基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作系统及方法

摘要

本发明公开一种基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作系统，包括若干激光雕刻机、一个云控制端和若干移动智能终端。本发明还公开一种基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作方法，云控制端接收移动智能终端传送的图像并转换为G代码；评估当前全局激光雕刻机的负载情况，查找目标激光雕刻机并保持系统负载均衡；向目标激光雕刻机发送G代码；目标调度激光雕刻机解析和数控插补，对待加工件进行雕刻。此种技术方案通过云端对激光雕刻机的分布控制，实现对激光雕刻机的实时动态管理和负载均衡调度，扩大其自由度、便携性和可维护性，提高激光雕刻机利用率，有助于推进激光雕刻机在创意设计和工艺品设计领域的大规模应用。

说明书

技术领域

本发明属于激光雕刻技术领域，特别涉及一种云端控制的激光雕刻机工作系统及方法。

背景技术

激光雕刻机是利用激光光束对有机玻璃、塑料、纸张等非金属材料进行切割或者雕刻的设备，在控制系统的控制下，驱动电机带动激光雕刻头对载物台上的待加工件进行雕刻或切割。常规激光雕刻机由上位机软件和下位机构成，上位机软件负责图像处理，并对下位机下达工作指令并传输样本轨迹数据,下位机驱动电机分别控制X向滑道和激光雕刻头的滑动来对待加工件进行雕刻。激光雕刻具有速度快、精度高、品质好、低功耗等优势，广泛应用到广告业、工艺业、模具业、建筑业、装饰业、皮革业等行业。

中国专利申请公开号201820113U，名称为《一种激光雕刻机控制装置》的实用新型专利，包括：上位机(PC机)、下位机(单片机、前级驱动、功率驱动级、步进电机、电流控制环节)；PC机通过RS232接口、异步串行通信方式将信息传送给单片机；单片机将数据传输达到前级驱动电路；由功率驱动级驱动步机。但上位机为PC机、体积庞大、不利于携带、价格昂贵。

中国专利申请公开号206029024U，公开日为2017-03-22，名称为《一种基于移动终端控制的小型激光雕刻机》的实用新型专利，包括：移动终端和激光雕刻机,移动终端包括处理器、时钟信号发生器和蓝牙发射单元；激光雕刻机包括蓝牙接收单元、Arduino核心开发板、PLC、外围供电电路、机械装置和激光发射器。该实用新型专利试图采用移动终端控制解决上位机体积问题，强调移动终端与激光雕刻机保证时钟同步但移动终端处理能力弱、移动距离有限；适合个人创意设计和小工艺品设计加工，但故障很难得到及时处理。

中国专利申请公开号206335254U，公开日为2017-7-8，名称为《一种3D激光自动化内雕系统》的实用新型专利，包括：移动端、云服务器和控制主机，主要由移动端APP生成个性化3D人物图像，经云服务器处理后形成订单，并由控制主机下载后再进行参数或设定，再控制激光内雕设备对读取到的数据进行加工。但没有说明具体如何控制主机内部工作机制，其重点在于机械工作部分。

中国专利申请公开号106292535A，公开日为2017-1-4，名称为《数控机床加工系统及基于云平台的数控加工系统》的发明专利，包括数控机床、机床仿真平台和向数控机床发送工件加工程序的云平台。云平台实时监测和判断数控机床是否加工异常；云平台收到仿真平台发送的工件加工程序后，能结合仿真平台发送的设定信息，根据精度、距离和时间，向机床仿真平台用户推荐数控机床。但没有具体说明如何判断异常以及推荐参数如何获取并没有交代；其优势是使用学习方便、减少初学者操作机床的危险性，减少加工失误引起的损耗，使机床工作中更加可控。

中国专利申请公开号105260794A，公开日为2016-1-20，名称为《一种云数据中心的负载预测方法》的发明专利，包括步骤：采集预测云数据中心的历史数据；计算CPU历史数据与其余各性能指标的相关性；时间窗口提取；特征提取；特征融合；基于自编码神经网络压缩特征；有监督学习；预测结果。

