（机械设计及理论专业论文）网络数控加工中数据传输技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，机械制造业对产品的质量提出了更高的要求。 由于数控机床具有自动化程度高、加工的零件误差小、产品质量稳定、生产效 率高、便于产品的研制开发以及便于实现计算机辅助制造等特点而获得了迅速 的发展和广泛的应用。但是纵观国内的数控机床的使用情况，相当一部分数控 机床利用率不具有网络功能，甚至没有通讯接口，一般也不拥有大容量存储设 备。而随着各种计算机辅助设计和计算机辅助制造( c a d c a m ) 系统的完善与发 展，这些c a d c a m 系统越来越快地进入实际加工系统。然而数控程序、控制参 数、刀具补偿等尚需在线手工录入，不利于c a d c a m 的一体化实现。因此，采 用自动编程系统或c a d c a m 系统离线生成数控程序和相应的控制参数与补偿量， 通过仿真预先验证生成程序的正确性，优化n c 加工程序，利用数控机床与计算 机之间的通讯软件进行数据传输，实现并行作业，是提高数控机床使用效率的 有效方法。 本文以f a n u c 数控铣销加工中心为研究对象，利用该机床配有的r s 一2 3 2 c 串行接口作为通讯口，以v c + + 6 0 作为开发工具，进行了以下几方面的研究： ( 1 )在服务微机与f a n u c 铣销加工中心的通讯方面做了以下工作：通过 数控设备上配有的r s 一2 3 2 c 串行接口作为通信的突破口，深入研究r s 一2 3 2 c 的 引脚定义、c n c 与p c 之间的接线方式、数控程序的格式、通讯参数的设定、通 信方式、传输协议设定，并实现了数控设备与本她服务机的通讯。 在计算机网络的建立、实现本地服务机与远程c a d c a m 设计微机的通信方面做 了以下工作：进行网络拓扑、连接方式、通讯协议的选择，将由远程c a d c a m 关键词：c a d c a m ，串行通讯，远程控制，串口 “ 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 黝t h e d e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g ya n ds c i e n c e 。m a c h i n em a n u f a c t u r i n gg i v e sa h i 曲e rr e q u e s tt ot h eq u a l i t yo fp r o d u c t n u m e d c a lc o n t r o lt o o l sa r ed e v e l o p i n g q u i c k l ya n du s e dw i d e l yb e c a u s et h e ya r em o r er o b o t i c i z e d ，l e s se i t o ro fm a c h i n e d p a r t s ，p r o d u c t s q u a l i t ya r es t e a d y , e a s yt op r o d u c te x p l o d e ra n de a s yt or e a l i z e c o m p u t e ra i dm a n u f a c t u r e b u to fy o ug i v eav e r t i c a ll o o kt ot h eu s eo fn u m e d c a l c o n t r o lt o o l sm a k i n gl e s su s eo f , a n dt h e i re m c i e n c ya r en o tb r i n gi n t of o up l a y t h e s ep h e n o m e n aa r ec a u s e db ym a n yf a c t o r s f i r s t l y , m o s to fc n cd o n th a v e n e t w o r kf u n c t i o na n db i gc a p a b i l i t yo fs t o r ef a c i l i t yi nt h ee a r l y s e c o n d l y , n u m e r i c a l c o n t r o lp r o g r a m c o n t r o lp a r a m e t e r t o o l sc o m p e n s a t i o nm u s tb ei n p u t t e db yh a n d o n 1 i n e w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc a d c a ms y s t e m t h i ss o f t w a r eg o e si n t op r a c t i c a l m a c h i n i n g i ti sa ne f f e c t u a lw a yt oi m p r o v en u m e r i c a lc o n t r o l s e f f i c i e n c yb yu s e