（机械制造及其自动化专业论文）基于can总线的dnc实用系统研究.pdf

摘要 摘要 d n c 作为现代机械加工企业实现设备集成、信息集成、功能集成的一种新方法， 是企业实施f m s 与c i m s 的必要基础，也是提高机械制造系统最底层设备数控机 床使用效率的关键之所在。 本文基于对d n c 系统现状和相关技术的深入研究分析，构建了基于c a n 总线的 d n c 实用系统，并对该系统进行了硬件系统设计和软件系统开发。 在硬件系统设计中，提出了由单元层、d n c 主机工作站层和n c 系统设备层组成的 3 层控制结构运行模式，针对目前d n c 底层通信广泛采用的点对点串口通信技术和局 域网通信技术的速率低、通信距离短、成本高、实时性差等缺点，并基于c a n 总线的 实时性好、可靠性高等优越性，选用c a n 现场总线进行本d n c 系统构建，确定了硬件 系统的网络拓扑结构并进行了硬件的选型，该系统不仅简化了通信结构，还能有效提升 系统的通信速度，并提高其可靠性和实时性。 软件系统根据其实现功能，划分为三个模块：n c 程序编译模块、n c 程序传输模块 以及n c 加工信息管理模块。其中n c 程序编译模块应用专用编译工具l e x & y a c c 实现 对n c 程序的词法分析、语法分析，应用o p e n g l 进行刀具轨迹绘制实现对n c 程序的 语义分析；n c 程序传输模块实现对d n c 系统的初始化设置以及程序的发送和接收； n c 加工信息管理模块应用数据库和a d o 技术实现对输入和已存在的n c 程序信息以及 其它加工信息的统一管理。 本文中组建的d n c 实用系统，能够高效、快速、准确地对n c 程序验证，并能实 现高可靠性的数控程序实时传输，还能对n c 加工信息进行有效管理，具有工作可靠， 结构简单，实时性好的特点，能显著提高n c 加工效率，针对我国中小型制造企业有一 定的应用前景。 关键词：d n c ；c a n 总线；n c 程序编译；n c 程序传输；n c 加工信息管理 人连交通人学 学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wm e t h o dt or e a l i z ee q u i p m e n ti n t e g r a t i o n ，i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n df u n c t i o n i n t e g r a t i o nf o rt h em o d e mm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，d n ci s n o to n l yt h e n e c e s s a r yb a s i so ff m sa n dc i m si m p l e m e n t a t i o ni ne n t e r p r i s e s ，b u ta l s ot h ek e yt e c h n o l o g y t ot h ee f f i c i e n c yi m p r o v e m e n to fn cm a c h i n et o o l ，w h i c hi st h el o w e s tl e v e le q u i p m e n to ft h e m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r es y s t e m b yd e e ps t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dr e l a t e dt e c h n i q u e so fd n c s y s t e m ，t h ep r a c t i c a ld n cs y s t e mb a s e do nc a nf i e l d b u si se s t a b l i s h e d ，a n di t sh a r d w a r e s y s t e ma n ds o t t w a r es y s t e ma r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y i nt h eh a r d w a r es y s t e m ，at h r e e - l a y e r sc o n t r o ls t r u c t u r em o d e w h i c hi sc o m p o s e db y t h eu n i tl a y e r , d n cc o m p u t e rw o r k s t a t i o nl a y e ra n dn cs y s t e me q u i p m e n tl a y e r i s p r e s e n t e d a i mt ot h ed i s a d v a n t a g e s u c ha sl o ws p e e d ，s h o r td i s t a n c e ，h i g hc o s