（机械工程专业论文）数控车床网络控制系统研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着市场经济和企业信息化的发展，企业数控机床的数量越来越多，而传统的单机 管理模式因技术手段落后、生产效率低、管理与维护费用高昂等弊端已不能适应企业发 展的需要，如何加强对它们的管理、使其发挥出最大的经济效益成了很多企业的共同需 求，同时也成为众多数控机床和数控系统生产厂家的研发重点。 针对我国企业目前使用的数控设备由于数控系统品牌较杂，型号较多，档次差别 大，机床联网困难的实际情况，本课题提出应用p l c 和r s 2 3 2 接口相结合，实现数控 车床网络控制的方案。该方案通过上位监控p l c 和机床p l c 的联合控制来完成：1 ) 数 控设备工作时间的管理，即对每班次机床的运行时间进行控制，当预定时间到达时，系 统自动锁定机床；2 ) 监控p l c 检测机床输入信号变化，累计计算机床有效加工时间， 在触摸屏上显示当前机床运行状态( 如：机床报警，机床处于加工状态，机床处于非加 工状态等) 和数控机床的加工状况( 如：有效加工时间，当前班次零件加工数量等) ； 3 ) 按照机床维护保养要求，由管理员控制锁定数控机床，强制要求操作人员进行设备 维护保养；4 ) 通过p l c 和r s 2 3 2 接口，现场计算机可以向指定的数控机床发送和接收 零件加工程序，并通过所开发的适合在车间工段使用的管理软件，对车间内的加工程序 进行集中管理、对工段的生产任务进行分配和加工任务单打印、对刀片的领取进行管理 统计以及机床维护保养管理等。 本课题实现的数控车床网络控制技术成本低，通用性好，可应用在多种数控系统 ( 如f a n u c 、西门子、三菱数控系统) 的数控机床上，能够顺利实现现场数控加工机 床的集中监控和管理，以及车间加工程序及加工任务的计算机辅助管理，为现代企业信 息化的底层架构奠定了坚实的基础。 关键词：数控车床；网络控制；加工信息管理 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y o f t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mf o rc n cl a t h e s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fm a r k e te c o n o m ya n de n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n ，t h ea m o u n to fn c m a c h i n e so f e n t e r p r i s e si sm o r ea n dm o r e a n dm a n a g i n gm o d eo f t r a d i t i o n a ls i n g l em a c h i n e i s n o ta v a i l a b l ef o rd e v e l o p i n gr e q u e s t so ft i l ee n t e r p r i s e sd u et os o m ea b u s e s s u c ha sb a c k w a r d t e c h n i c a lm e a g b r e s ，l o w p r o d u c t i v i t y ，c o s t l ym a n a g i n g a n dm a i n t e n a n c ee x p e n d i t u r e se t c “h o w t os t r e n g t h e nt h e mt om a k et h e mg r e a t l yb r i n gi n t op l a yi ne c o n o m i c a ib e n e f i t s ”h a sb e e n c o m m o nd e m a n d so f m a n y e n t e r p r i s e s ，a tt h es a l l et i m e ，a l s oi t i sk e y p r o j e c t so f r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f m a n y m a n u f a c t u r e r so f n cm a c h i n e sa n dn c c o n t r o ls y s t e m s d i r e c t e da g a i n s tt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n so f d i f f i c u l tn e t w o r k i n go f t h en c m a c h i n e sd u et o t h ef a c tt h a tn c e q u i p m e n tu s e da tp r e s e n ti nt h ee n t e r p r i s e so f o u rc o u n t r yi su n d e rm a n y d i f f e r e n tn c s y s t e m sa n dm o d e l s ，a n d d i f f e r e n td e g r