a u t o - p r o g r a ms y s t e mo rc d | e a m s o f tt om a k en u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a m s c o n t r o l p a r a m e t e ra n dt o o l sc o m p e n s a t i o n0 i f - l i n e a f t e rn cp r o g r a m sa r ev a l i d a t e db y i m i t a t e d t h e ya r et r a i l s f e r r e df r o ml o e a ls e r v e rc o m p u t e rt oc n cb yad a t at r a n s f e r p r o t o c 0 1 n l i sp a p e r 西v e sad e t a i lr e s e a r c ht of a n u cm i l l i n gc e n t e ro f m u m e r i c a lc o n t r o l a n dm o u l dd e v e l o pg r a d u a t es c h 0 0 1 i tu s e sr s - 2 3 2 cs e r i e si n t e r f a c e 够a c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e w eu s ev c 州0a sa ne m p o l d e rt 0 0 1 g i v es o m er e s e a r c ha s f o l l o w s ： ( 1 11 1 坨c o m m u n i c a t i o no fl o e a ls e r v e rc o m p u t e ra n dr n u cc n ci sr e s e a r c h ： r s 2 3 2 cs e r i e si n t e r f a c ei su s e da sc o m m u n i c a t i o nb r e a k t h r o u g hr s 2 3 2 c sd i n s d e f i n i t i o n t h ec o n n e c t i o nm o d eb e t w e e nc n ca n dp cf o m a to fn u m e r i c a lc o n t r o l p r o g r a m ，c o m m u n i c a t i o np a r a m e t e rd e f r u i t i o n , c o m m u n i c a t i o nm o d e ，s t l a i nw a n s f e r p r o t o c o ld e f t n i t i o na r el u c u b r a t e da n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc n ca n dl o c a ls e r v e r p c i s m a d e t r u e ( 2 lt h er e s e a r c ho fb u i l d i n gc o m o u t e rn e t ，r e a l i z i n gt h en e tc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nl o c a ls a l v e rp ca n dc a d c a md e s i g nc o m p u t e ri sd o n e i n c l u d e ：w 曲 a n a l y s i s s i t e ，i u n c t u r em o d ea n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ec h o s e n cp r o g r a m sa n d c o n t r o lp a r a m e t e rm a d eb yl o n g d i s t a n c ec a d f c a ms o f t w a r ea r et r a n s f e r r e dt ol o c a l s e r v e rc o m p u t e r , t h e na r et r a n s f e r r e dt oc n c sm e m o r yi nt h ef o r mo ft e x tf i l e n c p r l g r a ma n dc o n 打o lp a r a m e t e ra r el o a d e dt h t o u g hl o n g - d i s t a n c ea n da r et r a n s r e r r e d b yi n t e m e t i n t r a n e t f 3 1m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0b a s e do nw i n d o w si su s e d 鹪e x p l o d e rt o o la n d n u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a mi m i t a t i o ns o f 概d r ei sd e v e l o p e d k e yw o r d s ：c a d ，c a m ，i n t e m e t i n t r a n e t ， r e m o t ec o n t r o l ， s e r i a l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 现代制造技术的涵义相当广泛。