ta n db a d r e a l - t i m ec a p a b i l i t ye t c i np o i n t - t o - p o i n ts e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dl o c a la r e a n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c ha r e a p p l i e dw i d e l y i nd n cl o w e rl e v e l c o m m u n i c a t i o n ，a n db a s e do nt h eg o o dr e a l - t i m ec a p a b i l i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t yo fc a n f i e l d b u s ，c a nf i e l d b u si si n t r o d u c e di n t ot h ed n cc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o n s t r u c t i o n ，t h e s y s t e m sn e t w o r kt o p o l o g yi sd e t e r m i n e da n dr e l a t e dh a r d w a r ea r ec h o s e np r o p e r l y t h e s y s t e ms i m p l i f i e st h ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e ，a n di m p r o v e st h ec o m m u n i c a t i o ns p e e d ， r e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m ec a p a b i l i t ya sw e l l a c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n ，t h es o f t w a r es y s t e mc a nb ed e v i d e di n t ot h r e em o d u l e s ，i e n cc o d ec o m p i l i n g ，n cc o d et r a n s m i t t i n ga n dn cm a c h i n i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t n c c o d ec o m p i l i n gm o d u l ei su s e dt oc h e c kt h el e x i c a lm i s t a k e ，g r a m m a t i c a lm i s t a k ea n d s e m a n t i cm i s t a k e ；n cc o d et r a n s m i t t i n gm o d u l ei su s e dt os e t u pt h ed n cs y s t e m i n i t i a l i z a t i o n ，t r a n s m i ta n dr e c e i v en cp r o g r a m ；n cm a c h i n i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti s u s e dt om a n a g et h en cc o d ei n f o r m a t i o na n do t h e rp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nt h a ti sj u s t i n p u t t e do re x i s t e di ns y s t e mb yd a t a b a s e t h ep r a c t i c a ld n cs y s t e mc o n s t r u c t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c a nv e r i f yt h en cc o d e a c c u r a t e l y ，c o n v e n i e n t l ya n de f f i c i e n t l y ，c a nr e a l i z et h er e a l t i m ea n dr e l i a b l en cc o d e t r a n s m i t t i n g ，a n dc a nm a n a g et h en cm a c h i n i n gi n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l yt o o