（机械设计及理论专业论文）基于中小型数控车间的集成技术与管理研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 d n c 是将计算机与多台数控机床相连的一种制造自动化技术。随着计算机技 术、通讯技术和数控技术的发展以及制造自动化的需要，d n c 技术得到越来越广泛 的应用。目前，以c i m s 为代表的企业信息化理念已经受到越来越多的重视，d n c 也逐渐由单一的程序传输演变为集数据管理、生产信息监控等功能的扩展d n c ，成 为c i m s 集成的关键一环。狭义的d n c 可看作工厂自动化系统的一个层次，独立应 用，而广义的d n c 则具备加工信息的集成、制造数据在网络进行共享，甚至具备 网络实时监控等功能。相对f m s 来说，d n c 是具有投资小、见效快、柔性好、可大 量介入人机交互并具有较好柔性的多个数控加工设备的集成控制系统。 本课题主要针对国内中小型企业的数控加工中心，以串口传输的数控机床为 研究对象，以d n c 控制和管理系统研究为中心，围绕数控车间集成的关键技术问 题进行研究。 首先，本文介绍了国内外数控技术的发展概况，对d n c 系统功能进行了全面 分析，对数控机床联网方案进行总结。针对点对点结构式d n c 通信系统存在着功 能单一、操作复杂和移植性差的缺点，提出串行通用d n c 概念，建立串行通用d n c 系统的功能模型。针对中小企业的特点，提出了多串口组网方案。 其次，给出了d n c 系统的几个主要功能模块，如n c 程序传输、车间信息管理、 程序文件管理、设备信息管理、刀具信息管理、信息操作管理、系统权限管理等 模块。文中利用w i n d o w s 多线程技术，实现了对多串口的实时多任务处理。阐述 了动态链接库技术方便地集成异构数控系统，使系统具有良好的可扩展性。 最后，本文对d n c 系统未来的发展方向提出了新的见解。 关键词：数控机床，d n c 系统，串行通信，集成技术 湖北工业大学硕士学位论文 a b s tr a c t d n ci so n eo ft h ea u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sp e r f o r m e db y o n ec o m p u t e rl i n k e db ys o m ec n c e q u i p m e n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o na n dn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cm a n u f a c t u r i n gn e e d , d n ct e c h n o l o g yo b t a i n sm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n a tp r e s e n t , t a k i n g c i m sa sr e p r e n s e n t a t i v e se n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ni d e aa l r e a d yr e c e i v e dm o r ea n dm o r e v a l u e s d n ca l s og r a d u a l l ye v o l v e si n t oe x p a n s i o nd n cb yt h es o l ep r o c e d u r e t r a n s m i s s i o n , i tm e r g e st h ed a t am a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n ds o o ni n t oo n eo r g a n i cw h o l e 。a n db e c o m e sak e yl i n ko ft h ec i m si n t e g r a t i o n n a r r o w s e n s ed n cw h i c hi sr e g a r d e da sa na u t o m a t i o ns y s t e mc a nb ea p p l i e di n d e p e n d e n t l ya s al a y e r b u tg e n e r a l i z e dd n ch a st h ep r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o na n d m a n u f a c t u r ed a t as h a r e di nn e t w o r k , e v e nh a st h ef u n c t i o no fn e t w o r kr e a l t i m e m o n i t o r i n g a sc o m p a r e dw i t hf m s ，d n ch a st h em e r i to fl o w e ri n v e s t m e n t , q