一般认为，现代制造技术是以传统制造技 术与计算机技术、信息技术、自动控制技术等现代高新技术交叉融的结果，是 一个集机械、电子、信息、材料与管理技术于一体的新型交叉学科，它使制造 技术的技术内涵和水平发生了质的变化。因此，凡是那些能够融合当代科学进 步的最新成果，最能发挥人和调和设备的潜力，最能体现现代制造水平的制造 技术均称为现代制造技术，它给传统的机械制造业带来了勃勃生机。特别是本 世纪初，我国成功加入世界贸易组织( w t o ) ，“入世”将极大地推动我们制造 业的发展。 1 1 现代制造技术发展的新方向 现代机械制造技术的发展主要表现在两个方向上：一是精密工程技术，以 超精密加工的前沿部分、微细加工、纳米技术为代表，将进入微型机械电子技 术和微型机器人的时代；二是机械制造的高度自动化，以c i m s 和敏捷制造等的 进一步发展为代表【l 】。 随着技术、经济、信息、营销的全球化，我国加入w t o ，纵观2 1 世纪的 制造业的发展趋势，可用三化来概括，即全球化、虚拟化和绿色化 2 - 3 1 。 1 2 与本课题研究相关的技术发展状况 1 2 1 数控技术的发展 自1 9 5 2 年美国麻省理工研制出了全世界第一台数控机床三坐标数控铣 床以来，数控系统的硬件发展经历了几代的变化【4 】：第一代从1 9 5 2 - - 1 9 5 9 年， 采用电子元件构成的专用数控系统；第二代从1 9 5 9 年开始，采用晶体管电路的 数控系统；第三代采用中、小型集成电路的数控系统；第四代从1 9 7 0 年开始， 采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制系统- n c ；第五代从1 9 7 4 年开始，采用微型电子计算机和微处理器组成的控制系统c n c 。目前在数 武汉理工大学硕士学位论文 控领域领先的是日、德、美三国，俄罗斯、法国，瑞士、意大利、西班牙等欧 洲国家也发展到了相当高的水平。我国也已成为数控大国，机床拥有量居世界 第三位。在机械产品加工中，大批量生产的零件数量所占比例并不是很大，单 件与小批量生产的零件约占机械加工总量的百分之八十以上。对这些多品种、 加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件加工，采用专业化程度很高的 自动机床和自动生产线就显得很不合适。产品的竞争日益激烈，为在竞争中求 得生存与发展，企业将不得不设法在最短的周期内生产出成本最低、性能最高 的产品。同时要不断地开发新产品，更新换代，灵活、通用、高精度、高效率 的“柔性”自动化生产技术数控技术应运而生。 数控技术的现状是：采用3 2 位微型计算机，应用精简指令集计算机( i u s c ) 能进行高速处理；数控系统具有高速化和高精度；采用模块化结构；有丰实的 软件功能；采用了全数字化交流变频伺服系统具有智能化功能等【5 1 。 进入9 0 年代，数控技术的典型应用是f m c f m s c n “s 其发展趋势是向高 速化、高精度化、高效加工、多功能化、复合化、智能化、模块化、小型化及 开放式结构方向发展。 1 2 2 计算机网络技术的发展 从2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代，计算机技术和通信技术的结合，形成了现代 的计算机网络，在9 0 年代，计算机网络技术在发达国家已普遍使用。各种各样 的通信形式、交互式的数据对话、批量数据传输、文件文本传输、声音或传真、 甚至会议都在网络中实现。现阶段网络技术在以下几个方面有很大的发展： ( 1 ) 数字技术的发展，一些传统的模拟传输改为数字传输。 ( 2 ) 宽带的局域网有了较大的发展，广泛用于办公自动化，也能同时传 送多种类型的信息。 ( 3 ) 9 0 年代出现百万多个设备接入网的巨型网络，典型的代表是 i n t e m e v i n t r a n e t 。 ( 4 ) 网络能支持大量的智能工作站。 ( 5 ) 网内和网间的信息交换及合作广泛的实现。 ( 6 ) 网络的标准化工作进一步完善。 ( 7 ) 网络的访问、服务、管理、安全和保密进一步改善。 ( 8 ) 网络的可用性大大提高。 2 武汉理工大学硕士学位论文 计算机网络是计算机技术和通讯技术互相渗透而形成的一门新兴学科。计 算机网络将分布在不同地理位置上的具有独立功能的计算机及其外部设备，通 过通讯线路和设备连接起来，按照某种事先约定的规则，即通讯协议进行信息 交换以实现资源共享的系统。 随着计算机技术在制造业应用的不断深化，设备自动化水平越来越高，控 制也越来越复杂，设备与控制计算机之间需要交换的数据越来越多，需要集成 在网络上的设备也越来越多，计算机网络技术逐步被运用于机械制造领域。