e eo ft h ep r o d u c t s ，t h ep a p e rr a i s e st h a ta p r o j e c to f c o m b i n a t i o no f u s i n gp l ca n dr s 2 3 2i n t e r f a c ef o rr e a l i z i n gn e t w o r kc o n t r o lo f n c m a c h i n e s i nt h i sp r o j e c tw ec a nc o m p l e t ef o l l o w i n gi t e m st h r o u g hm o n i t o r i n gp l co ft h e h i g h e rp o s i t i o na n dc o m b i n i n gc o n t r o lo f p l co fm a c h i n e ：t h ef i r s t ，m a n a g i n go ft u r n i n gt i m e o f t h en c m a c l l i n e s ，t h a ti s ，c o n t r o l l i n go f t h et u m i n g t i m e so f t h em a c h i n e si ne v e r ys h i r ，w h e n t h et i m e sr e a c ht h es p e c i f i e ds c h e d u l e ，t h en e t w o r ks y s t e ml o c k e st h em a c h i n e sa u t o m a t i c a l l y ； t h es e c o n d ，m o n i t o r i n gt h ec h a n g eo ft h es i g r l a li n p u to ft h em a c h i n e sm e a s u r e db yp l c ， a c c m n u l a t i n gt h ee f f e c t i v ew o r kt i m e s ，d i s p l a y i n gt h es t a t eo f t h ec u r r e n tm a c h i n et u r n i n go n t h et o u c hs c r e e n ( s u c ha sm a c h i n ea l a r m i n g ，t h es t a t eu n d e rw o r k i n ga n dt h es a t eo fn o t i - w o r k i n go ft h em a c h i n e ，e t c ) a n dt h es t a t eo f t h em a c h i n ew o r k i n g ( s u c h 船t h ee f f e c t i v e m a c h i n i n gt i m e s ，t h eq u a n t i f i e so f t u r n e dw o r k p i e c e so fc u r r e n t , e t c ) t h et h i r d ，a d m i n i s t r a t o r c a r ll o c kt h em a c h i n et of o r c et h e o p e r a t o r t om a i n t a i nt h em a c h i n ea c c o r d i n gt ot h e m a i n t e n a n c e r e q u i r e m e n t so f t h em a c h i n e a n d t h el a s to n e ，u s i n gt h ep l ca n dr s 2 3 2 i n t e r f a c e ， t h ea c t i v ec o m p u t e rc a ns e n da n dr e c e i v et h em a c h i n i n gp r o e e s so f w o r k p i e c et o f r o mt h e d e s i g n a t e dn cm a c h i n e ，c e n t r a l i z et om a n a g e t h e t u r n i n gp r o g r a m s i nw o r k s h o p ，a n dd i s t r i b u t e p r o d u c t i o nt a s k sa n dp r i n tt h et a s kl i s t s ，m a k es t a t i s t i c so fd r a w i n gt o o li n s e r t sa sw e l la s 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 m a i n c a i nt h en cm a c h i n e so f t h ew o r k s h o pb y u s i n gt h em a n a g i n gp r o g r a md e v e l o p e df o rt h e w o r k s h o p