（机械制造及其自动化专业论文）职业学校通用型网络数控教学系统研究.pdf

摘要 职业学校通用型网络数控教学系统研究 研究生姓名：朱忠平 导师姓名：汤文成教授 学校名称：东南大学 摘要 论文首先阐述了通用型网络化数控系统研究的需求。计算机网络技术和信息技术的迅速发展带 来了制造业的不断革命，网络化数控制造技术也应运而生，数控编程和加工人才大量缺失。作为为 现代制造业培养高素质技术工人的职业教育，为有效整合资源和加快数控人才的培养，网络化数控 教学系统的开发与应用迫在眉睫。 论文介绍了先进制造技术及其对数控设备技术发展的要求，阐述了通用型网络数控教学系统的 概念，体系结构及其实现功能。网络系统结构采用浏览嚣，服务器和客户机，服务器结合的混合模式。 选用w i n d o w s 操作系统作为开发平台，乖j 用v b 、v c 和汇编语言等为主要开发工具，采用 面向对象程序设计技术，借助t c p i p 网络协议，设计出了基于p c 机的开放式的p c - n c 数控软件集 群和p c 机与数控机床的通讯软件。除了p c 机与数控机床之问采用专门并口通讯外其余的都采用标 准网络接口通讯。 以c a d c a m 实验室、数控编程实验室，浏览器、服务器、p c 、可编程逻辑控制器、运动控制 卡、数控机床和其它辅助元器件等构成了系统的硬件部分。硬件系统通过采用总线拓扑结构来实现 设备的互连，设计出了p c 机与数控机床并行接口的多个运动控制卡和数据传输电路。以实现不同 数控系统能在同一机床上操作和同一机床具有多个运动控制卡接口切换的功能。 最后设计了基于p c 的开放式啜络数控教学原型系统的客户端软件，并在教学实践中进行了实 例验证 关键词：网络 数控 教学系统 p c 开放型 r e s e a r c ho nn e t w o r k - b a s e dg e n e r a ln u 胚r i c a lc o n t r o l t e a | c h i n gs y s t e mf o rv o c a t i o ne d u c a t i o n c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：z h uz h o n g p i n g a d e r v i s e e ：t a n gw e n c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t f i r s t l y ，t h ed e m a n do nd e v e l o p i n gag e n e r a ln u m e r i c a lc o n t r o ls y t e mw a s e x p o u n d e d w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to f c o m p u t e rn e t w o r ka n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y m a n yr e f o r m sw e r et a k e np l a c e di n m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e so f n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o lw e r ee m e r g e d t h et i m e sr e q u i r e i tr e q u i r e d l o t so f t a l o n t so f n u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a m m i n ga n dm a c h i n i n g , v o c a t i o n a le d u c a t i o nw a st r a i n i n gh i g h q u a l i t yt a l e n t s f o rm o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t oc o n f o r m i t yr e s o l t r c ee f f i c i e n t l ya n dt r a i n i n gn c t a l e n t sq u i c k l y ，t h ed e v e l o p i n ga n da p p l y i n gn u m e r i c a lc o n t r o lt e a c h i n gs y s t e mb a s e do nn e t w o r kw a sa l l e x t r e m e l yu r g e n tt a s ka tp r e s e n t s e c o n d l y , t h ed e m a n d so na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p i n