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机械类 m500a 三维 造型 设计 cad

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南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：马磊学 号：05010220专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：M500A气瓶的三维造型设计指 导 教 师:黄新燕2009年3月22日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 气瓶是一种常用的气体储备装置，广泛运用于工业生产和人民生活中。随着计算机软硬件技术的发展，微型计算机上的三维设计终于进入了设计领域。本文介绍了利用三维设计技术设计气瓶的一些情况，主要阐述了气瓶的概况，国外气瓶发展现状，气瓶附件的标准体系，并论述了三维设计系统的发展状况及发展趋势。关键词 气瓶 附件 三维 CAD1 气瓶的概况在经济高速发展的现代社会中,气瓶制造业被认为属于朝阳工业范畴。气体应用技术在发达国家已经达到很高的水平,全世界已有130 种气体要用气瓶充装,中国也达到了80 余种。据统计,国民生产总值每增加1%, 气瓶需求量就增加1.5%, 而国际市场每年大约以5% 的速度增长。全世界年需求气瓶量可达到500 万支,产值约40 亿美元。这其一部分自然也包括了新兴的以“轻质高强”为特点的复合材料气瓶。据悉,全世界有300 万只复合材料气瓶在运行。自上世纪后半叶以来,复合材料气瓶在西方国家得到飞快的发展。以CNG气瓶的研制和开发方面为例,美国的Lincol 公司、SCI公司、和Hydospin公司都走在世界前列。改革开放后的中国自然也应当有所作为,国内许多公司企业、科研院所以及高等院校也纷纷加入到这个行列中来,经过数年努力,他们都拿出了自己的产品或研究成果1。1.1 气瓶附件气瓶附件广泛应用于我国的经济建设和社会生活之中, 由于其本身具有的潜在危险性, 其质量和安全直接关系到使用者的生命和健康, 因此其安全技术问题历来受到我国政府的重视。由气瓶附件分技术委员会起草的气瓶阀国家标准主要有15 项,其中1个气瓶阀通用技术标准,1个出气口标准，2个螺纹标准,2个安全泄放装置标准,9个瓶阀产品标准1，2。1.2 气瓶的标准体系 为规范我国气瓶的技术要求, 确保产品质量, 由气瓶附件分技术委员会组织起草的15 项标准, 起到了非常积极的作用, 已成为气瓶生产和检验的依据, 这些标准基本满足了产品设计、制造、检验和型式试验的需求, 初步形成了气瓶技术标准体系。其中GB15382-1994 、GB17878-1999 以及液化石油气、氧气、乙炔气、氩气、液氯、液氨、车用压缩天然气、机动车用液化石油气等产品标准, 对气瓶阀的技术要求、检查与试验方法、检验规则和标志、包装运输及储存进行了规定2。GB8335-1998 和GB/T8336-1998 规定了气瓶阀进气口螺纹基本牙型尺寸和检验量规的技术要求。GB15383-1994 规定了各类气体瓶阀连接型式和尺寸、充气接头的连接型式、螺纹规格和尺寸。GB8337-1996 和GB16918-1997 规定了易熔塞和爆破片这两种压力泄放装置对制造、检验和试验、验收的基本要求。2 三维设计的发展现状及方向随着计算机软硬件技术的发展，微型计算机上的三维设计终于进入了设计领域。从前，设计师在设计对象时，总要把三维的设计对象转化到用二维设计的语言在图纸上表述；这种转化过程的本身就难免会产生错误和歧义，而且设计师有相当一部分的精力用在这种转换上，影响了设计质量和设计水平的完全发挥。如今，微型计算机三维设计突破了设计领域传统的设计模式，让设计师完全回归到自然的、正常的从设计到表达的直接的设计思路中去。这虽然看似一次简单的设计方式的改革，但带来的将会是重大的设计思想改变，必定带来设计质量的提升3，4。2.1 三维设计的发展现状 二维AutoCAD 是我国机械行业目前应用最普遍的技术，可是二维AutoCAD只起到了电子图板的作用，因为它并没有真正解决设计中最困难的问题。比如，复杂的投影线的生成，尺寸漏标注的，机构运动关系的分析，设计的更新等。所以，二维AutoCAD 针对机械设计并没有真正做到计算机辅助设计。