（机械制造及其自动化专业论文）网络化数控加工技术研究.pdf

硕卜学位论文 摘要 网络化制造是实现工业信息化的重要组成部分，它以敏捷化、分散化、动态 化及协作化等优点受到先进制造业的重视。数控加工技术作为先进制造的基础技 术，是网络化制造中的重要手段。 网络化数控加工技术是运用网络通讯技术，将分散在不同地域、具有不同设 计及制造资源的企业动态连接起来，从而不受距离和时间限制，实现资源共享与 信息集成，完成产品的异地设计与异地加工，使数控加工软硬件资源更好地发挥 优势作用。本文主要工作是研究网络化数控加工的基础技术，具体包括以下内容： ( 1 ) 网络化数控加工模型的建立。 ( 2 ) 产品特征造型的网络发布与浏览。 ( 3 ) 产品的仿真加工。 ( 4 ) n c 代码的传输和远程数控加工。 根据本文的研究内容与成果，成功建立了网络化数控加工系统模型，实现了 产品的网络化远程数控加工，并且以应用实例验证了设计方案的可行性与正确 性。 关键词：网络化制造，数控加工，图形w e b 发布与浏览，仿真加工，远程加工 网络化数 宰加t 技术研究 a b s t r a c t n e tw o r k e dm a n u f a c t l l 】r ei s 缸i i n p o r t a i l tc o m p o n e n t p a n f o rr e a l i z e di n d u s t 巧 i n f o m a t i z a t i o n t h ea g i l i 劬d i s t r i b u t e ，d y i l 锄i ca n dc o o p e r a t i o nh 蠲b r o u 曲ti tt 0t l l e a n e n t i o no fm em e 玎曲e r s 丘o ma d v a n c e dm a n u f a c t u r e t h eb a s i ct e c l l l l 0 1 0 9 yf o r a d v a n c e dm a l l u f a c t u r e n cm a c l l i i l i n gi si m p o n a mi i l s 仇l m e n ti nn e t w o r k e d m a n u f a c t u r e n cm a c l l i i l i n gt e c l l 刀【0 1 0 9 ) rb 髂e d0 nn e 研o r k e dm 锄u f a c t l l 】r ei st 1 1 a tu s i n g n e t 、) l ，o r kc o n 删c a t i o l l st e c l l n o l o g ) ，c o 衄e c t sd i s t r i b u t e de i l t e 印r i s ea td i 日砾斌 t e l t a i l lw 曲d i f f 邑r e n td e s i 鲈a 1 1 dm a c l l i 】【l i n gr e s o u r c e sf o rr e a l i z es h 撕n gr e s o u r c e 肌d i n t e g r a t i n gi i l 南m a t i o n ，i tc o m p l e t e sd e s i g na i l dm a c l l i l l i n ga ts t f a n g el 觚dw i t h o u t r e s t r i c t i o no fs p a c e 觚d 血n e ，b 甜e rb r i n gi n t op l a yp 唧o n d e r a mr o l eo fs o r - h 砷a r e r e s o u r c e si i lt h en c m a c l l i l l i n g t h em a i nw o r ko f t 1 1 l i sp 印e ri st 0s t u d yo nb 嬲a l t e c h n o l o g yf o rn e t w o r k e dn cm a c l l i l l i n 岛s b l o w na sf 0 1 1 0 w s ( 1 ) b u i l d i n go f l ei n o d e lo f n e tw o r k e dm a l l u 加t t 鹏 ( 2 ) n e 俩o r k 锄o u l l c i i l g 锄db r o w s i n go f m em o d e l l i n go f p r o d u c t s c h a r a c 矧s t i c ( 3 ) p r o d u c t s s i i n u l a t i o np r o c e s s i n g ( 4 ) t h en j a n s i l i l i s s i o na n dl o n g - d i s t a n c en cp i o c e s s i n go f n cc o d e a c c o r d i n g t 0t h er e s e a r c hc o n t e n t s 锄dr e s u l t so f t l l i sp a p e r ，t l l em o d e lo f r l e t w o r k e