gn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g yw g f f ei n t r o d u c e d t h ec o n c e p t , s y s t e mf r a m e w o r ka n df u n c t i o no f n u m e r i c a lc o n t r o lt e a c h i n g s y s t e mb a s e do nn e t w o r kw e r ee x p o u n d e d t h ec o n s t r u c t i o no f n e t w o r ks y s t e ma d o p t e dam i x e d ，m o d eo f b r o w s e r s c r y e l - a n dc l i e n t s e r v e r a no p e np c - n ch u m e r i c a lc o n t r o ls o r w a r ec o l l e c t i o nb a s e do np ca n d t h ec o m m u n i c a t i o ns o t t w a r eo fp ca n dn cm a c h i n ew a sd c v e l o p e db a s e do nw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m s e v e r a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e sw c r eu s e di nd e v e l o p i n g , s u c ha sv b ，v c ，a s s e m b l el a n g u a g e o b j e c t - o r i e n t a dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya n dt c p ，i pn e t w o r kp r o t o c o l sw e r ea d o p t e di nd e v e l o p i n g s y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nb o t w e e nn cm a c h i n ea n dp cu s e ds p e c i a ll p r r ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n o t h e rp a r t su s e ds t a n d a r dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h eh a r d w a r es y s t e mw a si sc o m r 0 s e dw i t ht h el a b o r a t o r yo f c a d c a m ，l a b o r a t o r yo f n c p r o g r a m m i n g , p e r s o n a lc o m p u t e r s ，s e r v e r , p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r s , m o t i o nc o n t r o l l i n gc a r d s ，n c m a c h i n e sa n do t h e ra u x i l i a r yc o m p o n e n t s b u st o p o l o g yw a sa d o p t e dt oi n t e r c o n n e c th a f d w a r es y s t e m s e v e r a lm o t i o nc o n t r o l l i n gc a r d sa n dt h ed a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i tw a sd e s i g n e dt oc o n n e c tp ca n dt h el 盯 o f n cm a c h i n e d i f f e r e n tn co p e r a t i n gs y s t e mc o u l do p e r a t e0 1 1o n em a c h i n ew i t ht h ef u n c t i o nt o e x c h a n g et h ei n t e r f a c e s o f s e v e r a lm o t i o nc o n t r o l l i n g c a m s f i n a l l y ap r o t o t y p es y s t e mo f o p e nn u m e r i c a lc o n t r o lt e a c h i