（车辆工程专业论文）基于加工中心面向网络化制造的dnc系统应用研究.pdf

东南大学硕士学位论文 基于加工中心面向网络化制造的d n c 系统 应用研究 研究生：杨延清导师：任祖平东南大学 摘要 本文针对我国制造业的现状，对异构数控机床联网方案及实现技术进行了详细地研究。论文阐 述了d n c 系统的概念及国内外相关技术的发展趋势，分析了国内制造企业实现异构数控机床联网现 状，阐明了实施d n c 的重要性。并结合东南大学机电综合工程训练中心的软、硬件条件，建立了基 于加工中心的网络d n c 系统。为高等学校培养网络制造人才提供了一个平台，同时为企业探索出了 一条适合于异构设备的网络化制造系统构建之路。 论文主要内容包括： 通过分析现阶段d n c 的通信技术，并结合国家级实验教学示范中心一东南大学机电综合训练中 心车间数控设备的实际布局情况，提出了一种基于无线以太网的通信方案，设计了数控设备网络化 平台体系结构。 通过分析网络化制造环境下对d n c 系统的要求和现有数控系统的通信功能，利用智能终端完成 r s 2 3 2 c 与r j 4 5 之间的转换，实现了d n c 网络制造单元与数控设备之间的集成。利用t c p i p 实现了 网络制造单元与d n c 服务器之间的信息集成。解决了网络化制造中通信的关键技术。 利用基于无线以太网的通信技术，在车间内部搭建了一个无线局域网络，并将该网络与机电综 合训练中心局域网络连接，实现了d n c 服务器与数控设备之间的网络连接。利用模块化的d n c 通信 软件、管理软件及c a d 、c a m 、c a p p 软件构建了网络化d n c 系统平台。 利用通信软件对该平台进行通信测试，针对不同系统的机床进行参数设定，保证n c 代码、系 统参数的传输，并在加工过程中进行网络监控。利用d n c 管理软件，针对中心实际的教学情况设置 了教师、学生等角色，并对角色进行了权限配置，满足中心实际教学的需要。根据设备的情况及与 通信软件的集成，建立设备结构树。通过m ss q ls e r v e r 数据库对n c 代码、图文档进行集中管理。 通过对轮毂等模具的网络化协作设计和在线加工，验证了本文工作的正确性、有效性、稳定性。 为网络化制造的推广奠定了基础。 关键词：加工中心，网络化制造，d n c ，无线以太网，网络通信 东南大学硕上学位论文 t h e i m p l e m e n t a t i o no f n e t w o r k - o r i e n t e d m a n u f a c t u r i n g i nd n c s y s t e m b a s e do n m a c h i n i n gc e n t e r g r a d u a t es t u d e n t ：y a n gy a n q i n g s u p e r v i s o r ：r e nz u p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a bs t r a c t i nv i e wo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ed o m e s t i cm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h ep a p e rg i v e s d e t a i l e dr e s e a r c ho nt h es o l u t i o na n di m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g i e so ft h eh e t e r o g e n e o u sc n c m a c h i n e s c o n n e c t i o n 1 1 1 ec o n c e p to fd n c ，t h et r e n d so ft e c h n o l o g i e s d e v e l o p m e n ta n dt h e i m p o r t a n c eo fd e p l o y i n gd n c a r ea l lf u l l yd i s c u s s e d c o m b i n e d 、析t l lt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o n d i t i o n si nm e c h a t r o n i c st r a i n i n gc e n t e r , t h en e t w o r k e dd n cs ) ，s t e mw h i c hp r o v i d e sa p l a t f o r mf o rt r a i n i n gt a l e n tp e r s o ni nc o l l e g ea n du n i v e r s i t yi sc o n s t r u c t e db a s e do nm a c h i n i n g c e n t e r s i m u l t a n e o u s l y , i tg i v e sm u c he x p e r i e n c ei nn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e