u i c k e f f e c t i o na n dg o o df l e x i t y i ti sai n t e r g r a t e dc o n t r o ls y s t e mo fs o m ec n ce q u i p m e n t s , w h i c hc a nh a v eag r e a td e a lo fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h i st o p i cm a i n l ya i m sa tt h en cp r o c e s s i n gc e n t e ri nd o m e s t i cs m a l la n d m e d i u m - s i z e de n t e r p r i s e ，i tt a k e ss e r i a li n t e r f a c et r a n s m i s s i o nc n ca sr e s e a r c ho b j e c t , t a k e sd n cc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma st h ec e n t e r , r e v o l v e st h en c w o r k s h o pi n t e g r a t i o n t e c h n o l o g yo nt h er e s e a r c h f i r s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts u r v e yo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y i th a sc a r r i e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st ot h ed n c s y s t e mf u n c t i o na n dt h es u m m a r yt oc n cn e t w o r k i n gp l a n b e h 7 a u s ep o i n t t o - p o i n t c o m m u n i c a t i o n sm o d em a k e sd n cs y s t e ms i m p l ef u n c t i o n , c o m p l i c a t e dm a n i p u l a t e a n dl e s so fp o r t a b i l i t y , ip u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fs e r i a lg e n e r a ld n cc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，a n d t oe s t a b l i s ht h ef u n c t i o nm o d e lf o rt h es e r i a lg e n e r a ld n c s y s t e m i nv i e w o fm i d - a n ds m a l l - s c a l ee n t e r p r i s ec h a r a c t e r i s t i c 1p r o p o s et h em u l t i - s e r i a li n t e r f a c e n e t w o r k i n gp l a n n e x t ，s o f t w a r eh a sr e a l i z e dt h ed n cs y s t e ms e v e r a lm a i nf u n c t i o nm o d u l e s ，s u c h a sn cp r o c e d u r et r a n s m i s s i o n ，w o r k s h o pi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t , p r o c e d u r e d o c u m e n ta s s i g n m e n t , d e v i c e si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，t o o l si n f o r m a t i o n ，o p e r a t i o n i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，s y s t e mj u r i s d i c t i o nm a n a g e m e n ta tw o r k s h o pa n ds oo n 耽e w i n d o w sm u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nt h ep a p e r , a n dh a sr e a l i z e dt ot h e s e r i