dm 删f - a c t u r es y s t e mi ss u c c e s s 如l l yb u i h ，n e tl o n g - d i s t 锄c en c p r o c e s s i i l go f p r o d u c t sa l s oi sg 血e d ，t l l ef e 嬲i b i l i 够a n dc o l l r e c to f t l l ed e s i g np r o p o s a l i sv e r i 丘e db y s p e c i m e n 1 ( e y w o r d s ： n e tw o r k e dm a n u f h c t u r e ， a n n o u n c i n ga n db r o w s i n g ， s i m u l a t i o n i l n c p r o c e s s i n g ，g r a p h i c a lw e b p r o c e s s i n g ，l o n g d i s t a n c ep r o c e s s i n g 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王磊日期：。口7 年f f 月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：王磊 导师签名： 翻参乒 日期：ad 口7 年ff 月2 7 日 日期：2 硼7 年，月】易日 硕 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 网络化制造技术 1 1 1 网络化制造技术产生和发展的背景 网络化制造技术是在经济全球化、区域和行业经济发展、企业自身发展等背 景下产生和发展的。众所周知，进入2 1 世纪后，经济全球化已成为当今世界经 济发展的主流。这不仅影响到全球各个领域，还深刻影响到世界各国特别是发展 中国家的经济发展。在国际市场竞争中，国外的跨国公司具有明显的优势，这些 优势可以使他们在全球范围内配置生产资源，最大限度的降低生产成本。而国内 制造业长期以来面对较为封闭的国内市场，管理水平低下，生产成本高，并且缺 乏在全球市场上搏击的经验和能力。在这种情况下，国内制造业想要与国外企业 竞争，除了常规的对应策略外，更要特别重视形成、利用和发挥后发优势。具体 策略是必须转变其制造模式，采用先进的网络化制造技术，跨越地域限制，将原 来分散的、孤立的企业纳入到国际竞争合作环境中，成为国际制造业供应链中重 要的一环。与国外制造企业相比，我国制造企业有着一些明显特点，如地域分布 广、企业分布不同区域经济发展与基础设施条件不均衡等。在这些情况下，企业 实施网络化制造的意义更加明显，通过网络化制造的方式可以很大程度上解决由 于地理空间上的差距给企业发展带来的不利影响，达到企业之间能够迅速交换信 息的目的【1 1 。 目前国内分布着大量中小型企业，这些企业普遍存在规模小、技术水平低等 问题。此外，在制造资源和知识资源的分布上存在着严重的不均衡，一方面许多 急需这些资源的中小企业不能够方便的获得和使用这些资源，另一方面大量的关 键制造资源集中在效益并不是很好的大型企业，大量知识资源集中在高校和科研 院所，造成资源利用率很低，而要求企业下决心投入大量的资金建设功能全面的 信息化系统也比较困难，故企业迫切需要专业化的制造技术和信息技术服务体系 的支持。因此，在一定区域内实施网络化制造是比较符合我国国情的。 就企业自身发展而言，企业通过实施网络化制造，利用现代网络技术，进行 制造产业链的集成，成为国际制造产业链中一个重要环节；此外，现代企业还有 定制化生产的需求，采用网络化的产品定制服务和远程产品维护系统，能有效提 高企业的售前、售后服务，又可以让用户充分的了解产品的设计和制造状况，从 而提高顾客对产品和服务的满意度。总之，实施网络化制造是企业自身发展的需 网络化数摔加t 技术研冗 要，网络化制造技术的应用能有效的提高企业的经济效益和市场竞争力【2 1 。 近几十年来，随着先进制造技术和网络技术的日益成熟，企业信息化的运用 范围不断扩大，这也是网络化制造技术得以产生和发展的重要原因。 1 1 2 网络化制造的定义和内涵 国家科学技术部关于网络化制造的定义为【3 】：网络化制造是按照敏捷制造的 思想，采用i n t e r n e t 技术，建立灵活有效、互利互惠的动态企业联盟，有效的 实现研究、设计、销售各种资源的重组，从而提高企业的市场快速响应和竞争能 力的新模式。 网络化制造具有以下重要特征： ( 1 ) 网络化。网络化制造是以i n t e r n e t 为基础，网络联盟企业的信息主要是 通过网络传递和共享来实现快速响应，信息与通讯技术是网络化制造的最基本支 撑技术。 一 ( 2 ) 协同化。网络化制造系统实施应用的主要技术目标是实现协同，这也是 网络化制造模式区别与其他先进制造模式的主要特点之一。 ( 3 ) 敏捷化。由于网络化制造面对的是一个不断变化和不可预测的市场环境， 为实现快速响应市场变化的需求，其产品和生产过程应能根据需要快速重组，实 现模块化，系列化，增加了网络化制造响应市场的敏捷性。 ( 4 ) 集成化。