（光学工程专业论文）大功率激光加工系统远程监控的设计和实现.pdf

摘要 摘要 激光加工系统由激光器，光路系统及加工机三个部份组成，是一套包含以软 件系统通过p c l 控制硬件设备、拥有大量应用软件和众多精密器件的加工系统。 基于大功率激光加工系统的远程监控软件为了解决激光加工系统远程控制的问 题编写，该软件针对传统激光加工系统中存在维护人员无法在远端得到激光加工 系统的运行状况、无法得到激光加工系统等不足，结合远程监控技术在工业、制 造业、教育业的应用经验提出了一种全新的激光加工系统远程维护的设计理念。 本文首先分析了传统激光加工系统的应用现状，发现传统激光加工系统虽然 能够稳定、快捷的完成加工操作，但对于自身的维护，只能采取专业人员到激光 加工系统所在地的单一维护方式。本文详尽的分析了产生这些不足的根本原因， 从系统内部挖掘出维护人员对激光加工系统维护的需求所在，在此基础上结合理 论技术和需求，根据种类的差异划分了不同功能模块。最后我们通过研究国内外 远程控制技术的成果和经验基础，提出了一种全新的激光加工系统远程控制的解 决方案，详细研究了整体架构、核心构架和软件实现关键问题，并用j a v a 语言予 以实现。 在该软件系统中，我们为了确保满足维护人员和用户双方的需求，一共设计 了四个功能模块：远程监视模块、数据控制模块、视频模块和远程对话模块。其 中，远程监视模块解决了维护人员不能远端查看激光加工系统运行状况的不足； 数据控制模块提供了激光加工系统的当前加工数据和历史数据；视频模块通过图 像帮助维护人员查看激光加工系统运行状况；远程对话模块确保了维护人员和用 户之间的及时沟通。通过这些功能模块，本软件基本满足了双方的需求。 激光加工系统中的远程控制方向是以后激光加工系统发展的一个重要方向， 它能够有力的弥补激光加工系统在维护方面的不足，避免了增加费用开支和由于 等待维护人员时间延长的损失，使维护人员在任何时间、任何地点都可以对激光 加工系统进行实时、高效、快捷的远程维护。 关键字：远程监控；激光加工系统；j a v a ；s o c k e t ；j m f a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e rp r o c e s ss y s t e mi sas e to f p r o c e s ss y s t e mb a s e do nt h r e e c o m p o n e n t s ：l a s e r 、l i g h ts y s t e m 、p r o c e s sm a c h i n e ，w h i c hh a ss o f t w a r e s y s t e mb a s e do np l cc o n t r o l l i n gh a r d w a r ee q u i p m e n t 、h a v i n gm a n y a p p lic a tio ns o f t w a r ea n de x a c tit u d ea p p a r a t u s a n dr e m o t em o nit o ra n d c o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nh i g hp o w e rl a s e rp r o c e s ss y s t e misas e to fc o n t r a p o s i n gl a s e rp r o c e s ss y s t e m t h es o f t w a r er e s o l v er e q u i r e m e n t so fm e n d e r c a nn o tg e tc o n d iti o no fl a s e rp r o c e s ss y s t e ma tt h ep r e s e n tti m er e m o t e l y ， g e td a t as o u r c eo fl a s e rp r o c e s ss y s t e m ，s ow ea p p l yt e c h n o l o g ya n d e x p e r ie n c eo fr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o li ni n d u s t r y 、a g r i c u l t u r ea n d e d u c a t i o nt oa d v a n c ean e wi d e ai nl a s e rp r o c e s ss y s t e mm a i n t e n a n c e f i r s to fa 1 1 ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ec o n d i t i o no ft r a d i t i o n a ll a s e r p r o c e s ss y s t e m ，a l t h o u g hf i n di ta p p l i c a t i o ns t e a d i