t h en e t w o r kc o n t r o lt e c h n i q u eo f n cl a t h e sr e a l i z e db yt h e p a p e ri sc h a r a c t e r i z e db yg o o d c o m n l o l lu s ea n dl o wi nc o s t ，s oi tm a y a p p l y t on cl a t h e sw h i c hc a nb ep r o v i d e dw i t hm a n y k i n d so fn cc o n t r o l s y s t e m s ，f o re x a m p l e ，n cc o n t r o ls y s t e m so ff a n u c ，s i e m e n s ， m i t s u b i s h i ，a n di t c a nr e a l i z et h ee 旋c t v ec o l l e c t i v em o n i t o r i n ga n dm a n a g i n go fn c m a c h i n e s w o r k i n g i ns i t ua n d c o m p u t e ra u x i l i a r y l ym a n a g e st u m i n gp r o g r a m so f w o r k s h o p a n d m a c h i n i n g t a s l ( so fs e c t i o n s a n dm a k ea s t a b i l i t yf b u n d a t i o nf o rt h eb a s i cs c h e m a o f t h ec m s f o rm o d e m e n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：n c l a t h e ；n e t w o r k c o n t r o l ；t u r n i n g i n f o r m a t i o n m a n a g e 3 独创性说明 本人郑莺声明：所呈交的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的研究成果，也不包含为获得 沈阳= = ：业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 e 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：盔! 丝一日期 关于论文使用授权的说明 加d 妇, z 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 虢塑盛新签名名驽 矿 日期：1 础，- 、v 6 沈叭i ：业人学硕士学何论文 l 绪论 1 1 引言 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投 入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中， 数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技 术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成 化、智能化起着举足轻重的作用。近年来，我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大 企业以及中小企业已有较多的使用。在这些数控机床中，除少量机床以f m s 模式集成使 用外，其余的大都单机运行，且相当部分处于使用效率不高、投资回报率低等状态“1 。 面剥越来越激烈的市场竞争，企业都在进行着各种的变革来降低产品的成本，提高产品 的竞争能力和企业的利润。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， 数控设备联网运行的要求越来越迫切。由于f m s 过于强调物流自动化，存在投资高、风 险大、可靠性差、见效慢等问题，因而很多企业没有能力实施。如果采用适用于中小企 业实行的数控设备网络控制及车间管理，不仅可以提高数控设备的利用率，而且对促进 诺如敏捷制造等先进的管理制造模式在我国企业的具体实践，改造和搞活企业具有重要 意义。 尽管数控机床的发展经历了从硬件数控、封闭式计算机数控到现在的开发式数控等 阶段，但目前大部分数控机床尤其是经济型数控机床的网络通信能力都很弱。“。这些 机床多采用传统的封闭数控系统，如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h im s o 系统、s i e m e n s 8 1 0 系统等，只带有普通的通信接口，如r s 2 3 2 c 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 等，它的功能扩展、 改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前研制开发出的基于p c 的开放式的数控系 统，虽然可以在硬件上配置网卡，但是并未丌发出相应的应用程序，全面可靠地支持 c i m s 底层的联网运行。 