n gs y s t e mb e do np cw a sd e s i g n e d u s i n gp c a sp r o c e s s o r t h ep l ca n do p e nn e t w o r kn cm o t i o nc o n t r o l l i n gc a r d s m a i nc o n t r o l l e r k e y w o r d s ：n e t w o r k ；n u m e r i c a lc o n t r o l ；t e a c h i n gs y s t e m ；p c ；o p e n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所星交的学位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，也不包含为获得东南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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 飘。竺口! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络数控系统国内外研究现状 进入2 1 世纪，市场的变化、客户日益个性化、多样化的需求，给制造业提出了新 的要求。先进制造技术正向着柔性化、智能化和网络化方向发展“1 ：柔性化要求制造系 统具备开放的模块化结构，能够随着加工条件的变化来动态调整，能够满足分布式计算 和控制的要求；智能化要求工业控制设备能够实时监测自身状态和现场环境的变化，准 确预测、正确识别和及时处理控制过程中的各种故障，自适应的调整控制方式和保证系 统的安全性。网络化贝l j 为广泛分布的设备资源、人力资源和数据资源提供了共享和交互 的载体和手段，为建立网络化的制造体系、服务体系和商务体系提供了技术支持。 同时，随着产品制造、销售全球网络的逐步形成，现代制造业正在向全球化、标准 化、数字化、虚拟化、开放化的方向发展”，各国学者纷纷提出系列的先进制造模式， 网络化制造( n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ) 正是在这种时代背景下逐步发展起来的。寻求 基于国际通用标准的体系结构作为网络化制造的技术支持，建立规范化、开放性的网络 化制造平台，已迫在眉睫，势在必行。 作为主要的制造执行单元的数控机床，伴随着计算机技术、网络技术的日益普遍运 用，走向网络化，集成化已成为必然的趋势和方向o 】“】。 网络数控系统”1 ( n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o l ，n n c ) 是以通讯和资源共享为手段， 以车间乃至企业内的制造设备的有机集成为目标。支持i s o - 0 s i 网络互联规范的自主数 控系统。国内很多学者”分析了网络化制造对数控系统功能需求，构建了基于w e b 的 数控系统w e b - - c n c 的框架体系，并且对实施网络数控系统的关键技术进行了研究，取 得了一些成果。 国内目前大部分数控系统均设有r s 2 3 2 接口，可用于传输加工程序及刀具数据等。 在将这类机床进行集成时，往往采用管理计算机+ 多串口分配器的方式，这种形式的“联 网”只是一种点对点的分时处理的通信，其通信内容大多是加工程序的下载上传，管理 计算机所管理的也往往只是加工程序。其形式见图卜l 。 曰 三 查堕查兰堡主兰焦鎏塞 一一一 的上传下载以外，还可进行某些设备监控、系统状态查询等功能，并由此开发出了一些 数控机床集成系统。这种集成方式是以一台p c 机( 或r s - 2 3 2 p a 太网转接1 ：3 ) 与一台 c n c 机床相联，或者一台p c 机与多台c n c 机床相联，然后再将p c 机进行联网，而构成 一种网络化的d n c 集成系统。其模式见图卜2 。 图1 - 2o n c 集成系统 国外对网络数控系统的研究开始较早，形成了一系列成果“恻，劳已经应用于产品 中。以f a n u c 和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前就推出了具有网络功能的 数控系统。在这些系统中，除了传统的r s 2 3 2 接口外，还备有以太网接1 ：3 ，为数控机床 联网提供了基本条件。数控机床的网络接口功能已经超出了用于远程监控、远程诊断。 在近几年的国际机床展上。数控机床的网络化、集成化以一种新的理念推出，即具备网 络功能的数控机床可以进一步提高生产率，网络功能并不只用于传递加工程序和远程监 控、诊断，还可用于生产管理。如在大隈公司的数控系统上可以进行设备作业状态的实 时收集与统计，这些设备均用以太网连接至加工管理系统，供管理人员进行调度和决策。 m a z a k 公司的智能化网络工厂用智能网络连接企业的每个职能部门，而企业的每台数控 机床也均接入智能网络，这种将企业的管理、设计直至生产制造的末梢设备端全部一网 打尽的网络模式导致了生产率的大幅度提高。 