数 控机床作为一种加工精度高、自动化程度高的机床，具有高效率、高质量、柔 性好等特点，数控机床在生产中所占比例与日俱增。将网络技术与虚拟技术、 宽带网技术等新兴的技术紧密结合在一起，随着计算机网络的迅速发展，计算 机网络技术逐步被运用于机械制造领域。计算机网络技术将促进现代机械制造 技术的飞速发展。 现在i n t e m e t i n t r a n e t 的发展和应用，在数控系统的远程控制上可以得到广 泛的应用。一些c n c 系统已具有网络接口，可以直接连网，还可使用i n t e r n e t 通讯，实现远程异地服务。 1 2 3 网络制造技术的发展 网络制造是基于i n t e m e t i n t r a n e t 发展起来的，现在已成为制造业重要的 发展趋势，包括几个方面：制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成；制 造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息 系统等各子系统的集成；企业与企业间的网络化，实现企业问的资源共享、组 合与优化利用；通过网络，实现异地制造1 6 4 1 。 网络制造是制造业自动化的重要组成模式。制造业自动化经历了五个阶段： 刚性自动化、数控加工、柔性制造、计算机集成制造( c i m ) 和计算机集成制造系 统( c i m s ) 、新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制 造、全球制造、绿色制造。 国内外对网络制造的研究都非常重视。现在，单元系统的研究占有很重要 的位置，制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实用化的成果不多，制造系 统的系统技术和集成技术已成为网络制造研究中的热点问题。网络制造与并行 工程、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、绿色制造等现代制造模式的提出和研 究推动了制造自动化技术研究和应用的发展，以适应现代制造模式应用的需要。 武汉理工大学硕士学位论文 制造的网络化和全球化是基于i n t e m c t i n t r a n e t 的制造，已成为重要的发展 趋势。网络制造主要是产品制造网络化，制造企业最终产出的是现实的产品。 制造高科技、高附加值的产品，就需要利用网络联盟充分发挥稀贵设备的加工 能力，合理利用社会资源。通过网络，企业能迅速响应顾客的要求，响应市场 信息，最大化的发挥企业的效能。 1 2 4 数控加工数据传输的发展 数控加工程序将机械零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量及位移方向 及其它辅助动作( 如换刀、冷却液开关、工件夹紧等) 按运动顺序和所使用数 控系统规定的指令代码及程序格式编制成数控加工程序清单。编制好的数控加 工程序清单可记录在纸带、磁带、磁盘等信息载体上。通过数控机床上配备的 输入设备，将纸带、磁带、磁盘上的数控加工程序输入到数控系统的工件程序 存储区。 由于我国制造业的发展，数控系统也得到了广泛的应用，随着加工程序的 规模扩大、插补精度的提高、计算量增大，数控系统逐渐不能满足要求，广大 用户希望能够解决这一个问题，并且计算机网络技术的发展，加速了数控机床 网络通讯的发展。 数控加工程序传输的一个重要任务即是采用一种通讯技术，快速、准确地 将数控加工程序传输到机床的数控系统的工件程序存储区。目前，计算机与数 控机床主要通信方式有1 9 - 1 0 l ： ( 1 ) 人工方式输入加工程序； ( 2 ) 利用光电阅读机输入加工程序； ( 3 ) 利用磁盘、磁泡存储器输入加工程序： ( 4 ) 利用机床配置的i t s 2 3 2 c 口进行串行通信； ( 5 ) 利用机床配置的d n c 接口进行通信； ( 6 ) 利用可编程逻辑控制器( p l c p c ) 接口进行通信； 人工方式简单直观，容易掌握。对于比较小的数控加工程序，特别是只需 要修改少量的程序代码错误，可以通过数控系统操作面板上的按键，以人工手 动输入方式( m d i ) 将数控加工程序输入到数控系统的存储区。但是，当数控加 工程序比较大时，如果使用人工手动输入方式( m d i ) 将大大降低程序输入的速 度，并且很容易出现人工的输入错误。 4 武汉理工大学硕士学位论文 纸带方式在早期的数控机床上出现，采用穿孔纸带传输数控程序是一种分 别运行的方式。在被加工对象比较复杂的情况下，加工程序纸带的制备、传输 和阅读的时间都较长，尤其是纸带需要经过穿孔和阅读两道物理过程，纸带穿 孔机和光电阅读机的操作错误或故障都将增加整个系统的不安全因素。因此， 纸带方式已不能满足复杂工件生产需求i l l 】。 数控机床或加工中心所配的串行通信口一般只用于传输数控代码程序，很 少用于传输控制指令，对于配有d n c 接口的数控机床，可以容易的实现各种自 动化制造系统，实现机床的远程控制和管理。 在w i n d o w s 平台上开发软件系统，可实现良好的用户界面，使远程p c 与 c h i c 相结合，增强了c n c 系统的应用范围；各种网络协议的开放性和通用性也 是可以利用的有利条件。