为此，本课题将研制适用于采用传统封闭数控系统的数控机床，采用p l c 和r s 2 3 2 进行机床网络控制，远程监控机床运行状况及基于车间局域网络的车涮数控机床加工管 理的软件开发。 沈i j i l i 。业人学硕士学位论文 12 数控机床控制及管理的国内外发展状况 数控机床的监控技术的产生和发展主要体现在数控机床以及数控系统的网络化集成 化方面。数控系统通过高速通信网络及时将当前加工状态信息提供给远程监控站点，并 接受远程监控命令是实现新的制造模式如：敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单 j l o 数控机床网络通信在技术实现上可大体分为两种模式：一是数控系统集成网络通信 功能，数控机床直接选用带有网络接口功能的数控系统，使数控机床有网络通讯能力， 此技术多被数控系统生产厂商掌握；二是在原数控系统外部附加网络功能，在硬件上对 原有数控系统的通信接i s 进行改造和转换，达到网络控制和监控的目的，此种方式实现 较为灵活，但在功能上要受到原有通讯接口的局限。 1 2 1 数控机床集成网络通讯及管理技术的发展状况 2 l 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中 的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工 艺参数自动生成：为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的 自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能 化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能渗断、智能监控方面的内 容、方便系统的诊断及维修等。 进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换 代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的 新一代数控系统。丌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。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美 国科学制造中心( n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构” n g c ，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”o s a c a ，日本的o s e c 计划等。丌发研 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 1 0 0 系统。丌放式体系 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个晶体管， 一2 沈刚i1 业人学硕十学位论文 使系统体积更小，更) r o w , 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；增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系 统，其硬件、软件和总线规范都是对外，1 ：放的，出于有充足的软、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，既可通过升档或 剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发 生产周期大大缩短。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将 极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如 敏捷制造、虚拟企业、全球制造基础单元的需要。国内外一些著名数控机床和数控系统 制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在e m 0 2 0 0 1 展中，同本山崎马扎克 ( m a z a k ) 公司展出的“c y b e r p r o d u c t i o nc e n t e r ”( 智能生产控制中心，简称c p c ) ； r 本大隈( o k u m a ) 机床公司展出“i tp l a z a ”( 信息技术广场，简称i t 广场) ；德国 西门子( s i e m e n s ) 公司展出的o p e nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ( 开放制造环境，简称 o m e ) 等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势”。 数控机床的数控系统与系统外的其他控制系统或外部上位计算机连接，通过网络可 以实现对设备的远程控制和无人化操作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服 务、技术服务，并提高机床生产率。网络生产管理系统通过企业内部网( i n t r a n e t ) 随时 监视生产现场情况进行最优计划和调度；操作工人技艺数据库将通过丰富经验和直觉形 成的技艺数字化，不断积累并与全公司共享，实现高效、高质量加工，并依此创造新工 艺、新知识和新诀窍：新的c a d c a m 系统可将c a d 数据立即转变为加工程序、工具清 单、工艺卡和加工工艺图样，实现并行工程来缩短生产周期。