网络化制造不仅强调通过b p r ( b u s i n e s sp r o c e s s r e e n g i n e e r i n g ) 进行内部业务流程重组，实现企业内部资源的集成，而且需要 通过i n t e r n e t 将分布在不同地域和不同单位的设计资源、智力资源和制造资源 等集成起来协同运作，涉及到合作伙伴之间信息流和工作流的集成【4 】。 ( 5 ) 最优化。网络联盟企业利用各合作伙伴处于领先地位的技术和领域，达 到优势互补和整体最优，最终实现共赢的目标。由于合作伙伴最大程度的信息共 享，使信息利用达到最优化；利用网络和通讯技术将供应商、制造商、分销商、 零售商等连接起来，实现企业之间设计资源智力资源和制造资源等的优化利用。 ( 6 ) 远程化。网络化制造在空间上几乎是无限延伸了企业的业务和动作空间， 企业通过利用网络化制造系统，可以对远程的资源和过程进行控制和管理，方便 的与远在万里之外的客户、合作伙伴、供应商进行协同工作。 网络化制造的本质是制造技术与网络技术结合的一种先进制造模式。网络化 制造具有以下内涵： ( 1 ) 敏捷响应。基于网络的敏捷制造和并行工程等技术可显著缩短产品开发 周期，迅速响应市场。 ( 2 ) 资源共享。通过网络化制造，分散在各地的信息资源设备资源甚至智力 2 硕十学位论文 资源可实现共享和优化利用。 ( 3 ) 企业组织模式。网络和数据库技术将使得封闭性较强的金字塔式递阶结 构的传统企业组织模式向基于网络的扁平化，透明度高的项目主线式的组织模式 发展。针对市场机遇和需求，建立以企业动态联盟和资源共享为基础的，通过网 络和电子手段联系和控制的虚拟企业将是快速、优质、低成本和低风险响应市场 的有效组织模式【5 1 。 ( 4 ) 生产方式特征。生产方式将从过去的“大批量、少品种 和现在的“小 批量、多品种 发展到“小批量、多品种、定制型 。 ( 5 ) 客户参与。客户不仅是产品的消费者，而且还将是产品的创意者和设计 参与者。网络化制造技术使用户参与产品设计成为可能。 ( 6 ) 虚拟产品。虚拟产品和网络化销售将是未来市场竞争的重要方式。用户 可以通过网络定制自己喜欢的产品，并迅速见到虚拟产品。 ( 7 ) 远程控制。设备的联网运行可实现设备的远程控制、管理以及设备资源 的异地共享。 ( 8 ) 远程监控。基于网络可实现生产设备及生产现场的远程监视及故障诊断。 1 1 3 实现网络化制造的意义 实施网络化制造最重要的是通过网络化带动信息化，通过信息化带动工业 化，实现用高新技术改造和提升传统产业的目标，促进我国制造业走向世界，并 提高我国制造业在世界经济中的地位起到重要的推动作用，从而确保我国经济的 繁荣与可持续发展。实施网络化制造可以整体上提高我国制造业的水平，提高企 业的竞争力。 1 2 数控技术 当今世界上一切制成品无一不是直接或间接由机床所制造的机器或工具器 械所制造的，因此机床又被称为工作母机，其现代化程度直接关联着制造业的现 代化程度，而机床的现代化程度又集中体现在数控机床上，数控机床是工厂自动 化的基础，数控技术是数控机床的关键技术。 现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技 术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术 于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世 界制造业的格局发生了巨大变化。 数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛 使用给机械制造业的生产方式、产业结构、管理方式带来了深刻的变化，它的关 3 网络化数拧加t 技术研究 联效益和辐射能力更是难以估计：数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成 化生产的基础，现代的c a d c a m ，f m s ，c i m s 等都是建立在数控技术之上：数控技术 是国际技术和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高技术附 加值、高利润的重要出口产品，与之相关的世界贸易额逐年增加。 综上所述，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要 基础性技术，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加 工机床及生产过程数控化己经成为当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械 制造的竞争，其实质是数控的竞争。有鉴于此，各工业发达国家把提高数控技术 水平作为提高制造业水平的关键，竞相发展本国的数控产业。日本由于数控技术 高度发展使其制造业迅速崛起，美国要挽回其失去的地位，欧洲要适应市场竞争 的需求，从而以数控技术为主要标志的现代制造技术成了美国、日本和欧洲等工 业国家竞争的焦点。由于数控产业的发展并不完全是企业行为，而是某种程度上 体现了政府意志，其发展快慢有赖于政府的支持，因此日本、美国、意大利、西 班牙、印度等国都采用了一些扶植本国数控产业发展的政策措施我国已充分意 识到发展数控技术的重要性，正积极采取各种有效措施大力发展中国的数控产 业，把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。 1 2 1 数控技术的历史与现状 从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在己走过 了5 0 多年历程。