因此，研究与开发基于w i n d o w s 平台的数控机床通讯 系统，具有很高的应用价值和广阔的市场前景。 c a d c a m 技术是在图形辅助数控编程g n c 得到发展和应用的基础上发展 起来的，g n c 是一种面向制造的技术，它将零件的几何造型、刀位计算、图形 显示、后置处理等结合在一起。1 9 7 5 年，法国的达索飞机公司研制成功了c a t i a 系统，使其能进行三维设计、分析和n c 加工编程。到了八十年代，相继出现了 将设计和g n c 成功结合的工程化、商业化的c a d c a m 系统，如i - d e a s 、 p r o e 、u g 等，它们广泛地应用于航天航空、造船、机械、电子、模具等行业。 c a d c a m 在制造领域中的应用，使平均功效提高了2 - 2 0 倍。 c a d c a m 一体化是一项综合性的高新技术，当前正朝着集成化、智能化、 可视化和标准化方向发展。主要研究内容有：c a d 系统面向产品的整个生命周 期，充分考虑产品信息的继承性，满足少行设计的要求，c a d 与产品信息标准 化相结合，产品模型的可转换性，面向全面乃至全球的产品信息编码【1 2 1 。 c a d c a m 作为计算机应用的一个重要方面，同样也离不开网络技术，单台 计算机的处理能力限制了其应用范围，只有通过网络互连起来，才能共享资源 和协调合作，发挥更大的效能，将c a d 、c a m 、c a p p 以及管理与决策信息系 统合成在一起，通过计算机网络将各个系统互连起来，实现数据交换、共享和 集成，减少中间数据的重复输入、输出过程，从而大大提高整个系统从定单、 备料、设计、工艺到生产、供货全过程的效率【1 3 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题的来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家教育部留学回国科研启动基金 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 避免控制器缓冲区数据丢失 d n c 控制器在进行边传输数控程序边加工工件时，由于控制器的输入输出 速度不同，如果接收到的数据大于空余的数据缓冲区，将发生数据丢失。为了 避免或减少数据的丢失，采用一种延缓机制和流控机制相结合的方法来处理传 输时的速度匹配问题。 ( 2 ) 单一软件系统实现面向多台不同数控机床及加工中心的数据传输 不同厂家生产的数控机床的数据通信格式都或多或少有些不同，因此在数 据文件传输前要进行数据文件格式的转换。各个厂家生产的机床都有自己的特 有格式，也就是说若要实现微机与数控机床的通讯，首先必须遵循它的“特有 格式”才行。这种“特有格式”就是相应的位置程序段和后置程序段的不同， 也就是说只需在数据传输时对文件的头部和尾部进行相应的格式处理即可。此 外，在传输系统中还应对通讯参数做相应的设置，如通信端( c o m l c o m 2 ) 、波 特率的选择( 4 8 0 0 b p s 9 6 0 0 b p s 等) 、奇偶校验位( 奇偶无校验) 、数据位( 7 b ，8 b ) 、 停止位( 1 b 1 1 5 b 2 b ) 等。 为了使单一软件系统实现面向多台不同数控机床的数据传输，在客户端和 服务器端都设计对应的模块来实现。 1 4 课题研究的总体方案 “网络数控加工中数据传输技术的研究”所研究的内容即是实现本地服务 机与c n c 之问的数控程序的传输，实现远程设计中心通过网络与数控机床的通 讯，将c a d c a m 软件与数控机床有机结合起来，代替手工程序的编制，实现 加工参数、加工程序的回传。 本章主要根据学院内现有设备和我们所掌握的技术，介绍实例的总体结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 体系、开发平台及开发方法的选择。 1 4 1 结构体系 武汉理工大学机电工程学院自行研究开发的网络数控系统现已实现了实时 通讯系统，n c 机床信息管理系统、图形自动编程系统等功能模块见图1 1 ： 系 统 维 护 加 工 设 备 管 理 网络数控实例的系统构成 数控加工 调度模块 加 工 作 业 管 理 加 工 程 序 管 理 仿 真 加 t 状 态 显 _ 不 图形自动 编程模块 c a d c a m 接 口 图1 1网络数控实例系统构成 1 4 2 开发平台的确定 c a p p 接 口 n a 程 序 自 动 生 成 刀 具 轨 迹 模 拟 显 j 7 k 数控机床 管理模块 机 床 基 太 数 据 管 弹 用 户 权 限 管 理 目前，在计算机上应用最多的是m i c r o s 6 f t 公司生产的操作系统，从d o s 操作系统一直到现在的g r m d o w sx p 操作系统，同时，对于大型网络企业，事业 单位目前还广泛应用u n i x 、l i n u x 等操作系统，但作为微软的操作系统，由 于其采用的是直接面向对象的设计，人机界面友好，易学易懂，而且支持大多 数其它操作系统所支持的应用软件，所以，目前应用最广泛的是w i n d o w s 操作 系统。 