此外还可以通过因特网与 外界联接，可为每个客户设立个窗口，快速反应客户的要求。在多品种小批量的条 件下，将机床联网，能将切削时间由2 5 提升至6 5 ”“。远程诊断产品可以在个人电脑 前轻松地操纵远在车间里的机床设备，诸如编辑修改零件程序和p l c 程序、监控各轴当 日口状态、进行文件传输等。远程诊断技术不仅用于故障发生后对数控系统进行诊断，而 且还可用作用户的定期预防性诊断。 3 沈阳i 业大学硕士学何论文 总之，随着计算机技术、网络技术f 1 益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已 成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来 看，目前流行的e r p 即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门( 人、 财、物、产、供、销) 或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车阳j 的最底层加工设备数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化 的制约瓶颈，所谓的e r p 就比较“虚”没有能够真眍地解决制造工厂的最关键的问题， 数控机床必须具有双向高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及 底层与上层之间通讯的畅通无阻。 12 2d n c 技术及其连网通信功能的发展 对于在系统外部附加通信功能的技术，起源于d n c 技术并随着d n c 的发展而逐渐发 展。 d n c 是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 o l 的简称， 意为直接数字控制或分布数字控制。d n c 最早的含义是直接数字控制，其研究开始于上 世纪六十年代。它指的是将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上，由中央计算 机负责n c 程序的管理和传送。当时的研究目的主要是为了解决早期数控设备( n c ) 因 使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列问题和早期数控设备的高计算成本等问题。 七十年代以后，随着数控机床( c n c ) 技术的不断发展，数控系统的存贮容量和计 算速度都大为提高，d n c 的含义由简单的直接数字控制发展到分布式数字控制。它不但 具有直接数字控制的所有功能，而且具有系统信息收集、系统状态监视以及系统控制等 功能。 ， 八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和c i m s 技术的发展，d n c 的内涵和功 能不断扩大，与六、七十年代的d n c 相比已有很大区别，它开始着眼于车间的信息集 成，针对车间的生产计划，技术准备，加工操作等基本作业进行集中监控与分散控制， 把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相互交换。而对物流等系统可 以在条件成熟时再扩充，既适用于现有的生产环境，提高了生产率，又节省了成本。 近几年国内外对d n c 系统的研究非常活跃“”3 ，一般d n c 系统通常分两级计算机结 构，即主控计算机和c n c 系统群组成。计算机和数控机床的通信方式取决于数控系统的 4 沈刚工业大学硕士学位论文 通信接口和通信协议，绝大多数数控系统都具有r s 2 3 2 通信接口，对于计算机r s 2 3 2 接 口是标准配置的外部接口。所以，传统的蹦c 系统使用计算机和数控系统的r s 2 3 2 接口 进行通讯，如图1 1 。对于只有录音接口或者纸带机接口的老的经济型数控系统。般 是通过自制或购买专用的硬件通讯卡将这两种接口转换成r s 2 3 2 接口再与计算机通信。 r 一一_ ：一j 1 翰n 誊妻黪麟极2 l l o _ _ 立j 冈舔耐圈 ，l 壁墼鎏l ，盥熙墼、l 黧妻l i 麟稳蘩统| | 氅赣系统1| 数控藤黪 l ；* - _ 。一j u - 。- t ，j l 。dl 。，j ：。- - 。- u | ，。，j 图1 1d n c 传统通讯拓扑结丰萄 这种联接方式结构简单，适用于通信距离短、组成d n c 系统的数控加工设备数量少 的小型系统，因连线较多、易出故障、通信距离短，不适宜较大范围的d n c 系统。 为延长通讯距离，使较分散的数控加工设备也能联网，9 0 年代开始，我国部分企 业采用一台数控机床与一台工控微机相连( 即点对点式) 。所有工控微机再通过微机局 域网络相连的通信模式”，如图1 2 。这种通讯方式存在工控微机长期置于生产现场造 成其使用寿命的降低，特别是在加工环境中，粉尘较多电压波动较大，电子干扰较 强，d n c 系统故障率高，可靠性差，对操作机庶的工人要求较高，管理和维护工作量大 图1 2 点对点式d n c 结构 鉴于以上通信方式存在的缺陷，一些研究机构提出了基于现场总线技术( 主要有 b i t b u s “”、c a n “、p r o f f i b u s 总线) 的改进型d n c 通讯系统，可实现远距离通信，具 5 沈i j 1 3 - 业大学硕士学位论文 有操作方便，开放性好的特点，较好地解决了上诉的问题。