t h es y s t e mh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e l i a b l eo p e r a t i o n ，s i m p l es t r u c t u r ea n dh i g hr e a l - t i m ec a p a b i l i t y ，c a n i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fn cm a c h i n i n gp r o c e s so b v i o u s l y ，a n dh a sac e r t a i na p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nt h em i d d l ea n ds m a l ls c a l em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e so fo u rc o u n t r y k e yw o r d s ：d n c ；c a nf i e l d b u s ；n cc o d ec o m p i l i n g ；n cc o d et r a n s m i t t i n g ；n c m a c h i n i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t i l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作糍：繇旄导獬：乡多研 日期：加g 年月日 日期：7 。毋年石月 日 学位论文作者毕业后去向：柚冷工灸些考灸j 丑 工作单位：彳。适两工复迫喝黝电话：6 仁，一廖形7 ，始7 通讯地址：名色却砀崩压八揣，占7 易邮编：形口厂参 电子信箱： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他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已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：鄢、魄 日期：矽艿年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 机械制造业是一个国家的工业基础，其发展水平直接体现了综合国力，我国目前已 成为机械制造及出口大国。随着社会生产和科学技术的进步以及因特网的广泛应用，制 造业发生了翻天覆地的变化，各种先进制造技术逐渐应用于制造系统中。从1 9 5 2 年世 界上第一台n c 机床研制成功以来i l j ，n c 技术得到了广泛的发展，n c 机床已成为制造 系统中的核心设备和重要组成部分，在制造业中发挥着不可替代的作用。近年来，微电 子和计算机技术r 益成熟，其成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了 直接数控系统，也称分布式数控系统( d n c ) 、柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制 造系统( c i m s ) 。所有这些高级的自动化生产系统均以n c 机床为基础，并代表着n c 机床今后的发展趋势。相比于f m s 和c i m s 来说，d n c 系统具有投资小、见效快、可 适时进行人机交互并具有较好的柔性特征，非常适合在我国中小型制造企业中推广使 用，因此得到了广泛的发展和应用。 现场总线是连接制造现场与控制室中计算机的一种数字通信链路，它作为工厂数字 通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间与更高控制管理层次之间的关 系，具有协议简单、安全性好、容错能力强、成本低等特点。c a n 现场总线被公认为 最有前途的现场总线之一，以其实时性好、可靠性高等特点在控制领域中得到了广泛的 应用。 本课题来源于辽宁省教育厅高等学校科学技术研究项目基于c a n 总线网络化 d n c 通讯系统的研究( 项目批准号：2 0 0 4 f 0 3 8 ) 。论文针对目前d n c 系统广泛采用的 r s 2 3 2 点对点串口通信距离短、实时性差等缺陷，将c a n 总线与n c 机床集成在一起， 构成d n c 系统，组成企业内部底层设备网，通过分析研究目前已有的d n c 软件，重点 对本系统的控制软件功能进行了针对性设计，除了具有传统的d n c 传输功能外，还包 括了程序的编译仿真和信息管理功能，构建了一个实用性好、功能性强的d n c 实用系 统，对于改善车间的生产组织与管理，提升n c 加工设备和系统的整体执行效率，具有 现实意义。 大连交通人学i ：学硕十学位论文 1 2n c 机床及d n c 系统研究现状 1 2 1n c 机床发展概述 数字控制，简称数控( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 是一种用数字化信息进行控制的自 动化控制技术。n c 机床的研制最早是从美国开始削1 1 。