ma d a p t i n g t oh e t e r o g e n e o u sc n cm a c h i n e s t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra sf o l l o w s ： t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec u r r e n tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a n da c c o r d i n gt ot h ec n c e q u i p m e n t sa c t u a ll a y o u ti nt h ew o r k s h o po fm c c h a t r o n i c st r a i n i n gc e n t e rw h i c hi sn a t i o n a l e x p e r i e n tt e a c h i n gd e m o n s t r a t i o nc e n t e r , an e wc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nw l a n i s g i v e n m e a n w h i l e ，t h en e t w o r kp l a t f o r ms t r u c t u r eo fc n cm a c h i n ei sc o n s t r u c t e d t h r o u g ha n a l y z i n gr e q u e s tf o rd n cs ) ，s t e mu n d e rt h en 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 ， t h es e r i a lp o r tt r a n s f o r m a t i o ni sr e a l i z e db yi n t e l l i g e n tt e r m i n a l t h ei n t e g r a t i o no fn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gu n i ta n dc n ce q u i p m e n t s a r ei m p l e m e n t e d 1 1 1 ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no f n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gu n i ta n dd n cs e r v e ri sc o n n e c t e db yt c p i p a l lo ft h e s es o l v e dt h e k e yc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g u s i n gt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nw i r e l e s se t h e m e t ，w o r k s h o pw l a ni s c o n s t r u c t e da n dc o n n e c t e d 谢mt h et r a i n i n gc e n t e rl a n ，t h r o u g l lt h i s ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e n d n c l v e ra n dc n cm a c h i n ei sg o t b e s i d e st h e s eh a r d w a r e s ，t h en e t w o r k e dd n cs y s t e m p l a t f o r mc o n s i s t so f c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e 、m a n a g e m e n ts o f t w a r e 、c a d 、c a m 、c a p pa n ds 0 o n c o m m u n i c a t i o nt e s ti sm a d ei nt h ep l a t f o r mu s i n gt h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e ，a n dd i f f e r e n t p a r a m e t e r sa r ea l l o c a t e dd i f f e r e n ts y s t e m s ，a l lo ft h e s ew o r k sg u a r a n t e et h et r a n s m i s s i o no fn c c o d e sa n ds ) ，8 t e mp a r a m e t e r s i nt h em e a nt i