中国专利申请公开号107197053A，公开日2017-09-22，名称为《一种负载均衡方法和装置》，所述方法包括：定时获取云数据中心管理平台中虚拟机的各个监控资源的负载数据；根据获取的所述负载数据以及预先创建的负载均衡器中的负载均衡策略判断虚拟机是否需要进行扩容或缩容；根据判断结果以及所述负载均衡策略执行相应的扩容或缩容操作。监控资源包括：CPU、内存、磁盘和/或网络流量。

中国专利申请公开号107026908A,公开日2017-8-8，名称为《一种负载均衡方法、负载均衡器及负载均衡》，目前的主要有以下几种负载均衡方法：(1)静态负载均衡算法是按照固定规则将请求分配给服务器；例如按照轮询算法将第i次请求分配给第i(mod n)台服务器。(2)动态负载均衡算法是把请求分配给当前负载最低的服务器；服务器的负载程度基于活跃连接数，响应时间等。(3)源地址散列调度算法是客户端IP地址通过哈希函数计算得到一个数值，该数值对服务器列表的大小进行取模运算，得到客户端要访问服务器。同一个客户端每次都会映射到同一台后端服务器进行访问。

基于以上描述，激光雕刻技术仍属较薄弱的领域，主要表现在：上位机若采用PC机，则存在体积庞大、不利于携带、价格昂贵等问题；若采用移动终端，则计算、处理能力有限，很难大规模应用。上位机和下位机一对一连接模式很容易因激光雕刻机故障、雕刻程序错误而导致雕刻任务失败。基于云平台的激光雕刻机是克服传统雕刻机(上位机和下位机一对一连接模式)弱点的有效途径，通过管理、控制和负载均衡调度若干激光雕刻机，实现云加工和云制造。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作系统及方法，其综合运用物联网、云计算和机械控制等技术，通过云端对激光雕刻机的分布控制，实现对激光雕刻机的实时动态管理和负载均衡调度，扩大其自由度、便携性和可维护性，提高激光雕刻机利用率，有助于推进激光雕刻机在创意设计和工艺品设计领域的大规模应用。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作系统，包括若干激光雕刻机、一个云控制端和若干移动智能终端；

所述激光雕刻机内置支持WIFI的无线收发模块，基于无线WIFI与云控制端连接并保持交互；

所述移动智能终端内置无线通信模块，基于GPRS或无线WIFI方式和云控制端进行通讯连接，并向云控制端提交雕刻任务；

当移动智能终端向云控制端提交雕刻任务时，云控制端调度目标激光雕刻机执行任务并保持系统负载均衡。

一种基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作方法，包括如下步骤：

步骤S1，激光雕刻机通电启动并自动连接云控制端；

步骤S2，移动智能终端连接云控制端成功后并保持正常通信；

步骤S3，云控制端周期性收集全局激光雕刻机的状态信息和负载情况参数；

步骤S4，移动智能终端向云控制端提交符合雕刻规格的图像；

步骤S5，云控制端接收移动智能终端传送的图像并转换为G代码；评估当前全局激光雕刻机的负载情况，查找目标激光雕刻机并保持系统负载均衡；向目标激光雕刻机发送G代码；

步骤S6，目标调度激光雕刻机接收G代码，解析和数控插补，对待加工件进行雕刻。

上述步骤S3中，激光雕刻机的工作状态包含如下情况：

若工作状态为“脱机”，表示激光雕刻机和云控制端未建立连接；

若工作状态为“雕刻”，表示激光雕刻机在使用中，并显示负载参数；

若工作状态为“错误”，表示激光雕刻机在故障中；

若工作状态为“空闲”，表示激光雕刻机处于“空闲”，未执行打印任务。

上述步骤S3的具体内容是：

步骤S31，激光雕刻机采集当前负载数据并以WIFI方式发送至云控制端；

步骤S32，云控制端接收负载数据并进行格式重置、过滤和整理，评估当前激光雕刻机负载情况和确定工作状态。

上述步骤S5的具体内容是：

步骤S51，根据步骤2周期性获取全局激光雕刻机的工作状态信息和负载情况参数，评估激光雕刻机的负载、全局激光雕刻机的平均负载和负载不均衡度；如果负载不均衡度小于允许值δ，则认为当前允许值情形下系统运行稳定、负载均衡，不需要负载均衡调度，转步骤S55；否则执行步骤S52；