1 9 4 8 年，美国帕森斯公司( p a r s o n s c o ) 在完成研制加工直升机浆叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制n c 机床的初步设想。1 9 4 9 年，在美国空军后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与 麻省理工学院伺服机构实验室( s e r v om e c h a n i s ml a b o r a t o r yo f t h em a s s a c h u s e t t si n s t i t u t e o f t e c h n o l o g y ) 合作，开始n c 机床的研制工作，于1 9 5 2 年试制成功世界上第一台n c 机床实验性样机i l 之j 。近年来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相 关技术的发展，n c 系统先后大致经历了以下四个阶段，如表1 1 所剥3 1 。 表1 1n c 系统发展的四个阶段 t a b l e1 1f o u rp h a s e so fn cs y s t e md e v e l o p m e n t 特征阶段研究开发推i 戍用系统化高性能集成化 年代 1 9 5 2 1 9 6 91 9 7 0 1 9 8 51 9 8 2 1 9 9 0 n c 车床、铣床、加工中心、电加柔性制造单元( f m c ) 计算机集成制造系统 典型应用 ( c l m s ) ，无人化工 钻铣床工、锻压柔性制造系统( f m s ) 厂 工艺方法简单l ：艺多种1 ：艺方法完整的加 过程复合设计加工 c n c 控制，刀具 n c 控伟0 ，自动交换，五轴联 多台车床和辅助设备 n c 功能协同，多坐标控制， 多过程、多任务调度、 3 轴以下动，较好人机 高精度，高速度 模板化、复合化 界面 驱动特点步进、液压电机直流伺服电机交流伺服电机数字智能化、直线驱动 n c 技术目前正朝标准化开放体系结构的方向发展，就结构形式而言，当今世界上 的n c 系统大致可分为四种类型1 4 j ：传统n c 系统；“p c 嵌入n c 结构的开放式n c 系统；“n c 嵌入p c 结构的开放式n c 系统；s o f t 型开放式n c 系统。 n c 机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果，主要包括精密机械、计算机 及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感和网络通信等技术。近些年来，n c 机床被广泛应用于我国的制造业，主要呈现出如下趋判3 5 1 ， ( 1 ) n c 机床向智能化方向发展。 ( 2 ) n c 机床向网络化方向发展。 2 第一章绪论 ( 3 ) n c 机床向高速、高精、高可靠性方向发展。 ( 4 ) n c 机床向高柔性化方向发展。 ( 5 ) n c 机床向复合化方向发展。 1 2 2d n c 系统涵义及结构 d n c 最早意为直接数字控制( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，是指计算机直接对n c 设备进行控制和加工。早期计算机的高成本是阻碍n c 机床普及的主要问题，因此为了 降低n c 设备的成本，将若干台n c 设备直接连接在一台计算机上，计算机按照约定及 请求，向这些机床分送程序和数据，这就是直接数字控制。 随着n c 系统的存储容量和计算速度的提高，特别是微处理机技术的发展和价格的 下降，d n c 的基本功能发生了一些变化，n c 程序不再是以实时的方式传输给n c 设备， 而是一次完成全部传输，存储在n c 机床的程序存储器中，在需要时可以启动运行，因 此现在的d n c 系统从内容和意义上来讲已发展成为分布式数字控制系统( d i s t r i b u t e d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，它是由直接数字控制系统发展而来的1 6 l ，不但具有直接数字控制 系统的所有功能，而且具有收集系统信息、监视系统状态和远程控制等功能，是现代化 机械加工车间自动化的重要模式【7 1 。 针对车间的不同规模和大小，d n c 系统的控制结构可以有f s 】：工作站层和设备层 2 层控制结构，其结构与直接d n c 基本一致，都是用一台计算机对一组n c 机床进行控 制管理。单元层、工作站层和设备层3 层控制结构，其中d n c 主机主要负责制造数 据的管理、传送和设备状态信息的采集工作，单元控制器完成产品设计，工艺设计，n c 程序生成、生产计划等工作。车间层、单元层、工作站层和设备层4 层控制结构，其 中d n c 主机通过单元控制器从车间层获取产品制造信息( 生产计划、n c 程序、工艺文 件等) ，单元控制器主要进行生产计划工作，d n c 主机仅仅完成数据传送、设备状态 采集工作。跨车间控制结构。该运行模式把车间作为一个制造单元，可与其它车间进 行制造信息交换，实现车间重组。 