m e ，n e t w o r km o n i t o rw o r k si nt h ep r o c e s s i nv i e wo f t h ec e n t e ra c t u a lt e a c h i n g s i t u a t i o n ，t e a c h e ra n ds t u d e n tr o l e s a r ee s t a b l i s h e du s i n gt h e m a n a g e m e n ts o f t w a r e ，a n dt h e s em e a s u r e sm e e tt h ed e p a r t m e n t sn e e d s a c c o r d i n gt oe q u i p m e n t s s i t u a t i o na n di n t e g r a t i o nb e t w e e nt h e m ，e q u i p m e n tt r e ei sc o n s t r u c t e d a n dt h em a n a g e m e n to f n c c o d e sa n dd o c u m e n t si sc o m p l e t e db ym ss q ls e r v e r t h ew h e e lm o l d sn e t w o r k e dc o o p e r a t i o nd e s i g na n do n l i n ep r o c e s s i n gi su s e dt op r o v et h e a c c u r a c y , v a l i d i t y , s t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，a n dl a i d t h ef o u n d a t i o nf o r t h en e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g sp r o m o t i o n i i 东南大学硕士学位论文 m a c h i n i n gc e n t e r , n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ，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 ， w i r e l e s se t h e r n e t , n e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：缉导师签名： v 毛h 主 j 日期： 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着数控机床的广泛应用及c a d c a m 技术的不断发展，作为连接数控设备与上层控制计算机基本 方法的d n c 技术已经成为实现c a d c a m 一体化的纽带，在车间自动化和工厂自动化中具有越来越重要的作 用。但在国内很多制造企业要实现数控机床联网，还存在以下的问题： ( 1 ) 各类机床控制系统通讯协议不一致 车间现有的数控系统繁杂，多种系统之间的通信协议不统一，每个控制系统一般都带有一个专用的 通信程序，造成相互之间互不兼容。一个企业购买机床的不同时期、不同种类、不同型号等，都会造成 n c 程序的可移植性差，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 ) 操作不便、劳动强度大 程序传输采用点对点的通信方式，不具备程序自动反应和检测功能，在进行机床与计算机的通信时， 必须两个操作者同时工作，一个在机床前操作机床，另一个在计算机终端前操作通信软件，二者交替操 作，才能完成通信t 作，可操作性差，且劳动强度大。 ( 3 ) 远程传输难以实现 一般r s 2 3 2 理论通信距离为1 5 米以内，否则信号衰减较大，误码率增加。有的车间对各台数控设备 加工程序的管理，采用一台机床配备一台台式电脑，利用r s 2 3 2 c 串行接口进行传输，这样一方面是资 源的浪费，并且车间恶劣的环境会造成维修成本的上升，同时也不能保证数控程序从服务器统一的调用 和管理。有的采用抱笔记本电脑等移动设备来实施，但由于车间离编程室都有较远的距离，技术人员来 回奔波于两地之间，浪费很多时间，不利于提高工作效率。 ( 4 ) 设备内存不足 部分老的数控系统，内存空间有限，对于大程序，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，频繁重复的零件准备工作浪费了大量的工作时间，直接影响到数控机床的效 率，加工程序反复编制也影响了程序的稳定性，增加了出错的可能性。 ( 5 ) 车间管理问题 许多操作者只对某一种数控系统较熟悉，这样就造成了操作人员与数控设备均不能发挥其最人的效 率。因此迫切需要对数控设备的群体控制以解决此类问题。 为解决上述诸多弊端，使数控设备更具操作性和群控性，提高操作人员和数控加工设备的效率，本 文依托东南大学机电综合工程训练中心的数控加工中心等设备建设了基于以太网的网络化制造平台。该 中心数控设备包括f a n u c 、s i e m e n s 、三菱、广州数控、华中世纪星五种数控车床系统，加工中心有 f a n u c 、s i e m e n s 、f a g o r 、h a a s 、四种系统。