数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段： 分立式晶体管式一小规模集成电路式一大规模集成电路式一小型计算机式一超 大规模集成电路一微机式的数控系统。到8 0 年代，总体发展趋势是：数控装置由 n c 向c n c 发展：广泛采用3 2 位c p u 组成多微处理器系统：提高系统的集成度，缩 小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床 的需要：驱动装置向交流、数字化方向发展：c n c 装置向人工智能化方向发展：采 用新型的自动编程系统：增强通信功能：数控系统可靠性不断提高【6 】。总之，数控 技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格 比也越来越高。到1 9 9 0 年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约1 3 万台套【7 1 。进入9 0 年代以，计算机技术的飞速发展更快的推动了数控机床技术 的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机的丰富软硬件资源开发开 放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、 柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。国外许多企业和政 府研究机构在数控系统的开放性方面作了大量的研究工作，在技术上体现为平台 技术和面向应用功能单元的系统参考结构，提出了一系列数控系统的开放式体系 4 硕f ：学位论文 结构【8 】。很多开发研究成果已得到应用，如c i n c i n n a t i _ m i l a c r o n 公司从1 9 9 5 年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结 构的a 2 l o o 系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体 技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。数控系统继续向高集成度方向 发展，每个芯片上可以集成更多的晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微型 化，可靠性大大提高：利用多c p u 的优势实现故障自动排除：增强了通信功能，提 高了进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统的硬件、软件和总线规 范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造 商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方 便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可构成各种档次的数 控系统，也可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，使得开发生产周期大 大缩短。这种数控系统可随c p u 升级而升级，结构上不必变动。 1 2 2 数控技术的发展趋势及研究现状 目前数控系统在控制性能上己向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的 渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不 但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动 生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具 有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善：伺服系统智能化的主轴 交流驱动和智能化进给伺服装置能自动识别负载并自动优化调整参数：直线电机 驱动系统己实用化。 目前，数控系统的共同发展趋势是： ( 1 ) 采用3 2 位以上微机，提高数据处理能力： ( 2 ) 采用多c p u 技术，以便采用模块化结构，提高系统可靠性及性能价格比： ( 3 ) 采用实时多任务操作系统，以便对多个不同的任务进行并行处理： ( 4 ) 具有强大的通讯能力及图形功能，以便用户二次开发，以及同c a d c a m 系统的连接及与其他系统的集成，即采用开放式的结构体系。 在此趋势下，一些发达国家采取了各种措施对数控技术进行改进【9 1 ：美国 1 9 8 2 年开始的n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 计划最终形成一份开放式系统体 系结构规范s o s a s ( s p e c i f i c a t i o n o fa n 0 p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e s t a n d a r d ) 1 9 9 4 年又开始了0 m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 项目的研究。