d n c 技术作为实现制造系统柔性自动化基本方法，在车间自动化系统中具有极其 重要的地位和作用 9 1 ： ( 1 ) n c 程序和命令信息的传送完全采用电缆通过电信号的通讯方法实现，从而彻底 摆脱了由纸带等介质带来的不便，大大增强了传送效率和可靠性。 ( 2 ) d n c 系统具有程序编制和编辑功能，大大缩短了加工准备时间，提高了生产效 率。 人连交通大学t 学硕士学位论文 ( 3 ) d n c 系统可以把与制造过程有关的设备( 如n c 机床等) 与上层计算机集成起 来，从而实现制造设备的集中控制管理以及制造设备之间的信息交换。 1 2 3d n c 系统研究现状 我国关于d n c 系统的研究始于2 0 世纪6 0 年代【9 j ，当时的研究目的主要是为了解 决早期n c 设备使用纸带输入n c 加工程序而带来的故障多等一系列问题和早期n c 设 备成本高等问题，后来由于c n c 技术和f m s 技术的发展，人们将注意力更多地转向了 对单台n c 系统和f m s 系统的研究。近年来，随着计算机网络和通讯技术的发展以及 制造自动化的需要，单台n c 设备联网运行的要求越来越迫切，d n c 因其投资少、规模 小、见效快等优点重新引起国内外的重视【争1 1 】，d n c 比f m s 更适合我国国情，d n c 是 实现c i m s 的一种有效途径，是实现机械制造自动化的较好形式【8 ，1 2 】。但是随着社会的 发展和技术的进步，传统的d n c 己不能完全满足制造业的需要，必须扩展d n c 的管理 功能和与d n c 系统外的信息集成，实现信息共享，因此，对企业车间加工自动化及集 成化有重要理论和实用价值的网络d n c 技术日趋重要，并受到企业界的极大关注。信 息技术和现代制造技术的发展赋予了d n c 技术很多新的内涵，现代d n c 的概念与以前 有了很大改变【h d 引。 ( 1 ) 南京航空航天大学的方水良博士提出了“柔性d n c ( f d n c ) 的概念，认为 随着d n c 技术的发展，d n c 与f m s 的概念越来越模糊，d n c 已成为f m s 必不可少 的一部分【埔j 。 ( 2 ) 重庆大学张旭梅博士认为随着c i m s 技术的发展，集成的思想越来越重要，d n c 应该作为制造自动化的一种方法集成到c i m s 中，由此提出了“集成d n c ( i d n c ) 的概念1 1 7 j 。 ( 3 ) 大连理工大学的闰伟国博士提出了网络化制造模式的d n c 系统( w e b d n c ) ， 建立了w e b d n c 的体系结构模型，强调在网络化制造的基础上，实现基于网络的制造 数据共享、实时监控功能以及跨平台的操作功能i l 引。 ( 4 ) 浙江大学熊斌博士提出了敏捷d n c 的运作方式，阐述了敏捷d n c 的系统构成、 拓扑结构、运行模式以及安全机制【l9 1 。 ( 5 ) 上海交通大学李春常博士提出了p d m 系统与d n c 的集成，认为该方案可以满 足企业上层应用系统与车| 日j 底层控制系统的集成1 2 。 早期对d n c 系统研究的主要方向是对d n c 装置和接口的研究，d n c 接口是指n c 机床提供的通讯接口，而d n c 通讯接口直接决定了d n c 系统能够达到的功能。n c 系 4 第一章绪论 统所提供的通讯接口一般有纸带阅读机输入接口、r s 2 3 2 接口、d n c 接口以及网络接 口，而目前绝大多数n c 机床均提供接口配置为r s 2 3 2 的串行通讯接口。 随着n c 系统所提供的接口逐渐趋于一致，即以串口为主，此时d n c 技术的研究 转为以通信和管理软件开发为主，出现了很多商业化软件，国外比较著名的通信软件有 c l m c od n c 、d n cp r o f e s s l o n a l 、p r e d a t o rd n c 等等，国内的一些公司也开发出 了自己的d n c 通信软件，如北京机床研究所的j c s d n s ，东升软件d s d n c 等，这些 软件都是应用串行通信技术开发的，支持多台机床同时通信、断点传输、程序管理等功 能，这些软件系统的出现，极大地提升了n c 加工系统的整体执行效率和智能化水平。 目前，我国也有很多研发成功，实际使用效果很好的d n c 系统，如， ( 1 ) 南京航空航天大学c i m s 工程研究中心基于r s 4 8 5 网络集成d n c 系统车间控 制系统，该系统成功应用于国家“8 6 3 计划c i m s 主题重点应用工程金城j c c i m s 二 期工程1 2 l j 。 ( 2 ) 重庆大学研制的“基于软插件技术的d n c 通信系统 ，是一套适合于异构型 n c 设备集成的d n c 系统，可实现p d m c a d c a p p c a m d n c 与生产管理的集成，该 系统在长安汽车有限责任公司成功应用【2 2 1 。 但国内的d n c 系统的研究与国外相比还有较大的差距，主要表现在系统的功能性 较弱、商业化产品较少，因此有必要对d n c 系统进行深入的研究。 1 2 4d n c 技术的发展趋势 随着先进制造技术、通信技术及相关技术的应用和发展，当前d n c 技术的研究主 要呈现出如下发展趋势【协1 4 j ： ( 1 ) 研究与开发高速数据通信技术已是d n c 系统发展的当务之急。 ( 2 ) d n c 系统的研究重点从单纯的通信技术向生产管理方面倾斜，建立n c 资源集 成服务平台，实现资源共享。 ( 3 ) d n c 系统向网络化方向发展。 ( 4 ) d n c 系统控制软件可重用性不强，功能比较单一，需要进行面向对象设计和实 现。 ( 5 ) 跨车间的d n c 系统运行模式的研究将会成为以后研究的重点。 1 3 本文主要研究工作。 本文通过对d n c 系统的现状以及相关技术进行深入研究，构建了基于c a n 总线的 d n c 系统，并开发相应的软件，最终组建了一个d n c 实用系统。本文的主要研究内容 如下： 大连交通人学工学硕十学位论文 ( 1 ) 通过对d n c 系统运行模式和d n c 通信技术的研究，在对比不同的通信结构特 点的基础上，设计采用了设备层基于c a n 现场总线通讯方式的3 层d n c 控制结构实用 系统，并对所用硬件进行了选择。 ( 2 ) 设计开发出d n c 实用系统软件，该软件主要包括n c 程序编译模块、n c 程序 传输模块以及n c 加工信息管理模块。 n c 程序编译模块针对所给的n c 加工程序，构造词法规则和语法规则，应用 专用编译工具l e x & y a c c 实现对n c 程序的词法分析、语法分析，应用o p e n g l 进行刀 具轨迹绘制实现对n c 程序的语义分析，并显示所发现的错误位置及错误类型，包括词 法分析、语法分析、语义分析和错误处理4 个子模块。 n c 程序传输模块提出基于c a n 现场总线的程序传输系统，利用动态链接库技 术实现基于c a n 总线网络的n c 程序传输功能，包括系统的初始化以及程序的发送和 接收功能。 n c 加工信息管理模块利用数据库技术和a d o 技术设计出n c 加工信息管理模 块，对系统中的n c 程序信息，设备静态信息以及生产任务信息等实现数据库的统一管 理。 6 第二章d n c 实用系统总体设计 第二章d n c 实用系统总体设计 2 1 系统需求分析和总体结构设计 ( 1 ) 系统需求分析 为了使该系统能够应用于我国广大中小型n c 加工企业的生产实践，并成功解决其 n c j h i 效率低下的现状，本d n c 实用系统应具有如下功能： 完善的n c 代码编译能力可便捷准确的查找出n c 程序中的各种错误包含 词法错误、语法错误和语义错误，并能准确定位错误出现的位置，使n c 程序在传输到 n c 机床上之前就能检验其正确性，大大减少其调试时问，并能避免错切、过切及干涉 碰撞事故的发生，从而显著降低生产成本，提高加工效率并保证加工质量。 强大的n c 程序传输能力可实现n c 程序向n c 机床的实时传输，传输过程稳 定可靠，可避免数据丢失及延迟造成的n c 加工错误及效率低下，能够实现存储量为兆 单位及以上的大型n c 程序的传输，满足大型、复杂及高精度零件的加工要求，为节约 成本，本系统还应能够实现d n c 主机向多台n c 机床的长距离实时传输，使d n c 主机 不必处于生产车间这样的高电磁干扰的环境，从而可用普通微机代替价格昂贵的工控 机。 便捷的n c 程序管理能力可实现n c 程序及其它加工信息的数据库统一管理， 使用户能够方便管理和调用d n c 主机上存在的n c 程序及所需的其它加工信息，并具 有直观、简洁、友好的人机交互界面。 ( 2 ) 系统总体结构设计 d n c 系统指用台计算机对多台n c 机床进行集成化控制管理的一种方式，是实现 c a d c a m 和计算机辅助生产管理系统集成的纽带，目前对d n c 系统的研究已经从早 期的单纯对d n c 接口的研究转为对系统通信和软件功能的研究。为实现上述功能需求， 本文从硬件和软件两方面对本d n c 实用系统分别进行设计，硬件方面确定了底层基于 c a n 总线的3 层控制结构运行模式，并对实现c a n 总线通信所需硬件模块进行了选型； 软件方面通过对软件系统总体方案的规划设计，力图设计一个功能和柔性都较强的软件 系统，最终确定了本软件具有n c 程序编译、n c 程序传输以及n c 加工信息管理三大 功能模块。 7 大连交通大学。t = 学硕七学位论文 2 2 硬件系统设计 2 2 1d n c 控制结构运行模式 随着d n c 技术的发展，实际上应用的d n c 系统种类繁多，形态各异，但又存在着 许多相似之处，目前为大多数人所接受的就是分级控制结构运行模式，它将d n c 系统 中各个复杂的控制功能分解到系统的各层次上，从而可以降低系统开发成本，易于系统 扩展，并减少了系统开发的技术难度。 通过在绪论中的介绍可知，目前d n c 系统的分级控制结构运行模式大体可分为4 种模式l 引，虽然各种运行模式构成存在着一定的差异，即d n c 主机所集成的功能有所 不同，但是基本组成和原理是一样的，即都是以通信、计算机、网络等技术为基础，把 与制造过程有关的底层设备与d n c 主机联系起来，从而实现现代化机械加工系统的设 备、信息和功能集为一体的一种实用技术。目前应用较为普遍的d n c 系统通常只具有 2 层控制结构运行模式，这种结构体系应用广泛，具有结构简单、功能集中、投入少、 易实现等特点，但是随着制造业的发展和系统功能的完善，d n c 主机内存小，处理能 力弱的弊端就显现出来了，因此这种系统目前己不能满足制造业发展的需要。 