（机械工程专业论文）面向网络化制造的dnc通信及资源共享技术研究.pdf

中文摘要 网络化制造作为网络经济的一种运行模式已经渗入到企业生产经营活动的各 个环节，需要企业建立一种面向市场需求具有快速响应机制的网络化制造模式。 网络化制造下的d n c ( n e t w o r k e dd n c ) 系统成为一种实现数控信息集成和设备集 成的主要形式，为我国串行接口数控机床的联网、数控程序传输以及数控资源网 络共享提供了有效的解决方法。本文将主要研究网络化制造下的d n c 通信技术， 并构建了数控资源网络共享平台。 在分析以太网特点的基础上确定了阻太网用于d n c 通信的可行性。构建了交 换式以太网的d n c 通信结构和n e t w o r k e dd n c 系统实施体系结构模型。使用同 时具有以太网接口和i ，o 接口的b l 2 1 0 0s m a r t e a t 单片计算机作为串口服务器，实 现了数控机床的联网。 根据d n c 传输平台的功能，利用w i n d o w s 提供的网络编程接口s o c k e t ，在 v i s u a lc + + 编程环境下实现了d n c 传输平台的程序开发。通过建立数控程序传输 线路规程解决了数控程序传输的速度匹配问题。 根据串口服务器的通信功能要求，利用b l 2 1 0 0 串口服务器uc o s 1 1 实时嵌 入操作系统对抢先式多任务的支持，在d y n a m i ccp r e m i e r 软件开发环境下实现了 d n c 串口服务器的程序设计。 采用b s 三层模式的网络体系结构、a s p 技术和a d o 动态数据库访问技术， 构建了数控资源网络共享平台，实现了机床信息的数据库管理和网络发布，数控 代码的异地仿真和传输，大大提高了数控机床的利用率。 对交换式以太网的d n c 通信系统进行了实验验证，证实了交换式以太网的 d n c 通信技术是完全可行的，也是可靠的。 关键词：网络化制造、d n c 、串口服务器、传输平台、数控资源网络共享平台 a bs t r a c t n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ，a sar u n n i n gm o d eo fn e t w o r ke c o n o m y ，h a sb e e n w i d e l ya d o p t e di na l ls o i l so f l i n k so f e n t e r p r i s ep r o d u c t i o n an e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g m o d eo r i e n t e dt or a p i dr e s p o n s i v em e c h a n i s mi sn e e d e dt ob eb u i l tt om e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h em a r k e t d n c ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o lo rd i s t r i b u t e dn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) o r i e n t e dt on e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ( n e l w o r k e d _ d n c ) h a sb e c o m eam a j o r m o d eo fn u m e r i c a lc o n t r o li n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n de q u i p m e n ti n t e g r a t i o n ，w h i c h p r o v i d e sa ne f f e c t i v em e t h o df o rn c m a c h i n ec o n n e c t i o n ，n cc o d et r a n s m i t t i n ga n dn c r e s o u r c es h a r i n g t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed n cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yu n d e r n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ，a tt h es a m et i m e ，t h en cr e s o u r c es h a r i n g p l a t f o r l ni sc o n s t r u c t e d b a s e do nt h ea n