1 2 网络数控系统在中等职业教育中的应用现状 近年来已有不少中职学校己开始引入c a d c a m 、数控模拟编程等软件和数控车、数 控铣、加工中心等数控加工设备，但这些设备没有有效整合，般都是单个设备单元在 使用。随着职业教育教学和实习现代化的进程，有的学校已开始由单元设备走向局部集 成，并且现在已有少量学校开始进入全面集成的实施中 一方面，数控技术在理论教学方面，大部分学校己有相应的课程安排，但在动手能 力和实际训练方面学生还有一定差距。因此，建立学校自已的网络化数控实训基地，让 学生有更好的学习和实践机会是一个亟待解决的问题。同时为了更好与企业设备对应接 轨，提高教学效果和教学质量，调动教师教学及科研工作的积极性和学生学习的积极性， 非常需要构建数控编程与操作、c a d c a m 、数控原理与维修、数控教学与实习一体化甚 2 墨= 皇堕堡 至产品制造的网络电子教学、实习与生产管理平台，以便为相关教学课程、教学环节、 毕业生实习提供教学工具，为企业输送适应能力强、优秀的技能型人才，以满足企业产 品自动化、信息化研发和制造的需要。 再一方面，如何实现学生在校学习更多数控系统、不同数控系统能在同一机床上操 作实习、同一机床具有多数控系统接口，成为网络数控教学系统功能实现的瓶颈问题。 1 3 立题依据及其研究意义 数控机床不仅由于加工精度高、更由于它使用“柔性”的零件程序代替了普通机床 中大量使用的凸轮、挡块、限位开关等硬件，因此它可加工普通机床无法加工的复杂零 件、从而具有降低成本、提高生产效率、减轻工作强度、改善环境、易于管理等大量优 点。数控机床将逐步取代普通机床正逐渐成为必然，作为面向企业培养高素质技术工人 的职业教育，进行数控教学与实习和进行建设数控实习基地也成为必然。 随着计算机技术、网络技术在机械制造业的应用和c a d c a m 一体化技术以及数控技 术的普及应用，使制造业日益现代化，代表现代制造业发展方向的网络制造模式也逐渐 为企业接受和使用。职业教育担负着培养高素质技术工人的重任，要为国家提供高素质 的实用型人才，就必须建立一个能体现现代先进科学技术和满足现代企业需要的实验基 地和教学模式。 近几年来，国家加大了对职业教育的投入，使先进的教学设备进入实验室，各机械 类职业学校纷纷购进先进的数控设备用于教学实习。随着数控设备数量和品种的增加， 如何加强对这些设备的管理，进行合理配置，使其发挥出最大的效益，实现学生在校学 习更多数控系统、不同数控系统能在同一机床上操作、同一机床具有多数控系统接口， 成为数控老师面临的重要课题。 1 3 1 数控教学与实习设备及使用情况 以作者所在的职业学校的数控技术教学为例。学校在理论教学方面己有相应的课程 安排，但在动手能力实际训练方面我校还有一定差距。以前我校没有承担数控实训的硬 件条件，学生数控实训只有到社会上寻找实习场所。由于各种原因学生在社会上参加数 控实训困难很大，很难有亲自动手的机会。这给数控实训带来了系列的困难和问题， 教学效果也受到很大影响。现在学校己建立起自己的数控教学与实训基地，能让学生有 更好的学习实践机会。 目前，我们的实训基地选购1 台国产加工中心，l 台立式数控铣镗床和5 台国产数 控车床，其数控系统有采用最新的f a n u co i 系统、德国西门子系统和华中数控系统； 一个模拟数控编程与操作实验室；一个c a d c a m 实验室；数控模拟编程软件采用的是南 京宇航公司的编程软件，c a d c a m 等三维设计软件选用的是美国p t c 公司 p r o e n g i n e e r 2 0 0 1 。 本实训基地已建成，但还没有建成局域网，数控教学、模拟编程、数控机床操作、 数控生产加工、c a d c a m 教学与训练等内容分别属于不同的教学单元，实验室也是不同 的，这样就导致了教学、实习与生产效率低下，教学与实践环节相脱节同时，所配置 奎妻查兰堡主兰堡笙兰 一一一 的数控加工设备具有不同的数控系统，各种数控系统不兼容，不利于教学和学生数控实 习。 1 3 2 目前数控程序传递方式和管理状态 1 程序传输 ( 1 ) 由于数控机床引进的时间不同，从早期r s - 2 3 2 串行接口的数控机床，到现在 既能提供串行接口又能提供网络接口的新型数控机床，不同的发展阶段，不同的舨本- 导致数控系统繁杂，各系统之间所用的通信协议( 波特率数据位、停止位、奇偶校验、 开始符和结束符等) 和通信电缆互不一样，造成相互之间不兼容的现状。”1 ( 2 ) 目前大部分数控机床使用的加工程序，其编制一般在微机上进行，即使用数控 编程模拟软件或c a d c 删软件来完成。当生成了数控机床使用的代码后，还需要将这 些代码传送到数控机床上才能进行加t 。由于没有通讯网络，目前学校使用的方式是由 数控编程人员将编制好的代码程序打印成纸面文档，交给机床操作人员，由机床操作人 员直接或亲自在机床控制面板上手工输入数控加工程序。这种方式对于加工代码较短的 程序，还勉强适用，但是对于代码长的程序来说，就会大量浪费数控机床的使用时何。 即便对于短程序，同样存在人为操作失误的可能，而且大多数机床面板的按键都很易损 耗，操作不方便，或者只好用软盘或笔记本电脑单机传输程序，一般来说，编程室和数 控机床之间都有较远的距离，学生通过软盘拷贝或抱笔记本电脑的方式传输程序，来回 奔波于两地之间，费时费力，影响工作效率，并且频繁的热插拔极易烧坏机床的接口。 ( 3 ) 有些机床带有软驱，但学生毕业设计的加工程序数万条，用软盘向数控机床 输入程序时，由于软盘容量小，需反复多次，因此用软盘作为传输介质极不方便。同时 软盘易损坏，所以经常造成程序丢失，管理也不方便。 ( 4 ) 目前实验室的数控系统，由于内存空间较小，存放程序数量少，大量的加工 程序不得不进行反复删除和键入，使得辅助时间加长，影响了数控机床的加工效率。 ( 5 ) 学生手工编写完的零件g 代码加工程序。在输入数控机床前，需要指导老师 检查，由于每个学生的思路方法不同，检查起来很费时间。 ( 6 ) 学生在做数控实验时，是分批成组进行，每组学生将自己编写好的程序从控 制面板上输入，由于环境嘈杂，极易出错，常常因为输错一个字符造成实验件报废和刀 具损坏。 ( 7 ) 学生实训数控机床的大部分时间是花在了手工输入程序上，输入程序的时间 可占机床开机时问的五分之二，严重影响了数控机床的使用效能等。 2 程序管理 随着学习数控的学生数的增加，代码文档的管理也成为一个关键的问题。学校不可 避免地面临以下问题： ( 1 ) 数控系统互不兼容，学校现有的数控系统大多分批购买，操作系统种类繁杂， 各系统之间所用的通讯软件也不一样。大多数为机床厂商随机附带的传输软件都不具有 程序自动反应和监测功能，如果想用不同的机床加工相同的零件，必须经过转换。 ( 2 ) 各种登录、机床端口信息无记录，不能方便地查看，没有程序传输成功或失 败的信息反馈。 4 墨二兰丝丝 ( 3 ) 部分老的数控系统，内存空间有限，程序一多，机床的内存空问就不够了， 大量的加工程序不得不进行反复的删除和键入，频繁重复的零件准备工作浪费了大量的 工作时间，直接影响到数控机床的效率，加工程序反复编制也影响了程序的稳定性。 ( 4 ) 由于传输不便，有许多实验的程序都是在控制面板上现编现用，由于内存空 间小，以及误操作等原因，程序经常丢失，管理上缺乏条理。 ( 5 ) 所有的数控程序都是用文件夹的方式保存在电脑上，时间长了，哪些是毕业 设计的程序，哪些是科研课题的程序，以及平时教学应用的程序，经常要花费大量时间 去查找，由于数控系统存在差异，不同版本的程序保存也容易引起混乱。 ( 6 ) 电脑上的数控程序和c a d 模型图、刀具清单等都是独立保存的，时间一长。 就难以确认它们之间的对应关系，给再次使用造成麻烦。 ( 7 ) 在程序调试阶段，数控机床和电脑不能实时通信，有许多在电脑上编的程序 到机床上调试更改后不能及时更新，电脑中保存的仍是老版本的程序，下次调用还需要 重新调试修改。 ( 8 ) 由于对数控程序没有权限管理，学生在使用电脑时，出于好奇浏览、移动电 脑中的文件，时常出现挪动和改动的现象。 目前，学校大部分编程学生采取的方式是每个人分别在各自的计算机上建立不同的 目录，随着学生数特别是随着每一个学生实习加工零件数量的增加和复杂性的提高，程 序量的膨胀，文档资料混乱、查找困难和用户误操作等问题也不可避免。数控加工程序 等文档的版本管理就显得尤为重要。 另一关键问题是数控程序的安全管理。某些加工程序( 如3 轴及以上联动程序代码) 反映了老师和学生的最高加工工艺水平，是反映数控教学、实习、生产和科研竞争力的 核心技术，属于学校的知识产权范畴。而目前的数控程序的管理方式，难以控制这些加 工程序的不外泄，学校的重要数据资源无法保证安全流动。 3 程序编辑修改 学生初学编程指令，手工编制零件的加工程序，在修改时，一般是控制面板上或在 电脑的记事本中完成，由于还没有用到数控编程工具，生成的6 代码程序无法进行比较 模拟，出现错误只能在试切时才发现。由于目前数控系统内存小，添置的数控编程软件 不可能安装在数控系统内，学生编制数控程序、加工过程模拟、编辑和大量修改工作只 能在客户端完成，给数控程序的调试、编辑、修改和运行带来很大的不便。 1 3 3 目前我校数控机床的通信条件 本实训基地己建成局域网，但是局域网与数控机床没有连接。原来数控机床数据传 输是通过$ 2 3 2 接口单机传输，即单机使用r s 2 3 2 串口和数控机床进行通信，加工代码 程序为一对一的通信方式。在进行通信时，必须两个操作者同时工作，一个在机床前操 作机床，另一个在计算机终端前操作通讯软件，二者交替操作，才能完成通讯工作，操 作不便。其传输的弊端很多。 虽然r s 2 3 2 通信方式能够满足大多数数控加工场合的需求，但是它仍然具有一定的 局限性： ( 1 ) 传送距离小：由于受负载电容容许值的限制，其传送距离一般不得超过1 5 m ； 奎堕盔兰堡主竺竺堡奎 ( 2 ) 电平偏移：由于信号地公用且通信双方的信号地需连结在一起，r s 一2 3 2 应用 于长距离通信时，信号地线上会存在较大的电流，使得电平发生偏移，容易造成传输错 误； ( 3 ) 潜在的接地问题：r s - 2 3 2 总线有一个信号地和一个屏蔽保护地，通信中，双 方的信号地需连在一起，但是屏蔽保护地却不一定允许接在一起，同时d t e 的信号地与 屏蔽保护地之问又不一定绝缘，这就存在一个潜在的接地问题，使得系统的抗干扰能力 较差。 改变以上严重影响数控加工技术的教学、生产实习效率的弊端就是我们本课题研究 迫切需要解决的目标。 1 3 4 面向网络的通用型数控系统的提出 综上所述，我校数控教学的现状严重影响了数控加工技术的教学、实习效率和资源 的整合。 