其网络拓扑结构如图1 3 所 示。每台数控机床配备一台通信前端单元，各通信自口端单元与d n c 主控计算机间采用现 场总线进行连接1 1 “。通信前端单元与数控系统集成在一起，用来完成r s 2 3 2 接口到现场 总线之间的转换。根据目前的资料报道，这种通信方式是较为先进的，其通讯前端单 元一般研究机构自行研制或购买的第三方公司的专用产品。现在，现场总线技术的最大 问题是没有统一的标准，国际电工委员会( i e c ) 历时1 2 年，于2 0 0 0 年1 月才正式公 布了i e c 6 1 1 5 8 现场总线全部技术标准，由于妥协了各大公司的既得利益，并没有实现 标准的统一，在此标准中容纳了8 种互不兼容的通信协议【1 s i t l 9 1 。其开放性全分散控制等 仍存在许多问题，有许多厂商不提供真正的开放平台，控制器之间的垂直和水平通信非 常困难1 2 0 ，所有控制器是“孤岛”，无法集成。 巨_ _ _ 量i ；，攀藕爹粒i 舞| | i _ 签l l 二= 0 2 o j _ 一一j o - 。 现场总线 t 一”一。一1 l 獭灞辩端掣颡l l = _ i = = i = = 。= j r 8 2 3 2 r 一一一一1 l 黼耨蜕戴霾i l = 。l 一- 。l 。j r $ 2 3 2 邈麴鲤幽 r s 2 3 2 褰麓蹇 图1 3 现场总线d n c 结构 1 3 本课题研究的主要内容及意义 1 3 i 本课题的背景及意义 面对着愈发激烈的市场竞争，越来越多的厂家开始大规模使用数控设备来进行零件 加工；而数控设备增多后，很多现场问题就会逐渐凸现。例如车间对各台数控设备加工 程序的传输就一宜存在较多问题，如果采用磁盘方式传输，一是磁盘介质容易损坏，二 是对于没有软驱的数控系统，必须先将磁盘上的程序拷贝到通讯用的计算机上，临时连 接进行通讯，操作十分不便；如果采用笔记本电脑方式传输，一是操作不便，二是不利 于对机床加工任务进行管理，三是无法对设备现场的加工程序进行检测。同时，技术人 员通过拷贝软盘或笔记本电脑的方式传输程序。来回奔波于两地之间以及不断地接线和 6 沈刚i ：业人学硕十学位论文 拔线，不但浪费很多时间，更不利于提高工作效率，且频繁的热插热拔容易烧坏机床接 口。此外，数控加工程序保存在很多台电脑中，使用简单的文件央形式管理，这些数控 程序和相关的文件，如刀具清单、工艺卡片等不能有效的关联；数控程序文件过分依赖 某一位技术人员，当该技术人员离开公司后，则无法有效地使用该数控程序，知识管理 相当薄弱。 目前很多厂家提供了基于网络或具有d n c 功能的数控系统全套解决方案，但是整体 成本非常高，而且这种大型的管理软件对企业的整体要求也相当高，对一些中小企业来 说成本无法承受，且管理水平也跟不上去，无法实施。对于这些中小型用户来说，他们 的需求比较单，没有必要搭建大型管理系统，因此若能有一种针对这种中小企业、使 用简单r s 2 3 2 通讯接口进行数控加工设备联网，从而实现工段级管理的鳃决方案，相信 是非常必要的。 1 3 , 2 本课题要达到的目标 本课题是来自于沈阳第一机床厂一个客户的需求，客户订购1 0 台c k s 6 1 1 6 数控车 床，均安装在一个数控车间内，客户要求将1 0 台数控车床联网实现以下功能： 1 加工程序传递：在车问中控室内通过一台计算机对多台数控机床进行加工程序 的上传和下传 2 工作管理；可以设定并显示每班工作时间，当工作时间结束时，系统能够自动 锁定机床 3 机床运行监控：监控多台数控机床的工作状态( 报警、加工、非加工状态) ， 同时管理员可以根据机床保养要求，强制锁定机床 4 机床加工监控：显示每班实际零件加工时间与工件加工数量 5 零件加工程序能够实现集中管理 6 ， 按加工任务打印加工零件时所需的刀具清单和刀具安装位置 7 刀具室按s n ：e 任务发放刀具，并且有记录 8 ，按机床保养要求提醒管理员进行机床保养维护，并有维护记录 1 3 3 本课题主要研究的内容 本课题针对的是采用比较低档数控系统，同时还需要一定管理功能的中小型用户， 7 沈阳【业火学硕二e 学位论文 采用p l c 和r s 2 3 2 对现场的机床进行有效的控制，提高机床的使用率，利用计算机网 络进行车时段组现场的管理，提高数据的传递速度和数据的准确性。主要的研究内容如 下： 1 数控车床的网络控制系统的总体设计。提出基于p l c 和r s 2 3 2 的网络控制系 统总体方案和技术路线，实现机床运行状态的实时监控和管理 2 软件设计。软件从功能上分为四部分分别实现，一是在数控系统部分的软件设 计，用于完成n c 程序和机床操作工人完成产品加工数量、完成情况及机床运 行情况等各类加工生产数据的上传和下载；二是p l c 软件编制，用来完成对 机床现场的监控实现；三是触摸屏端软件开发，用以完成对现场机床控制和对 机床现场状态的显示：四是计算机管理软件的编写，完成对数控系统的n c 程 序上传和下载，针对用户的要求进行车间数控机床加工信息管理软件的丌发。 8 一 沈刚一川k 大学硕士学位论文 2 系统总体设计 2 1 总体方案 考虑到成本等原因，本课题用户选择c k s 6 11 6 数控车床时选配f a n u c0 i m a t e 系统，陔数控系统没有网卡的扩展能力，只提供标准的r s 2 3 2 通讯接口，因此，本项 目无法直接利用数控系统的网络功能。 本项目的控制系统由p l c 、触摸屏、计算机、继电器及通信线缆组成，其硬件结构 框图如图2 1 所示。