a li n t e r f a c er e a l t i m em u l t i t a s k i n g 1 n h ep a p e re l a b o r a t e st h ed y n a m i cl i n kl i b r a r y t e c h n o l o g y , w h i c hc a nc o n v e n i e n t l yi n t e g r a t et h ei s o m e r o u sn cs y s t e m ，a n de n a b l ei tt o h a v eag o o de x t e n s i o n f i n a l l y , t h ep a p e rp r o p o s e sn e wo p i n i o nt ot h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fd n c s y s t e m k e y w o r d s ：c n c ，d n cs y s t e m ，s e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n ，i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y 佩嘉主工孽失港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：洹壑3 日期：钿刁年月j 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，即：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和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业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。 学位论文作者签名：f 己乜告 日期：年月 日 指导教师签名：昊宝武另 e t 期：年月 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 近年来，随着世界制造业的快速发展，市场发生着巨大的变化。产品换代速 度方面的要求冲击着制造业的发展，面对优胜劣汰的市场规则和e l 益全球化的竞 争，相对国外一些大型制造公司来说，我国制造企业在现代化程度上还差的很远。 高新技术的制造资源的高投入是每一个制造企业必须面对的问题，我国在制造资 源的利用上，资源利用效率往往都较低。影响资源利用效率的因素很多，如企业 的市场需求发生变化时导致制造资源利用率的降低，企业产品的更新换代导致需 要更换相应的制造资源，而原来尚可继续利用的资源就处于封存状态等等。此外， 科研院校的设备在项目完成后都在闲置，而别的科研院校如果需要这种设备时， 就会重复购买，这样造成了科研成本的提高、资源利用率的下降。要提高生产效 率，增强企业的竞争力，就得有效利用数控设备，使其充分发挥效率“咖。如何提 高资源利用率，让异地资源能准确即时共享呢? 随着计算机技术、通讯技术的不 断发展，加快了制造业的快速发展，d n c 技术得到越来越广泛的应用。目前，c i m s 企业信息化理念逐步走进制造业的大舞台，d n c 也逐渐由单一的程序传输演变为集 数据管理、生产信息监控等扩展功能的d n c ，成为c i m s 集成的重要的一部分。 网络化制造是网络经济时代制造发展的方向，是一种最大限度地满足消费者 的个性化多样性需求的、新型的制造模式，是制造企业摆脱困境，赢得市场，掌 握竞争主动权的关键m 。 i 2 网络化制造的发展和应用 网络化制造，是将计算机技术、网络技术与制造技术相融合，以数字化信息 为基础，实现产品全生命周期的制造。网络化制造能将不同企业间的资源进行有 机整合，充分利用，这种资源包括设备、制造技术以及有制造技术和管理才能的 人才等“。表现形式为企业之间的联盟，实现企业资源利用最大化，利润最大化。 随着通讯技术和网络技术的发展，网络化制造成为可能。网络化制造为企业的生 存和发展提供了广阔的空问，同时，也使企业问的竞争变得越来越激烈，甚至是 全球制造企业间的竞争。企业i 日】的激烈竞争，使加工设备朝高精度、高效率和高 自动化水平方向发展，同时带来制造业的标准化和数字化，以及信息交换的网络 湖北工业大学硕士学位论文 化、信息处理的智能化等等。数控机床是制造系统的最底层加工的基础设备，使 用网络技术对其进行操作、监控等，对于网络化制造的具体实施有着重要意义。 没有数控设备的网络化就不可能实现真正的网络化制造。网络数控可以概况为以 数控技术、通讯技术、计算机技术、控制技术等先进技术为基础，通过网络将制 造单元和控制部件相连，或将制造过程所需资源共享，从而实现制造车间和设备 的集中控制管理，以及制造设备与上层计算机之间的通信，通过互联网进行联盟 企业间的信息交换。开放式数控系统可以在统一平台上进行开发，而且能将用户 所需的特殊功能进行集成，能够形成系列的数控系统n l m 。 网络化数控包括两个方面：内部网络数控和外部网络数控叫。 ( 1 ) 内部网络数控内部网络数控是指数控系统内c n c 单元与伺服驱动及i o 逻辑控制等单元与现场总线网络连接。