本系统采用的是3 层控制结构运行模式，即由单元层、d n c 主机工作站层和n c 系统设备层组成。其中d n c 主机集成d n c 控制( 即d n c 通信) 、n c 程序编译和几 种信息管理功能于一体，如n c 程序信息管理，设备静态信息管理，生产任务信息管理 等。而n c 程序的生成，产品设计等工作则由单元层中的c a d c a m 、c a p p 工作站和 单元层计算机来完成，工作站和单元层计算机可挂在车间局域网中，这种控制结构可大 大减轻d n c 主机的负担，提高d n c 主机运行的效率。 2 2 2 系统通信技术及硬件选择 ( 1 ) 系统通信技术及网络拓扑结构 工作站层网络是沟通d n c 主机与上层控制系统的桥梁，d n c 主机通过局域网通信 的方式，采用t c p i p 协议通信，就可以和单元层交换各种制造信息，实现信息共享。 本文主要针对系统设备层网络通信进行设计研究。目前d n c 系统的底层通信技术 主要包括点对点串行通信技术、局域网通信技术和现场总线通信技术【l3 1 。作为工业现场 控制系统，可靠性和实时性是最主要的要求，采用现场总线技术来实现d n c 底层通信， 其网络拓扑结构具有比点对点型连线少，灵活性高，故障率低；比局域网连接方式结构 简单，造价低，数据传输快等优点，可以说现场总线技术是目前底层设备连接的最佳方 案。c a n 现场总线由于它自身的可靠性高、实时性好等优越性得到了广泛的应用，本 8 第二章d n c 实用系统总体设计 系统设备层d n c 通信便是采用了基于c a n 总线的通信技术，采用现场总线也是目前 d n c 底层通信技术的发展趋势，结合在2 2 1 中介绍的3 层控制结构运行模式的设计， 本系统网络拓扑结构采用总线型结构，如图2 1 所示。 单元层 工作站层 设备层 图2 1 系统网络拓扑结构 f i g 2 1n e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r eo fs y s t e m 域网 系统由d n c 主机以及插在其扩展槽上的p c 叫a n 接口卡、c a n 节点模块和n c 机床组成，通信介质c a n 总线采用普通双绞线。由于系统需要在c a n 网络下进行工作， 而一般的普通p c 机和n c 机床都提供的是r s 2 3 2 接口，无法直接接入c a n 网络，因 此需要转换模块将它们连入c a n 网络，即上图所示的p c c a n 接口卡和c a n 节点 模块。目前许多器件厂商竞相推出各种c a n 总线器件产品，己形成系列，丰富廉价的 c a n 总线器件为基于c a n 总线的传输系统的实现带来极大方便，例如广州周立功公司 生产的p c i 5 1 x x 系列的智能c a n 接口卡以及c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器；台湾研华 公司生产的p c i 1 6 8 0 c a n 接口卡以及a d a m 4 5 2 5 转换器等。 ( 2 ) 硬件选择 本系统选用广州周立功公司生产的p c i 一5 1 1 0 单路智能c a n 接口卡和c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器构成p c 主机与n c 机床接入c a n 网络的硬件模块，因为这两款产品性 能稳定、功能强大、应用简单、技术资料详实，能完全胜任本系统功能的实现。 p c i 5 11 0 单路智能c a n 接口卡的性能特点： 是p c i 接口的高性能c a n 总线通讯接口卡，提供了3 2 位3 3 m 的p c i 数据 总线，可在p c 机上即插即用； 9 大连交通人学。i ：学硕十学位论文 c a n 的传送速率在5 k b p s 1 m b p s 之问： 通讯接口采用d b 9 针型插座，c a n 协议采用c a n 2 0 b 规范并兼容 c a n 2 0 a 规范； 支持l i n u x 、w i n d o w s 等操作系统，并提供多种开发语言接口例程，适合 在v c + + 、v b 等编程语言上的二次开发。 p c i 5 11 0 接口卡提供c a n 总线通道，通过d b 9 针型连接器与实际的c a n 总线网 络进行连接，d b 9 针型连接器的引脚信号定义符合d e v i c e n e t 和c a n o p e n 标准，其引 脚定义如表2 1 所示。 表2 1p c i 一5 1 1 0 卡d b 9 插座的引脚定义 t a b l e2 1s t i t c hd e f i n i t i o n0 fp c i 51 1od b 9s o c k e t 引脚 名称描述 1n c 2c a nl c a nl 信号线 3 c a ng n d 参考地 4n c 5 c a n s h i e l d屏敝线 6c a ng n d 参考地 7c a nh c a nh 信号线 8n c 9n c c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器的性能特点： 用于c a n b u s 现场总线和r s 2 3 2 总线之间数据交换的智能协议转换器，实 现它们之间的双向通讯； 集成1 路3 线式r s 2 3 2 通道，通讯速率可在6 0 0 b p s - - 一1 1 5 k b p s 之间设定； 集成l 路c a n b u s 通道，通讯速率范围为5 k b p s 1 m b p s ，并支持用户自定义 通讯波特率； 支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 协议，符合i s o d i sl18 9 8 规范； 最高帧流量可达4 0 0 帧秒： 提供三种数据转换模式：透明转换、透明带标识转换、m o d b u s 协议转换。 