为了有效整合资源，使学生在学校更多更快地学习数控系统，因此迫切需要寻找这 样一种技术和方法：实现网络化管理和通讯数控机床及相关设备；实现不同数控系统能 在同一机床上操作、同一机床具有多数控系统接口的通用化教学、学习和实习功能。 本课题提出了基于p c 机的d n c 技术的网络化数控教学系统的研究。数控教学系统 在学校中将成为数控教学、学习和操作的硬件平台，实现不同数控系统能在同一机床上 操作、同一机床具有多种数控系统接口切换。 本课题将开发的c e n t e r 网络d n c 的数控教学系统在学校中将成为数控管理、教学 与学习的一个平台软件，因为在学校中作为一个管理系统，不仅要能够管理机床、各个 实验室与机床的通信，还要能够承上启下，管理与加工零件相关的一系列文档资料。对 于这些文档资料，必须按照学校内教学、实习和生产实体、各个角色限定一定的操作权 限，所以平台本身应具有非常强大的用户权限管理、安全管理能力。学校的文档资料一 般按照学生用户名和生产用户名进行管理，车间里每台数控机床加工的零件代码需要在 权限的控制下与对应机床通信，从而完成加工任务。 网络化数控教学系统系统是一个基于数据库平台的模块化应用与管理平台，教学系 统中的各个模块之间、单个模块与整体管理系统之间都是可分可合的，这样该系统给学 校教学与实训提供灵活多样的应用模式。主要包含如下内容：数控机床管理( 机床管理、 d n c 通信) 模块；c a d c a m 教学实验室；数控编程、加工过程仿真与优化教学实验室模 块；数控车问。 由此，本课题尝试通过设计一种通用型的数控教学系统( n e t w o r k b a s e dg e n e r a l n u m e r i c a lc o n t r o lt e a c h i n gs y s t e m ，简称n n c t s 系统。) 来满足职业学校学生在本校 通用型数控系统的使用下，掌握多种不同的数控系统的操作使用。 1 4 论文的主要研究内容 针对我校数控教学、实习和生产的实际条件以及存在的缺点和不足，本课题提出了 基于p c 机d n c 技术的网络化数控教学系统的研究 6 论文的主要研究内容： 1 对职业学校数控教学的需求通用型网络数控教学系统的概念、体系结构及其实现 功能进行分析，对职业学校通用型网络化数控教学系统的体系结构进行研究。构建一个 符合职业学校特点和教学要求的浏览器服务器和客户机服务器结合的混合体系结构。 2 对通用型网络数控教学系统的软件平台进行研究。选用w i n d o w s 操作系统作为开 发平台，利用v b 、v c 和汇编语言等为主要开发工具，采用面向对象程序设计技术，借 助t c p i p 网络协议，设计出基于p c 机的开放式的p c - n c 数控软件集群和p c 机与数控 机床的通讯软件。除p c 机与数控机床之间采用专门并口通讯外，其余的部分都采用标 准网络接口通讯。 3 对通用型网络数控系统的硬件实现技术进行研究。以c a d c a m 实验室、数控编程 实验室、浏览器、服务器、p c 、可编程逻辑控制器、运动控制卡、数控机床和其它辅助 元器件等构成了系统的硬件部分。硬件系统通过采用总线拓扑结构来实现设备的互连， 设计出了p c 机与数控机床并行接口的多个运动控制卡和数据传输电路，以实现实现不 同数控系统能在同一机床上操作和同一机床具有多个运动控制卡接口切换的功能。 4 进行网络数控教学系统原型系统( c e n t e r 网络d n c 的数控教学系统) 的开发， 并将之应用到教学实践中。所开发的原型系统不仅能够管理机床、各个实验室、与机床 的通信，还能够承上启下，管理与加工零件相关的一系列文档资料，具有非常强大的用 户权限管理、安全管理能力。 论文结构如图i - 3 所示。 i第一章绪论i 东南大学硕士学位论文 第二章n n c t s 系统的总体架构设计 2 1 当前数控教学系统的分析 随着计算机技术的发展，尤其是虚拟现实技术和理念的发展，产生了可以模拟实际 设备加工环境及其工作状态的计算机仿真培训系统。它用计算机仿真培训系统进行培 训，不仅可迅速提高操作者的素质，而且安全可靠、费用低。 目前在国内已经有少数高等院校将计算机仿真初步运用于数控操作人才培训的教 学之中，也产生了各种仿真教学系统。这些教学系统既能单机系统独立运行，又能在线 运行。独立运行即机床模型方式，其培训设施只需一台微机，数控机床的模拟操作在显 示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型三维动画演示，用这种方式进 行初步培训是经济有效的；在线运行即机床工作方式，这种方式下教学系统将与实际机 床连接，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实 际机床的真实情况一样，简单来讲就是利用计算机和其他的专用硬件软件去产生一种真 实场景的仿真，参与者可以通过与仿真场景的交互来体验一种接近于真实的场景的感 觉，培训操作者的实际工作技能。当前国内网络数控教学系统的主要体系结构如图2 一l 所示。 培训人员 培训人员 图2 - l 网络型数控教学系统总体框图 与真实机床相比，这种计算机仿真培训系统需要具有以下特点： 计算机仿真培训系统应具有与真实机床完全相同的结构。