欧共体1 9 9 2 年在e s p r i t 框架内，开始3 o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r 0 1 sw i t hi na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 项目的研究，投资 7 7 0 万欧洲货币单位，专门研究开放式数控系统的结构。其成员包括德、意、法 网络化数控加t 技术研冗 等1 1 个成员国的有关机床制造商、销售商、研究机构及大学。1 9 9 4 问完成了开 放式系统参考结构的定义，1 9 9 6 年完成了原型系统的开发。日本制定的 i m s ( i n t e l li g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 研究发展计划中，对c n c 系统提出了 标准化和智能化的要求，1 9 9 4 年成立了o s e c ( 0 p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r 0 1 1 e r s ) 的工作委员会，研究重点在n c 本身和分布式d n c 控制系统上，认 为站在制造的角度看n c 是分布式d n c 系统的一个服务器。 近年来，我国的广大数控研究者也相继开发出了如华中数控、蓝天数控、广 州数控等开放式数控系统。其中华中h n c 系列具有代表性，硬件平台采用通用工 业p c 机，通过并行口与机床相连，p c 总线上能够连接网卡等外设。对于自行开 发的智能加工控制接口，既可以通过并行口与机床相连，也可以直接插到总线上， 具有很好的开放性，并支持远程诊断与远程机床共享。 我国的数控技术经过“六五 、“七五 、“八五 到现在“九五 的近2 0 年 的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控 人才，初步形成了自己的数控产业【l o 】。具有中国特色的经济型数控系统经过这 些年来的发展，有了较大的改观。相应数控产品的性能和可靠性有了较大的提高。 纵观这些年来我国数控技术的发展历程，尽管取得了不少成绩，但与国外发展的 速度和水平相比，差距还是很大。它主要表现在产品水平低、品种少、质量不稳 定。由于国产数控系统的竞争力较差，因而，目前我国中高档数控系统基本上被 国外产品所垄断。随着国外经济型数控系统的进入，国产系统的市场占有率正在 逐渐减小。我国目前虽然生产数控系统企业众多，但是处于松散状态，领头企业 尚未形成，技术上仍以低中档数控系统为主体，高性能机床数控系统太少，根本 谈不上产业化，更谈不上产业规模化。目前我国数控系统的研发，各企业仍然依 靠自身的研发力量进行，然而数控技术是微电子、计算机、信息、自动化检测与 机械工程高度结合的机电一体化高技术，决不是一个企业在短期内能够独立成立 的。信息不畅，研发速度缓慢，产业化进程极不理想，都是形成我国数控产业技 术与国外水平差距较大的原因。 由于我国的数控技术在总体上还停留在原有的封闭型数控系统上，无法适应 激烈的市场竞争，因此，开展高起点的开放式数控系统研究对提高我国机床制造 业的生产技术水平，提高我国民族数控产业在国际市场上的竞争能力具有重要的 推动作用。 综上所述，具有开放式的体系结构是数控系统发展的必然趋势。而基于w e b 模式束设计数控系统可以真正做到完全分布式和丌放式。w e b 是实现w w w 的基本 框架，它是高度模块化和完全分布式的。使用w e b 浏览器并与i n t e r n e t 连接的 任何人都可以获益。目前，先进制造中得很多技术都在朝着基于w e b 的方向发展。 6 硕 = 学位论文 1 3 网络化数控加工技术国内外现状及发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来，在网络技术的支持下，首先在美国而后在其他发达国 家，网络制造系统发展迅猛。我国的高校和科研部门以及企业也朝着这个方向发 展，目前我国网络化数控加工的应用主要处于局部集成的单元技术阶段。主要特 征是建立局域网，将各个分散应用单元按部门进行集成，但仍然存在信息流通的 隔离以及信息瓶颈。具体表现为1 ：管理部门与设计部门分别建立自己的平台和 数据库，分别采用商用集成化软件系统，所包含的功能只是覆盖该部门：在生产 部门表现为数控设备联网乃至车间级管理。日本m a z a k 公司认为，在多品种小批 量的制造环境下，单台c n c 设备仅有2 5 的时间在切削，在创造价值，而余下7 5 的时间被闲置；只有将c n c 机床联网，才能提高设备的利用率。在这种思想的指 导下。m a z a k 公司开发出c p c ( c y b e rp r o d u c t i o nc e n t e r ，c p c ) 智能生产中心系 统，将c n c 机床的利用率提高到6 5 。该系统包括4 个模块：作业调度模块 ( s c h e d u l e r ) ；工夹具管理模块( t o o lm a n a g e m e n t ) ；机床监控模块( m a c h i n e m o n i t o r ) ；编程及程序优化模块( c a m w a r e ) 。