随着计算机新性能的提高，信息处理的智能化，机械设计正从二维向三维CAD 过渡发展，并取得了很大的经济效益，相对于二维系统，三维才是真正的计算机辅助设计5。为了适应现代设计、制造技术的发展, 三维技术正逐渐应用到现代工程设计与制造中来, 在三维软件的支持下, 建立数字化的三维几何模型, 然后进行交叉修改, 最终生成三维产品。以前用二维图形表达产品形状的设计过程, 由于不能充分反映产品的三维形状, 对理解产品功能、结构、零件间干涉检查、尺寸校核都带来了不少困难。现在采用了三维CAD技术,如SolidWorks、Pro/E、和UG等软件以后, 就能利用其强大的三维实体造型功能、参数化设计和修改功能、动画和仿真功能, 以及三维实体转化为二维图形的功能来设计产品, 再利用文件格式的转化, 用软件画出满意的二维图形,以满足生产图纸的需要79。2.2 三维设计的发展方向三维设计发展趋势必然是从传统型向智能型，发展制造到创造是任何一个国家所经历的一个发展过程。随着我国机械行业的不断发展，越来越多的设计者要从中国制造转向中国创造。这就不再是为了解剖或生产某一个零部件而设计，而是整体设计整个产品，单凭二维设计是不够的，三维自然是必不可少的。先进的设计能力才会产生先进的制造企业。从长远的观点看，从二维到三维是CAD 一个不可逆转的潮流10。中国制造业从二维到三维是企业深化CAD 应用的一个方向，因为三维CAD 软件能够提升企业的产品创新设计能力，而当企业应用三维CAD 软件后，也会提出深化CAD 三维应用的需求。因此，我国应该大力提倡研制具有自主知识产权，符合设计习惯，行业标准和企业文化的、面向行业的应用模块。随着计算机性能的提高，信息处理的智能化，CAD 三维技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。正确把握C A D 技术的发展趋势，对我国CAD 软件行业的开发及企业正确规划自身的CAD 应用系统，都有深远的意义11，12。3 总结随着社会经济的高速发展，气瓶越来越多的被使用在经济建设和社会生活中，由于其本身具有的潜在危险性, 其质量和安全直接关系到使用者的生命和健康。我们在准备好了的前提下，尽早地去深入到三维设计的新环境中去，借助新的设计方法去开创新的设计空间，制造出更实用更让人放心的气瓶。参 考 文 献1 张洁. 国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况J. 哈尔滨玻璃钢研究院，2007，（3）：3943.2 孙黎, 汤晓英, 毛冲霓. 浅论我国气瓶附件标准体系和技术要求的完善J. 全国气瓶标准化技术委员会2007,（2）：3637.3 张阿维,王会燃. 计算机辅助工业设计的现状与发展J. 西北纺织工学院学报,1999,（3）：1112.4 孙家广,杨长贵.计算机图形学M. 北京：清华大学出版社, 1996,2526.5 李启炎.三维CAD设计及制图教程M. 上海：同济大学出版社,2000,910.6 评测专家组.三维CAD/CAM软件评测总结M. 机械工业出版社,1999,8.7 刘永翔. 产品设计实用基础M. 北京:化学工业出版社,2003,4345.8 樊柄辉，李江云. 三维参数化特征造型机械CADM北京：清华大学出版社，1999,8687.9 康晓东. CAD技术(上)M. 机械工业出版社,1997, 1213.10 袁波. 基于三维模型的二三维一体化设计J. 计算机辅助设计与制造，1999,（5）：2628.11 陈伯雄. 三维设计是CAD技术应用的必然趋势M. 北京：机械工业出版社，2000,12.12 杭建平.我国制造业企业信息化现状分析J.北京机械工业学报，2002,（2）：3337.13 许发樾. 模具结构设计M. 北京:机械工业出版社，2003,6768.14 李德群.现代模具设计方法M.北京:机械工业出版社，2001,5657.15 李小明，邱桂杰，刘锦霞. 某型复合材料气瓶优化设计J. 纤维复合材料机构，2007，(1)：2224.16 卜克明，王维. 计算机三维设计系统应用浅析J. 工程建设与设计，2008，(12)：5760. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题要主要研究的问题是利用现代三维设计技术，设计出更安全更实用更让人放心的气瓶。本课题的设计要求：(1) 气瓶在充灌状态下长期储存，不允许漏气。采用可靠性高的工艺方法，对焊缝 质量的要求高。