而w m d o w s 操作系统目前又分w i n d o w s 9 x 和w i n d o w sn t 操作系统，而 武汉理工大学硕士学位论文 w i n d o w sn t 操作系统又分为n t 4 0 和w i n d o w s2 0 0 0 ( 又称为n t 5 o ) 。作为 w i n d o w s 9 x 操作系统，一方面其安装容易，启动速度快，但另一方面系统容易 死机，数据采集容易中断，系统安全性不够好，网络连接不易，网际传输速度 慢，传输的数据容易丢失i 。所以w m d o w s9 x 系统不适合用于工业控制操作系 统。而w m d o w s n t 4 0 是比较老的操作系统，现在己经较少使用。作为w i n d o w s n t 4 0 的升级产品w i n d o w s2 0 0 0 具有系统稳定、界面友好、易于操作、兼容性 好、数据安全性较高等特点 正是由于w i n d o w s2 0 0 0 具有以上的功能和优点，所以我们选用了此操作 系统，一方面提高了系统的安全性，另一方面便于网络设置，为实现功能完善 的网络数控打下良好的基础。 1 4 3 软件开发方法的选择 软件开发方法的选择是决定软件性能的一个重要因素。由于w m d o w s 操作 系统下应用程序开发的可视化程度高，开发工具种类多，功能强大，己经成为 当前程序员选择操作系统的主流。相应的带来了编程方法的变革以面向对 象技术替代传统的面向过程的软件开发方法。 ( 1 ) 面向对象的程序设计的思想方法 面向对象的程序设计方法提出了一种全新的程序设计思想，把数据和对数 据的操作封装起来。它与传统的面向过程的程序设计以及结构化程序设计有着 本质的不同。分析是问题抽象( 做什么) ，设计是问题求解( 怎么做) ，实现是 问题的解( 结果) 。任何方法学对客观世界的抽象和求解过程都是如此。在问题 抽象阶段，结构化方法面向过程，按照数据变换的过程寻找问题的结点，对问 题进行分解。因此，与面向对象方法强调的对象模型不同，描述数据变换的功 能模型是结构化方法的重点。如果问题世界的功能比数据更复杂或者更重要， 那么结构化方法仍应是首选的方法学。如果数据结构复杂且变换并不多，那么 如以过程主导分析和设计，一旦有系统变更就会给下游开发带来极大混乱。由 于对过程的理解不同，面向过程的功能细分所分割出的功能模块有时会因人而 异。而面向对象的对象细分，从同一问题领域的对象出发，不同人得出相同结 论的比率较高。在设计上，结构化方法学产生自顶向下、结构清晰的系统结构。 每个模块都有可能保持较强的独立性，但它往往与数据库结构相独立，功能模 块与数据库逻辑模式间没有映射关系，程序与数据结构很难封装在一起。如果 8 武汉理工大学硕士学位论文 数据结构复杂，模块独立性很难保证。 面向对象方法抽象的系统结构往往并不比结构化方法产生的系统结构简 单，但它能映射到数据库结构中，很容易实现程序与数据结构的封装。在软件 工程基本原则中有一条“形式化原则”，即对问题世界的抽象结论应该以形式化 语言( 图形语言、伪码语言等) 表述出来。结构化方法可以用数据流图、系统 结构图、数据辞典、状态转移图、实体关系图来进行系统逻辑模型的描述；而 面向对象方法可以使用对象模型图、数据辞典、动态模型图、功能模型图。其 中对象模型图近似系统结构图与实体关系图的结合，动态模型图类似于状态迁 移图，功能模型图类似数据流图。其实，无论是用什么方法开发软件，交给用 户的都应该是满足用户当前需求的软件。用户在短期内不会发现开发者使用先 进方法学给他们带来的益处，倒是开发者本身由于大大减轻了开发负担而最先 受益。但是随着时间的推移，获得最大收益的还是用户，因为软件的长期质量 ( 包括维护成本低和生存周期长) 给用户带来的好处是根本的。 ( 2 ) 面向对象程序设计的特征 封装性、继承性和多态性是面向对象程序设计的特钳1 5 】，其内涵为： ( 1 ) 封装性：把一个数据结构同操作数据的函数( 行为或方法) 组合在一 起，封装性是借助于一种新的结构和数据类型机制类来实现的。 ( 2 ) 继承性：建立一个新的派生类，它从一个或者多个先前定义的基类中 继承函数和数据，而且可能重新定义或加进新的数据和行为，这样就建立了类 的层次。 ( 3 ) 多态性：给行为取一个名字或符号，它共享一个类的层次，在这个层 次中的每个类都以适合自己的方式实现这个行为。 综上所述，我们针对学院内现有的f a n u c - 0 系列铣销加工中心进行了深入 的研究，这台数控铣销加工中心拥有现成的网络通讯接口。采用串行通讯方式， 实现了本地微机与f a n u c - 0 数控铣销加工中心之间的通讯，直接将数控加工指 令代码程序传输到数控系统的工件程序存储区。通过网络将本地服务机与远程 设计中心的微机进行通信，进一步实现远程设计中心与数控加工中心的数据通 讯。这种数控加工程序传输技术可以有效地减少人为、机械误码率，提高数控 加工程序传输的速度，迸一步提高数控铣销加工中心的加工效率，并为实现网 络制造和网络联盟奠定了基础。为了验证由c a d c a m 软件生成的加工程序的 正确性，减少编程中的错误，并允许设计者查询机床的设置参数，以便更好的 9 武汉理工大学硕士学位论文 修改n c 程序，本文通过对加工程序进行分析，并对机床参数及报警参数进了归 类，利用v c + + 6 0 作为开发平台，更加完善了基于网络的数控加工程序的传输 软件。 