l ya n df a s t ，b u ta b o u t a m e n d i n gi ts e l f ，i th a v et oa s kf o rm e n d e rt oc o m et ot h el o c a t i o n s o t h ep a p e r a n a l y s e st h er e a s o n so ft h e s e1 i m i t a t i o n ，a n df i n df i n a l r e q u i r e m e n t so fm a i n t e n a n c ep e r s o n n e li nl a s e rp r o c e s ss y s t e m ，a n dw e c o n n e c tt h e o r ya n dt e c h n o l o g yt h e nd e s i g nf o u rm o d u l e sb yd i f f e r e n t f u n c t i o n t h r o u g ha c h i e v e m e n t sa n de x p e r i e n c eo fr e m o t em o n i t o ra n d c o n t r o lt e c h n o l o g yi nd o m e s t i ca n df o r e i g n ，w ed is c o v e ran e wr e m o t e m o n it o ra n d c o n t r o lm e t h o di nl a s e rp r o c e s ss y s t e m ，t h es c h e m eh a sa d e t a il e da b s o l u t ef r a m e ，c o r ef r a m ea n dp r o b l e m so fs o f t w a r ea p p li c a t i o n ， a tl a s tw eb u i l di tb yj a v a i nt h es y s t e m ， b a s e do nr e q u i r e m e n t so fm a i n t e n a n c ep e r s o n n e la n d u s e r ，w ed e s i g nf o u rf u n c t i o nm o d u l e s ：r e m o t em o n i t o rm o d u l e 、c o n t r o ld a t a m o d u l e 、v i d e om o d u l ea n dr e m o t ed i a l o gm o d u l e r e m o t em o n it o rm o d u l e s e t t l e sl a c k so fc h e c k i n gl a s e rp r o c e s ss y s t e ma p p li c a t i o ns t a t u si n r e m o t ep l a c e s ：c o n t r o ld a t am o d u l ec a nw a t c hc u r r e n ta n do l dd a t ai nl a s e r 北京工业大学工学硕士学位论文 p r o c e s ss y s t e m ：v i d e om o d u l eg i v e sm a i n t e n a n c ep e r s o n n e ls y s t e mp i c t u r e s f r o mc a m e r a ：r e m o t ed i a l o gm o d u l eh a sa na c t i o no fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m a i n t e n a n c ep e r s o n n e la n du s e r a tl a s ts o f t w a r es a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s t h r o u g ht h e s em o d u le s r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o li sa ni m p o r t a n td i r e c t o ri nl a s e rp r o c e s s s y s t e m ，itr e s o l v e sm a n yl a c k so fm a in t e n a n c ei nl a s e rp r o c e s ss y s t e m ， a n dd e c r e a s ee x p e n s ea n dt i m ew a i t i n gf o rm a i n t e n a n c ep e r s o n n e l ，t h a t m a k e sm