对于数控系统硬件，开放性主要是指其计 算机、网络、伺服系统及i o 逻辑控制等单元，应该具有统一的互联标准，以实 现互换性。 ， ( 2 ) 外部网络数控外部网络数控是指数控系统和外部上位计算机网络连接。 通过网络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，还可以提高机床利用效率。通过因特网与外界连接， 可为每一个客户设立一个窗口，快速反映客户的要求。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 。远程操作可以在个人电脑前轻松地 操纵远在车间的机床设备，诸如编辑修改零件程序和p l c 程序、监控机床当前状 态、进行文件传输远程诊断等。不仅用于故障发生后对数控系统进行诊断，而且 还可用作维护的定期预防性诊断“”。 1 3d n c 技术 1 3 1d n c 的概念和特点 d n c 最早是指分布式数控系统( 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 ) ，其含义 是用一台计算机同时控制数台数控机床“”。后来随着科学技术的进步，数控系统 由n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 发展为c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 计算 机数控系统) ，每一台数控机床由一台计算机来控制，所以过去的d n c 概念已失去 意义。 现在的c n c 系统功能已经有了很大的扩展，一般都支持r s 一2 3 2 接口，即通过 r s 一2 3 2 接口与上位机进行通信，比如程序的传输，目前已有很多c n c 系统可实现 一边接收数控程序一边进行切女0 加工，这就是所谓的d n c ( d i r e c tn u m e r i c a l 湖北工业大学硕士学位论文 c o n t r 0 1 ) ，但并非所有的c n c 系统都支持这一功能，有一些系统只是先将接收的 加工程序存储在系统内存( m e m o r y ) 里，而不能同时进行切削加工，这种传输形式 一般叫块( b l o c k ) 传输。 随着电子技术的飞速发展，过去一些只能在大型机或工作站上运行的c a d c a m 软件，现在也可在很便宜的微机上应用，这使得c a d c a m 系统逐步得到普及。这 些c a d c a m 系统一般可进行3 d 形式的曲面造型及生成相应的n c 代码，这些3 d 形 式的n c 代码都很长，一般能达到几百k 字节及几m 字节不等，大部分c n c 系统的 内存都很难容下这么大的加工代码，这时用d n c 系统边传输边加工最为经济，因为 对大部分c n c 系统来说，扩展系统内存都非常昂贵，而目前p c 机及对其内存的扩 展都非常便宜。所以说用r s 2 3 2 串行通信口对车间中的c n c 机床进行联网是目前 用好的一个重要手段。 1 3 2 国内外d n o 发展状况 常见的两款世界级d n c 软件，美国x p e r t d n c 公司的x p e r t d n c 通讯软件，欧 洲c i m c 0 公司的d n c - m a x 软件。优点，功能强大，成熟，均为国外顶级的d n c 通 讯软件；缺点，价格都比较高“”。 此外，随着国内d n c 技术的发展，一些有实力的公司纷纷开发出自己的d n c 通讯软件，如北京机床研究所的j c s d n c ，东升软件的d s d n c 等。因为这些公司原 本就是从事数控机床的相关工作的，所以他们开发出的d n c 系统都比较专业，有 的甚至可以与国外的相媲美，而且价格都比较低，是中小型企业数控机床联网项 目的好选择。 1 3 3 存在的问题和发展趋势 1 3 3 1 数控程序传输的现状及问题 1 ) 车间现有的数控系统繁杂，各系统之间所用的通讯参数也不一样，造成相 互之间互不兼容的现状，给技术人员、操作人员的编程和应用带来很多不便，大 大限制了零件的转移加工。 2 ) 通讯程序为一对一的通讯程序，不具有程序自动反应和监测功能，在进行 机床与计算机的通信时，必须2 个操作者同时工作，1 个在机床自u 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，所以十分 不便。现实操作中大部分工厂采取的方式是数控机床边上放一台电脑，或多台数 控设备共用一台电脑的形式，传输软件大多为机床厂家随机带的软件，d o s 版居多。 程序的传输采用交互的形式进行，i j 机床设为等待状态后，电脑端再传输。 1 湖北工业大学硕士学位论文 3 ) 不能实现远程传输，技术人员工作环境差。车间中噪音、灰尘、油气等， 环境较差，应尽可能减少技术人员为传输程序而在机房、机床之间奔波，安心在 机房把程序编好，由操作人员在机床边远程调用，技术人员在调试程序时再与操 作人员一起调试程序，程序调通之后在机床边由远程传输功能，自动传输到对应 的目录下或数据库内。 4 ) 各种登陆、机床端口信息无记录，不能方便地查看。 5 ) 没有程序传输成功或失败的信息反馈。 6 ) 不能实现从程序的任意位置传输，比如换刀处等。 7 ) 一些机床的高级功能未能发挥出来，如f t p ，n f s 等。 