其他许多机床或系统制造商也有类 似产品：如g ef a n u c d 的“开放工厂( o p e nf a c t o r yc n c ) ：大隈机床公司( o k u m a ) 的“信息技术广场 ( o k u m an e tf a c t o r y ) ：s i e m e n s 公司的“开放制造环境 ( o pe ；nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ) ；日立精机公司的“精机柔性连接 ( s e k i f 1 e x l i n k ) 等等。 但是，网络化数控加工应该是全球制造环境下的数控加工，而不是单单 某企业某部门的数控加工。在我国，d n c 技术远没有达到普及应用。不少公司还 处于研制应用阶段，和发达国家相比，无论是应用规模还是应用水平都相差甚远。 但是部分企业还是取得了一些成功的应用经验，例如华中数控公司为常柴集团摸 具分厂的数控设备进行网络化改造，使该分厂的数控设备的软件升级，维护，疑 难问题的解决等都能够方便的进行。而其客户也可以通过网络将生产数据，相关 参数传给摸具分厂，从而实现远程制造。目前作为企业先进制造的典型技术 数控加工虽己拥有良好的机床设备，却缺少良好的使用人员及使用技术。分析原 因已经如上所述，而随着技术发展，实际上已经出现了可以缓解这类矛盾的各类 商用化软件，如p r o e ，u g ，s o l i d w o r k s ，m a s t e r c a m 等，它们可完成产品的三维 设计、n c 代码自动生成、代码校验仿真以及有限元分析等工作。但是，该类软件 由于它的昂贵价格以及系统要求，并非使每个企业、每个设计以及加工部门全部 拥有。拥有该类软件的企业，可以充分利用数控加工软硬件资源进行产品制造， 而当他们在供不应求需要外援时，因为不具有全球分布的网络化制造系统，无法 与外界拥有数控设备的企业联合。所以，全球网络化制造环境的建立是数控加工 的必然趋势。网络化数控加工的另外一个优势作用就是可以将商用化软件的功能 7 网络化数撺加t 技术研究 与网络相集成，使不拥有该类软件的企业在异构环境下也可以享用它的特殊功 能，利用部分企业拥有的数控软件资源提高其他企业数控设备的利用率。 1 4 课题意义 数控机床的使用技术不是简单的设备使用问题，而是一项具有一定规模的系 统应用工程。所以，不仅要在数控系统软硬件上提高技术的可靠性和稳定性，还 要在生产模式上发生改变。 将网络制造技术应用于数控加工中具有以下意义： ( 1 ) 生产管理模式的创新 拥有数控加工装备的网络联盟企业是若干企业的联盟，同时它把市场中的输 入方( 供应商) 和输出方( 顾客) 都纳入相互结盟的、共担风险共享利益的、统一的 商务活动之中，形成一个完整的商务概念和网络经营环境，从而使企业的生产管 理出现了新模式，为企业向全球化发展奠定基础。 ( 2 ) 利用软件资源提高设备使用率 p r o e ，u g ，s o l i d w o r k s ，m a s t e r c a m 等商品化软件的出现为先进制造特别是 数控加工增添了活力，它们可完成产品的三维设计、n c 代码自动生成、代码校验 仿真以及有限元分析等工作。但是，购买该类软件费用昂贵，高达几十万甚至上 百万。使用网络制造技术实现该类软件各功能模块的网络发布与浏览，不但可使 企业节约软件购买费用，还可以使技术工人省去繁琐的数控编程和软材料试切等 过程，实现网上n c 代码生成和网上走刀轨迹校验，验证正确性后直接投入生产， 从而提高数控机床的使用率。 ( 3 ) 有利于人员的技术培训 人员素质在先进制造中起的作用相当大，他可以主观的决定是否使用先进 制造设备。所以，提高技术人员素质势在必行。但是培训技术人员，势必需要投 入大量资金，而且在短期内还很难见效。实现网络化培训可大大缓解这一矛盾， 可使员工在任意时间均可得到技术训练。 ( 4 ) 实现资源共享 产品的加工信息、物料流动、经验交流等可公开性资源可以实现网上共享。 另外为先进制造开发的c a d c a m c a e 软件资源也可以集成到网络上，实现多节点、 多企业使用，在一定程度上解决资源分配不均的问题。 ( 5 ) 顺应未来制造业发展趋势 未来制造业的高技术化、产品日益多样化、对市场反应灵敏化等要求，都需 要实现数控加工等先进制造技术的网络化。 ( 6 ) 符合华人制造业特点 8 帧 j 学位论文 我国大陆的主要优势剐1 2 1 ：有相对雄厚的科技人才和科技力量：有数量众 多又勤劳简朴的劳动力：还有巨大的国内制成品市场。港澳地区的主要优势是： 有善于在国内外市场上经营的管理人才和管理经验：有灵通的经济技术信息：有 广泛的贸易网络和贸易渠道：有健全的金融机构、丰富的融资经验和融资能力。 台湾地区的主要优势是：有善于经营的管理人才和管理经验：有相当广泛的贸易 网络和贸易渠道：有相当规模的科技力量：有相当规模的资金：在制造业的某些领 域也有相当的实力和基础。所以，集众家制造特点之所长，建立华人制造业先进 装备网络，有利于提高我国制造业的竞争力。， 1 5 课题研究内容 实现产品异地设计与异地加工的基本要求是：首先得到对方的产品设计图形 以及工艺要求，进行工艺参数选择，然后可以得到加工该零件的数控代码以及加 工仿真图形，传送n c 代码以及工艺参数，最后异地加工。它们构成了网络化数控 加工的基础技术。 