(2) 在保证工作安全可靠的前提下，气瓶的结构重量最轻。(3) 气瓶外形尺寸的选择应考虑充分利用弹体的空间。(4) 气瓶材料应与贮存的气体相容，成形、焊接工艺性好，有利于保证强度及气密；本设计采用的手段：(1) 完成相关资料查阅。(2) 消化相关资料。 (3) 完成相关计算和分析。(4) 采用SolidWorks设计软件完成设计工作 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：根据课题任务和要求，进行了相关文献资料的查阅，对有关本课题的内容进行了适当的论述，了解了课题的研究目的和意义，并对课题的研究现状有了一定得认识。体现了较好的查阅文献的能力，达到了文献综述的要求。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题是气瓶的三维造型设计，课题具有一定得深度和广度，工作量始终，按照任务书精度要求，认真完成三维造型、装配各个部分的内容，应能达到毕业设计任务书要求。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日PAGE 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：马磊学 号：05010220专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：M500A气瓶的三维造型设计指 导 教 师:黄新燕2009年3月22日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 气瓶是一种常用的气体储备装置，广泛运用于工业生产和人民生活中。随着计算机软硬件技术的发展，微型计算机上的三维设计终于进入了设计领域。本文介绍了利用三维设计技术设计气瓶的一些情况，主要阐述了气瓶的概况，国外气瓶发展现状，气瓶附件的标准体系，并论述了三维设计系统的发展状况及发展趋势。关键词 气瓶 附件 三维 CAD1 气瓶的概况在经济高速发展的现代社会中,气瓶制造业被认为属于朝阳工业范畴。气体应用技术在发达国家已经达到很高的水平,全世界已有130 种气体要用气瓶充装,中国也达到了80 余种。据统计,国民生产总值每增加1%, 气瓶需求量就增加1.5%, 而国际市场每年大约以5% 的速度增长。全世界年需求气瓶量可达到500 万支,产值约40 亿美元。这其一部分自然也包括了新兴的以“轻质高强”为特点的复合材料气瓶。据悉,全世界有300 万只复合材料气瓶在运行。自上世纪后半叶以来,复合材料气瓶在西方国家得到飞快的发展。以CNG气瓶的研制和开发方面为例,美国的Lincol 公司、SCI公司、和Hydospin公司都走在世界前列。改革开放后的中国自然也应当有所作为,国内许多公司企业、科研院所以及高等院校也纷纷加入到这个行列中来,经过数年努力,他们都拿出了自己的产品或研究成果1。1.1 气瓶附件气瓶附件广泛应用于我国的经济建设和社会生活之中, 由于其本身具有的潜在危险性, 其质量和安全直接关系到使用者的生命和健康, 因此其安全技术问题历来受到我国政府的重视。由气瓶附件分技术委员会起草的气瓶阀国家标准主要有15 项,其中1个气瓶阀通用技术标准,1个出气口标准，2个螺纹标准,2个安全泄放装置标准,9个瓶阀产品标准1，2。1.2 气瓶的标准体系 为规范我国气瓶的技术要求, 确保产品质量, 由气瓶附件分技术委员会组织起草的15 项标准, 起到了非常积极的作用, 已成为气瓶生产和检验的依据, 这些标准基本满足了产品设计、制造、检验和型式试验的需求, 初步形成了气瓶技术标准体系。其中GB15382-1994 、GB17878-1999 以及液化石油气、氧气、乙炔气、氩气、液氯、液氨、车用压缩天然气、机动车用液化石油气等产品标准, 对气瓶阀的技术要求、检查与试验方法、检验规则和标志、包装运输及储存进行了规定2。GB8335-1998 和GB/T8336-1998 规定了气瓶阀进气口螺纹基本牙型尺寸和检验量规的技术要求。GB15383-1994 规定了各类气体瓶阀连接型式和尺寸、充气接头的连接型式、螺纹规格和尺寸。GB8337-1996 和GB16918-1997 规定了易熔塞和爆破片这两种压力泄放装置对制造、检验和试验、验收的基本要求。2 三维设计的发展现状及方向随着计算机软硬件技术的发展，微型计算机上的三维设计终于进入了设计领域。