i o 武汉理工大学硕士学位论文 第二章网络数控系统的概念及技术内容 本文根据国内外有关信息集成技术、网络中的d n c 接口技术、计算机通讯 技术的资料收集、分析比较和研究探讨，从现有设备的网络化出发，给出了网 络数控系统的组成及结构体系，并实现了系统的部分必要功能，为建立实用的 网络数控及其信息集成做一些基本工作。 2 1 网络数控系统 网络制造是指企业利用计算机网络，面对市场机遇，针对某一市场需要， 利用以因特网( i n t e r n e t ) 为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造 资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，按 资源优势互补的原则，迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电 子手段联系的、统一指挥的经营实体网络联盟企业，以便快速推出高质量、 低成本的新产品【1 6 】。其实质是通过计算机网络进行生产经营业务活动各个环节 的合作，以实现企业间的资源共享、优化组合和异地制造。 网络数控系统( 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 o s i 网络互联 规范的自主数控系统，它包含两个方面的内容：在硬件结构上是数控技术或系 统与网络的结合，在结构模式上是通过网络组织或控制数控系统工作【1 6 1 。( 见图 2 1 ) 具体讲来，网络数控系统应具有以下三种能力【1 7 1 ： ( 1 ) 快速地、并行地组织不同的部门或集团成员将新产品从设计转入生 产： ( 2 ) 快速地将产品制造厂家和零部件供应厂家组合成虚拟企业，形成高 效经济的供应链； ( 3 ) 在产品实现过程中各参加单位能够就用户需求、计划、设计、模型、 生产进度、质量以及其它数据进行实时交换和通讯。 武汉理工大学硕士学位论文 ：制造执行系统： 一 图2 1 网络数控系统的组成 2 2 网络数控系统的结构 网络数控系统是传统数控系统的发展，虽然它不具有传统的全部功能模 块，便是可能过通讯和资源共享实现传统的全部功能。此外，它还增加了网上 高度等新功能，是一种具有新型结构的系统( 见图2 2 ) 。 它着重强调了基于w w w 的网上通讯和资源共享，网上设备和过程的协 调，以及系统整体的有机集成。图中n c 程序、解释、刀具补偿、插补等模块与 传统的数控系统相一致，完成了数控系统的基本功能。在机床硬件的上层是支 持即用的设备驱动程序。即插即用技术是从w i n d o w s 机制中吸取过来的，能自 动搜索新的硬件设备，并装备相应的设备驱动程序【1 8 l 。把它放在网络数控系统 的底层，可以更好地配置硬件，实现硬件设备的互换性，为系统提供了高度的 开放性。数控系统要实现网络功能必须采用相应的i s o o s i 开放式系统互联协 议。按照i s o - o s i 互联协议，网络共分为物理层、链路层、网络层、传输层、 会话层、表示层和应用层，前三层属于低层协议，后四层属于高层，在数控系 统中，由于实时性要求数据传输速率要快，应利用低层协议，而低层协议中i p 协议( i s o s 1 8 4 3 7 ) 具有最好的开放性( m a p 协议、t o p 协议、t c p 口协议均 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 支持口协议) ，所以网络数控系统选择m 协议最为合适【1 9 1 。 企业内的多台网络数控系统利用e t h e m e t 网卡通过车间服务器与 i n t e r n e t i n t r a n e t 相联，使其成为i n t e m e t i n t r a n e t 网中的节点，可以查询相关信息 和向网上发布信息，实现信息共享。如果企业内网络数控系统较多，就可以配 置一台专门的服务器，以综合协调和调度任务；如果企业只有一台或少数几台 数控系统，则可以通过专门的网络制造服务提供商接入i n t e m e t ，制造服务提供 商提供相关的网页发布，c a d c a p p 技术支持，也可以对远程简单伙伴分配任 务，网上动态联盟之间的协调。在网络数控系统的体系结构中，数控系统本身 只装有w e b 浏览器，而不提供w w w 等i n t e m e t 服务；它可以带有自己的数据 库，但是多数的数据要通过用服务器进行管理，以便对相关任务动态调度。从 结构和功能上看，上述网络数控系统有如下特点刚： ( 1 ) 基于w w w 的信息集成、通讯功能和资源共享是它的一个主要特征； ( 2 ) 采用标准硬件设备，具有模块化结构，功能可选，具有较高的开放性； ( 3 ) 系统过程中运算可以分别在车间服务器和数控系统上运行，支持并行 分布式计算； ( 4 ) 系统从结构上可利用本地信息进行决策，协调各部分之间的运行，实 现系统的智能集成。 武汉理工大学硕士学位论文 生 间 级 服 务 网 络 数 控 系 统 w w w 服务，数据库查询服务 一级调度( 企业级调度) 包括与其它部门之间的任务协调，网上信息发布，网上资源共享等 二级调度层( 车间级调度) 包括车间服务器任务的接受，车问内同级数控系统之间的任务协 调，有关信息往服务器发送 传感器，p l c ，伺机服系统等， 设备驱动程序 】互臣二 图2 - 2 ：网络数控系统层次结构 2 3 网络数控系统的作用 采用先进制造技术是企业提高市场竞争力，迎接知识经济时代挑战的重要 选择。