p l c 直接检测l o 台机床的输入信号的变化，以监控数控机床的工 作状态( 报警、加工、非加工状态) 和数控机床的加工状态( 加工时间和加工数量) 。 触摸屏用于显示机床监控状态、通过触摸屏和p l c 输出信号变化管理员控制数控机床 的连接和锁定。现场计算机用于加工任务的分配和管理等。车间的数据库服务器用于存 储系统加工程序、加工任务等信息，技术人员、工具室管理人员以及车间工段现场的管 理人员通过车间局域网络访问数据库内的数据，保证车间内用到的加工程序、加工任务 等数据来源于一处，保证数据的正确性。 赦挣矶睬幢川r s 2 。1 z 通讯u 进行皿l h 瓣揽删摇 黥l i 粉i 霸嵩黔! ；：_ 糟僦燃娑訾稿，彭蝴。彻戟蛐刺。 ”、巾1 哥状眷 e 片戟制。 空拽机i f i ，“m h = _ = - = j 面燕i 磊磊i 赢 l 盏巍“。 国2 1 控制系统的硬件结构 9 车闸计算机 网络 1 。h 生 沈阳1 一业火学硕十学位论文 2 2 软件组成及模块划分 软件部分分为四个组成部分：数控机床端软件、监控p l c 软件、触摸屏软件及计 算机端软件，见图2 2 。 数控车床网络控制系统软件 机 床 垤 ? 状 况 监 控 界 谢 触摸屏软件 机 庶 加 1 状 态 蝙 控 界 饰 材【 床 选 择 界 面 i 作 管 理 界 面 数控车床加 r 信息管理 软件 加 t 程 序 管 理 模 块 生 产 任 务 分 配 模 块 刀 片 发 放 管 理 模 块 机 床 维 修 保 养 管 理 模 块 爨 础 数 据 继 护 模 块 权 嫩 管 理 模 块 图2 2 软什系统结构蚓 2 2 1 数控机床端软件 本课题使用的数控系统为f a n u co i ，m a t e 系统，该系统不能提供网卡的接入能 力，因此选用r s 2 3 2 接口进行加工程序的上传和下传，在数控机床端增加继电器，在 数控系统的梯形图中增加相应的状态监控程序，实现将机床状态上传给监控p l c 。h 2 2 2 监控p l c 软件 本课题选用p l c 进行多台机床运行情况控制机构，通过p l c 的输入、输出点监视 和控制机床的运行状态以及运行情况，实现监控1 0 台数控机床的工作状态( 报警、加 工、非加工状态) ；监控1 0 台数控机床的加工时间与工件加工数量；按机床保养要求 和工厂运行要求，锁定机床运行并在机床侧提供报警显示。 2 2 3 触摸屏软件 在触摸屏端将p l c 监测到的机床的运行状况显示出来，并对p l c 发出管理员对机 1 0 床的控制指令。 2 24 数控车床加工信息管理软件 应用计算机数据库系统1 门：发用户要求的数控车床加i ：信息管理应用程序，包括加if 程序管理程序、加工程序卜传和下传、刀具管胖程序、加工任务分配及统计程序、机床 维护保养管理程序。 3 监控系统的设计及实现 奉课题选用的是可编程控制器和触摸屏进行控制与显示的。- t l 智能控制系统。它可 以直接存屏幕 - 操作，采用界面方式将机床现场的运行状况及机床加工状况显示存触摸 屏一l ，从而使人机刑话环境良好，整个系统运行状态一e 】了然。肩动时只要在触摸屏上 轻轻一按，整套系统就会自动运行。运行中若要浏览一下该系统的工作状态，只要按触 摸屏_ i i 的汉字导向，就可以直接看到系统的现况及全部运行数据。 3 1 数控车床端的改进 本课题选用的数控系统只带有基本的r s 2 3 2 c 的通讯功能，通过r s 2 3 2 接 1 可以实 现加工程序的一l 传和下传，而机床的警报、加。【j 、非加工状念信息以及加工零件完成数 量信息需要增加额外的信号采集和传递装置，本课题采用在联网的机床端增加继电器 ( 见图31 ) ，将采集的信息通过继电器传递给p l c 进行后序处理的方式来实现， c k s 6 i ih 蛔网需做0 lf 增加o o 更改 组网控制l 板( c k t 箱侧叫) 。 2 4 n x 3 15 j x t 3 卓吼h 0 n x ” 鬻 2 4 n x t 3 15 7 , ) t 3 + l 。一x 【1 、x t 【# 】扳进蛤保持按钮 6 8 0 6 ( x a 5 5 ) 6 a 2 1 ( x a ；神 s b ? ， l _ i c k k , 9 00 g h l l l ) 矧3 1 组嘲机床增加继电器图 3 2p l c 的选择 p l c ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 通常被称为可编程控制器，是在传统 的顺序控制器的基甜； 引入了微电予技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形 1 2 俺：9 o j 撕一一一景u 沈i 业人、产硕。p 学位论文 成的一代新型：业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、叭计数等顺序控 制功能，建立柔性的程控系统i ：2 6 】。国际电工委员会( i e c ) 颁稍了对p l c 的舰定：呵编 程摔制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在 l , i k 环境下应用而设计。它采用司编 程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等 操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可 编霹t j i ：t g $ 1 器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功 能的原则设计。 