虚拟数控机床能模仿真实 机床的任何功能而不致因为采用某种近似替代而导致某种结构和信息的失真或丢失。并 应与真实机床有完全相同的界面风格，为技术人员的学习和培训提供保证。 计算机仿真培训系统需要具有强大的网络功能，为远程教育提供可能。 蠢 苎三兰型! 翌至竺堕璺竺墨塑丝生 教学系统需要有完善的图形和标准数据接口。用户既能在真实的环境中运行虚拟机 床，又能观察它的各种远行参数，并能与其他c a d c a m 软件接口 这种虚拟的培训教学系统需要通过友好的软件界面，解决培训人员对国内外多种数 控系统的入机界面熟悉的难度，从而使培训人员能更快适应实际操作使用的数控系统。 2 2 通用型网络数控教学系统目标 根据网络数控教学的需求与实际，通用型网络数控教学系统需要实现如下目标： 1 实现多数控系统在专用数控机床上加工运行 通过虚拟的国内外大部分数控系统，包括f a n u c 、西门子、华中数控、广州数控、 阿贝尔信浓a s i n as e r i e s2 0 5 一tc n c 等数控系统的人机界面，编制和生成各种数控系 统格式的数控程序，然后通过网络传输，实现在专用的数控机床上加工。也就是使专用 的数控机床具有了多系统接口，同时，也可以使学生能在专用的数控机床上实际操作多 种数控系统，完成加工练习，具有最强的实践性。这样，既能让培训人员熟悉多种数控 系统的操作，又得到实际加工的体验，这极大的增加了培训人员的认识面，对将来快速 投入到加工行业打下良好的基础。 2 完整实现数控g m 代码。 支持所有c a d c a m 软件生成的标准化g 代码，如：c a ) 【a 制造工程师、p r o e 、c i m t r o n 、 u g 等。包括各数控系统专用g 代码。9 0 以上g 代码支持率，包括循环、直线差补、圆 弧差补、子程序调用、宏程序、变量编程等。最大限度满足了不同用户的编程需求。 3 模拟加工仿真。 在编写好程序后，像数控机床一样，进行一系列的模拟数控加工：设定机床、定义 毛坯、设定刀具、基准测量、设定工件坐标系、代码处理、面板操作、测量、自动加工 等，最后加工出预想好的零件模型。 仿真软件时，出现操作真实数控机床时相同的误操作，软件可以发出报警。在编 写g 代码练习的时候，如果编写格式，或者字符不正确，也出现报警提示。这就大大地 提高了培训人员在编程练习时候的学习效果。也降低了在操作真实数控机床的时候错误 率。提高操作安全性，避免实际机床及刀具等附件的损毁。 4 记录功能。 在操作过程中，可以把培训人员的操作过程全程记录下来，以备将来检验，操作是 否正确。这样，可以随时发现操作错误，提高教学质量。 2 3 通用型网络数控教学系统总体架构 通用型网络数控教学系统n n c t s 主要是从教学需要出发，将能用于生产加工的数控 机床进行扩充，使其通用化，通过网络来共享使用，从而实现通过仿真国内外常见的数 9 窭壹奎兰堡主竺竺丝苎 控系统人机界面，不但满足培训人员的学习需要。更通过真实的生产操作过程加快其在 实际操作数控系统的适应期。 n n c t s 系统通过网络将位于不同地点的学校c a d c a m 实验室、数控加工车间、计算 机房等各种资源联系在一起，实现数据的传输与资源共享。系统主要由处于客户端的网 络数控教学系统、服务器、数控加工机床和网络组成( 如图2 - 2 ) 。处于客户端的数控教 学系统包含c a d c a m 软件、模拟加工仿真、g m 代码解释器等组成。服务器主要实现异构 数控系统的解释、集成与数据资源的镜像备份的功能。数控加工设备由数控机床和实现 多系统切换的运动控制卡组成。客户端的计算机和服务器通过t c p i p 协议与网络相连。 系统总体架构核心的主要分两部分： i 各种数控系统配合运动控制卡，即在p c 机中安装自行设计的数控系统和f u n c 西门子广数华数等数控模拟系统，并能由此解释生成各数控系统的g m 代码，通过并 行口，传送到运动控制卡，然后由运动控制卡以高低脉冲控制相关的步进电机动作，进 而实现数控机床的机械加工。 2 学生端的n n c t s 系统客户端主要完成各种其他数控系统的界面模拟、按键接受、 g m 代码的解释，以及通过t c p i p 协议与n n c t s 服务器系统进行通信，完成g m 代码的传 输和模拟加工仿真功能等。 图2 - 2 系统总体架构图 l o 第二章n n c t s 系统的总体架构设计 2 4 n n c t s 系统的服务器架构设计 服务器用以处理来自于客户端的各种需求，对系统的数据与事务进行管理，实现异 构数控系统的映射，对并行通信进行控制。 1 网络通信机制 服务器提供端口为3 2 6 6 ，建立套接字对象，函数s o c k e t ( ) 可以创建一个s o c k e t 对 象；创建好s o c k e t 后，通常要将本地地址附加到所创建的的套接字上，以便能有效的 标识此套接字，这个过程由b i n d ( ) 函数来实现：函数c o n n e c t ( ) 可以实现客户机和服务 器的连接，对于服务器来说，当客户机发来连接请求后，服务器要调用a c c e p t ( ) 来响应 对方的连接请求；对于服务器来说，它在接受客户机的连接之前，首先要监听。