随着计算机集成制造技术、敏捷制造、智能制造等新的概念和方法的研 究与发展，作为各种先进制造环境中网络制造的基本单元，网络数控系统的研 究与应用显得尤为重要。网络数控系统将为网络制造、远程制造、远程诊断与 维护及机床与各种网络资源的相互共享提供了最基本的支持【2 l l 。 网络数控可以有效地利用资源。我国生产的数控系统及现有的数控发行系 统一般使用高可靠性、高价位、低容量的电子盘。随着计算机辅助设计制造系 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 统越来越快地进入实际加工系统，需要方便快捷地与数控系统进行大容量信息 的通讯与交换，这些辅助系统生成的加工代码程序量一般以兆字为计量单位， 而我国大部分数控系统使用的电子盘只有2 4 兆，如果不具备联网功能，很难 与办公室的c a d c a m 系统相连接。而在厂房的恶劣环境中如果能用上网络数 控系统，则数控机床便具有联网功能并能共享环境清洁的办公用容量硬盘，办 公室里的c a d c a m 系统只需将其生成冗长加工代码存入本地硬盘，然后数控 系统即可通过局域网读取代码并进行零件加工。 数控机床网络化，也为远程监控及网络制造提供了坚实的基础。网络数控 系统通过高速通讯网络及时地向远程监控点提供当前加工状态信息并接收远程 监控命令，为真正的全球制造提供最起码的支持，更进一步地，我们甚至可以 把某个数控机床类似办公网络中的共享打印机一样共享到网络上。其应用之一 便是大大减少我国大中专院校数控技术培训与教学的设备购置费，一个教室只 要一个两套实际的数控机床，学生能通过计算机网络编写加工代码并输出到网 络机床上即可检验练习结果。当然，这些功能对数控系统的开放性及自我诊断 性能都提出了更高的要求。 网络数控系统不仅可以大大加强工厂加工信息的传递与管理，提高机械加 工自动化程度及远程监控水平，而且还可以为数控系统生产厂家提供远程诊断 与维护。当数控系统产生故障时，数控系统生产厂家可以利用广域网对数控系 统进行诊断与维护。特别是对各种数控改造项目，远程诊断可以大大减少维护 的盲目性及相关费用i 捌。 2 4 网络数控加工的研究现状 2 4 1 网络数控加工的研究现状 9 0 年代初，美国里海大学c l e h i g hu n i v e r s i t y ) 在研究和总结美国制造业的 现状和潜力后，发表了具有划时代意义的“2 1 世纪制造企业发展战略”报告， 提出了敏捷制造和虚拟企业的新概念。这一新的哲理产生了巨大的反响。1 9 9 4 年，美国能源部制订了“实现敏捷制造的技术”( t e e h n o l o g i e se n a b l i n ga g i l e m a n u f a c t u r i n g - - t e a m ) 的计划( 1 9 9 4 - - 1 9 9 9 ) ，涉及联邦政府机构、著名公司 和大学等1 0 0 多个单位，并于1 9 9 5 年1 2 月发表了该项目的策略规划和技术规 划。1 9 9 5 年美国国防部和自然科学基金会资助l o 个面向美国工业的研究单位， 武汉理工大学硕士学位论文 共同制定了以敏捷制造和虚拟企业为核心内容的“下一代的制造”计划。1 9 9 6 年5 月美国通用电器公司发表了计算机辅助制造网c a m n e t 的结构和应用。它通过 万维网提供多种制造支撑服务，其目的是建立敏捷制造的支撑环境。1 9 9 7 年美 国国际制造企业研究所发表了美国一俄罗斯虚拟企业网研究报告。该项目 是美国国家科学基金研究项目，目的是开发一个跨国虚拟企业网的原型，使美国 制造厂商能够利用俄罗斯制造业的能力，从更大的意义上讲，作为全球制造基 础框架一部分的美俄虚拟企业的建立与发展起到实现全球制造的示范作用。 1 9 9 8 年1 2 月，欧洲联盟公布了“第五框架计划( 1 9 9 8 - - 2 0 0 2 ) ”，将虚拟网络企 业列入研究主题。 综上所述，信息技术正在推动制造业技术的、组织的变革。体现在各种计 算机辅助技术的应用，以及工业发达国家利用远程信息网络将位于异地的、具 有不同功能的工厂连接起来，引起了生产组织的变化。国内外在网络数控加工 的发展上已经出现了新的亮点，如日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司的 c y b e r p r o d u c t i o n c e n t e r ( 智能生产控制中心，简称c p c ) ；日本大隈( o k u m a ) 机床 公司的“i t p 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圆。 我国的研究策略是借鉴国际上的先进经验，结合中国的制造工业实际，提 出适合我国国情的生产模式。1 9 9 4 年，国外先进技术的发展引起了我国学术界、 工业界和国家综合部门的重视，并被国家定为重点发展的科技领域之一。近几 年，国内许多有识之士都特别提出要重视适合中国国情的新生产模式和管理技 术的研究和应用，但缺乏系统的安排。广大企业迫切希望在新的生产模式和结 构重组方面有所指导和提供示范。广大企业已逐渐认识到，面对信息时代的到 来，企业结构将发生变化，采用网络化制造模式将有助于提高企业的竞争力。 科学技术部于1 9 9 9 年3 月将“网络化制造在精密成形与加工领域的应用研究及 示范”课题列入“九五”国