图2 2 所示为c a n 2 3 2 m b 转换器的工作原理：转换器在正常工作时，实时对c a n 总线和r s 2 3 2 总线进行监听，一旦检测到某- - n 总线上有数据接收到，立即对其进行 1 0 第一章d n c 实用系统总体设计 解析，并装入各自的缓冲区，然后按设定的工作方式处理并转换发送到另一侧的总线， 实现数据格式的转换。 图2 2c a n 2 3 2 m b 工作原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo fc a n 2 3 2 m b c a n 2 3 2 m b 提供1 路c a n b u s 接口和1 路r s 2 3 2 接口，其中c a n 接口的引脚定 义如表2 2 所示。 表2 2c a n 2 3 2 m b 转换器c a n 接口引脚定义 t a b l e2 2s t i t c hd e f i n i t i o no fc a np o r ti nc a n 2 3 2 m b 引脚 名称描述 lv i n 电源正 20 v 电源地( 0 伏) 3c f g 配置引脚 4g n d 电源地 5 6 7r e s c a n 网络匹配电阻端一 8r e s + c a n 网络匹配电阻端_ 二 9c a n l c a n l 信号线连接端 l oc a n h c a n h 信号线连接端 大连交通大学1 ：学硕士学位论文 引脚1 标示“v i n ”接外部+ 9 v + 2 4 v 直流电源，引脚2 标示“0 v 是接外部电源 地。引脚3 标示“c f g ”是转换器的配置引脚。该引脚悬空时上电后转换器进入正常转 换模式；若该引脚和引脚4 标示“g n d ”相连后，转换器上电即进入配置模式。引脚7 标示“r e s 和引脚8 标示“r e s + 接c a n 网络的终端电阻，当转换器为非终端节点 时，无需连接电阻。 r s 2 3 2 接口是标准的d b 9 孔座，引脚定义符合r s 2 3 2 标准规范。 2 3 软件系统设计 2 3 1 软件系统方案规划 ( 1 ) 软件系统组织结构 作为用户操控机床进行n c 加工的一个平台，本d n c 实用系统一边面向的是用户， 为用户实现对n c 加工定制各种指令；另一边它面对的是n c 机床，要将n c 程序传输 给它们并使其实现对相应零件的加工；另外，为实现上述功能，它还需要建立起用户与 n c 机床之间的通讯，使用户的指令快捷地下传给n c 机床以控制其动作，并将n c 机 床的运行状态信息上传给用户，以使用户能实时监控其运行状态。为实现上述功能，本 文中采用了如图2 3 所示的软件系统组织层次结构。 用户 用户操作管理 w i n d o w sa p l n 人机交互通讯 动态链接库 o 硬件实时控制 设备驱动程序 c a n 总线设备 n c 机床 图2 3 软件系统组织结构 f i g 2 3o r g a n i z i n gl e v e lo ft h es o f t w a r es y s t e m 1 2 第二章d n c 实用系统总体设计 从图中可以看出，在n c 机床和用户之间，存在三个由低到高的软件系统层次，硬 件实时控制、人机交互通讯和用户界面，其中，硬件实时控制通过硬件驱动程序来实现， 硬件驱动程序直接面向硬件，用于实现系统对c a n 总线硬件设备的定制和驱动；用户 界面通过w i n d o w sa p i 来实现，通过开发w i n d o w sa p i ，可建立用户与软件系统应用程 序之间的交互通信，执行用户发出的指令；人机交互通讯通过动态链接库来实现，动态 链接库作为其中的一个中间环节，使用户发出的指令下达到c a n 总线没备和n c 机床， 并使n c 机床运行过程中的反馈信息上传给用户。 ( 2 ) 软件开发策略和程序设计方法选择 一般来讲，软件系统开发有两种策吲2 3 】： “自下而上的丌发策略 “自下而上的开发策略是从现行系统的业务状况出发，先实现一个个具体的功能， 逐步地由低级到高级建立整个系统。该开发策略可以避免大规模系统可能出现运行不协 调的危险。 “自上而下”的开发策略 “自上而下”的开发策略强调从整体上协调和规划，由全面到局部，由长远到近期， 从探索合理的基层模块出发来设计整个系统，这种开发策略难度较大，需要很强的逻辑 性。 在进行系统软件设计时还必须考虑以下几个因素：第一，系统的稳定性、安全性和 可靠性；第二，系统的实用性和可扩展性；第三，用户界面的友好性，使用的方便性。 围绕上述要求，本系统将上述两种策略结合起来应用到系统开发中，即首先自上而