基于Web的三维图形化显示在数控机床故障诊断中的应用.pdf

l lI8 地 基于We b 的三维图形化显示在数控机床 故障诊断中的应用 The appl i cat i on o f 3D gr aphi c di spl ay of CNC m achi ne f aul t di agnosi s based on t he W eb 王家海 ，张燕青 V V ANG J i a ． h a i ． ZHANG Ya n q i n g 同济大学 机械与能源工程学院，上海 2 O l 8 0 4 摘要本文针对基于We b 的三维图形化显示在数控机床故障诊断中的应用提出了一种解决思路。本文 介绍了在． N e t 编程环境下，借助于第三方O P e n G L 库，通过对三维格式文件的分析和理解 ， 通过编写函数集以读取和调用三维模型文件 ，最终显示三维模型。并在此基础上标记故障零 件。最后封装成为A c t l v e X 控件 ，供We b 使用。数控机床故障诊断的三维图形化显示使客户能 够清楚的了解故障位置及故障零件，以便于快速维修，减少因机床故障而产生的损失。 关键词O p e n GL ；图形化显示；A c t i v e X 中豳分类号T P2 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 3 下 一0 0 1 9 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 5 0 引言 随着工厂 自动化程度的提高 ， 数控机床已经成 生产线上的关键设备， 如果 出现故障但维修不及时， 往往会波及到 整个生产过程， 长时间停机将会造成 巨大的经济损失u 。数控机床结构复杂。出现故障 可能涉及 的因素有很 多，故障产 生的原因也比较 复杂 ，涉及 多个学科 ，对设备维 修维护人员的技 术要求高 ，因此加大 了故障 的及 时诊断与维修困 难性 。因此如何在数控机床发生故障之后 ，高速 有效 的对数控机床 进行诊 断和故障排除 ，是一个 很好的研究方向，具有实用意义 。 故障诊断专家系统有机结合故障诊断方面的多 位专家知识、经验、推理和综合技能 。它可以利 用计算机系统帮助人们分析解决 只能用语言描述 、 思维推理 的复杂问题 ，扩展计算机系统原有的工作 范围，使计算机系统有了思维能力，能够与决策者 进行 “ 对话”，并应用推理方式提供决策建议H 。 由于 网络技 术的高速发展 ，故 障诊 断专家 系 统发展趋势是向We b 发展 。基于We b 系统有效地 适应 了当前用户 的新需 求。 目前 一些故障诊断 系 统的诊断结 果图形 化显示有基于We b 的二维 的图 片显示 ，有基于Wi n F o r m的三维图形化显示 。基 于We b 的三维图形化显示研 究较 少 。本文提 出了 一 种基于We b 的三维 图形化显示 在数控机床故障 诊断中的应用的设计思路 。 1 设计思路 数 控机床故障诊断 系统 由有经验 的工程 师或 维修人 员进行规则或案例 、诊断结果 包括故障 位置或故 障零件的标记和故障排除的方案 等的 录入 。而 对于客户 ，则只需提交故障文件，经过 专家 系统诊 断，就能得 到诊 断结果，帮助客户或 维修人 员能够高速有效的进行故障排 除，减少因 机床故障 而产生的损 失。诊断结果的三 维图形化 显示，要求具有很好的人性化 。设计的目标为 1 显示三维零件和必要的一些辅助说 明； 2 三维零件能够多角度的观察及放大缩小； 3 三维零件视觉效果要求好 ，具有真实感； 4 三维零件 的故障位置要求清楚； 5 人机交互方式较为方便。 在分析设 计 目标后 ，发现使 用Op e n GL 的3 D 引擎和数据库 ，能够较好 的完成 。本设计思路是 基于C 和使用第三方库T a o 框架下O p e n G L来完成 的 ，且读取的是0b j 格式的三维模型和Mt l 材质文 件。设计思路如下 1 三维模型文件分析。读取Mt l 和0b j 文件的 信息，获取三维模型的材质信息和几何信息； 2 初始化Op e n GL的设置 ，包括视 图大小 、 背景颜色等 ，光照等； 3 绘制三维模型 4 根据获得 的信息生成装配树； 收稿日期2 0 1 3 -I 1 - 0 5 作者简介王家海 1 9 6 4 一 ，男，安徽肥东人，副教授，工学博士，研究方向为网络化制造及相关技术，制造系统集 成与 自动化，C AD ／ C AP P ／ C AM集成。 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 0 3 下 [ 1 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 似 5 人机交互性设计，包括旋转，放大缩小，零 件的标记，零件的显示与隐藏，数据库的交互等； 6 封装成Ac t i v e X控件； 7 在We b 上调用。 2 三维模型文件的分析 因为 目前还没有软件能够导出C ≠ } 直接能够调 用 的三维模型文件 ，所以当我们需要调用三维模 型文件时 ，必须对三维模型 的文件进行分析 ，这 样才能帮助我们更好的编写 函数来读取三维模型 的数据 ，进而更方便 的绘制三维模型。本论文研 究使用的三维模型文件是O b j ． ． 