a l y s e so fe t h e m e tc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep o s s i b i l i t yo fe t h e m e tu s i n gi n d n cc o m m u n i c a t i o nc a nb ea s s u r e d ，t h ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r ea n dt h e i m p l e m e n t a r ys t r u c t u r ea r ec o n s t r u c t e d ，u s i n gt h eb l 2 1 0 0s c mw i t l ls e r i a lp o r ta n d e t h e r n e ti n t e r f a c ea st h es e r i a ls e r v e r , t h en e t w o r kc o n n e c t i o n o fn cm a c h i n ei s r e a l i z e d b a s e do nt h ef u n c t i o no fd n cc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ，u s i n gt h ep r o g r a m i n t e r f a c es o c k e tp r o v i d e db yw i n d o w s ，t h ed n cc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mi sr e a l i z e d u s i n gv i s u a lc + + t h em a c h i n go f n cc o d et r a n s m i t t i n gr a t ei sr e s o l v e dv i ac o n s t r u c i n g n cc o d et r a n s m i t t i n gr e g u l a t i o n c o n s i d e r i n gt h ec o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n to fs e r i a ls e r v e r , u s i n gt h eu c o s - i i r e a l - t i m ee m b e d d i n go p e r a t i n gs y s t e ms u p p o r t i n gp r e e m p t i v em u l t i t a s k i n g ，t h ec o r ed e s i g no ft h e d n cs e r v e ri sr e a l i z e du n d e rt h ed y n a m i ccp r e m i e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n ge n v i r e m e n t u s i n gt h en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fb sm o d ew h i c hi n c l u d st h r e el a y e r s ，a s pt e c h n o l o g ya n d a d o d y n a m i cd a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g y , t h en cr e s o u r c es h a r i n gp l a t f o r mi sc r e a t e d ，d a t ab a s e m a n a g e m e n to fn cm a c h i n ea n dn e t w o r ki s s u ea r ea l s or e a l i z e d a tt h es a m et i m e ，t h eu t i l i z a t i o n r a t eo fn cm a c h i n ei s i m p r o v e de f f e c t i v e l y v i an cc o d es i m u l a t i o na n dt r a n s m i t t i n gi n l o n g - d i s t a n c e a e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e dt op r o v et h ep r a c t i c a b i l i t yo fe t h e r n e tu s i n gi nd n c t h e u s i n go f d n cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yp r o v e st ob ef e s i b l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ；d n c ；s e r i a ls e v e r ；t r a n s m i t t i n gp l a t f o r m ；s h a r i n g p l a t f o r mo f n c r e s o u r c e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名：三p 细宴 签字日期：州年j 月净日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 五谰寅 导师签名 互刚 签字日期：a 时6 年1 月，年日签字日期：加彳年1 月，尹日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络化制造的意义 网络经济时代信息产业将在世界范围内大发展，世界经济全球化的进程将大 大加速，各个国家的市场会交得狭小，企业跨国家和跨行业联合将进一步发展。 在网络经济时代，传统的组织结构相对固定、制造资源相对集中、以区域性经济 环境为主导、以面向产品为特征的制造模式已与之不相适应。网络化制造作为 种网络经济运行模式，能快速响应市场需求。对于加快我国传统产业改造、促进 网络经济与传统制造业的结合具有重要意义。 网络化制造是指基于网络( 包括因特网i n t e m e t 、企业内联网i n t r a n e t 、企业 外联网e x a a n e t ) 的制造企业的各种制造活动( 包括市场运作、产品设计与开发、 物料资源组织、生产加工过程、产品运输与销售、售后服务等) 及其涉及的制造 技术和制造系统嘲。网络化制造是制造业利用网络技术开展的产品设计、制造、销 售、采购、管理等一系列活动的总称，涉及企业生产经营活动的各个环节。企业 利用计算机网络实现制造过程及制造过程与企业中工程设计、管理信息系统等子 系统的集成，包括通过计算机网络远程操作异地的机器设备进行制造、企业利用 计算机网络搜寻产品的市场供应信息、搜寻加工任务、去发现合适的产品生产合 作伙伴、进行产品的合作开发设计和制造以及产品的销售等，即通过计算机网络 进行生产经营业务活动各个环节的合作，以实现企业问的资源共享和优化组合利 用，实现异地制造o ，。 信息革命促使制造业向全球方向发展，使现代企业呈现集团化、多元化的发 展趋势“1 。这使企业需要及时了解各地分公司的生产经营状况，同一企业不同部 门、不同地区的员工之间也需要及时共享大量企业信息，企业和用户之间以及企 业与其合作伙伴之间也存在着大量的信息交流。这就需要通过计算机网络的协调 和操作，把分布在世晃各地的制造工厂和销售点连成一个整体，以加快产品开发， 提高产品质量和企业对市场的响应能力。通过互联网、企业内部网，有关企业和 高校、研究所、研究中心等可建立使他们结合成一体的网络化制造体系，使得各 企业在生产现场能谋求智能化机械和人相互融合的同时，可有效利用一切知识性 活动，通过知识库、数据库、计算机和通信网络，柔性地把企业从定货、设计、 生产直到销售的全部活动集成起来，实现整体效率的提高”。 1 2 课题的背景及意义 网络化制造是传统制造业在网络经济中必然要采取的行动。网络化制造的应 第一章绪论 用对象可以分为设备层、企业层和企业群层三个层次。其中设备层的网络化制造 包括设备的远程控制、远程故障诊断、设备资源的异地共享和设备及生产现场的 远程监视等。数控设备是企业的重要设备资源、是尖端工业的最基本装备、是反 映企业生产能力和生产水平的一个重要指标。我国数控设备拥有和使用的情况是： 1 ) 我国已拥有相当数量的数控设备，由于数控设备种类繁多，价格较高，企业 很难拥有种类齐全能够完全满足本企业需求的数控设备。数控加工能力经常成为 企业快速反映市场机遇的瓶颈。 2 ) 我国数控设备的利用率普遍偏低，平均利用率约为4 0 。主要原因一是数控 加工信息交流不畅通，降低了机床的利用效率，造成机床可加工时间的相对浪费： 二是没有加工任务，直接导致数控设备的闲置，造成机床可加工时间的绝对浪费。 3 ) 我国的数控技术资源分布不均衡，往往是一个企业具有硬件设备，却缺乏软 件力量。即数控机床的软硬资源、高素质人员( 包括产品设计、数控编程、机床操 作等人员) 资源很难同时兼有而又达到亲密配合程度。 由于上述原因造成了数控设备需求和闲置的矛盾，一部分企业为把握市场机 遇，急于寻找合适的数控加工设备；而另一部分企业却为数控设备得不到充分利 用甚至闲置而头疼。一部分企业虽有一定数控加工设备，但软件资源缺乏或缺少 高素质的编程人员，有些高校科研所虽然有丰富的软件资源和高素质的编程人员， 但却缺乏必要的数控设备，造成资源的浪费。对于企业中存在的问题，其解决方 式是通过网络化制造，实现数控设备资源的共享，进行数控资源的配置和重组， 以网络化制造模式进行新产品的研制和加工。也就是说，企业在缺乏数控加工能 力的情况下，不是一味的增加数控设备的投入，而是从降低企业投资风险出发， 寻找合适的具有数控加工能力的盟友结成企业动态联盟。