从前，设计师在设计对象时，总要把三维的设计对象转化到用二维设计的语言在图纸上表述；这种转化过程的本身就难免会产生错误和歧义，而且设计师有相当一部分的精力用在这种转换上，影响了设计质量和设计水平的完全发挥。如今，微型计算机三维设计突破了设计领域传统的设计模式，让设计师完全回归到自然的、正常的从设计到表达的直接的设计思路中去。这虽然看似一次简单的设计方式的改革，但带来的将会是重大的设计思想改变，必定带来设计质量的提升3，4。2.1 三维设计的发展现状 二维AutoCAD 是我国机械行业目前应用最普遍的技术，可是二维AutoCAD只起到了电子图板的作用，因为它并没有真正解决设计中最困难的问题。比如，复杂的投影线的生成，尺寸漏标注的，机构运动关系的分析，设计的更新等。所以，二维AutoCAD 针对机械设计并没有真正做到计算机辅助设计。随着计算机新性能的提高，信息处理的智能化，机械设计正从二维向三维CAD 过渡发展，并取得了很大的经济效益，相对于二维系统，三维才是真正的计算机辅助设计5。为了适应现代设计、制造技术的发展, 三维技术正逐渐应用到现代工程设计与制造中来, 在三维软件的支持下, 建立数字化的三维几何模型, 然后进行交叉修改, 最终生成三维产品。以前用二维图形表达产品形状的设计过程, 由于不能充分反映产品的三维形状, 对理解产品功能、结构、零件间干涉检查、尺寸校核都带来了不少困难。现在采用了三维CAD技术,如SolidWorks、Pro/E、和UG等软件以后, 就能利用其强大的三维实体造型功能、参数化设计和修改功能、动画和仿真功能, 以及三维实体转化为二维图形的功能来设计产品, 再利用文件格式的转化, 用软件画出满意的二维图形,以满足生产图纸的需要79。2.2 三维设计的发展方向三维设计发展趋势必然是从传统型向智能型，发展制造到创造是任何一个国家所经历的一个发展过程。随着我国机械行业的不断发展，越来越多的设计者要从中国制造转向中国创造。这就不再是为了解剖或生产某一个零部件而设计，而是整体设计整个产品，单凭二维设计是不够的，三维自然是必不可少的。先进的设计能力才会产生先进的制造企业。从长远的观点看，从二维到三维是CAD 一个不可逆转的潮流10。中国制造业从二维到三维是企业深化CAD 应用的一个方向，因为三维CAD 软件能够提升企业的产品创新设计能力，而当企业应用三维CAD 软件后，也会提出深化CAD 三维应用的需求。因此，我国应该大力提倡研制具有自主知识产权，符合设计习惯，行业标准和企业文化的、面向行业的应用模块。随着计算机性能的提高，信息处理的智能化，CAD 三维技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。正确把握C A D 技术的发展趋势，对我国CAD 软件行业的开发及企业正确规划自身的CAD 应用系统，都有深远的意义11，12。3 总结随着社会经济的高速发展，气瓶越来越多的被使用在经济建设和社会生活中，由于其本身具有的潜在危险性, 其质量和安全直接关系到使用者的生命和健康。我们在准备好了的前提下，尽早地去深入到三维设计的新环境中去，借助新的设计方法去开创新的设计空间，制造出更实用更让人放心的气瓶。参 考 文 献1 张洁. 国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况J. 哈尔滨玻璃钢研究院，2007，（3）：3943.2 孙黎, 汤晓英, 毛冲霓. 浅论我国气瓶附件标准体系和技术要求的完善J. 全国气瓶标准化技术委员会2007,（2）：3637.3 张阿维,王会燃. 计算机辅助工业设计的现状与发展J. 西北纺织工学院学报,1999,（3）：1112.4 孙家广,杨长贵.计算机图形学M. 北京：清华大学出版社, 1996,2526.5 李启炎.三维CAD设计及制图教程M. 上海：同济大学出版社,2000,910.6 评测专家组.三维CAD/CAM软件评测总结M. 机械工业出版社,1999,8.7 刘永翔. 产品设计实用基础M. 北京:化学工业出版社,2003,4345.8 樊柄辉，李江云. 三维参数化特征造型机械CADM北京：清华大学出版社，1999,8687.9 康晓东. CAD技术(上)M. 机械工业出版社,1997, 1213.10 袁波. 基于三维模型的二三维一体化设计J. 计算机辅助设计与制造，1999,（5）：2628.11 陈伯雄. 三维设计是CAD技术应用的必然趋势M. 北京：机械工业出版社，2000,12.12 杭建平.我国制造业企业信息化现状分析J.