服務(wù)器得到緊急停機信號并生成字符“1”，單片機就要相應(yīng)地通過改變引腳高低電平控制來控制1號繼電器，使該繼電器的觸點開關(guān)串聯(lián)在機床或控制柜的緊急信號端口處；若云端服務(wù)器得到授權(quán)信號并生成字符“2”，單片機貝要相應(yīng)地控制2號繼電器，使該繼電器的觸點開關(guān)串聯(lián)在機床總電源上。實驗從機床的安全性和使用壽命考慮，對單片機程序進行了設(shè)置，不允許在機床啟動后“取消授權(quán)”。三、系統(tǒng)軟件體系設(shè)計軟件系統(tǒng)是電火花線切割遠(yuǎn)程監(jiān)控授權(quán)管理平臺的重要組成部分，承擔(dān)了管理控制多臺機床、集中數(shù)據(jù)處理及監(jiān)控、控制數(shù)據(jù)交換的任務(wù)。針對機床所要實現(xiàn)的功能，監(jiān)控軟件由數(shù)據(jù)庫、云端服務(wù)器和移動端構(gòu)成。其中，云端服務(wù)器作為中間支撐層會接收機床的傳輸芯片傳送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行有效性判定，還會接收移動端的請求，并向移動端發(fā)送對應(yīng)的指令及響應(yīng)請求；移動端有管理員和普通用戶兩種模式，分別滿足對應(yīng)用戶的需求。（一）數(shù)據(jù)庫層機床在運行中會產(chǎn)生大量如開關(guān)通斷信號量、水位、溫度、可靠度的動態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)控軟件需實時采集這些數(shù)據(jù)，并將其提供給服務(wù)器和移動端，因此需建立數(shù)據(jù)庫以存儲數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)變化頻率快，在運用數(shù)據(jù)時只要求實時提取，無需對數(shù)據(jù)做復(fù)雜處理，但考慮到實際應(yīng)用中有可能在進行維護時需提取舊數(shù)據(jù)，故在服務(wù)器上內(nèi)置了MySQL外接數(shù)據(jù)庫，易于存儲數(shù)據(jù)的管理、查找、提取及備份，且數(shù)據(jù)不易丟失。此外，數(shù)據(jù)庫中的操作語句采用事物模式，保證在多個線程訪問數(shù)據(jù)庫時，不會因一次性執(zhí)行多次操作而造成數(shù)據(jù)混亂。數(shù)據(jù)庫主要由兩張表構(gòu)成，一張為機床信息記錄表，用于存儲機床通信模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)；另一張為用戶信息表，用于存儲用戶名、登陸密碼及用戶級別信息，其中用戶級別包括管理員、普通用戶兩種身份。（二） 服務(wù)器端云端服務(wù)器能保證服務(wù)器24小時不間斷運行，且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫烁踩⒎奖?，減少了自建服務(wù)器所需的硬件費用。服務(wù)器端采用Socket通信，在服務(wù)器端開啟特定的端口，客戶端通過IP和端口號與服務(wù)器建立Socket連接，再通過Java內(nèi)置的方法用流進行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器端接收客戶端傳遞來的數(shù)據(jù)，先判斷其是否為有效數(shù)據(jù)，再將有效數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，會在移動端發(fā)送請求時調(diào)出數(shù)據(jù)庫表中的最后5條記錄，以保證數(shù)據(jù)的時效性。服務(wù)器采用多線程模式，即使有多個終端同時訪問也不會出現(xiàn)混亂。為了減少端口的使用，服務(wù)器內(nèi)部只開一個端口，并在服務(wù)器內(nèi)部內(nèi)設(shè)指令判斷訪問者是客戶端或移動端，而客戶端和移動端通過發(fā)送各自對應(yīng)的指令來實現(xiàn)對服務(wù)器的請求。（三） 移動端移動端通過Android代碼實現(xiàn)，與服務(wù)器建立Socket連接并發(fā)送特定的Android請求，使服務(wù)器判定其為Android設(shè)備，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。移動端分別設(shè)管理員、普通用戶兩種模式。管理員模式設(shè)有3個按鈕，通過Sendrequest按鈕可發(fā)送特定的指令以獲取服務(wù)器端內(nèi)存中所存取的數(shù)據(jù)，并在UI界面顯示出來；通過Stopl按鈕向服務(wù)器發(fā)送Stopl命令，即可控制機床上繼電器1的開關(guān)；通過Stop2按鈕向服務(wù)器發(fā)送Stop2命令，即可控制機床上繼電器2的開關(guān)，以滿足管理員管理設(shè)備的需求。普通用戶模式只設(shè)有第一個按鈕，以滿足普通用戶監(jiān)測的需求。此外，普通用戶可通過注冊界面進行注冊，管理員則無需注冊。四、實驗驗證利用DK7732型“中走絲”電火花線切割機床，分別對斷絲信號、放電概率、水位信號、環(huán)境溫度、繼電器陣列控制進行實驗驗證。（一） 斷絲信號由于斷絲是不可逆過程，所以當(dāng)機床發(fā)生斷絲后，相應(yīng)的繼電器閉合，單片機P3人4引腳由高電平變成低電平，上行信號字符串中原先的“ON”變成“OFF”，App相應(yīng)位置顯示的信息也變成“OFF”，移動終端設(shè)備的消息欄將提醒用戶機床發(fā)生了故障。（二） 放電概率放電概率檢測系統(tǒng)通過并行方式連接，不斷地將電流脈沖概率的數(shù)值輸入單片機P1口。上行信號字符串中的放電概率對應(yīng)數(shù)值及App相應(yīng)位置顯示的信息都會發(fā)生改變。當(dāng)放電概率數(shù)值小于70%時，移動終端設(shè)備的消息欄將提醒用戶機床工作狀態(tài)欠佳。（三） 水位信號超聲波傳感器采用串行方式連接，單片機P3人2引腳接收來自超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，并經(jīng)程序計算得到水箱水位值H。上行信號字符串中的水位對應(yīng)數(shù)值和APP相應(yīng)位置顯示的信息都會發(fā)生改變。環(huán)境溫度DS18B20芯片通過串行方式連接，單片機P2八2引腳接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)程序計算得到機床當(dāng)前工作環(huán)境溫度值T。上行信號的字符串中的環(huán)境溫度對應(yīng)數(shù)值和App相應(yīng)位置顯示的信息都會發(fā)生改變。繼電器陣列控制管理員在移動終端App上點擊“授權(quán)啟動”按鈕，繼電器2的觸點開關(guān)閉合，機床總電源啟動。當(dāng)機床運行時，管理員或普通用戶在移動終端App上點擊“緊急停機”按鈕，繼電器1的觸點開關(guān)閉合，機床控制柜觸發(fā)緊急停機信號，機床停止運行。五、結(jié)束語本文根據(jù)電火花線切割機床遠(yuǎn)程系統(tǒng)的總體方案、系統(tǒng)架構(gòu)、監(jiān)控管理授權(quán)方式，提出了運行于云端服務(wù)器的整體系統(tǒng)設(shè)計方案。同時提出的基于物聯(lián)網(wǎng)