在不需要投入大量资金 的情况下，尽可能获得所需要的数控加工资源，扩大企业的数控加工能力，提高 企业快速响应市场，适应多样化加工的能力。使合作各方的资源得到充分的利用， 降低生产成本，争取在局部最优的基础上取得全局最优。 网络化制造数控机床的联网取决于数控机床的通信接口。我国车间中应用的 数控机床绝大多数只具有串行通信能力，无法直接接入互联网，只能通过数控机 床提供的r s 2 3 2 接口实现数控程序的接收和发送。这种信息传输方式也就是所说 的d n c 。d n c 是车间内部实现数控加工信息集成的一种主要方式。目前对它的研 究主要考虑本车间信息的集成和传输，研究重点主要放在车间内部。采用交换式 以太网的d n c 通信系统，通过在d n c 控制计算机上集成d n c 传输平台能够实现 车间的信息集成，通过构建数控资源网络共享平台能够实现网络动态联盟之间的 资源共享。 d n c 系统通过实现数控加工信息集成，从而大大提高了数控设备利用率，减 少了数控设备可加工时间的相对浪费；而在d n c 控制计算机上构建数控资源网络 第一章绪论 共享平台则可以实现数控设备资源共享和数控设备的重组，减少了数控设备可加 工时间的绝对浪费。本文的研究针对我国企业数控设备的现状，充分结合我国国 情，对于企业提高数控设备的利用率、快速响应市场机遇具有重要意义”1 。 1 3d n c 的研究内容及现状 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 的最早含义是直接式数字控制( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，开始研究于 2 0 世纪6 0 年代“”，当时计算机的高成本是阻碍数控机床普及的主要问题，为了降 低数控设备的成本，将若干台数控设备直接连接在一台计算机上，由中央计算机 负责数控程序的管理和传送，这就是直接数字控制 2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算机，特别是微处理机技术的发展和价格的下降， 使得c n c 硬件的成本不再是影响n c 应用的主要问题，而且c n c 的存储容量扩 大，已可以存储简单零件的程序，这时d n c 的基本功能发生了一些变化，数控程 序不是以实时的方式传输给数控设备，而是一次完成全部传输，存储在数控机床 的程序存储器中，在需要时可以启动运行。这就是所说的分布式数字控制 ( 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 ) 。 2 0 世纪8 0 年代后，d n c 技术的发展方向主要表现在d n c 与c i m s 的集成、 d n c 系统的模块化和商品化、基于现场总线和计算机局域网的d n c 产品开发以 及d n c 产品与数控系统的配套开发与生产等方面。如方水良博士提出的柔性 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。 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 的概念。另外熊 斌还提出了敏捷d n c 的运作方式等等。相比于f m s ，d n c 的投资小，见效快， 被越来越多的企业所接受。根据国外的经验，一个完整的d n c 系统可将1 3 左右 的生产时间转变为加工时间“1 ，这对于拥有多台数控机床的企业来讲，其潜在的收 益是巨大的。但是国内很多企业还没有充分认识到d n c 的重要性，仍然停留在在 线编程或依靠软盘传输阶段，当然国内一直没有商品化的d n c 产品，也制约了企 业对此的应用“日。 d n c 的研究可以分为d n c 的功能和接口、d n c 的通讯方式和拓扑结构、机 床信息采集技术和d n c 应用系统四个方面的研究。下面对这四个方面的研究进行 详细综述。 1 3 1d n c 的功能和接口 d n c 通讯功能主要有三种：下传n c 程序，上传n c 程序，系统状态采集和 第一章绪论 远程控制。只具有第一种功能称为基本d n c ，具有前两种功能称为狭义d n c ，三 种功能都具有称为广义d n c 。d n c 的接口是指数控机床提供的通讯接口，数控机 床提供的通讯接口决定了d n c 系统能够达到的功能。 1 ) 接口配置为纸带阅读机输入接口 这种d n c 结构要利用数控系统的纸带阅读机输入接口并通过设计一外接通 讯卡来实现。该通讯卡模拟纸带阅读机的功能，一方面与d n c 主机的r s 2 3 2 c 串 行通讯接口进行串行通讯，另一方面将n c 程序以并行方式通过纸带阅读机输入接 口送入数控系统“”。这种方法消除了因使用纸带阅读机而引起的可靠性等问题， 但只能下传n c 程序。这种结构又叫读带机旁路b t r ( b e h i n d t a p e r e a d e r ) 。现在已 经有很多公司提供读带机旁路产品。 2 ) 接口配置为r s 2 3 2 c 接口 2 0 世纪8 0 一9 0 年代的数控系统大多具有r s 2 3 2 c 串行通讯接口，这种d n c 结构直接把数控系统的r s 2 3 2 c 串行通讯口和d n c 主机的r s 2 3 2 c 串行通讯口相 连，从而实现n c 程序的下传和上传“+ ”1 。