作为网络化制造中的核心数控设备，加工中心具有 其他设备无法比拟的优势。故本课题就借助中心的数控加工中心建设了网络化制造实验室。该实验室的 建立为高校培养网络化制造技术人才提供了一个平台，更为企业探索出了一条适合于异构设备的网络化 制造系统构建之路，为多种数控系统管理和维护过程提供有力的支持，通过规范数控系统的管理和维护 过程，并对数控系统的控制文件、控制参数和n c 加工文件进行统一管理，有效的解决制造企业在数控设 备管理和维护过程中出现的实际问题，使得数控系统的管理和维护易于进行。同时，课题的研究具有重 大社会效益和经济效益，主要体现在： ( 1 ) 解决数控加工中因使用纸带和手工编程而引起的问题，提高生产效率 数控加工中n c 程序的输入通常采用从控制面板上键入或通过穿孔纸带输入这两种方式。采用人工输 入方式工作量大，效率低且易出错。采用纸带输入也存在可靠性差、纸带长不易保管且制作费用高、周 期长等问题，影响了机床的使用率。d n c 技术可以很好地解决这些问题。采用d n c 技术可以大大降低由于 手工输入纸带式输入可能带来的失误，大大减轻工人的劳动强度，提高准确性。 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 为机械制造车间提供一种适合我国国情的、先进的运行模式 近年来数控机床在我国机械制造业的占有率旱逐年上升趋势，企业已经拥有大量的数控机床，但这 些数控机床除了极少数以柔性线方式运行外，大多数处于单机运行方式，使用水平和利用率普遍较低。 随着计算机技术、通讯技术以及数控技术自身的发展，企业纷纷提出将单台数控机床与计算机连结起来， 实现计算机的在线控制和管理。柔性制造系统f m s 虽是车间运行模式的一种重要形式，但1 t s 过分强调物 流自动化且投资成本高，从我国的技术环境、社会环境、投资能力和人员素质诸因素综合考虑，过多地 采用柔性制造系统是不现实的。d n c 技术不强调设备和物流的全盘自动化，在某种程度上可以说是去掉 了物流自动化的f m s ，并且可以充分利用现有的数控机床和普通机床，具有投资小、见效快、柔性好、 可大量介入人机交互等特点，因而自8 0 年代以米受到人们的重新重视，然而传统d n c 生产管理能力较弱， 不能满足当前车间自动化和信息集成发展的需要，因而具有管理功能的d n c 控制系统可以说是一种适合 我国国情、先进的车间运行模式。 ( 3 ) 解决我国目前存在的异构数控系统并存的集成问题 由于历史原冈制造车间往往同时拥有多种类型的数控机床，这些数控机床的数控系统冈生产年代和 生产国家、厂家不同，存在着多种档次和型号，造成了通讯接口繁杂。常见的通讯接口有：标准串行数 据通讯接口，其代表数控系统有：f a n u c o i ，s i m e n s 8 1 0 等系统：纸带阅读机和磁带录音机口，典型代表是 国内自行研制的经济数控系统：并行纸带阅读机与穿孔机的输入、输出口，典型代表有f a n u c t m ：通讯功 能强的d n c 接口：f a n u c l 5 系统、s i m e n s 8 5 0 等系统。由于这些系统的d n c 接口不完全一样，因而给车间设 备的集成造成一定困难。目前虽有些单位实现了某些异构数控系统的集成，但所集成的设备种类和设备 数鼍有限，且采用硬件方式实现，缺乏柔性。因而基于以太网和t c p i p 的异构数控系统的集成方法对车 间的设备集成和信息管理具有重要意义。 ( 4 ) 解决设备层通讯的实时性和可靠性问题 设备层位于车间底部，设备层的信息主要有n c 程序、加t 请求、异常报告、状态信息等，尤其是在 线加工，这些对系统实时性要求很高，而且由于位于加工现场容易受干扰因而可靠性难以保证。传统的 串行通讯不能很好地满足这些要求，m a p 的实时性也有所限制，因而必须寻找一种新的设备层通讯万式， 即基于以太网的设备层平台。 ( 5 ) 解决了系统兼容性和开发性的问题 制造车间不仅有人量的文本信息和需实时传送的n c 程序等加工信息，而且还有很多模拟量和开关量 信息，具有种类多、信息鼍大、实时性和可靠性要求高等特点。目前，车间大量使用的网络通讯技术有 局域网和串行通讯，而g a p 和现场总线等新技术在车间层实际应用还很少。因而建立基于以太网的d n c 网络通讯平台，实现了分层通讯，解决不同通讯接口的转换，不同通讯协议和通讯方法的兼容。 ( 6 ) 应用前景广阔，具有重要的应用推广应用价值 我国机械制造车间量大面广，这些制造车间在我国企业改制、改组、改造的一大环境下也都面临着 技术改造、结构重组等问题，目前正在寻找能使企业、车间具有生命力、竞争力的运行模式。基于以太 网的d n c 是适合我国企业实际情况、技术先进、投资少、见效快的车间运行模式，适用于所有数控机床 与普通机床并存的机械制造车间，具有广阔的应用前景和重要的推广应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 先进制造业的发展概况 2 1 世纪是知识经济的时代，知识经济的主要基础是高科技产业，o e c d ( 经济合作与发展组织) 将高 科技分为8 大类：信息科技、生命科技、能源科技、材料科技、环境科技、空间科技、软科技。作为上述 高科技基础的有5 个领域：信息科技、先进制造科技、材料科技、生命科技与集成科技。