北京机械工业学报，2002,（2）：3337.13 许发樾. 模具结构设计M. 北京:机械工业出版社，2003,6768.14 李德群.现代模具设计方法M.北京:机械工业出版社，2001,5657.15 李小明，邱桂杰，刘锦霞. 某型复合材料气瓶优化设计J. 纤维复合材料机构，2007，(1)：2224.16 卜克明，王维. 计算机三维设计系统应用浅析J. 工程建设与设计，2008，(12)：5760. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题要主要研究的问题是利用现代三维设计技术，设计出更安全更实用更让人放心的气瓶。本课题的设计要求：(1) 气瓶在充灌状态下长期储存，不允许漏气。采用可靠性高的工艺方法，对焊缝 质量的要求高。(2) 在保证工作安全可靠的前提下，气瓶的结构重量最轻。(3) 气瓶外形尺寸的选择应考虑充分利用弹体的空间。(4) 气瓶材料应与贮存的气体相容，成形、焊接工艺性好，有利于保证强度及气密；本设计采用的手段：(1) 完成相关资料查阅。(2) 消化相关资料。 (3) 完成相关计算和分析。(4) 采用SolidWorks设计软件完成设计工作 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：根据课题任务和要求，进行了相关文献资料的查阅，对有关本课题的内容进行了适当的论述，了解了课题的研究目的和意义，并对课题的研究现状有了一定得认识。体现了较好的查阅文献的能力，达到了文献综述的要求。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题是气瓶的三维造型设计，课题具有一定得深度和广度，工作量始终，按照任务书精度要求，认真完成三维造型、装配各个部分的内容，应能达到毕业设计任务书要求。 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 马磊 学 号： 05010220 (用外文写)外文出处： Int J Adv Manuf Technol(2007) DOI 10.1007/s00170-006-0676-2 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：所选原文资料内容符合本毕业设计及专业方向要求，篇幅饱满，翻译用词准确，语句通顺。 签名： 2009年3 月18 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文 基于工业以太网透明模型的层次实时网络CNC系统摘要 随着市场上工业以太网的重要性日益增加，人们急切的需要基于工业以太网透明模型的网络化CNC（计算机数字控制）系统。为了实现这一目标，本文设计了一种基于以太网/因特网的层次实时网络，叫做RNH-CNC。为评估其性能，进行了一些实验，并对结果作了分析。结果表明基于实时以太网的现场层通讯能满足硬件实时任务的要求。基于可开关的以太网的NC服务器计算机和NC核心计算机之间的通讯也达到了软件实时任务的要求。结果证明基于工业以太网透明模型的CNC系统是可行的。 关键字 CNC 网络 实时 工业以太网1. 引言随着信息技术的发展，网络化CNC系统有两个特点6:(a) 远程作业处理。基于因特网和局域网（LAN），CNC系统能执行远程操作遥控，例如远程设计、远程管理、远程监控和远程故障诊断。(b) 基于现场总线的现场设备控制。需要基于高速现场总线的实时现场设备控制。现在已经提出了多种方法来支持网络CNC系统。特别是许多论文重点在现场总线，它们提出了可行的解决方法，而这些都是建立在专用现场总线上的，例如CAN, Profibus, SERCOS。 此外，随着以太网的发展，一些文章提出了将以太网和RS232相结合的CNC系统解决方法3，8。近几年来，以太网技术得到迅速完善，它的速度已经从一开始的每秒10M提高到每秒10G。理论上，以太网的速度比现存的专用现场总线的速度快得多。例如，每秒10G的以太网速度是每秒12M的PROFIBUS速度的830倍，是每秒1M的CAN速度的10000倍。根据美国权威研究机构（ARC）的报告，工业以太网将促进未来现场总线的发展，并且可能工业控制网络标准统一起来。据此，在网络CNC系统中引入工业以太网也将是CNC系统发展的新方向。目前，一些机构在集中研究工业以太网的关键技术上。工业以太网有两种应用模式7. 