8 ) 部分老的数控系统，内存空间有限，程序一多，机床的内存空间就不够了， 大量的加工程序不得不进行反复的删除和键入，频繁重复准备工作浪费了大量的 工作时间，直接影响到数控机床的利用效率，加工程序反复编制也影响了程序的 稳定性。 9 ) 一个单位的数控机床可能使用了多种不同的数控系统，按照传统的联网方 式，一般是给每台机床配备一台p c 机。针对不同的数控系统使用不同的通信程序， 弊端是显而易见的。而且车间放很多电脑，工业环境恶劣，电脑寿命大大缩短， 而且凌乱、不利于管理。而数控设备正超向集成化、智能化、网络化方向发展， 越来越具有p c 机等高级计算机的特点，当前的数控设备大多处于一种单机操作的 形式，需要象p c 机一样，进行网络化改造，实现资源的共享。 1 3 3 2 数控程序的管理现状 1 ) 目前，大部分技术人员采取的方式是每个人在计算机上建立不同的目录， 随着人员的增加，程序量的增加，存在程序版本混乱、查找困难等问题，如果有 人员调动，其程序能否安全地调用的确是个疑问，再者，程序的安全问题，自己 已调好的程序有可能误操作，乃至别人无意更改了你的程序，这些都是经常发生 的问题。但是，在数控加工的小问题，很容易产生批次问题，性质就严重了。 2 ) 另外，程序在调用之前能否查看一下刀路轨迹、两个版本能否智能地比较 一下，有没有更改的字符，有没有错漏行? 能否实现简单的地址数学运算? 一般 d n c 系统都没有此功能。 3 ) 程序结构问题，数控程序要和对应的零件模型关联，还要有相应的刀具清 单、刀具参数、工艺卡片等文档，随着数码相机的普及，最好把关键工序的加工 状态、装央状态、特殊刀具形状记录下来，并与程序一起存放，下一次调用就很 形象、很直观。 4 湖北工业大学硕士学位论文 4 ) 最后一个是程序状态问题，有的是刚刚编写的，有的是在调试的，有的是 定型的，如何区分不同性质的程序，对不同的人设置不同的权限，也是非常重要 的。 1 4 本课题研究的主要内容 目前国内的数控系统很多都是通过串口与计算机实现通讯，主要是实现n c 程 序的上传下传，带有网络d n c 接口的数控系统都是极少数的。中小型企业很多都 采用一台床子配备一台计算机，车间集成管理性差。大型企业一般都采用车间局 域网管理。因此，研究中小型企业车间集成技术与管理是个较为现实和重要的课 题，对提高生产效率、车间机床利用率、以及异地数控资源整合都具有现实的意 义。 本课题以串口传输的数控机床为研究对象，以d n c 控制和管理系统研究为中 心，围绕基于网络技术的中小型数控车间集成技术与管理若干关键技术问题，进 行了如下的研究工作： 1 ) 通过对国内外数控集成技术、网络技术、接口技术及数据采集等技术的分 析和研究，明晰网络化制造模式下的d n c 系统内涵的变化，全面阐晰网络化制造 模式下的d n c 系统功能，优化中小型企业车间数控系统局域网组网方式。 2 ) 我国数控系统研发水平和发达国家比较，还有很大的差距，导致我国机械 制造车间普遍存在多种数控系统并存，这些数控系统的d n c 接口不完全一样。本 课题研究了异构数控系统的集成方法，从软件工程的角度出发，分析和研究面向 异构通信协议的通用d n c 控制管理系统的可能性，在软件上实现要求系统的开放 性和扩展性。 3 ) 软件的开发。控制功能上实现d n c 主机与数控设备间的程序传输，通过串 口扩展卡，开发d n c 主机与数控系统异步串行通信，实现d n c 主机和数控设备之 间的程序传输。管理功能包括以下几个模块： 实现对车间信息的管理。车间信息包括车间员工信息、车间任务总分配、 设备信息等等。由于车间不同机床都有各自的任务，需要对车间内的机床信息建 立数据库，并对各机床月作业计划建立数据库，同时将日完成工作结果提交和保 存。 程序文件管理。车问罩加工零件的种类在不断增多，加工产品数量也在不 断增多，利用文件央管理器，我们可以浏览零件的c a d 图纸、装夹示意图、工艺 卡片、多媒体文件等，将整个加工任务信息进行很好的管理。 湖北工业大学硕士学位论文 设备信息管理。可以将数控机床的各种信息建库，包括加工设备登记、闲 置设备登记、加工设备信息查询、闲置设备信息查询等。 刀具库管理模块实现。数控机床加工靠刀具来完成，不同数控机床的刀具 库都不尽相同，而且在加工过程中刀具的磨损都比较厉害，为保证机床使用效率 提高，可以将机床刀具建立库来管理。 信息操作管理模块。信息操作模块包括程序增加、删除、添置加工设备信 息、完成任务设备信息等操作信息。 系统权限管理模块。系统管理模块包括修改用户密码、修改权限设置、修 改用户、数据备份等。 6 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章广义d n c 系统功能分析与联网建模方案 2 1 广义d n c 功能概述 网络化制造是一种全新的制造模式，它的基本特征是数字化、柔性化和敏捷 化。通过网络数控，可以有效利用企业局域网、广域网、互联网进行信息共享， 实现企业的经营管理和生产操作的无缝结合嘲。随着传感技术的快速发展，人们 可以在工控机上进行在线监测和故障诊断“。基于网络化的d n c 系统应该具有集 成、分布和广义的特征，必须高度信息化，这是网络化制造的根本要求，也是面 向网络化制造的d n c 系统的内在特性。基于网络化的广义d n c 系统应具有如下功 能“喇： 1 ) 具备数控加工信息集成功能 网络化模式下的d n c 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 化模式下的d n c 系统中应包括需要交流的全部信息。