a i n t e n a n c ep e r s o n n e lf i n dt h ep r o b l e m so fl a s e rp r o c e s ss y s t e mw i t h h i g h e f f i c i e n c ya n dr a p i d l yi na n y w h e r ea n da n yt i m e k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o l ：l a s e rp r o c e s ss y s t e m ：j a v a ：s o c k e t ： j m f i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 迦星尘2 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：翅一导师签名：幺碰了日期：丝坌型 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 大功率固体激光器远程控制的背景 1 1 1 大功率激光器背景介绍 激光是2 0 世纪人类的四大发明之一，目前已经广泛应用于工业、军事、教育 和生活中。2 1 世纪号称人类已经进入光电子时代，作为能量光电子的激光技术的 进一步广泛应用将极大地改变人类的生产和生活。激光) j h - r 技术实现了光学、机 械和电子术相结合，成为一种先进制造技术，目前正处于向传统制造技术中许多 工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、 方便实行数控和可以用来进行特殊加工，目前已经广泛应用于汽车、冶金、航空 航天、机械、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业、艺术品制作、 日常生活用品和工业用品制造等众多领域。用来进行打孔、切割、铣削、焊接、 刻蚀、大型零件的强化和修复、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的 快速制造，工艺美术品制作和清洗、产品标刻和防伪等。n 刊 在激光应用领域中，激光加工、激光通信和激光医疗是激光技术应用的主要 三个方面。而大功率激光器一般是指功率在1 0 0 0 w 以上的激光器，它主要应用在 以下几个方面： ( 1 ) 激光打孔和切割 由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量，瞬间可使任何固体材料熔化，甚 至蒸发，因此，从理论上说可以用激光来加工任何种类的固体材料。事实上，激 光的出现，人们首先想到利用它来对宝石这类利用常规加工方法难以加工的材料 进行孔加工。目前已经广泛用于各类材料进行孔加工和切割，如利用激光进行木 模板的切割和石油管道的激光切缝等。 ( 2 ) 激光焊接 激光焊接与常规焊接方法相比具有：利用激光的高密度能量，可以对高熔点、 难熔金属或两种不同金属材料进行焊接，也可以对非金属材料进行焊接( 如玻璃 的焊接) ；加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可以忽略；属于非接 触焊接，无机械应力和机械变形；激光焊接装置容易与计算机联机；可以在大气 中焊接和无污染等一系列优点，因此，在工业上获得广泛应用。 ( 3 ) 激光表面改性技术 1 北京工业大学丁学硕士学位论文 激光表面改性技术包括：激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光 表面非晶化与微晶和激光冲击强化等。利用激光表面改性技术可以极大地提高零 件表面的机械、物理和化学性质，现在已经广泛应用于工业生产。 目前大功率激光加工已在国内外广泛应用在各个领域。在德国，除了拥有9 个国家级激光中心外，还有大量建立激光加工站；同时在企业积极建立激光加工 生产线，例如：大众汽车厂的齿轮激光加工生产线，奔驰汽车厂共有1 8 个厂房， 其中有8 个厂房安装了激光加工生产线。而美国则是世界上最早建立激光加工站 的国家，1 9 9 6 年的统计结果表明，美国激光加工站的年收入已逾6 0 一8 0 亿美元，在 美国激光加工站已超过1 7 6 5 家，这对于在美国推广激光加工技术起着重要的作 用。激光切割和焊接等在日本电子、电机、汽车、车辆零部件，o a 机器等小件、 大批量生产中得到迅速发展。总之，日本产业界应用激光加工技术是最为普及的。 在国内，我国在武汉建立了国家级的激光加工工程研究中心，希望达到在全 国起到示范和推广的目的。北京、上海等地方和部委联合建立激光加工工程研究 中心，另外，很多地方政府以及众多科研机构和高校也建立了激光加工研究中心 来进行激光加工技术研究和推广，已经取得了显著效果。例如，天津冷轧薄板厂 由于采用了激光毛化技术，将面临倒闭的企业起死回生，仅1 9 9 5 年生产了6 亿元的 激光毛化钢板，出口创汇数千万美元；又如西安内燃机配件厂建立了1 2 条缸套激 光热处理生产线，将缸套寿命提高了1 3 倍，现己在全国范围推广。由此可见， 在国内，激光加工技术在工业发展中取得了举足轻重的地位。