一种是混合模式，一般可用于上层来连接企业以太网LAN，而下层仍然用低速专用现场总线。有几种研究结果，例如Profinet、ModbusTCP/IP、Ethernet/IP和iLON。混合模型是一种折中的方案，其主要动机来自于各个现场总线制造商要，要将专用现场总线和企业以太网相连。它们全都建立在IEEE802.3和TCP/IP的基础上，但是应用层协议是多种多样的，且连接专用现场总线到以太网的关键技术也是专门的。这些专用技术和多种多样的应用层协议影响直接到专用现场总线的广泛应用。另一个是透明模式，即在所有层都采用了以太网/因特网（从上层到下层）技术。对工业以太网来说这是一个完全的解决案，但仍存在一些难题。主要问题是工业控制以太网的实时性能的改进。为解决这问题，在两方面加快了透明模型的主要研究。其中一个是可开关的以太网的研究，另一个是实时控制协议的研究。尽管已经有了解决这些以太网问题的研究成果，但是离实际应用还有一段距离。本文通过综合考虑CNC系统的特点，提出了一个基于工业以太网透明模式的层次实时网络CNC系统（RNH-CNC）。论文其他部分结构如下：第二节中，介绍了RNH-CNC系统体系结构；第三节中描写了RNH-CNC的实现；第四节涉及实验和评估；最后，第五节给出了结论。2. RNH-CNC系统体系结构2.1 网络和硬件体系结构RNH-CNC系统体系结构分成4个层次（如图1）：最底层（第1层）包括现场设备（例如伺服系统、输入/输出设备）；第二层包括NC核心计算机；第三层包括NC服务器计算机和其他系统（如：CAD，CAPP）；最高的层是基于因特网的网络浏览器计算机1。从最高层到最底层分别是非实时因特网、软实时以太网和硬实时以太网。2.2 软件结构RNH-CNC系统的软件体系结构如图2所示。 它也被划分为四个层次：基于因特网、NC服务器、NC核心、现场设备控制的远程操作。远程操作包括远程设计、远程管理、远程故障诊断、远程监控等。NC服务器起的作用如下：(a) CNC 人机界面（HMI）：用于实现监测，控制，参数管理，过程信息显示，刀具轨迹显示，以及更新。(b) 网络服务器：提供基于因特网的网络服务器功能，包括基于网络的设计、管理、故障诊断和监控等服务。(c) 软实时以太网（SRE）接口：基于以太网，在NC服务器计算机和NC核心计算机之间提供软实时数据交换功能。NC核心包括CNC核心功能，软实时以太网接口（SRE界面），硬实时以太网接口（HRE界面）。(a) CNC核心功能：用于实现CNC系统的核心功能。大部分功能都是实时过程，所以需要系统对它们做出快速的响应。NC核心功能包括插补，位置控制，PLC，NC代码译码，刀具补偿，运动控制等。(b) 软件实时以太网（SRE）接口：用于提供NC服务器计算机和NC主计算机之间的以太网软实时通信接口。 (c) 硬件实时以太网（HRE）接口：用于提供NC主计算机和现场设备（如伺服，输入/输出）之间的硬实时以太网接口。 现场设备控制包括了硬实时以太网接口（在NC主计算机和现场设备之间）和其他装置控制。3. 执行等级实时网络3.1 在因特网的基础上执行远程诊断、监控通过基于因特网的远程诊断，监测和控制这些功能，不在现场的工程师们能通过因特网诊断出机器故障，监测和控制机床运转。NC服务器应提供必要的信息给工程师分析和做出决策，这些信息包括机床状况，运行日志，系统参数和其他相关信息，因此，必须能实现NC服务器与因特网Web使用者之间的信息传递。实现方法如下所示：（a）选择合适的网页开发工具，比如ASP.NET(动态服务器主页)，用来开发网络服务器应用程序。使用这些开发工具，应用程序能够从NC服务器数据库中存取机床状态，运行日志，系统参数，专家知识，推理规则等信息。（b）设置操作系统参数并启动网络服务器。（c）发布网络服务器的URL（统一资源定位器），从而，工程师能通过诸如IE等网络浏览器作远程故障诊断，远程监测和控制。远程过程通过使用因特网来运行，因此，它是非实时通信。3.2 在NC服务器和NC核心计算机之间的软实时通讯3.2.1 网络连接NC服务器和NC主机之间的通信是基于以太网的。然而，众所周知，传统的以太网是不适合进行实时通信的。这是因为以太网中的CSMS/CD机制，它的最大传递等待时间不能被限定。普通共享以太网的连接器是一个集线器，它的结构相当于一种物理层的转发器，它将以一个端口接收到的信息发送到所有其他端口。而这则会引起冲突和不确定的延时问题。为了减少冲突，有人提议用一种转化以太网，它使用转换开关来连接网络节点。