这种结构在不需要远程控制和状态采集 的场合应用较多。为了实现广义d n c 功能，在原有数控系统的基础上通过增加一 块具有双向通信功能和i o 控制功能的d n c 通信接口可以实现“8 。嘲。 3 ) 接口配置为d n c 接口 高档数控系统有些具有d n c 通讯接口，直接在d n c 主机和数控系统中插上 相应的d n c 接口卡并运行相应的软件，实现数控系统所带的各种d n c 功能。这 种类型的d n c 系统不仅可以实现数控程序下送上传，还可以实现系统状态采集和 远程控制嘲。 4 ) 接口配置为网络接口 少数高档数控系统具有网络接口，这种d n c 结构通过直接在d n c 主机和数 控系统中插上相应的m a p 3 0 等网络通讯接1 2 1 卡，并运行相应的软件就可实现数控 系统的局域网连接方式和数控系统所带的各种d n c 功能o ”。 1 3 2d n c 通讯技术和拓扑结构 数控机床提供的接口和d n c 网络的拓扑结构决定了d n c 通信所采用的技术， 通讯技术和网络技术的发展使d n c 的通信方法变得丰富，目前在d n c 中应用到 的通信技术主要有以下几种。 1 ) 串行通信技术 利用数控机床提供的r s 2 3 2 或r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、b t r 接口，采用点对点型或 星形拓扑结构采用串行通信技术实现通信。如图1 1 所示。 点对点型拓扑结构即一台数控机床对应于一台工控机。针对不同的数控设备 编制通讯软件，对于工件的输送、贮存、同步加工和装配等活动的集成化管理， 第一章绪论 一般还需要采用一台外部过程控制计算机与d n c 系统相连。这种结构可以同时收 集车间的其他制造数据如作业计划、工序工人操作资料等。可以实现机床数据收 集( m d c ) 和产品数据收集( p d c ) ，达到广义d n c 的功能。这种结构的缺点是 必须为每台数控设备配备一台微机，造成微机数量太多，企业投资过大。同时由 于r s 2 3 2 c 接口的限制，工控微机和数控设备的距离只能在1 5 m 内。 图1 1 点对点型拓扑结构图 为了解决点对点型拓扑结构工控微机太多的缺点，发展了星型拓扑，即一台 d n c 主机对应于多台数控机床，所有的数控机床均从同一d n c 主机下载n c 程序， 这种拓扑结构有3 种实现方式。 第一种是给d n c 主机增加串1 3 通信卡。每台机床均与单独的串口通信卡连接， 当机床距计算机较远时，可利用r s 2 3 2 增程装置实现远程传输。这种结构易于实 现，同时省掉了大量的工控微机设备投资。但它其最大缺点是可靠性差，一旦d n c 主机出现问题，整个系统都无法运行，同时所连的设备不能太多，而且这种设备 的扩展性能极差。图1 2 为使用串口扩展卡的星形拓扑结构。 图1 2 使用串口扩展卡的星形拓扑结构 第二种是给在d n c 主机上添加r s 4 8 5 通信卡。利用r s 4 8 5 串行接1 2 1 抗干扰 第一章绪论 能力强，传输距离远的特点，而且r s 4 8 5 允许多点通信，一对平衡电缆上可连接 多达3 2 个终端设备，由于数控机床多为r s 2 3 2 接口，因此必须配置r s 4 8 5 r s 2 3 2 双向转换器，双向转换器必须具有地址存储、识别功能。图1 3 为使用r s 4 8 5 的 星形拓扑结构。 图1 3 使用r s 4 8 5 的星形拓扑结构 最后一种是利用串行通信集线器( h u b ) 来实现。图1 4 为使用串口h u b 的 星形拓扑结构。 图1 4 使用串口h u b 的星形拓扑结构 2 1 局域网通信技术 局域网型通信互联是一种非集中控制的通信网，它把各站点如一个d n c 系统 通过一条公用的通信介质，如双绞线、光纤电缆或同轴电缆，连接在一起，各站 点之间的距离可较远。这是一种先进的d n c 通讯形式，但要求数控系统具有网络 接口。目前数控机床提供的网络接口主要是m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n p r o t o c 0 1 ) 通信接1 2 1 脚1 ，近几年来也出现了以太网通信接口数控机床。m a p 是美国 g m 公司发起研究和开发的用于车间环境的通用网络通信标准。m a p 协议能在制 造环境下把各种自动化设备有机集成起来，使它们协调运行，满足生产需要。m a p 第一章绪论 标准支持全部i s o 提出的丌放系统互联( o s i ) 七层参考模型。针对o s i 七层模型， m a p 对于每一层都提出了具体的协议标准，专门面向工厂自动化。但协议本身只 提供实现标准，不提供实现的范例。因此在实际开发上复杂程度高、开发费用大， 老旧机床的用此技术实现d n c 几乎不可能。因此在国内这种技术几乎没有应用。 近几年来随着开放式数控系统的发展和以太网技术的成熟以及传输速度的提 高，部分数控机床开始提供以太网接口，以太网已经成为办公自动化的主流技术， 采用以太网接1 3 的数控机床可以实现车间自动化和办公自动化的无缝连接，实现 c a d c a m 和d n c 系统的完全集成，是目前的发展方向。 