h 捌 1 1 2 大功率激光加工系统的介绍 一个完整的工业激光系统可分成许多不同的模块或子系统。系统生产商的主 要任务就是将这些子模块设计、开发并精心提炼成一个完整的系统，其整体可认 为是多个子模块的总成。这种方式的有点在于用户可以为特定的应用，通过选取 已设计好并考验过的模块来创建一个完全符合应用要求定做的系统。 将单个模块组成完整系统的功能对系统制造商而言是一个挑战。典型的子系 统包括：激光器、光速传输、运动控制、电气、输入输出、光速诊断及机器视 觉。其中每个组建都能单独用计算机控制。然而对一个系统来说则必须要求他们 协调一致。 目前计算机快速的计算能力和开放式结构使它成为系统运转的“神经中枢”， 第1 章绪论 典型的激光加工系统都足以计算机作为主抟! 再配台咀檄光拧制、网络接u 和数 据信息、运动控制、数字及模拟i o 、光速诊断和机器视觉。削11 显不了传统的 馓光加工系统的结构。 ( 1 ) 激光器控制 广泛应用的计算机都带有捕八型处理器直接控制激光器。但大多数馓光器j 丕 采川r s2 3 2 或类似的通信规程米通过p c 机进行遥控，可控制如高屯压、激光重复 率发气阀等系统参量。高级自动化程序作为积木构件的低级命令发胜而成，这些 程序包括气体变换，激光脉冲精确控制，以及能量稳定性。 f ，川i 川 e 气醇箭 操作抖自 光述诊断 图卜l 传统激光加_ 系统结构图 f i g 卜lt r a d i t i o n a ll a s e rp f o c s s ss y s t e mf r a m ed i a g r a m ( 2 ) 数据信息和网络接口 网络接口和数据信息通激光控制梢联系。这样就町以记录长期运转参数如气 体交换及清沾光学原件的时间间隔、脉冲总数以及总的运转时间。生广规范如操 作员身份、批量证明、系统故障及所执行的命令也可以记录在案。这些信息通常 存储在计算机的硬盘上，既能直接检索，也能远程联网。因此工厂网络也町作为 整个工数据管理系统的从属系统使用。 ( ：j ) 运动控制 运动控制子系统负担了最大且最困难的整合任务。零件装卸系统和光速操作 也属于次范畴。通常系统所使用的激光器类型决定了光速传输的设计。c o 。激光器 和n d ：y a g 激光器通常采用光速定位装簧在焦点出进行加工。准分子激光器的传输 比较特殊，一股采用成像技术，即通过一个掩膜将光速投影在被加工部件表面而 北京工j 也大学工学硕士学位论文 形成图样。光速是稳定不动，而工件在光速下面移动。计算机控制对准分子激光 束传输非常有效，这是因为其光学装调比较困难并消耗时间。通过运动控制器的 命令有伺服电机或步进电机将光学元件精确定位。已经用于准分子激光系统的光 速操作技术包括自动缩束调整、自动精确调焦、直线或螺旋掩膜对准、可变方形 掩膜尺寸、光速扫描，以及能量密度的衰减。 无论是何种激光器，运动系统的c a d c a m 能力给用户提供了极大的方便。所 学的加工细节可由c a d 设计绘出，然后转变为控制命令去执行，在运动轴线上添 加传输到工件表面的准确脉冲数，从而保持对切割深度的控制。 这种运动系统的直接控制要求有较高的数据传输速率，这就是说控制器必须 插入p c 机总线。与激光器子系统一样，运动控制器有一个较低级命令的程序库， 它可提供诸如电机的重复启动和归为、激光器发射脉冲或轮廓产生等自动化程 序。 ( 4 ) 数字及模拟i 0 大多数运动控制器均带有某种数字i 0 以提供使用。在要用模拟i 0 来采集数 据时专用p c 机可同事提供数字及模拟i 0 。数字输出的例子有从螺旋阀门到各种 气动控制装置如光束阻断、存取出口及工件装卸。同样数字输入也可以用于这些 装置的位置传感。模拟输入可用于激光参数的测量。这汇总信息可用来稳定激光 输入能量或得到光束形状的信息。 ( 5 ) 光速诊断 在某些应用中，必须有光速质量和均匀性的详细数据。有几个公司用他们自 己的软件制造了采用计算机的光速定型装置，这些系统大多采用c c d 照相机，帧 取出样器来提取数据，用计算机存储和处理数据。用这些子系统的软件通常都是 独立方式使用，因而系统设计者就不必去编写子系统的软件了。 ( 6 ) 机器视觉 市场上有各种应用的机器视觉系统。所有的机器视觉系统都采用c c d 照相机 并将其连接在一个视觉处理器上。将该系统连接到激光系统上的最容易和最经济 的方法是使用带有标准视觉处理算法库的p c 及视觉处理器。设计者的任务就是从 视觉库的程序中提取必要的处理信息。有些应用是长度和直径的测量及统计性的 加工控制，其他的应用则是利用机器视觉信息来最工件进行自动聚焦或自动定 第1 市绪论 位。1 0 1 有此可见，激光加工系统能力的提升是伴随着计算机软硬件水平的提升的。 计算机的硬件发展可以提高加工系统的执行速度、加入更多的工控器件来提高安 全和监控等因素。计算机的软件发展可以帮助加工系统在硬件的基础上向用户展 示更多的数据和操作内容。总之，把计算机业内的高端科技应用到激光j j h t _ 系统 领域是有非常大的帮助的。 1 2 远程控制的发展状况及应用 电脑中的远程控制技术，始于d o s 时代，只不过当时由于技术上没有什么大 的变化，网络不发达，市场没有更高的要求，所以远程控制技术没有引起更多人 的注意。