这个转换开关可以设计成控制有许多端口的矩阵开关，并且每个端口之间信息是隔离的。送入转换器的数据仅被发送到与目的地址连接的端口。输入输出的数据也不再服从CSMA/CD的规定。转换器的优点就是将冲突域划分为与端口相关的分区，所以网络段变的细小（每个端口只和一个节点连接），从而完全独占了共享信道。第二个优点就是在同一时间可以在所有的端口之间形成多通道，所以串行传输变成并行传输。同时，网络带宽和冲突问题也得到有效解决，从而满足了软实时通信的要求。所以选择转换以太网来设计RNH-CNC的软实时通信。网络连接如图3所示。3.2.2 通讯程序设计当要求在不同平台之间进行数据交换时，就需要选择一种支持所有平台的标准的通信的API函数。例如，由于Socket API是一种许多平台（例如Windows和Linux操作系统）都支持的标准应用程序编程接口，所以它能用作NC服务器和NC主计算机的通信应用程序的开发。基于Socket API的NC服务器和NC主计算机之间的通信过程如图4所示。NC服务器的处理流程如下所示：（a）产生一个插口（b）产生一个连接（c）发送数据块（空，文件块，命令和NC代码单元）到NC主计算机（d）从NC主计算机接收NC状态数据（e）同步休眠（f）转向（c）NC主计算机的处理流程如下所示：（a）产生一个插口（b）绑定局部地址和端口（c）监听通信线路（d）接收（e）从NC服务器接收并处理数据块（f）将NC状态数据发送到NC服务器（g）同步休眠（h）转向（d）3.3 在NC核心计算机和现场设备之间的硬实时通讯尽管通过转换以太网网络带宽和冲突问题已经得到有效解决，但是转换器的存储和传输过程可能会导致数据丢失或者更长的延时（超过30微秒）。所以它还不能满足时间确定的应用要求，这时对时间有严格的限制。然而，带有实时控制协议的经改进后的传统以太网更加适合这些应用，所以在这里用来设计RNH-CNC的现场网络。图5显示了其网络拓扑关系（主机是NC主计算机，从设备是其他现场设备）。为解决确定时间通信问题，还可以用一些方法来避免冲突，如时间分隔法、查询法，对于一些不确定的因素，这些方法可以将以太网数据冲突的几率降至零。这里采用了时间分隔法避免冲突，并且传输的循环数据划分为三种：Syn（主机同步），SD（从设备数据），MD（主机数据）。通信循环如图6所示。一个周期的通信步骤如下所示：（a）主机发送同步数据到所有的从设备，告知一个周期的开始（b）从设备1在一个时间分隔中（开始于t1）发送SD1数据（如实际位置，速度，扭矩/力，警报信号，诊断信号，状态确认信号，PLC输入，伺服系统参数和电动机参数）到主机（c）从设备2在时间分隔内（开始于t2）发送SD2数据到主机（d）.（e）从设备n在它的时间分隔内（开始于tn）发送SDn到主机（f）主机在它的时间分隔内（开始于tmd）发布MD数据（如位置，速度，扭矩力，模式，PLC输出，伺服参数和电动机参数）到所有的从设备，每个从设备能在指定的位置收到自己的数据。附件2：外文原文 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 马磊 学 号： 05010220 (用外文写)外文出处： Int J Adv Manuf Technol(2007) DOI 10.1007/s00170-006-0676-2 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：所选原文资料内容符合本毕业设计及专业方向要求，篇幅饱满，翻译用词准确，语句通顺。 签名： 2009年3 月18 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文 基于工业以太网透明模型的层次实时网络CNC系统摘要 随着市场上工业以太网的重要性日益增加，人们急切的需要基于工业以太网透明模型的网络化CNC（计算机数字控制）系统。为了实现这一目标，本文设计了一种基于以太网/因特网的层次实时网络，叫做RNH-CNC。为评估其性能，进行了一些实验，并对结果作了分析。结果表明基于实时以太网的现场层通讯能满足硬件实时任务的要求。基于可开关的以太网的NC服务器计算机和NC核心计算机之间的通讯也达到了软件实时任务的要求。结果证明基于工业以太网透明模型的CNC系统是可行的。 关键字 CNC 网络 实时 工业以太网1. 引言随着信息技术的发展，网络化CNC系统有两个特点6:(a) 远程作业处理。基于因特网和局域网（LAN），CNC系统能执行远程操作遥控，例如远程设计、远程管理、远程监控和远程故障诊断。