维模型格式和Mt l 材质模型格式 。 2 ． 1 Mt l 材质文件的分析 Ma t r i x T e mp l a t e L i b r a r y MT L 是材质库文件， 描述的物体 的材 质信息 。一个 ． mt l 文件可 以包含 一 个或者多个 材质的定义 ，对 于每个材 质都有其 颜色，纹理和反射贴图的描述 ，应用于物体 的顶 点及表面 。材质库 中包含材质的漫射 d i f f u s e ，环 境 a mb i e n t ，光泽 s p e c u l a r 的R GB 红绿蓝 的定义 值 ，以及反射 s p e c u l a r i t y ，折射 r e f r a c t i o n ，透明度 t r a n s p a r e n c y 等其它特征。典型的材质结构如下 1 n e w mt l my mt l 一 1 ／ ／ 定义新材料名称 2 材质颜色光照定义 3 纹理贴图定义 4 反射贴图定义 5n e wmt l my mt l 一 2 6 材质颜色光照定义 7 纹理贴图定义 8 ， 反射贴图定义 9、 一 般的机械零件用到的有材料名称定义和材 料光照定义，纹理贴图定义和反射贴图定义一般为 空。机械零件Mt l 文件常用数据的解析如表1 所示。 表1 机械零件Mt l 文件常用数据的解析 英文名 说 明 实例 n e wmt l 定义 新材料 n e wmt l Ma t e r i a l 1 定义环境反射，颜色可 K a O ． 1 1 7 6 4 7 0 ． 1 1 7 6 4 7 K a 以用R GB 表示 0 ． 1 1 7 6 4 7 定义漫反射，颜色用 K d K d 1 l 0 R GB 来表示 定义镜反射，颜色用 K s 0 ．7 5 2 9 4 1 0 ．7 5 2 9 4 1 Ks R GB 来表示 0 ．7 5 2 9 4 1 指定材质的光照模型 i l i u m i l i u m 2 0 - 1 0 指定材质的反射指数 Ns Ns 8 0 1 0 0 0 [ 2 0 1 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 - 0 3 下 结合Op e n GL的 函数库 ，可 以方便 的渲 染零 件 。 2 ． 2 Ob j 三维模型文件的分析 Ob j 文件是Al i a s l Wa v e f r o n t 公司为它的一 套 基于 工作站 的3 D建模 和动 画软 件” Ad v a n c e d , V i s u a l i z e r ” 开发的一种标准3 D模型文件格式 ，现在 已发展成为一种通用的3 D模型标准格式 ，很适合 用于3 D软件构建模型文件之间的互相导入。 机械零件典型的ob j 的格式如下 1 mt l l i b mo d e l 1 ． mt l 2 样o b j e c t mo d e l l _ _ g r 0 3 g mo de l 1 _gr 0 4v一 1 ． 5 0 0 0 0- 2 6 ． 8 0 0 0 0 4 1 ． 0 0 0 0 0 5v一 1 ． 5 0 0 0 0 2 2 ． 7 9 9 9 0 4 0 ． 0 0 0 0 0 6 ⋯ 7v t 0 ． 0 0 0 0 0 1 ． 0 0 0 0 0 8v t 1 ． 0 0 0 0 0 0 ． 0 0 0 0 0 9 ⋯ 1 0v n一 1 ． 0 0 0 0 0 0 ． 0 0 0 0 0 0 ．0 0 0 0 0 1 1 v n 0． 0 0 00 0一 1 ． 0 00 0 0 0． 0 0 0 00 1 2 ⋯ 1 3 u s e mt l Ma t e r i a l 1 1 4 f 1 ／ 1 ／ 1 2 ／ 2 ／ 1 3 ／ 3 ／ 1 1 5 、 t 2 | 2 ／ 1 1 ／ 1 ／ 1 4 | 4 } l 1 6 ⋯ 机械零件ob j 文件常用数据的解析的解释如表 2 N示。 表2 机械零件oN文件常用数据的解析 英文名 解释 mt l i b 指定材料文件 o b j e c t 零件名称，一般可以不需要读取 g 组名称，在机械装配体中可以认为单个零件 V 顶点坐标信息 x ， Y ， z v t 贴图坐标点信息 u ， v V n 顶点法线信息 x ， Y ， Z u s e mt l 材质信息，对应材质库文件里的n e wmt l 面信息，例f 1 ／ 1 ／ 1 2 ／ 2 ／ 1 3 ／ 3 ／ 1 ，有3 组数据，每组 数据第一个斜杠前数字表示顶点，3 组数据表示 f 由这3 个点构成的三角形面第二个斜杠前的数 字表示纹理；第二个斜杠后的数字表示顶点法线 结合O p e n G L 的函数库 ，可 以方便 的绘制三维 零件 。 3 三维模型文件的绘制 通过 解析 了Mt l 材质 文件 和Ob j 三 维模 型文 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 续 表 3 3 结束语 由表可得到实际的健 康状 态和预 测得到 的健 康状态基本是一致的，重合率为几乎为9 0 ％。所以 表明该训练好的B P 神经网络模型具有较好的预 测 能力，结果较为可信。 在综采 自动化中推广和应用故障预测与健康 管理 设备是一个必然的进程 。