但是，随着网络的高度发展，电脑的管理及技术支持的需要，远程操作 及控制技术越来越引起人们的关注。起初，使用远程控制软件，是为了让p c 用户 在离开办公室时能访问其台式p c 硬盘中的信息，甚至可以通过其台式p c 访问企业 网络资源。今天，许多企业和增值分销商正在把远程控制能力作为有效的技术支 持工具。很多网络管理员都采用这类软件对局域网进行管理，或者在家中更新自 己网站的内容。这类软件对于出差在外的商务人员用处非常大，因为他们可以随 时提取自己家里计算机中的数据和资料。远程控制软件在计算机远程教学和培训 中也发挥了很大的作用，使身处异地的学生能够与老师进行适时交流，也如同在 同一个教室对话般。 近年来，黑客技术不断成熟起来，对网络安全造成了极大的威胁。黑客的主 要攻击手段之一，就是使用远程控制技术，渗透到对方的主机系统里，从而实现 远程操作目标主机。其破坏力之大，是绝不容忽视的。目前，远程控制技术也广 泛的应用在工业领域，可以对远程数据进行实时监控，提高工作效率，进而降低 管理成本。 远程控制一般支持下面的这些网络方式：l a n 、w a n 、拨号方式、互联网方式。 此外，有的远程控制软件还支持通过串口、并口、红外端口来对远程机进行控制 ( 不过，这里说的远程电脑，只能是有限距离范围内的电脑了) 。传统的远程控 制软件一般使用n e t b e u i 、n e t b i o s 、i p x s p x 、t c p i p 等协议来实现远程控制， 不过，随着网络技术的发展，目前很多远程控制软件提供通过w e b 页面以j a v a 技 北京工业大学丁学硕士学位论文 术来控制远程电脑，这样可以实现不同操作系统下的远程控制。n u 根据i d c 预计，远程控制软件市场将从1 9 9 8 年的6 7 7 亿美元发展至u 2 0 0 2 年的 1 9 亿美元，年增长率n 3 1 5 ，是软件技术支持消费中第三个增长最快的领域。 这种增长来源于下列需求。 ( 1 ) 家庭办公将成为未来时尚 g a r t n e rg r o u p 公司预言，至1 j 2 0 0 2 年全世界将有14 5 8 0 0 万以上的人会经常不 在办公室内工作。推动这个趋势的因素有：移动的专业人员：便携式计算机将在 商务旅行的人群中日益流行。便携式计算机将提高这些关键雇员的工作效率，并 提供关键的访问网络服务的能力。 电信：在大城市中，依靠越来越强的电信联系，可以减少上下班的乘车时间， 这也符合当地改善环境质量，提高生活质量的规定。在一项由华盛顿邮报对w e b 站点进行的联机调查中，电信是1 1 个改善工作环境的可选方式中的首选项。 远程p c 用户：许多雇员现场销售人员、技术服务人员、顾问及其他人员实际 上都不在公司总部工作。有些在部门的办公室工作，有些则在家里工作。他们总 在离客户很近的位置，这样才能方便的访问用户。他们可能使用台式计算机或便 携式计算机。改进的移动计算设备。便携式计算机、调制解调器、蜂窝服务以及 其他远程系统和服务的不断改进和降价，正使移动计算机更容易被人接受。这样， 公司更倾向用移动访问设备装备他们的雇员。在许多公司中，便携式计算机已经 成为雇员唯一的计算机了。不在办公室工作的人数正在迅速增长。支持这些远程 用户比支持在企业内工作的传统台式计算机用户要更复杂并且开销更大。因为当 他们遇到问题时，不可能派技术人员到现场去解决问题；多数计算机只是偶尔连 接到网络上并且通常是通过低带宽的电话线连接的，这样，移动计算机用户使用 的软件就可能落后于本地用户一个版本或多个版本，而且更容易发生问题。因此， 信息技术管理人员和增值分销商不断寻求更经济的途径，以解决位于企业总部之 外的台式计算机和便携式计算机的技术支持问题。 ( 2 ) 远程技术支持的流行 我们知道，通常企业内部或者i t 公司的客户技术支持部门都有技术支持业 务，其任务是通过电话解答疑难问题，努力减少支持人员到现场服务或者让用户 把设备送到支持中心进行维护。这种技术支持方式尽管被普遍采用，但效率不高 第1 章绪论 并且大大增加了技术支持成本。通常，技术支持必须依赖技术人员和用户之问的 口头交流来进行，这种交流既耗时又容易出错。许多商业用户对计算机知之甚少， 然而当遇到问题时，他们必须向技术人员提供故障情况及相关操作。比如向无法 看到计算机屏幕的技术人员描述问题的症状；按技术人员的提示精确的描述屏幕 上的内容；在尝试解决问题时，技术人员可能指导用户执行一系列复杂的过程， 而这些过程对用户来说或许完全不熟悉；如果用户不能正确的按要求操作，反而 使问题恶化；有些修改，如修改w i n d o w s 注册表，不能或不该由最终用户进行， 但若是维护人员图省事，口头指挥用户操作，很可能产生严重的后果。以上这些 情形费时又费事，工作效率很低。此外，如果通过电话不能解决问题，那么在技 术人员亲自到用户现场解决问题之前，计算机将一直不能使用。远程控制软件能 使技术人员直接操作远程计算机，就像操作本地计算机一样，无需用户介入，技 术人员就能得到该机器的问题的第一手材料，从而加快了问题的解决。实际上， 使用远程控制工具的技术人员能够做到解答疑难问题，安装和配置软件，把软件 修补程序下载到用户计算机上，配置应用程序和系统软件设置并可通过实际操作 培训用户。 ( 3 ) 远程教学的快速发展 近年来，远程教学迅速发展，但目前以电视传播信息的方式进行远程教学则 占多数。虽然有通过i n t e r n e t 传播教学信息的，但也仅限于浏览网页，通过发邮 件和留言的方式向老师提问，通过论坛的方式进行讨论，从而学习知识。这些技 术和方法的采用，大大地加强了远程教学的“真实”性，然而，现场教学的实时 性并没有在远程教学中得到体现。在远程教学中需要大量使用计算机远程教学管 理软件，通过这种软件，师生可进行实时的通信，交流信息，对话和传递文件。 因此，远程控制软件在远程教学中是大有作为的。 ( 4 ) 企业内部管理 随着社会的发展，企业规模越来越大，大家都在同一个办公室的时代早就一 去不复返了。员工不在一栋办公楼内，不在同一个城市，甚至不在一个国家里办 公，这样的企业越来越多，他们所面临的问题就是如何在不同的地方共享共同的 资源。特别是i t 企业，企业管理人员知道他的员工在干什么，是否外泄了公司内 部的程序源代码，这一直都是i t 公司管理的一大难题。随着人们观念的更新，现 北京t , l k 大学工学硕士学位论文 在，很多企业开始使用监控系统，用摄像的方式来监控员工的行为。但是，这种 监控系统对员工的敲键，发送邮件等细小的行为依然无能为力。远程控制软件却 能轻松地管理这些细节问题，因此，远程控制软件在企业的内部管理上将发挥很 大的作用。n 2 1 3 3 1 3 远程控制在大功率激光加工系统的应用 远程控制在大功率加工系统的应用主要分为两种类型：对激光器进行远程监 控和对激光加工系统的远程监控。 ( 1 ) 对激光器本身的远程监控。在典型的激光加工系统中主要由激光器、水 冷系统、光纤传导系统、机器手和控制系统组成。其中控制系统主要负责对其他 几个系统的加工和操作职能，它包含上位机和下位机两部分，上位机是指工控面 板，操作人员通过工控面板向加工系统发送写入参数、选择加工方式、加工功率 等数据。下位机是指运行在加工系统中p l c ，这些p l c 既可以确保工控面板的命令 及时、准确的发送到其他系统中，有可以把加工系统中反应加工状况的数据信息 反应到控制面板，总之下位机起到了一个“承上启下”的作用。在对激光器的远 程监控是指把控制系统从本地转移到远处，主要是通过i n t e r n e t 或者专用电话线 等方式，但由于对大功率激光加工存在比较大的危险性，所有目前还没有公司有 这方面的产品。 ( 2 ) 激光加工系统的远程监控。目前在国内，对于激光加工系统的远程监控 还没有成熟的产品，但是在这个领域中却有良好的发展前景，例如： 1 ) 可以帮助减少公司花费在维修上的精力和时间，从而减少维修费用。 2 ) 提供操作用户和维护人员在操作层面上会话的平台。 3 ) 减少激光加工系统的使用方在维修期间内设备损耗和闲置带来的损失。 通过以上的优点，我们可以知道如果实现对激光加工系统的远程监控，那么 对于公司和用户来说是一个双赢的成果。对公司而言，可以减少维修费用，使资 金更大的投入生产或研发等方面；对用户来说，减少维护时间，使激光1 j n - r 更加 容易和快捷。n 4 删 总之，在激光；o nt - 系统领域中远程监控技术的实现可以给激光加工系统的生 产方和使用方都带来巨大的经济效益，是激光加工系统领域中一处还未开发的土 - 8 第1 章绪论 地。 1 4 课题背景和论文结构 本课题的主要目的是研制和开发大功率激光加工系统的远程监控软件，为该 激光加工系统增加维护软件。激光加工是一套结构紧密、拥有众多精密器件的大 功率同体激光加工系统，目前一旦出现设备故障，操作用户不可能进行维修，只 能等待维护人员亲临现场，进行实地的维护。这样就带来了很多维护上的需求， 归结这些需求主要有以下几点： ( 1 ) 在维护工程中，维护人员周而复始的亲临现场，由于维护人员事前并不 清楚加工系统出现什么故障，所以在出发前存在维护工具准备不足的情况。 ( 2 ) 在维护工程中，激光加工设备在长时间的搁置，使用户蒙受很大的经济 损失。 对于这些问题，本课题实现了四个主要的模块来解决： ( 1 ) 对激光加工系统的操作界面做远程监控，这样维护人员可以不在激光加 工系统的本地人员指导下就可以完成观察用户加工操作的功能。 ( 2 ) 对激光加工系统中当前数据和历史数据的查看，这样用户可以通过以往 的故障信息来判断当前的问题。 ( 3 ) 通过对激光加工系统进行远程视频监视，可以实现系统将本地的情况通 过视频图像直观的反应给维护人员，帮助维护人员进行分析判断。 ( 4 ) 实现维护人员和操作用户之间的在线对话，增强双方的沟通功能，免去 了双方通过电话或邮件等传统对话方式浪费的时间。 本课题围绕这四个主要的功能进行了详细的设计，实现了功能模块化，结构 清晰化，实现组件化等现代化工业软件的特点，对国内在大功率激光加工系统的 远程监控领域上贡献了微薄之力。 本课题的丰要结构如下： 第一章绪论介绍大功率固体激光加工系统的现状和目前远程控制在激光加 工系统领域内的应用状况。 第二章相关技术介绍了本课题远程控制系统运用到的技术手段和方法。 第三章总体设计介绍了远程控制系统的概况功能流程图和开发环境的介绍。 北京工业大学工学硕士学位论文 包括：系统结构介绍、线程技术、嵌套字技术等。 第四章远程监控系统数据库设计介绍了系统内数据库建设、相关表结构的设 计，还介绍了j a v a 语言连接s q l 数据库技术。 