(b) 基于现场总线的现场设备控制。需要基于高速现场总线的实时现场设备控制。现在已经提出了多种方法来支持网络CNC系统。特别是许多论文重点在现场总线，它们提出了可行的解决方法，而这些都是建立在专用现场总线上的，例如CAN, Profibus, SERCOS。 此外，随着以太网的发展，一些文章提出了将以太网和RS232相结合的CNC系统解决方法3，8。近几年来，以太网技术得到迅速完善，它的速度已经从一开始的每秒10M提高到每秒10G。理论上，以太网的速度比现存的专用现场总线的速度快得多。例如，每秒10G的以太网速度是每秒12M的PROFIBUS速度的830倍，是每秒1M的CAN速度的10000倍。根据美国权威研究机构（ARC）的报告，工业以太网将促进未来现场总线的发展，并且可能工业控制网络标准统一起来。据此，在网络CNC系统中引入工业以太网也将是CNC系统发展的新方向。目前，一些机构在集中研究工业以太网的关键技术上。工业以太网有两种应用模式7. 一种是混合模式，一般可用于上层来连接企业以太网LAN，而下层仍然用低速专用现场总线。有几种研究结果，例如Profinet、ModbusTCP/IP、Ethernet/IP和iLON。混合模型是一种折中的方案，其主要动机来自于各个现场总线制造商要，要将专用现场总线和企业以太网相连。它们全都建立在IEEE802.3和TCP/IP的基础上，但是应用层协议是多种多样的，且连接专用现场总线到以太网的关键技术也是专门的。这些专用技术和多种多样的应用层协议影响直接到专用现场总线的广泛应用。另一个是透明模式，即在所有层都采用了以太网/因特网（从上层到下层）技术。对工业以太网来说这是一个完全的解决案，但仍存在一些难题。主要问题是工业控制以太网的实时性能的改进。为解决这问题，在两方面加快了透明模型的主要研究。其中一个是可开关的以太网的研究，另一个是实时控制协议的研究。尽管已经有了解决这些以太网问题的研究成果，但是离实际应用还有一段距离。本文通过综合考虑CNC系统的特点，提出了一个基于工业以太网透明模式的层次实时网络CNC系统（RNH-CNC）。论文其他部分结构如下：第二节中，介绍了RNH-CNC系统体系结构；第三节中描写了RNH-CNC的实现；第四节涉及实验和评估；最后，第五节给出了结论。2. RNH-CNC系统体系结构2.1 网络和硬件体系结构RNH-CNC系统体系结构分成4个层次（如图1）：最底层（第1层）包括现场设备（例如伺服系统、输入/输出设备）；第二层包括NC核心计算机；第三层包括NC服务器计算机和其他系统（如：CAD，CAPP）；最高的层是基于因特网的网络浏览器计算机1。从最高层到最底层分别是非实时因特网、软实时以太网和硬实时以太网。2.2 软件结构RNH-CNC系统的软件体系结构如图2所示。 它也被划分为四个层次：基于因特网、NC服务器、NC核心、现场设备控制的远程操作。远程操作包括远程设计、远程管理、远程故障诊断、远程监控等。NC服务器起的作用如下：(a) CNC 人机界面（HMI）：用于实现监测，控制，参数管理，过程信息显示，刀具轨迹显示，以及更新。(b) 网络服务器：提供基于因特网的网络服务器功能，包括基于网络的设计、管理、故障诊断和监控等服务。(c) 软实时以太网（SRE）接口：基于以太网，在NC服务器计算机和NC核心计算机之间提供软实时数据交换功能。NC核心包括CNC核心功能，软实时以太网接口（SRE界面），硬实时以太网接口（HRE界面）。(a) CNC核心功能：用于实现CNC系统的核心功能。大部分功能都是实时过程，所以需要系统对它们做出快速的响应。NC核心功能包括插补，位置控制，PLC，NC代码译码，刀具补偿，运动控制等。(b) 软件实时以太网（SRE）接口：用于提供NC服务器计算机和NC主计算机之间的以太网软实时通信接口。 (c) 硬件实时以太网（HRE）接口：用于提供NC主计算机和现场设备（如伺服，输入/输出）之间的硬实时以太网接口。 现场设备控制包括了硬实时以太网接口（在NC主计算机和现场设备之间）和其他装置控制。3. 执行等级实时网络3.1 在因特网的基础上执行远程诊断、监控通过基于因特网的远程诊断，监测和控制这些功能，不在现场的工程师们能通过因特网诊断出机器故障，监测和控制机床运转。NC服务器应提供必要的信息给工程师分析和做出决策，这些信息包括机床状况，运行日志，系统参数和其他相关信息，因此，必须能实现NC服务器与因特网Web使用者之