本文研究网络化数控加工技术，主要内容包括以下部分： ( 1 ) 网络化数控加工模型的建立 网络化数控加工以何种方式、何种内容进行工作，需要建立网络化数控加 工模型进行规范。该模型包含网络化数控加工系统的总体框架，需要使用t c p i p 标准协议，构建c a d c a m 系统与网络中数控机床之间联接的统一平台。分析网络 化数控加工各功能环节，依据网络化数控加工基础工作，建立数控加工系统的网 络化结构模型。 ( 2 ) 产品特征造型的网络发布与浏览 鉴于网络联盟组成单位之间互相传阅产品图形信息的要求，我们必须研究产 品特征造型的网络发布与浏览方法。首先需要研究使用c a d c a m 系统完成的产品 特征表示法及图形格式、w e b 支持的图形格式，然后建立同异构环境下产品3 d 图 形的w e b 发布与浏览结构，使用户可以在网上任意地从不同视角浏览所需产品的 三维特征造型。它可以使缺乏产品设计能力的企业不考虑空间距离限制，方便及 时地获得自己满意的产品设计。 ( 3 ) 产品的仿真加工 建立走刀运动实例验证模型，通过实现解释器的工作流程和g 代码、t 代码 处理器，完成走刀运动验证模块。研究产品加工仿真图形及网络动画产生方法， 建立基于w e b 的数控加工运动仿真结构，可以异地验证n c 代码的正确性。它为拥 有不同数控资源的企业提供网上合作机会。通过网上发布并可浏览的产品加工走 刀轨迹动态图形，校验n c 代码的正确性。分布在不同区域的企业就可以不考虑时 9 网络化致栉加一l 技术研冗 空问题，直接利用对方的设计或n c 加工资源进行生产合作，缩短了生产辅助时间。 ( 4 ) n c 代码的传输和远程数控加工 主要是通过网际互连传输n c 代码和工艺参数，包括外联网i n t e r n e t 上的数据 传输和企业内联网i n t r a n e t 上的数据传输。建立外联网数据传输机制以及内联网 中微机与数控机床的数据连接机制，再通过异地的先进制造装备数控机床完成传 送过来n c 代码的零件加工。 本章小结 本章主要论述了网络化制造的概念及发展；数控技术的发展；网络化数控加 工技术应用及发展。另外还阐述了课题意义及本文所要完成的主要任务。 l o 硕 学位论文 第2 章网络化数控加工模型的建立 2 1 网络化数控加工系统的功能要求 网络化制造是一种全新的制造模式，以数字化、柔性化和敏捷化为基本特征。 柔性化与敏捷化是快速响应客户需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上 的快速响应、过程中的并行性与分布式决策【l3 1 。因此，网络化制造模式下的数 控加工系统应具有集成、分布和广义的特征，同时必须获得信息高速公路的充分 支持，这是网络化制造的根本要求，也是向网络化数控加工系统的内在特性。网 络化数控加工系统应具有下列功能： ( 1 ) 网络化数控加工系统是一个数控加工信息集成系统 网络化数控加工系统是实现数控机床和上层( 车间调度人员、c a d c a m 人员、 工艺编制人员、生产资料管理人员和企业合作伙伴) 交流的桥梁，因此在网络化 数控加工系统中应包括需要交流的全部信息。因此它不仅仅是一个数控程序传输 系统，而是包括制造数据( 数控程序、作业计划和刀具数据等) 传输、机床状态 采集、作业任务分配、机床信息管理、机床状态数据分析等的集成化信息系统。 ( 2 ) 支持基于网络的制造数据共享功能 网络化数控加工系统能够实现网络联盟企业计算中心与现场数控设备之间 的信息共享，该功能主要表现为两个方面：一方面实现数控设备可以共享联盟企 业计算中心的加工程序代码，实现联盟企业计算中心的计算能力通过网络的延伸： 另一方面联盟企业计算中心可以通过网络接收来自数控设备的制造数据，服务于 其它数控设备。 ( 3 ) 支持基于网络的实时监控功能 网络化数控加工系统能够通过网络实时发布机床的状态信息，反映机床的运 行历史，统计机床的运行报告，同时通过w e b 摄像机实时发布现场的生产情况。 这要求一方面采集机床状态，如机床的启动、停止、报警等机床信号，另一方面 把这些采集的信息实时网络发布，同时记录到机床的运行历史数据库，实现对机 床全部生产时间的状态记载。 ( 4 ) 支持跨平台的操作功能 由于盟友的计算机软、硬件、数控加工设备、数据库系统及应用等具有多样 性，因此，网络化数控加工系统必须是开放式的，能够为盟友提供开放、公共的 界面，支持跨平台操作，支持不同地域的多用户同时操作和信息共享【1 4 1 。这就 要求网络化数控加工中的信息共享平台必须支持跨平台操作。 网络化数拧加t 技术研究 2 2 网络化数控加工系统通信结构构建方案 无论是本文提出的网络化数控加工还是集成d n c ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o l 或d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 、柔性d n c 以及敏捷d n c 等思想，其实现的 关键都是d n c 通信，这是建立d n c 系统的基础，只有在此基础上，才能探讨各种d n c 的内涵，但是不同的d n c 思想对于d n c 通信要求也不完全一致，需要根据d n c 的思 想选择合适的d n c 通信方案或扩展d n c 的通信功能。构建网络化数控加工系统需要 依据数控机床提供的不同通信接口分别实施。目前企业中应用的数控机床提供的 主要是串行通信接口，还有极少的网络接口和读带机旁路接口，网络接口的数控 机床可以直接接入网络，不需额外改造。