第五章系统的实现过程介绍了远程监控系统各模块的具体设计方法还讲述 了具体的实现手段和代码。 第2 章远程临摔技术介绍 第2 章远程控制技术介绍 远程控制技术作为广泛应用在工业领域中的计算机技术，并不是单纯的一种 技术，它不但包括了系统结构的选择、语言的选择、语言技术的选择、还包括数 据库的选择。在开发一套远程监控系统中，传统模式遵循这样一个流程： ( 以j a v a 语言为例) 图2 1 图2 一l 传统远程控制结构图 f i g 2 - 1t r a d i t i o n a lr e m o t ec o n t r o lf r a m ed i a g r a m 远程控制系统会先制定自身的系统结构是什么，在系统结构方面，经过计算 机界业内多年的沉淀，当前以b s 和c s 两种结构类型得到广泛应用。语言对系统 的性能优劣起了很大的影响，语言的选择是给系统的升级、移植、更换应用技术 等方方面面的重要因素。那目前在远程控制领域，c 、c + + 、j a v a 以及j s p 和n e t 等语言得到了广泛应用。这些语言各有优缺点：c 语言性能最好，但是没有对象 的概念，不符合远程控制面向对象编程的理念；c + + 语言虽然有面向对象的概念， 但是c + + 语言的编程环境比较难操作，而且对相对简单的图形化界面类会产生大 量的代码；j a v a 语言目前有良好的编译环境和一次编译随处运行的特点，而且它 在w e b 领域也广泛应用，有利于系统的升级和维护。其中j s p 和n e t 语言是当前应 用在w e b 领域中的两大语言，j s p 是在j a v a 语言的基础上结合h t m l 和j a v a s c r i p t ， 同样n e t 语言是通过c # 语言发展过来的。而本系统选择了j a v a 语言作为开发语 北京- l - _ k 大学工学硕士学位论文 言，其中主要应用了嵌套字和线程技术。n 力 2 1 系统结构 系统结构就是用于定义一个( 系统) 的结构及系统成员间相互关系的一套规 则。信息技术的高速发展推动了平台体系结构不断更新。从单机时代的主机终 端模式、文件服务器时代的共享数据模式、c s 计算模式、b s 计算模式，到目前 最先进的三层甚至多层模式，平台体系结构已经发生了巨大的变化。n 弘1 9 1 2 1 1 c s 介绍 c s 结构将系统中的各部分任务分配给分布在网络上的担任不同角色计机， 它把较复杂的计算和管理任务交给服务器，而把一些与用户打交道的任务交给客 户机，通过这种结构完全实现了网络上信息资源的共享。 c s 结构在客户端负责处理用户的输入与输出并完成事务的逻辑处理；通过 网络在服务器端结合了数据库服务器或服务程序。c s 结构把网络应用的用户交 互界面和业务应用处理与数据访问及处理相分离，服务器与客户端之间通过消息 传递机制进行对话，由客户端发出请求给服务器，服务器进行相应的处理后经传 递机制送回客户端。 c s 结构的优点：交互性好。系统将任务合理分配到客户端和服务器端，可以 充分利用客户端和服务器端的硬件环境的优势，可以将大量计算功能由前台转移 到后台处理，可以大大提高系统处理速度，所以c s 结构具有很好的事物处理能 力；c s 是采用适于局域网的安全性较好的网络协议，较好地保证了数据的安全 性和完整性。c s 结构的缺点：开发成本较高；用户界面风格不一；使用比较烦 琐，不利于大规模推广：维护比较复杂；当大量用户访问时，客户端与服务器数 据交换量大，容易造成网络拥塞。两层c s 结构的体系结构图2 2 所示。 第2 章远程豁控技术介绍 图2 2 两层c s 结构的体系结构图 f i g 2 - 2c ss t r u c t u r es y s t e mf r a m ed i a g r a m 2 1 2b s 介绍 随着网络技术的发展，体系机构从c s 向多级分布式结构演变，产生了新的 结构b s 系统。 b s 模式由浏览器和服务器组成，数据和应用程序都放在服务器上，浏览器 可以通过下载服务器上的应用程序得到动态扩展，服务器具有多层结构，b s 系 统处理的数据类型可以动态扩展，以b s 模式开发的系统维护工作主要集中在服 务器上，客户端不用维护，操作风格比较一致，只要有浏览器的合法用户的可以 十分容易地使用。b s 模型是真正的开放系统，对c s 结构的改进的结构。在这种 结构下，用户界面完全通过i n t e r n e t j 吏! j 览器实现，一部分事物逻辑在前端实现， 但是主要事物逻辑在服务器端实现，客户端运行程序是靠浏览器软件登陆服务器 进行的。该结构将应用逻辑全部置于服务器上，客户端利用w e b 浏览器下载应用， 在浏览器上执行b s 结构主要是利用了不断成熟的i n t e r n e t 渊j 览结合浏览器的多 种s c r i p t 语言矛u a c t i v e 技术，用通用浏览器原来需要用复杂专用软件才能实现的 功能，这种结构已经成为软件的非常流行的体系结构。