具体包括： 对车间内的不同型号机床进行数控程序( 文件) 的传输，包括程序的整体 传输，分割传输和单行传输。 对传输的文件数据能进行编辑和修改，针对不同数控系统可设定不同协议 传输。 能够显示传输或接收通道的状态。 能提供强大的数控程序编辑功能及程序数据库管理功能。 对n c 文件的管理和接收的技术文件、任务书通知等文件的管理。 支持c n c 机床的在线加工，并可实现多机床的同时在线加工，支持在线加 工时的断点续传功能，支持d n c 在线加工时子程序的在线调用； 实现数控数据传输的网络化，并可与企业盟友管理网络系统连接形成企业 整体网络系统。 对机床运行状态进行实时采集，具备远程控制和故障诊断功能，完善的错 误信息报告。 等等。 2 ) 具备基于网络的制造数掘共享功能 网络化模式下的d n c 系统能够不仅能实现企q k 计算机控制中心与车问数控机 湖北工业大学硕士学位论文 床之间的通信，而且能实现联盟企业问的信息共享。该系统主要有两方面的功能： 一是数控设备能够获取上层共享的加工程序代码信息；二是联盟企业计算管理中 心可以通过网络，较方便的获取各地数控机床的状态信息，可以很方便利用各地 数控机床资源，也可以对数控机床远程控制等。因而，这种d n c 系统实现了车间 数控机床的加工、管理、信息在网络上的延伸。网络化模式下的d n c 系统强调加 工信息的共享，就需要用i n t e r n e te x p l o r e r ，n e t s c a p e 等浏览器来实现。数控 机床的串口是无法直接联网的，因此需要为数控机床提供代理服务器，代理服务器 接收来自网络的信息并转发给数控机床。 3 ) 具备网络的实时监控功能 网络化模式下的d n c 系统能够将数控机床的状态信息，机床的运行历史在网 上实时发布，也能把各种传感器采集到的数控机床生产状态信息实时发布出去。 归结为两点：一要采集机床状态信息，如机床运行状态等，二要把这些采集的信 息在网络上进行发布，同时对机床全部生产状态进行记载，可以以文件方式实时 发布。 4 ) 具备跨平台的操作功能 网络化模式下的d n c 系统能在不同的计算机系统下运行，由于各企业的计算 机软、硬件可能都不一样，存在着差异，所以，网络化模式下的d n c 系统必须是 开放式的，能够在不同的计算机操作系统下运行，支持跨平台操作，可以为不同 地理位置企业同时操作，支持信息共享等4 1 。 2 2d n c 接口 d n c 系统的功能的实现，有一个重要的条件，就是数控系统的通信接口，这里 称为d n c 接口，由于不同系统，甚至同一系统不同型号的数控机床的d n c 接口不 同，这就决定了数控系统的通信功能也不一定完全相同。所以，研究d n c 系统功 能，就必须先研究d n c 接口。 2 2 1d n c 接口概述 d n c 集成系统属于自动化制造系统的一种模式，是实现c a d c a i 和计算机辅助 生产管理系统( c a p m s ) 集成的纽带，它强调信息的集成与信息流的自动化，物料流 的控制与执行可大量介入人机交互。相对f m s 来说d n c 投资小、见效快，是具有 较好柔性的多个数控加工设备的集成控制系统。d n c 接口是d n c 集成系统的一个组 成部分，它是将数控设备与工业网络相连的中问环节，主要负责d n c 计算机与数 8 湖北工业大学硕士学位论文 控设备及工业网络之间的通信。 数控机床上网是现代制造系统发展的必然要求，通过d n c 接口来实现数控机 床上网是比较方便的途径之一。基于国内现状，要满足现代制造系统的需要在开 发d n c 接口时必须考虑如下两个问题：第一，国内带网络o n c 接口的数控机床毕 竟还是少数，大部分是带串行接口的数控机床和两种接口都没有的经济型数控机 床，因此，所开发的d n c 接口要能适应国内现有的大量经济型数控机床；第二， 世界各国数控系统制造商生产的数控系统在通信接口、通信协议等方面必然存在 一定的差异，如f a n u cf s l 5 采用r s 一4 2 2 a 接口和3 9 6 4 r 通信协议，a b8 6 0 0 采用 r s 一2 3 2 接口和r s 一4 9 1i i i 通信协议，开发能适应众多数控系统( 即异构数控系统 通信) 的d n c 接口则是要考虑的第二个问题汹1 。 2 2 2 典型数控机床通信接口 国内现有数控机床的通信系统，其通信方式基本可以划分成四种，即读纸带 的数控系统、无串行通讯接口的数控系统、有串行通讯接口的数控系统和有d n c 通讯接口的数控系统。数控机床提供的通讯接口决定了数控系统通信功能。 1 ) 纸带阅读机输入接口 纸带阅读机输入接口通过外接通讯卡来实现。这种通讯卡可以模拟纸带阅读 机的功能，能同时与具有串口的数控系统和p c 机通信，其接口是串口配置。这种 方式是将n c 程序并行送入到数控系统，提高纸带阅读机而引起的可靠性，这种方 式的缺点就是只能将n c 程序下传给数控系统。 2 ) r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 接口 目前国内所使用的数控系统，大多是带有r s 2 3 2 串行通讯接口，d n c 主机的 r s 2 3 2 通过串口线直接和数控系统的r s 2 3 2 接口相接，从而可以将n c 程序下传到 数控系统中，也能将数控系统里的程序读出。