步骤S52，执行预处理：预设负载调节参数λ，计算每个激光雕刻机的负载情况和全局激光雕刻机的平均负载的差值，确定重负载集H、中负载集M、轻负载集L；重负载集、轻负载集中激光雕刻机按综合处理能力由强到弱排序，相应任务按负载要求由大到小排序；评估当前局部激光雕刻机的平均负载；

步骤S53，局部不均衡重分配：任务按负载要求的大小顺序，依次、优先分配到综合处理能力强的激光雕刻机，并满足局部激光雕刻机的平均负载最小化约束；

步骤S54，更新集合：更新激光雕刻机集分类，重新确定重负载集H'、中负载集M'、轻负载集L'；如果重负载集、轻负载集的集合元素数目都为0，则转到步骤S56；

步骤S55，更新迭代：计算全局激光雕刻机的平均负载，调整预设负载调节参数λ，转到步骤S52；

步骤S56，输出当前负载均衡最优调度结果。

上述步骤S7的具体内容是：

步骤S71，采集激光雕刻机的运行数据；

步骤S72，对采集的运行数据进行多路信号滤波、放大、A/D转换和汇聚，发送至云控制端；

步骤S73，云控制端接收运行信号，进行故障诊断；

步骤S74，云控制端向移动智能终端发送故障估计信息，工作状态显示“错误”；视故障的类型、部位和引起故障的原因，人工介入排除故障。

上述步骤S73中，进行故障诊断的过程是：

步骤①：采集激光雕刻机正常状态下的信号，建立特征参数标准样本库；

步骤②：建立常见故障诊断知识库及推理规则库；

步骤③：传感器对激光雕刻机保持连续、跟踪监测，云控制端接收信号，进行状态估计和关联分析，并与特征参数标准样本库比较，确定雕刻机系统当前状态；

步骤④：如果当前状态是“错误”状态，将根据常见故障诊断知识库，运用规则推理,确定故障类型、部位和故障原因；

步骤⑤：如果常见故障诊断知识库中找不到相应故障类型，则在常见故障诊断知识库中增添故障类型、部位、特征参数和故障原因，并更新推理规则库。

上述步骤S6后，还包括：

步骤S7，云控制端实时接收激光雕刻机的运行数据，雕刻过程中激光雕刻机一旦出现故障，在线故障诊断并将结果转发至移动智能终端；

步骤S8，移动智能终端接收到雕刻“完成”信息时，表示雕刻任务已完成；若收到“错误”提示时，选择终止或重新提交雕刻任务。

采用上述方案后，本发明具有以下优势：

(1)实现离线雕刻，只需要在移动智能终端上按规格提交雕刻图像；

(2)根据当前激光雕刻机负载情况，通过云端控制并优化调度，提高雕刻机的利用率，降低任务总体完成时间；

(3)方便用户在智能移动终端根据需求及时调整，扩大完成雕刻任务的自由度，降低生产经营的潜在威胁；

(4)云服务器实时接收当前激光雕刻机的运转情况，包括雕刻过程中出现的故障，有效减少人工管理，推进激光雕刻机管理的自动化和规模化。

附图说明

图1是本发明系统的整体架构图；

图2是本发明方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供一种基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作系统，包括若干激光雕刻机、一个云控制端和若干移动智能终端，下面分别介绍。

所述激光雕刻机内置控制器模块、激光控制模块、电机驱动模块、无线收发模块、数据采集模块、电源模块和辅助模块。所述控制器模块是激光雕刻机的控制和数据处理的核心；所述激光控制模块负责保护和驱动激光头工作；所述电机驱动模块负责驱动步进电机X轴和Y轴运动；所述无线收发模块负责与云控制端无线通信；所述数据采集模块负责采集激光雕刻机的运行数据；所述辅助模块为激光雕刻机提供风扇降温、除湿等辅助功能；所述电源模块负责为上述模块提供电源支持。具体实施中，控制器模块采用Arduino UNO开发板和CNC Shield v3扩展板；激光控制模块采用ULN2003复合晶体管保护和驱动250w激光头；电机驱动采用A4988步进驱动器驱动和控制42步进电机；无线收发模块采用基于STM32的WIFI数据收发模块；数据采集模块由传感器组(包括速度、位移、加速度、温度、电流、电压、频率等传感器)和调理板组成。电源采用12V2A电源。