3 ) 现场总线技术 现场总线( f i e l db u s ) 是于八十年代末九十年代初发展起来的在制造现场与安 装在控制室中的计算机之间的一种数字通信链路，能同时满足过程控制自动化和 制造自动化的需要。由于现场总线是基于数字通信的，因此在现场与控制室之间 能进行多变量双向通信。构建基于现场总线的d n c 网络主要是应用现场总线传输 速度高、实时性好的特点，由于数控机床并没有提供专门的现场总线接口，因此 只能应用现场总线构建网络，而在接入机床时需要有专门的转换器以连接数控机 床的串行接口，在转换器和机床间仍是采用串行通信，利用通信前端单元实现现 场总线和串口通信的转换。目前在d n c 中应用的现场总线主要有b i t b u s 、c a n b u s 、 p r o f i t b u s ” 1 3 3 机床信息采集系统 机床信息采集的研究内容主要包括采集什么信息，如何实现信息采集和传输 以及采集的信息如何分析三部分。 采集机床状态信息主要是为了得到提高机床利用率的措施和满足车问管理人 员远程条件下对机床状态了解的需求，因此需要以此为出发点来分析需要采集机 床信息的内容，综合国内外的关于机床信息采集的研究和各种商业软件，如 p r e d a t o r m d c ，采集的内容主要是机床的状态和导致状态发生改变的事件。机床的 状态主要是指机床的空闲、运行、故障和设置四种状态。 信息采集只是采集机床的实时状态，除此以外，车间管理人员还需要数控机 床利用情况的分析和报告，这就需要把采集到信息存储到数据库，形成数控设各 的使用日志，通过对其使用日志的分析，以图表结构显示数控机床的利用情况。 1 3 4d n c 应用系统 作为车间自动化的一种实现方式，d n c 应用系统一直是各国的研究重点。d n c 应用系统包括d n c 装置、d n c 接口、通信软件、管理软件以及与车间其他系统 的集成技术等。 第一章绪论 国外对d n c 应用系统的研究较早，并且形成了商品化的软件产品。这些软件 产品功能都比较强大。在通信方面可以高速、多线程运行，一台d n c 工作站可以 和多台c n c ( 最多可和2 5 6 台) 连接，能适应高速、超高速加工对数据传输的需 要。这些d n c 软件一般都自带专用的数控程序编辑器，其功能全面且强大，可以 使工人直接在自己的机床上提交一些监控信息，具有驻留在系统网络服务器上的 先进数据库管理程序，其功能主要是组织和维护数据，判断对文件的读取是否有 足够的权限，并负责更新信息，为查询和报表生成提供有效、快速的和智能化的 服务，对类似w i n d o w s 的文件管理器、断点续传、图形化显示、刀具等有用信息 进行日志管理等功能。 国内的d n c 系统的研究与国外的相比还有很大差距，主要表现在商品化的产 品较少、系统的通用性差和功能较弱等方面。国内于2 0 世纪7 0 年代开始在d n c 方面进行研究，国内已研究开发成功且使用效果较好的几种d n c 系统有：重庆大 学研制，在长安汽车有限责任公司模具车间等单位应用的基于d n c 软插件技术的 集成化生产管理系统；由北京机床研究所研制的数控工段集成管理系统；由清华 大学和北京机床研究所合作完成的国家c i m s e r c 的d n c 系统；由西安交通大学 和西安顺通电子工程公司合作完成s t - d n c i 1 、2 1 和3 1 型d n c 系统等1 。 1 4 数控资源网络共享的研究 大连理工大学的闫伟国博士对网络化制造模式下的d n c 通信技术进行了研 究，研究了网络化制造模式下的d n c 系统内涵的变化，研究了面向网络制造的 d n c 系统的通信模型和通信方式，建立了面向网络化制造的数控资源集成服务平 台。其研究的重点是车间d n c 的实现，对机床状态的网络发布和n c 代码的异地 传输，只做了理论上探讨，没有实现n c 的异地传输。 大连铁道学院对数控代码网络化编制及传输进行了研究，采用e m a i l 的方式 传输加工最有用的数控加工关键性信息( 三维实体信息及数控代码信息) 到d n c 主机，通过车间的d n c 系统把数控加工程序在线传输到数控机床。其d n c 系统 的构建是采用n p o r td e 2 1 1 串口服务器实现与数控机床的联接。开发了可以浏览 不同格式的实体浏览器。这种结构简单，网上传输速度快，可以跨越各种不同的 c a d c a m 软件平台，实现了网络环境双向通讯的计算机直控( d n c ) ，但不能进 行机床状态的网络发布，数控资源的网络发布，其它企业使用必须购买其专用浏 览器。 东北大学的王蕾博士对网络化制造的数控加工技术进行了研究o ”。其研究的 主要内容有：实现产品的特征造型，并将产品3 d 造型图形动态的发布于网上，使 联盟单位在同异构环境下经过i n t e r n e t 从不同视角均可浏览到自己所需要的产品图 第一章绪论 形；建立基于w e b 的数控加工过程仿真结构，可以异地验证n c 代码的正确性： 实现基于w e b 的产品加工走刀轨迹的发布与浏览；通过网间传送的产品图形、n c 代码、工艺参数及n c 仿真，实现零件的异地加工。 