这种结构一般不能进行远程控制和 状态采集，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 通信接口可以实现广义d n c 功能。 3 ) d n c 通信接口 国内部分数控机床具有d n c 通信接口，这种接口能直接和以太网连接，目前在 国内比较高级，但在国外就比较普遍了。d n c 主机和数控系统问插上相应的接口卡， 安装相应的软件后就可以实现d n c 系统的功能。具有这类功能的数控系统，不仅 可以实现数控程序下送上传，而起能实现系统状态采集和远程控制。 4 ) 接口配置为网络接口 国内极少数的高档数控系统具有网络接口，在d n c 主机和数控系统中插七 9 湖北工业大学硕士学位论文 m a p 3 0 等网络通讯接口卡，在d n c 主机上安装好相应程序，就能完成数控系统局 域网的连接实现程序传输，数控系统状态采集和远程控制等功能。 2 3d n c 通信结构构建几种整体联网方案 由于各数控车间( 或工厂) 的规模不等、工作习惯不同，因而各单位的联网 方案也不尽相同，可能是典型的某一种连接形式，也可能是几种形式的结合，但 其原理是相通的，下面就把最常见的几种联网方案介绍一下。 构建网络化制造模式下d n c 系统主要是根据不同数控机床所提供的各种通信 接口分别实施。目前国内的数控机床大多带有串口通信接口，还有少数机床带有 网络接口。对于带有网络通讯接口的数控机床，可以直接将其连接到以太网。对 于具备串口接口的机床，可以有以下两种组网方式： 1 ) 点对点串口通信 普通数控机床一般都提供有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 或r s 4 8 5 等串口，我们可以通过一 台p c 机直接与数控机床连接，实现串口通信。目前，国内中小型企业用大多使用 这种组网方式。其通信物理条件是将p c 机串口和数控机床串口连接，数控机床有 不同的型号的串口，可以利用串口转换器进行转换，使之与p c 机相匹配。这是一 种最简单的联网方式，它为每台数控床配备了一台p c 机，因此可以实现在计算机 上浏览编辑数控程序、查看零件图形、作业计划等。其连接方式如图2 1 所示： 图2 1 点对点串口通信 点对点串口卡拓补结构，使用串口卡可以拓展多个串口，而且可以是不同型 号的，如r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等，每台p c 机最多可以拓展1 2 8 个串口，这对中小 型企业来说可以简化联网方式，其联网方式如图2 2 所示： 图2 2 点对点串口通信的拓补结构 这种方案的优缺点是： 】( 1 湖北工业大学硕士学位论文 优点： a ) 灵活性好，可以做到任意一台计算机都可以直接控制任意一台数控设备， 使得对数控设备控制的灵活性大大提高。 b ) 可靠性强，因为这种连接方式是典型的星型连接，即便p c 机服务器发生 故障，只会影响一台设备。 c ) 不受r s 2 3 2 串口对传输长度的限制。 缺点： a ) 机床越多，需要的工控机也越多，成本较高，而且，也不便于统一管理。 b ) 对于点对点形式的拓扑结构，机床在空间上的分布就不能太分散，这种结 构对机床的空间布局有了限制。 2 ) 单串口服务器通讯组网结构 目前市场上串口服务器的设备类型很多，比如m o x a 公司生产的e x p r e s sd e 一3 1 1 型和c n 2 5 1 6 型。d e 一3 1 1 为单口服务器，每个d e 一3 1 1 带有一个r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 串口和一个1 0 船以太网口，通过拨码开关，可以设置串口类型。所以，通过d e _ 3 1 1 ， 可以很方便、灵活的让具有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 或r s 4 8 5 的设备连接到以太网上。串口服 务器组网的方式有直连式和以太网连接方式。其直接联网方式如图2 3 所示。 串口服务器 图2 3 单串口服务器结构 单串口服务器组网的优点是可以无限延伸机床和工控机的连接距离，也使得 数控车间里各种机床在地理位置上分布更为自由。串口服务器的拓补结构是采用 一台多串口设备服务器，实现多台数控设备与以太网的连接，这样，在以太网上 的任意一台计算机，都可以直接控制该网络的任意一台机床。串口服务器设备类 型很多，如北京海豚科技发展公司的串口服务器n c 6 x x 系列等。n c 6 x x 系列有从 n c 6 0 1 单串口服务器到n c 6 3 2 的3 2 口串口服务器。n c 6 0 1 为单口服务器，每个n c 6 0 1 带有一个1 0 m b 1 0 0 m 的自适应以太网口和一个r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 串口，串口类 型由拨码开关设定。通过n c 6 0 1 ，可以很方便、灵活的让具有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 或r s 4 8 5 的设备连接到以太网上。