只有进 入监听模式才能接受客户机的连接，这一点可以通过l i s t e n ( ) 函数实现；当客户机和服 务器的连接建立起来以后，便可以进行数据的传输，数据传输是网络通讯的最终目的， 前面所有的工作就是为了客户机可以和服务器传输数据，数据传输由分为数据发送和数 据接收，他们分别由函数s e n d ( ) 和r e c v ( ) 来实现的。通过上述所有操作，实现网络通 讯( 如图2 3 ) 。 服务器端： 建立服 服务请求 客户端： 脑啦( 兰习 图2 - 3s o c k e t 客户服务器模型 2 映射服务 映射服务主要解决异构的数控系统到虚拟系统的映射，需要将每个系统的伽代码 及控制信息，用x m l 标记语言等实现统一的数据结构，存储到数据库中。客户端通过映 l l 字杰 务 一 东南大学硕士学位论文 射系统服务对异构数控系统进行访问，以此实现对多种不同数控系统的操作。 2 5n n c t s 系统的客户端架构设计 n n c t s 系统的客户端直接面向用户，其架构设计由多种数控系统虚拟操作界面、g m 解释平台、虚拟仿真加工平台、g m 代码导入、网络通信等组成。 1 多种数控系统操作虚拟界面的设计 虚拟操作界面是用户与系统的交互平台。将多种数控系统的界面以虚拟操作界面的 形式在同一个平台上显示，切换。 2 g m 解释平台的设计 g m 解释平台包括g m 解释器和g m 验证器。任务分配数据库从任务调度中接受数控代 码并将其翻译为虚拟机床的部件、刀具等运动的信息，并将其通过计算模块来模拟机床 的响应，g m 解释器能够被自由地配置从而能够模拟任何一种数控机床的c n c 控制器。g m 验证器，主要用于验证g 黼代码的语法正确性。 3 虚拟仿真加工平台的设计 虚拟仿真加工平台包括刀具库、刀具轨迹仿真、切削力仿真，加工精度仿真、三维 动画仿真、加工工时统计分析，仿真平台是虚拟数控机床的核心技术。刀具库应包括一 台数控机床所需的刀具，并能自由配置刀具库中的刀具号。从而能模拟任何一种数控机 床的换刀形式。操作者可以在虚拟的环境中进行机床运动和切削过程等的仿真，从中获 得相关的加工数据。如迸给轴的位移量、换刀状态、主轴转速、加速度、进给量、加工 时间等。通过加工过程的仿真。了解所设计工件的可加工性，验证n c 代码的正确性以 及评价和优化加工过程，并通过在线修改n c 代码来优化n c 代码。 4 g m 代码的导入技米 实现c a d c m 中的g m 代码快速导入系统，生成自编g m 代码。 5 ：网络通信的设计 通过相应的配置文件，主要是服务器的i p 地址和端口号，以实现与服务器以及总 线上其他设备的通信。 第三章n n l s 系统的软件平台及其实现技术 第三章n n c t s 系统的软件平台及其实现技术 软件平台及其实现技术的研究基于对系统功能、结构和通讯要求的分析，研究系统 实现的软件技术和方法。采用w i n d o w s2 0 0 0 操作系统，系统选择a s p 、a d o 和s q l 技术 实现数据库的访问和管理，采用s o c k e t 通信机制，v x d 技术支持硬件设备的管理。解决 基于p c 的数控系统的实时性问题、数据的存储问题、网络通讯问题、操作界面的友好 性问题。逻辑控制单元软件功能采用汇编语言编程技术实现，用来读取机床状态和机床 控制信号，根据控制逻辑要求输出机床控制信号。 3 1 操作系统的选择 数控系统是一种实时多任务的控制系统，这就决定了其软件设计的困难性。长期以 来，在c n c 装置的研制与设计中，由于实时性、配件性能和价格等方面的原因，系统设 计人员不得不在硬件基础上直接编程，自行管理对系统资源的调配与使用，从而带来了 种种不利因素。操作系统是计算机最基本的系统软件，它负责系统全部资源的调度和管 理，用户通过它可以进行操作计算机，引入操作系统后，数控系统的软件开发人员无需 了解硬件的细节问题，专心于与数控直接相关的功能。因此选择一个正确的操作系统对 数控软件的开发起着至关重要的作用。 目前常用的网络操作系统主要有四种：u n i x 系统n o v e l l n e t w a r e ，w i n d o w s 2 0 0 0 以 及o s 2 。n n c t s 选择的开发平台是在计算机上应用最多的是m i c r o s o f t 公司生产的 w i n d o w s2 0 0 0 操作系统】。 w i n d o w s2 0 0 0 操作系统是基于n t 构建的，作为一种先进的3 2 位操作系统，w i n d o w s 2 0 0 0 具有独特的优点，它能够运行多种不同环境下而编写的应用程序，包括m s - d o s 。 w i n l 6 以及其它3 2 位的操作系统u n i x 和0 s 2 的应用程序。同时它还具有系统规模可变 的特点，可以运行于单处理器和多处理器的r i s c 或c i s c 机器上，其跨平台性很强。它 的主要特性有： 1 稳定性： 微软在w i n d o w s2 0 0 0 中提供了一些新的功能来确保系统的稳定性。系统文件保护 方式一改良的内核写保护方式，禁止第三方应用程序替换任何位于w i n d o w s2 0 0 0 系统 路径上的动态链接库文件，改