p l c 终有通f i i i - 强、使用方便、适应而，、可靠性高、抗干扰能力强、编程简币等 特点。可以预荆：在工业控制领域中，p l c 控制技术的应用必将形成世界洲流 一般讲，p l c 分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是千日司的，剥箱体式 p t ，c ，有块c p u 板、1 t 0 板、显示面板、内存块、电源等，当然按c p u 性能分成若 丁型号，并按i o 点数又有若干规格。时模块式p l c ，有c p u 模块、1 1 0 模块、内存、 电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的p l c ，都属 ：总线式丌放型结构，其i o 能力可按用，1 1 需要进行扩展与组合。p l c 的基本结构框图见图3 2 。 接收 1 现场信号 输 _ 中央处理单元 - - - - - 入 c p u 板 接 接 口 部 口 f 件 部 i 出 件 输 。1 电源部件卜一 闺3 2p l c 的基本结构框幽 32 1 c p u 模块 c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并 柏? 贮用户程序和数掘，用扫描的方式采集山现场输入装封送来的状态或数掘，并存入规 定的寄存器中，而i n , i ，诊断电源和p l c 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误 1 3 沈阻i 业人学硕十学位论文 等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产 生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路， 与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、 控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接f 3 及有关电路。它确定了进行控制的规 模、工作速度、内存容最等。内存主要用于存储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成单 7 巴o 3 2 2 i o 模块 p l c 的对外功能，主要是通过各种i o 接口模块与外界联系的，按i 0 点数确定模 块规格及数量，i o 模块可多可少，但其最大数受c p u 所能管理的基本配置的能力，即 受最大的底板或机架槽数限制。i o 模块集成了p l c 的i 0 电路，其输入暂存器反映输 入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 3 , 2 _ 3 电源模块 电源模块的主要用途是为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。同时，还为输入电 路提供2 4 v 的工作电源。 3 2 4 底板或机架 底板或机架作用是：电气上，实现各模块间的联系，使c p u 能访问底板上的所有 模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 本课题采用日本o m r o n 公司c q m l h 系列p l c ，c q m l h 是一个紧凑的支持通 信功能和其他先进功能的可编程序控制器【2 7 l 。安装在d i n 导轨上。控制中小型机械的 组装型p l c 。c q m i h c p u 2 l 由电源单元、c p u 单元和加单元( 最多1 1 个) 组成和 导轨组成【2 8 】。 本课题，分析客户的的要求，每台组网机床所需i o ： p l c 输入： ( 1 ) 机床报警状态 ( 2 ) 工件加工计数 ( 3 ) 机床加工状态 ( 4 ) 非加工状态 - 1 4 沈h 1i 业人学硕十学位沦文 ( 5 ) 加工程序传送 ( 6 ) 加工程序接收 p l c 输出： ( 1 ) 加工程序传送； ( 2 ) 加工程序接收； ( 3 ) 通讯选择： ( 4 ) 机床锁住 3 3p l c 的用户程序的实现 p l c 程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供 运行平台，同时，还为p l c 程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用 户程序由用户按控制要求设计。 本课题p l c 程序分为四个模块：模块组成图见图3 r 3 图3 3p l c 程序模块组成图 3 3 1 机床工作管理模块 本模块完成每班工作时间的设定，出用户通过触摸屏向p l c 确定当前班次工作时 段长度，启动计时后，p l c 通过1 分钟时钟脉冲和计数器进行班次时段控制，将当前班 次盼运行时间保存在数据储存器( d m ) 区中，当设定时削到达时，在机床处于非加工 状态下，$ t l t i 信号锁定机床。图3 4 为机床工作管理程序框图。 i 5 垫坠! ：_ = 些尘堂堡兰：堂堕堡壅 设定t 作i i , 1 荆 一一一上一 汁什寸”始i j i 。 l 更新存储在d h 区一i - 的运行州问 = 否 之= ” 1锁定机床1 是# ， ：二： 甭 l通知街理