1 5 本文的研究内容 d n c 系统己经成为目前车间中连接各自动化设备、c a d c a m 以及其它车间 管理系统的一种有效工具和提高数控机床利用率的有效手段，是实现车间自动化 的较好形式。d n c 通信及资源共享的实现是通过在d n c 控制计算机上构建d n c 传输平台和数控资源网络共享平台来实现的。本文研究的主要内容如下： 1 1 采用交换式以太网d n c 通信技术解决串行通信接口机床的联网问题，利 用同时具有以太网接口和f o 接口的b l 2 1 0 0 单片机当作串口服务器，实现了数控 机床的联网。 2 ) 根据交换式以太网d n c 通信系统的特点，利用w i n d o w s 提供的网络编程 接口s o c k e t 在v c + + 编程环境下实现d n c 传输平台程序开发。解决数控程序传输 的速度匹配问题，制定数控代码传输线路规程， 3 ) 利用b l 2 1 0 0 串1 3 服务器| lc o s i i 实时嵌入操作系统对抢先式多任务的支 持，根据d i n c 串口服务器的通信要求，把串口服务器的功能分配到各个任务中去 实现，并在d y n a m i cc 编译环境下实现了串口服务器的程序设计。 4 1 构建了数控资源网络共享平台，实现数控资源的网络发布和共享。通过基 于w e b 技术的、三层b s 访问模式的系统网络体系结构，使用a s p 技术创建动态、 交互的w e b 页面，应用a d o 实现对后台数据库的访问。 5 ) 对交换式以太网d n c 通信系统进行了实验验证，实验分为模拟实验和现 场实验，验证d n c 通信的稳定性、正确性和及时性。 第- 二章交换式以太网d n c 通信系统结构 第二章交换式以太网d n c 通信系统结构 2 1 以太网技术简介 1 、以太网概述 1 9 8 4 年美国电子和电气工程师协会( i e e e ) 成立了六个委员会来制定局域网 的标准，这些委员会总称为i e e e 8 0 2 局域网标准委员会。i e e e 制定了几种局域网 标准，包括载波监听多路访问，碰撞检测( c s m a c d ) ( 1 e e e 8 0 2 3 ) 、令牌总线( i e e e 8 0 2 4 ) 、令牌环( i e e e8 0 2 5 ) ，这些标准总称为8 0 2 标准。 l e e e 8 0 2 3 即通常所说的以太网( e t h e m e t ) 就是一种基带总线局域网。 i e e e 8 0 2 3 标准包括物理层和m a c ( 媒体访问控制) 子层协议，它描述了运行在 各种介质上的从l m b p s 到1 0 m b p s 的1 持续c s m a c d 系统的整个家族。 按照国际标准化组织开放系统互连参考模型的7 层结构，以太网标准只定义 了链路层和物理层，作为一个完整的通信系统，它需要高层协议的支持。a p a r _ n e t 在制定了t c p i p 高层通信协议并把以太网作为其数据链路和物理层的协议之后， 以太网和t c p i p 便紧密地捆绑在一起了。以后，由于国际互连网采用了以太网和 t c p i p 协议，人们甚至把如超文本连接h t t p 等与t c p i p 协议组放在一起，俗称 为以太网技术。 2 、以太网的介质访问控制方法 以太网是一种分散控制的共享通路结构网络，即在一条传输线路上，一段时 间内只能传输一个数据，其媒体取得方法以c s m a c d 即称为“载波侦听多重访 问冲突检测”的分布控制方式进行通信管理。网络用一根同轴电缆将许多网站连 接起来，各站可通过这条同轴电缆线向网内的其他站点发送信件。由于这条通信 线是各站共享的，因此要求各站在发出信件( 报文包) 前，必须通过“竞争”获得通 信线。为了获得通信线发送信件，发信站使用c s a m c d 监测通信线是否被占用( 即 处于“忙碌”状态) 。如果是，它就延缓报文包的发送，直到以太网恢复到“空闲” 状态。一旦检测到“空闲”，发信站就开始发送。在发送期间，发送站必须监听其 它站点是否也在发送，以免造成冲突，检测到冲突后，立即停止发送，然后，发 送站将等待一个随机时间，重新进行如上发送工作。由于各站点若监测到网络忙， 就不会发信件，因此可能在开始发送后的很短的一段时间内会发生冲突。这个时 间间隔称为“冲突时问间隔”，它是站与站之间传播延迟时间的整数倍。如果发送 站在冲突时间间隔内没有检测到冲突，它就能获得通信线。直到将一个报文连续 发送完毕m 1 。 l o 第 二章交换式以太网d n c 通信系统结构 3 、交换以太网技术 传统的以太网是共享式以太网，通过提供一固定数量的带宽，并由一个网络 段中的所有设备共享该带宽。多个站点不能同时发送和接收数据，并当同一段中 的另一个站点正发送或者接收数据时，它们也不能传输数据。有这种限制的设备 包括集线器和中继器。与之对应，一个交换机能将一个网络段隔离成许多小的网 络段，这些小的网络段彼此独立且只支持它自己的通信业务。交换以太网是一种 更新的以太网模型。由于节点通过交换机分配到相互隔离的逻辑网络段中，因此 多个节点可同时发送和接收数据并能独立地利用更多的带宽。交换式以太网能增 加一个网络段的有效带宽，使用交换机是增加带宽的一种廉价方案，现在交换机 的价格和集线器的价格已相差很小啪1 。 