b s 系统结构如图2 - 8 所示 北京工业大学t 学硕士学位论文 图2 - 3b s 系统结构图 f i g 2 - 3b ss y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 2 1 3c s 和b s 的比较 从客户机和服务器之间的编程模式来说，主要分为两类，即基于h t t p 协议的 w e b 编程和基于t c p 协议的c s 编程，前者使用微软统一的i e 汶t j 览器为客户端，后 者使用专用的客户端菜单界面。两者各有优点缺点，下文就两者的优缺点进行比 较： ( 1 ) 从协议上来说，c s 方式采用w i n s o c k 编程，是基于t c p 或者u d p ，考虑到 传输的可靠性，一般采用t c p 协议的w i n s o c k 组件。而h t t p 协议是基于t c p 协议上 的一种超文本协议，客户端浏览器和服务器之间建立一个或多个t c p 连接，客户 端提交简单的命令，服务器返回h t m l 文档、g i f 图像、p o s t s e r i p t 文件或者无格 式文件，大量文献介绍瞳0 1 ，通过网络测试，客户端一个简单的请求命令“g e t ”， 服务器返回5 1 行共3 6 11 字节，这说明h t t p 协议传输的数据量大于单纯的t c p 协议。 ( 2 ) 从实时性上来讲，基于t c p 协议的c s 传输数据的时延小于基于h t t p 协议 的w e b ，因为远程数据经过t c p 层先要转换成h t t p 层的数据，格式转换消耗了一些 传输时间，因此，从实时性上来讲，c s 方式优于b s 。 ( 3 ) 编程的灵活性来说，在c s 方式下，客户端和服务器的通信协议可以完 全以第三方组件的方式进行定义，编程比较灵活，与网络数据库的对接也十分方 便。而b s 方式则要结合w e b 和a p p l e t ( 或者其它技术) 。 第2 章远程j l f 控技术介绍 ( 4 ) 从多用户操作来看，c s 方式对多用户的登录需要进行软件处理，而b s 方式则通过h t t p 自动支持多用户访问。但在控制实验中由于设备的独占性，这个 问题不明显。 ( 5 ) 从界面显示来看，c s 方式可以以传统的菜单方式显示，而b s 方式以通 用浏览器显示，后者的界面比前者美观和通用，但表单切换不方便。 ( 6 ) 从软件的获得形式来看，c s 方式的客户端需要专门的授予，获得形式 不方便，但安全性好。b s 方式不需要专门授予，在任何地方登录都可以进行远 程操作，获得形式方便，但此举有可能迫使i e 浏览器的安全级别降低。 ( 7 ) 从软件维护来看，c s 方式要同时维护客户端和服务器端软件，程序发 生改变时，客户端软件需要重新安装( 即软件升级) 。b s 方式维护工作只要在服 务器上进行，但如果嵌入a p p l e t 时，登录服务器后将自动下载和安装，其本质与 c s 方式一致。 综合上述区别，权衡利弊，本文认为基于t c p 协议的c s 编程更适合于远程实 时控制项目，这主要从它的数据传输量小、实时性好、协议定义灵活、与数据库 对接方便这几方面来考虑，由于处于局域网内，软件的获得和升级也比较简单， 系统安全性好。 2 2j a v a 技术 j a v a 语言作为一种目前广泛应用的语言主要有一下几个特点： ( 1 ) 面向对象。j a v a 语言的设计完全是面向对象的，它不支持类似c 语言那 样的面向过程的程序设计技术。 ( 2 ) 直接支持网络。j a v a 包括一个支持h t t p 矛n f t p 等基于t c p i p 协议的子库。 因此，j a v a 应用程序可凭借u r l 打开并访问网络上的对象。 ( 3 ) 健壮性。类型检查帮助检查许多开发早期出现的错误。j a v a 自己操纵内 存减少了内存出错的可能性。j a v a 还实现了真数组，避免了覆盖数据的可能。 ( 4 ) 结构中立。j a v a 将它的程序编译成结构器都能执行这种中间代码。 ( 5 ) 安全。j a v a 语言中，象指针和释放内存等c + + 功能被删除，删除了非法 内存操作。 ( 6 ) 可移植性。与体系结构无关的特性使得j a v a 应用程序可以在配备了j a v a 北京工、l p 大学工学硕+ 学位论文 解释器和运行环境的任何计算机系统上运行，这成为j a v a 应用软件便于移植的良 好基础。大大增加了开发效率，减少重复劳动。 ( 7 ) 动态性。j a v a 的动态特性是其面向对象设计方法的扩展。它允许程序动 态地装入运行过程中所需要的类，这是c + + 语言进行面向对象程序设计所无法实 现的。2 1 1 2 2 1 线程技术 许多其它程序语言也支持线程技术。但使用这些语言中的线程必须调用一个 附加的程序包。而j a v a 本身就有支持线程的包( j a v a 1 a n g t h r e a d 包) ，其思想 是将一个虚拟的c p u 封装在j a v a f a n g t h r e a d 包中，每个线程的代码通过t h r e a d 类和虚拟的c p u 打交道，而j a v a 虚拟机占用一个进程，同时运行许多虚拟的c p u ， 多个虚拟c p u 之间的协调不需要我们编码，这使得编写线程程序变得容易多了。 在j a v a 中实现线程有两个途径：继承t h r e a d 类和实现r u n n a b l e 接口。 ( 1 ) 继承t h r e a d 类 我们可以通