所述云控制端由图像转换G代码模块、负载均衡调度模块、故障诊断模块和服务器软件等组成。所述图像转换G代码模块负责将图片转换为G代码。所述负载均衡调度模块充分利用各激光雕刻机的处理能力，使得雕刻任务均衡地分散在各激光雕刻机上，满足局部激光雕刻机的平均负载最小化约束前提。故障诊断模块负责处理和分析接收故障采集装置采集的信号，进行状态估计和关联分析，并与特征参数标准样本库比较，判断是否存在故障。服务器软件是图像转换G代码模块、负载均衡调度模块、故障诊断模块的运行支撑软件。

所述移动智能终端是一种软硬件一体化设备，由中央处理器、存储器、LCD显示器、触摸屏输入接口、通信转换接口等硬件模块构成，内置无线通信模块。移动智能终端与云控制端实时交互和共享，基于硬件结构利用Android开发并集成以下系统功能，包括：在线提交雕刻图片、接收故障报警、查看雕刻进度、故障处理建议等功能于一体的应用软件系统。

图1是本发明实现云端负载均衡控制的激光雕刻机工作的系统架构图。若干激光雕刻机开机后，通过无线收发模块基于WIFI与云控制端连接并保持交互；移动智能终端基于GPRS或无线WIFI方式与云控制端进行通讯连接，并向云控制端提交雕刻任务，云控制端分布控制激光雕刻机、负载均衡执行并完成雕刻任务；当移动智能终端向云控制端提交雕刻任务时，云控制端调度目标激光雕刻机执行任务并保持系统负载均衡。当移动智能终端接收到云控制端反馈“完成”信息时，表示雕刻任务已顺利完成；当移动智能终端接收到云控制端反馈接收到“错误”提示时，表示雕刻系统存在故障，可选择终止任务或重新提交雕刻任务。

配合图2所示，本发明还提供一种基于云端负载均衡控制的激光雕刻机工作方法，包括如下步骤：

步骤S1，激光雕刻机通电启动，初始化激光雕刻机中各模拟端口和数字端口，设置网络连接参数并自动连接云控制端；

步骤S2，移动智能终端通过GPRS或无线WIFI方式连接云控制端成功后并保持正常通信；

步骤S3，云控制端周期性收集全局激光雕刻机的状态信息和负载情况参数；

若工作状态为“脱机”，表示激光雕刻机和云控制端未建立连接；

若工作状态为“雕刻”，表示激光雕刻机在使用中，并显示负载参数；

若工作状态为“错误”，表示激光雕刻机在故障中；

若工作状态为“空闲”，表示激光雕刻机处于“空闲”，未执行打印任务。

具体为：

步骤S31，激光雕刻机采集当前负载数据并以WIFI方式发送至云控制端；

步骤S32，云控制端接收负载数据并进行格式重置、过滤和整理，评估当前激光雕刻机负载情况和确定工作状态；

步骤S4，移动智能终端以符合雕刻规格的图像方式向云控制端提交需雕刻任务；

步骤S5，云控制端接收移动智能终端传送的图像并转换为G代码；评估当前全局激光雕刻机的负载情况，查找目标激光雕刻机并保持系统负载均衡；向目标激光雕刻机发送G代码；

具体为：

步骤S51，根据步骤2周期性获取全局激光雕刻机的工作状态信息和负载情况参数(例如雕刻步距、雕刻速度、功率、雕刻深度、材质(例如：皮革、亚克力、木板、双色板、水晶、竹子))，评估激光雕刻机完成当前所有任务需要的负载P_i(式(1))、全局激光雕刻机的平均负载(负载参数向量归一化平均值，式(2))、负载不均衡度ξ(负载参数方差和的算术平方根的均值，式(3))：

其中，x_ij为第i台激光雕刻机的第j个负载参数值；k_j为第j个负载参数相应的权值，且为第j个负载参数均值；i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m；n表示激光雕刻机数目；m表示负载参数数目。