4 、t c p i p 技术简介 t c p i p 参考模型：t c p i p 协议是一个完整的协议簇，t c p ( 传输控制协议) 和i p ( 网际协议) 是其中两个主要层次协议。整个t c p i p 协议簇可分为四层，如 图2 1 所示。 应用层 传输层 互联网络 网络接口 图2 1t c p i p 参考模型 它定义了如何通过互联网( i n t e r n e t ) 进行传输。这个协议实际上已经应用了 2 0 多个年头，在世界范围内证明了它的有效性。己成为计算机工业中开放系统互 连事实上的标准。 t c p i p 协议中的传输层用两个协议来表示：t c p 和u d p ，传输控制协议 ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 提供可靠的传输服务。因此，大部分互联 网应用都建立在t c p 的基础之上。从应用程序的角度来看，t c p 提供的服务有七 个主要特征： 面向连接( c o n n e c t i o n o r i e n t a t i o n ) 。t c p 提供的是面向连接的服务，一个应 用程序必须首先请求一个到目的地的连接，然后使用这一连接来传输数据。 点对点通信( p o i n t t o p o i n tc o m m u n i c a t i o n ) 。每一t c p 连接有两个端点。 完全可靠性( c o m p l e t er e l i a b i l i t y ) 。t c p 确保通过一个连接发送的数据按发 送时一样正确地送到，且不会发生数据丢失或乱序。 第二章交换式以太网d n c 通信系统结构 全双工通信( f u l ld u p l e xc o m m u n i c a t i o n ) 。一个t c p 连接允许数据在任何 一个方向流动，并允许任何一个应用程序在任何时刻发送数据。t c p 能够在两个 方向上缓冲输入和输出的数据，这就使得一个应用程序在发送数据后，可以在数 据传输的时候继续自己的计算工作。 流接口( s t r e a mi n t e r f a c e ) 。t c p 提供了一个流接口，利用它可以发送一个 连续的字节流穿过连接。也就是说，t c p 并不提供记录式的表示法，也不确保数 据传递到接收端应用时会与发送端应用有同样尺寸的段。 可靠的连接建立( r e l i a b l ec o n n e c t i o ns t a r t u p ) 。t c p 要求当两个应用程序 创建一个连接时，两端必须遵从新的连接。前一次连接所用的重复的包是非法的， 也不会影响新的连接。 友好的连接终止( g r a c e f u lc o n n e c t i o ns h u t d o w n ) 。一个应用程序能打开一 个连接，发送任意数量的数据，然后请求终止连接。t c p 确保在关闭连接之前传 递的所有数据的可靠性。 因此可以概括如下：t c p 提供一个完全可靠的( 没有数据重复或丢失) 、面向 连接的、全双工的流传输服务，允许两个应用程序建立一个连接，并在任何一个 方向上发送数据，然后终止连接。每一t c p 连接可靠地建立，友好地终止，在终 止发生之前的所有数据都会被可靠地传递。 2 2 以太网技术用于d n c 通信的可行陛 判断以太网是否可以应用于d n c 通信需要从d n c 的功能定义和应用要求来 判断，根据前面对面向网络化制造的d n c 系统的定义，可以看出，d n c 系统的 功能从整体上可以分为两类，一是制造数据传输，二是信息采集，下面分别分析 这两种应用对通信系统的要求。 制造数据传输要求通信系统必须要稳定、正确和及时。这里的制造数据传输 指的是包括数控程序、刀具数据和作业计划的制造数据由计算机传输给数控机床， 或者是由数控机床传输给计算机。稳定是指在通信系统工业环境下具有高的可靠 性，不能因为生产现场电子噪声和工业设备运行的影响而发生故障。正确是指系 统必须正确的传递数据，传输过程中不能存在被改变而并未纠正的数据。及时是 指必须将数据在合理的时问内传递到目的地，迟到的数据是无效的。在数控机床 向计算机传输数据或者是采用分布式数字控制时，对于及时的要求可以通过采用 流控协议完成，但当采用直接数字控制，也就是边传输数控程序边加工工件时， 信息传递的及时将尤为重要，在机床运转时，必须保证持续的数控程序供给，任 何微小的延时都将导致因数控机床不能持续得到数控程序而停机，这将可能导致 加工工件表面损坏或刀具损伤。 第二章交换式以太网d n c 通信系统结构 信息采集对于通信系统同样要求稳定和正确，但对及时的要求并不严格。信 息采集不同于远程控制，需要把远程命令及时的传递给数控机床，信息采集的目 的只是了解数控机床的当前状态和记录机床的运转历史，它是由机床向计算机发 送信息，因此一定延时并不影响信息的采集，同样也不影响车间管理人员对机床 状态的了解。 以太网采用的是非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力强，与4 2 0 m a 模拟传输线 路相当，完全可以适合生产现场恶劣条件的要求，能