而采煤机 在综采 自 动化 中占有很高 的地位 ，对采煤机 进行故 障预 测 与健康管理可 以很好的提高维修质量，从 而提高 综采工作面的安全性和效率。 参考文献 【 1 ]张田． 采煤机故障诊断决策支持系统的设计分析[ J ] ． 中国 科技信息， 2 0 1 1 ， 2 4 1 0 9 ． 【 2 】吴建生， 虞继敏． 多层前向神经网络及其研究【 J ] ． 柳州师 专学报， 2 0 0 6 ， 0 3 8 8 9 5 ． 【 3 ]衣英刚， 霍志成， 常明． 基于B P 神经网络知识的故障诊断 系统研究【 A】 ． 吉林省科学技术协会． 创新驱动， 加快战略 性新兴产业发展吉林省第七届科学技术学术年会 论文集 上【 c 】 ． 吉林省科学技术协会， 2 0 1 2 2 ． 【 4 】Ab u E l a n i e n ，S a l a ma ， I b r a h i m． De t e r mi n a t i o n o f t r a n s f o r m e r h e a l t h c o n d i t i o n u s i n g a r t i f i c i a l n e ur a l n e t wo r k s ． I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n I n n o v a t i o n s i n I n t e l l i g e n t S y s t e ms a n d Ap p l i c a t i o n s I NI S TA 2 0 1 1 ， 2 01 1 ． 岛‘ {＆ 妇j矗‘ 蠡‘ 盘‘ 岛I ． {盘 蠡‘ 蠡‘ 盎I 岛‘ {国‘ 矗‘ 蠡I {矗‘ 童I 盘‘ 童} 盘‘ 岛‘ {函● {盎‘ 【 上接第2 1 页】 1 0 5 F E 7 6 8一A F 0 E - 4 E 1 F A 8 0 42 8 DF26 6 E8 2 E” c o d e b a s e ” 3 D． c a b v e r s i o n 1 ， 0 ， 1 ， l ” 其 中 c l a s s i d 为封装Ac t i v e X的g u i d 值； 3 D． c a b 为封装之后的控件； Ve r s i o n l ， 0 ， 1 ， 1 为控件的版本号。 6 结束语 本 文提 出了一种基 于We b 的三维图形化显示 在数控机床故障诊断 中的应用的设计 思路 。在分 析mt l 材质文件 和0b j 文件 后， 自定义一些 函数来 读取三维模型的数据，通过O p e n G L 的函数来绘制 三维模型 ，采用人机交互模式标记故障零件 ，结 合数据库技术与故障诊断专家 系统 的技术 ，能有 效高速的显示故障零件 的位置。封装成A c t i v e X控 I 3 4 1 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 - 0 3 下 件，在We b 上调用，可以直接在We b 上显示，辅助 维修人员快速维修数控机床 ，减少了因数控机床 故障而产生的损失。 参考文献 [ 1 ]姜秀华． 制造系统数控机床故障处理技术研究[ J 1 ． 制造业 自动化 ， 2 0 1 l ， 3 3 1 2 3 0 3 2 ． 【 2 】杨曾芳， 吕希胜． 基于故障树的数控机床故障诊断系统 [ J ] ． 科技创新导报， 2 0 1 2 ， 1 8 6 8 6 9 ． 【 3 】3 蔡 自兴， D u r k i n J ， 龚涛 ． 高级专家 系统 原理 、设 计及应用 【 M】 ． 北京 科学出版社， 2 0 0 6 ． 【 4 】Di Ce r b o F， Do d e r o G， P a p a l e o L． I n t e g r a t i n g a We b 3 D i n t e r f a c e i n t o a n e l e a r n i n g p l a t f o r m[ C ] ．P r o c e e d i n g s o f t h e 1 5 t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n W e b 3 D T e c h n o l o g y ACM． 2 0 1 0 8 3 9 2 ． [ 5 J张煜东， 吴乐南， 奚吉， 等． 进化计算研究现状 上 【 J ] ． 电 脑开发与应用， 2 0 0 9 ， 2 2 1 2 1 5 ． 【 6 】C h i t t a r o L ， R a n o n R． We b 3 D t e c h n o l o g i e s i n l e a r n i n g ， e d u c t i o n a n d t r a i n i n g Mo t i v a t i o n s ， i s s u e s ， o p p o n u n i t i e s [ J 】 ． C o mp u t e r s E d u c a t i o n ， 2 0 0 7 ， 4 9 1 3 1 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m