而读带机旁路接口数控机床多为较早的 数控机床改造价值低，在此不作讨论。因此本文的研究主要针对具有串行通信 接口的数控机床。综合以前在d n c 通信方面进行的研究，并考虑d n c 通信和网络的 结合，对于应用串行通信的数控机床，网络化数控加工系统通信结构可采用以下 2 种实现方式。 2 2 1 局域网结合点对点式结构 1 结构原理 局域网结合点对点式d n c 通信结构如图2 1 所示，其构建原理是： ( 1 ) 构建车间局域网，应用网络服务器实现车间局域网和i n t e r n e t 的连接。 ( 2 ) 应用串行通信实现计算机和数控机床的连接，具有d n c 接口的数控机床， 可直接通过串行通信实现数据的传输和机床信息的采集，对于不具有d n c 接口的 数控机床，需要为计算机添加信息采集卡，以采集机床的运行信息，同时要求与 数控机床连接的每台计算机可作为网络服务器网络发布机床运行状况，或者把采 集到的机床信息同步映射到网络服务器，供拥有权限的i n t e r n e t 的用户访问。 ( 3 ) 机床操作人员在计算机上通过浏览器获取数控程序、作业计划等制造数 据，把需要下载的数据如数控程序、零件图形等下载到当地，并通过串行传输通 信软件把数控程序传输给数控机床。 2 结构优点 由于为每台数控机床配置了计算机，因此可以实现在计算机上浏览和编辑数 控程序，查看作业计划、零件图形和工件加工配置信息，同时计算机可以进行工 件加工状态收集、工序数据收集和劳动力数据收集。基本可以实现无纸化生产。 这也是目前企业中普遍应用的一种结构，不过大多没有机床信息采集功能。 3 结构缺点及存在的研究问题 由于为每台数控机床均配置计算机，导致车间内的计算机过多，企业的一次 性投资过大，投资回报期长，后期还存在大量计算机的维护工作和机床操作人员 1 2 硕卜学位论文 的培训工作。目前国内应用的d n c 通信传输软件大多为专用系统，一种通信软件 大多只能支持一种或有限的几种的数控机床，理想情况应是以一种通用性的d n c 通信软件支持全部的数控机床【1 5 1 。该结构的机床状态信息的采集已在多篇文献 中有过阐述，不过其无法实现网络发布，需要增加机床状态信息映射功能，把采 集的信息实时网络发布。 图2 1 局域网结合点对点式网络化数控加工系统通信结构 2 2 2 局域网式结构 在应用现场总线实现的通信结构中，过多的协议层导致了整个系统的复杂和 开发难度，如不使用现场总线，而考虑把车间的以太网直接延伸到数控机床，车 间的通信结构将大大简化。具有以太网接口的串口服务器和具有以太网接口的可 编程逻辑控制器( p l c ) 的出现和以太网技术的发展使这项技术变成可能。 1 结构原理 局域网结合点对点式网络化数控加工系统通信结构原理如图2 1 所示，其构 建原理是： ( 1 ) 构建车间局域网，应用网络服务器实现车间局域网和i n t e r n e t 的连接。 ( 2 ) 如果仅考虑数据传输功能，可应用具有以太网接口的串口服务器实现车间 局域网和数控机床串行通信口的连接，实现数据的传输。串口服务器的原理是把 来自以太网的信号透明的传输到串口，同时把来自串口的信号透明的传输到以太 网。如果考虑同时实现数据传输和机床信息的采集功能，串口服务器可采用具有 网络化数拧加t 技术研究 以太网接口的可编程逻辑控制器( p l c ) ，这种可编程逻辑控制器同时具有信号 输入输出口、串行通信借口和网络接口。其串行通信接口与机床的串行接口实现 数据的传输，而信号输入口和机床的信息采集点连接实现信息的采集。 ( 3 ) 机床操作人员根据车间下达的作业计划书直接在数控机床的操作面板上 申请数控程序，其他制造数据可以以文本文件的形式作为数控程序的说明下载到 数控机床。 局域网式网络化数控加工系统通信结构如图2 2 所示。 嘲络斑备墨 图2 2 局域网式网络化数控加工系统通信结构 2 结构优点 ( 1 ) 相比与点对点式结构，减少了计算机数量，企业可减少大量一次性投资， 从降低了投资回报期，是一种简洁高效的解决方案。 ( 2 ) 相比于现场总线式结构，减少了系统的复杂性，由于以太网已成为局域 网的主流技术，几乎每家企业都拥有具备以太网维护能力的人员，而无须专门学 习一门现场总线技术。实现车间信息的完整性和一致性。 ( 3 ) 以太网采用的是非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力强，在高速传输速度下 能保持数据传输的稳定性与可靠性。 ( 4 ) 是一种支持虚拟单元的数控机床连接方式，车间内的单元控制器，各工 作站和设备连接在同一网络即以太网上，数控设备可与任意单元控制器和工作站 通信，能适应不同制造任务的需要。 ( 5 ) 针对不同类型的数控设备开发通讯程序，建立通讯协议库，选择合适的 通讯协议下载到控制器，用一个统一的信息平台来来管理全部数控设备，从而实 1 4 硕f ：学位论文 现异构数控设备的集成。 ( 6 ) 根据车间实际情况可选用无线局域网。 3 存在问题 这种局域网通信结构同时具有数据传输、信息采集和网络发布功能，应用此 技术构建网络化数控加工通信系统在实际应用中并未普及，原因在于过去以太网 在确定性和鲁棒性等方面的缺陷导致在车间底层设备应用中十分脆弱。而近几年 来随着以太网通信速率和交换技术的发展，应用以太网建立一个高效开放确定性 的通信系统是可能的。应用以太网构建面向串行通信机床的