负载不均衡度越小，表示激光雕刻机工作系统当前负载状态越好。如果负载不均衡度ξ小于允许值δ，则认为当前允许值情形下系统运行稳定、负载均衡，不需要负载均衡调度，转步骤S55；否则执行步骤S52；

步骤S52，执行预处理：预设负载调节参数λ，计算每个激光雕刻机的负载情况和全局激光雕刻机的平均负载的差值确定重负载集H、中负载集M、轻负载集L；合并重负载集H和轻负载集L(H∪L)，激光雕刻机按综合处理能力由强到弱排序，其综合处理能力评测指标包括：雕刻速度、雕刻步距、功率(整机功率、激光功率)、雕刻深度和适用材质；相应任务按式(1)评估负载要求并从大到小排序；；按(2)式评估H∪L集的局部平均负载；

步骤S53，局部不均衡重分配：任务按负载要求的大小，依次、优先分配到综合处理能力强的激光雕刻机，并满足局部激光雕刻机的平均负载最小化要求。具体为：

假设H∪L中激光雕刻机综合处理能力序列为CM₁≥CM₂≥...≥CM_n'，任务t₁,t₂,...,t_m'的负载要求序列为p₁≥p₂≥...≥p_m'，P_i为第i台激光雕刻机负载，n’,m’分别为激光雕刻机和任务数目，其任务分配过程为：

步骤①：t₁优先分配到CM₁，P₁＝p₁；

步骤②：t₂优先分配到CM₁，P₁＝P₁+p₂但要求满足否则t₂优先分配到CM₂，P₂＝p₂；t₃优先分配到CM₁，P₁＝P₁+p₃，但要求满足否则t₃优先分配到CM₂，P₂＝P₂+p₃，但要求满足否则t₃优先分配到CM₃，P₃＝p₃；按上述方法继续完成任务t₄,t₅,..,t_m'分配；

步骤③：重新评估H∪L集的平均负载，如果H∪L集的平均负载发生衰减，转到步骤①；

步骤④：输出最后一次任务分配结果。

步骤S54，更新集合：更新激光雕刻机集分类，确定重负载集H'、中负载集M'、轻负载集L'；如果重负载集、轻负载集的集合元素数目都为0，则转到步骤S56；

步骤S55，更新迭代：计算全局激光雕刻机的平均负载，调整预设负载调节参数(例如λ＝λ+0.1)，转到步骤S52；

步骤S56，输出当前负载均衡最优调度结果。

步骤S6，目标调度激光雕刻机接收G代码，解析和数控插补，驱动电机分别控制X、Y向滑道和激光雕刻头的滑动对待加工件进行雕刻；

步骤S7，云控制端实时接收激光雕刻机的运行数据，雕刻过程中激光雕刻机一旦出现故障，在线故障诊断并将结果转发至移动智能终端；具体为：

步骤S71，激光雕刻机的数据采集模块，包括：速度、位移、加速度、温度、电流、电压、频率等传感器或调理板，负责采集激光雕刻机的运行数据；

步骤S72，数据采集模块对多路信号滤波、放大、A/D转换和汇聚，以无线WIFI方式发送至云控制端；

步骤S73，云控制端接收运行信号，进行故障诊断；

步骤S74，云控制端向移动智能终端发送故障估计信息，工作状态显示“错误”；视故障的类型、部位和引起故障的原因，必要时人工介入排除故障。

所述故障诊断过程是：

步骤①：通过附在激光雕刻机的数据采集模块，采集正常状态下的信号，建立特征参数标准样本库；

步骤②：建立常见故障诊断知识库(包括：故障类型、部位、特征参数和故障原因)及推理规则库；

步骤③：传感器对激光雕刻机保持连续、跟踪监测，云控制端接收信号，进行状态估计和关联分析，并与特征参数标准样本库比较，确定雕刻机系统当前状态；

步骤④：如果当前状态是“错误”状态，将根据常见故障诊断知识库，运用规则推理,确定故障类型、部位和故障原因；

步骤⑤：如果常见故障诊断知识库中找不到相应故障类型，则在常见故障诊断知识库中增添故障类型、部位、特征参数和故障原因，并更新推理规则库。

步骤S8，移动智能终端接收到雕刻“完成”信息时，表示雕刻任务已完成；若收到“错误”提示时，选择终止或重新提交雕刻任务。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。