n c 6 3 2 型则是多串口的，该型可扩展为3 2 个r s 2 3 2 串口， 但是从它到设备之问是利用r s 2 3 2 协议，因此受到传输距离的限制，对设备在厂房 布局距离的要求比较严格，不如n c 6 0 1 灵活，但是对于设备相对集中的场合，利用 湖北工业大学硕士学位论文 该型号服务器可以使得布线简单、相对集中和降低成本。串口服务器的拓补结构 的组网方式如图2 4 所示。 图2 4 串口服务器的拓补结构 3 ) 以太网连接组网方式 数控设备通过串口服务器连接到以太网上，其接线方式非常简单，只需要将 串口服务器连接到集线器或者交换机上即可，通过设置串口服务器的i p 地址，就 可使串口服务器成为以太网上的一个节点，从而使连接到该串口服务器的数控系 统连接到以太网上，通过该组网方式能够将不同的数控系统，将不同形式的串口 ( 如r s 2 3 2 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 ) ，连接到以太网上，实现数控系统的异构组网( 如图 2 5 所示) 。这种结构相比于点对点式结构，大大减少了工控机的数量，企业可以 减少投资。相比于现场总线，这种系统结构更简单。而且由于以太网现在成为局 域网的主流，投资成本下降，比采用现场总线的成本低的多。这种结构还可以使 工作人员分权限和级别对数控机床进行操作和管理。 优点： a ) 平均成本较低，与上一方案相比，成本略高，但当机床数量较多时，成本 相对更低。 b ) 灵活性好，因为任何一台计算机都可以控制较多台数控设备，故具有较高 的灵活性。 缺点： a ) 当多串口设备服务器发生故障时，会影响多台设备。 b ) 受r s 2 3 2 传输距离的限制，超过1 5 米时，必须增加长距离接受器。 湖北工业大学硕士学位论文 图2 5 以太网连接组网结构 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章d n c 系统串行通信相关技术 3 1 串行通信的基本概念 计算机与外界的信息交换称为通信。基本的通信方式有并行通信和串行通信 两种。 串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。串行通信 的特点是：数据位传送，按位顺序进行，最少只需要一根传输线就可以完成，成 本低但速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。 3 1 1 串行通信概述 1 ) 串行通信接口的基本任务嘲 ， 实现数据格式化：来自c p u 的是普通的并行数据，所以，接口电路应具有实 现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动生成 起止式的帧数据格式。在面向字符的同步下，接口要在待传送的数据块前加上同 步字符。 控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率进 行选择和控制的能力。 进行错误检测：在发送时，接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位 或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是 否发生传送错误。 进行t t l 与e i a 电平转换：c p u 和终端均采用1 u r l 电平及正逻辑，它们与e i a 采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。 提供e i a - r s - 2 3 2 接口标准所要求的信号线：远距离通信采用m o d e m 时，需要 9 根信号线；近距离零m o d e m 方式，只需要3 根信号线。这些信号线由接口电路提 供，一边与m o d e m 或终端进行联络与控制。 2 ) 有关串行通信的物理标准 波特率是指每秒传送的二进制位数，单位为b p s ( b i t sp e rs e c o n d ) ；它是衡 量串行数据速度快慢的主要指标。在波特率指定后，输入输出移位寄存器在接收 发送时钟控制下，按指定的波特率速度进行移位，一般几个时钟脉冲移位一次。 串行通信中，数据位信号流在信号线j 二传输时，会引起畸变，畸变的大小与 j 4 湖北工业大学硕士学位论文 以下因素有关： 波特率信号线的特征( 频带范围) 传输距离信号的性质及大小( 电平高低、电流大小) 当畸变较大时，接收方出现误码。 3 1 2 单工、半双工和全双工 根据信息的传递方向串行通信可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。 如果在通信中的任意时刻，信息只能由一方a 传到另一方b ，则称为单工。如果在 任意时刻，信息既可由a 到b ，又能由b 到a ，但是只能有一个方向上的传输存在， 则称为半双工传输( 如图3 1 ) 。如果在任意时刻，线路上存在着a 到b 和b 到a 的双向信号传输，则称为全双工( 如图3 2 ) 。 串行通信有两个技术问题，一个是数据传送，另一个是数据转换。数据传送 主要解决传送中的标准、格式及其工作方式等问题。数据转换是指数据的串并行 转换。 半双工 全双工 田 乙 图3 1 半双工方式 田 乙 图3 2 全双工方式 3 1 3 同步传送与异步传送 串行传送有两种方式