先进制造技术是 目前和未来世界科技发展的热点之一。 先进制造技术的发展趋势表现在：( 1 ) 集成化趋势。目前这一集成的特征正在向着深度和广度方向发 2 第一章绪论 展，已从企业内部的信息集成和功能集成发展到实现产品整个生命周期的过程集成，并将发展到企业间 的动态集成。( 2 ) 全球化趋势。制造全球化不仅指跨国公司，还包括：市场国际化，产品销售的全球网络 正在形成o 产品设计和开发的国际合作：制造企业在世界范围内的重组与集成，如动态联盟公司；制造资 源跨地区、跨国家协调、共享和优化利用。制造全球化有利于生产要素在全球范围内快速流动，最人规 模地合理配置资源，追求最佳经济效益。同样，信息技术、现代通信网络以及交通运输的高速发展也为 制造全球化奠定了物质基础和技术基础，从而使制造全球化趋势迅速发展。( 3 ) 网络化趋势。由于 i n t e r n e t i n t r a n e t 的迅速发展，给企业制造活动带来了新的变革，其影响的深度、广度和发展速度远 远超过了预测( 4 ) 柔性化趋势。制造柔性化是制造企业对市场多样化和外界环境变化的快速动态响应能 力，即是制造系统快速经济地生产出多样化新产品的能力。( 5 ) 绿色化趋势制造绿色化是指在制造过程 中尽可能地减少环境污染i 。 1 2 2 网络化制造技术研究 1 网络化制造的形成 制造环境伴随着网络经济时代的到来发生了根本性的变化，其面对的是全球性的市场、资源、技 术和人力的竞争。开放的国际市场使消费者的可选择性扩大到全球范同内，而个性化和多样化的消费需 求使得市场快速多变，无法捉摸，客户化、小批量、多品种、快速交货的生产要求不断增加。各种新技 术的涌现及其应用更是加剧了市场的快速变化。市场的动态多变性迫使制造企业改变策略，时间被提升 为首要因素。为适应动态变化的全球市场，制造业的竞争将会是柔性和响应速度的竞争，尽管传统的性 价比仍然是重要的竞争因素，但应经不再是决定性冈素。 面对网络经济时代制造环境的变化，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、以面向产晶为特征的制造模式已与之不相适应，需要建立一种市场需求驱动的、具有快速 响应机制的制造模式，这将是当前乃至今后若干长的时期内制造业所面临的最紧迫的任务之一，是制造企 业摆脱困境，赢得市场，掌握竞争主动权的关键。正是在这种背景下，网络化制造模式应运而生。 2 网络化制造的基本含义 网络化制造也可以称之为“基于网络的制造”，它的基本含义是：首先利用企业内部的网络，即 i n t r a n e t ，实现产品设计、制造及管理系统等各子系统的集成，进而通过i n t e r n e t 搜索产品的市场供求 信息、发现合适的产品及生产合作伙伴，建立动态联盟，开展产品的合作开发设计、制造以及产品的销 售等。 从广义上来说，企业利用计算机网络搜索产品的市场供应信息、搜索加工任务、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，以实现企业间的资源共享与优化组合利用和异地设计制造，大大提高企业对市 场变化的快速应变能力。 国家科技部关于网络化制造的定义为：网络化制造是按照敏捷制造的思想，采用i n t e m e t 技术，建 立灵活有效、互惠互利的动态企业联盟，有效地实现研究、设计、生产和销售各种资源的重组，从而提 高企业的市场快速反应和竞争能力的新模式。使用网络的企业与企业间可进行跨地域协同设计、协同制 造、信息共享远程监控及远程服务，以及企业与社会间的供应销售和服务等内容。在狭义上表现为企业 内部的网络化，即将企业内部的管理部门、设计部门、生产部门在网络、数据库技术支持下进行系统集 成。伴随计算机技术、网络技术在机械制造业的应用，网络化制造已成为制造业发展的必然趋势。网络 化具体需要解决的相关技术包括：数控代码的网络传输；工艺参数网络优化与传输；设计与制造的产品 数据模型管理：网上交流机制：工艺的设计和定义；工艺计划和调度；车间管理与控制。图1 1 是基于 i n t e m e t i n t r a n e t 网络化制造的信息模型图。 3 东南大学硕十学位论文 图1 - 1 基于i n t e r n c t i n l a n c t 网络化制造的信息模型图 3 网络化制造的上要特点 网络经济贝钉智能化、全球化、开放化、商述化、数宁化和虚拟化特点。嘲络化自0 迅以敏捷化、数 字化、动态化、作化、分敞化、集成化、和删络化为基本特征。其中敏捷化是快速响应市场变化和川 户需求的前提，主要表现d 瑚g 站构i ：f t c j 迅述重组、性能上的快述响戍、过程中的并行化以及分布a 的 挑策。这就必然要求网络化制造采用动态化、分敞化和协作化的逆作方式来组织生产。而集成化、数字 化和网络化作为网络化制造的存在基础和实现手段，保证丫该横式从理论向实际麻川的顺利转变 2 1 。 ( ”敏捷化 这里所指的敏捷化有两个含义。第一个含义足指通过实施刚络化制造，提高企业的创新产晶研制 生产能力、缩短产品开发周期，以最快的进度响廊市场和客户的需求，进而提高企q k 对市场的敏捷性。 第一个含义是企业设计实施的阿络化制造系统本身也应该能够根据应川需求的变化，灵活快捷地对系统 的功能和运行方式进行快建歪构。 ( 2 ) 数宁化 借助信息技术，州络化制造能够实现巍j l ：完全无i 璺纸的虚拟设计、数字化和虚拟化制造，帮助企 业形成信息化的组织架构，实现企业内部、企业外界的信息流、物流和资金流的顺畅传递从而保证 r 产品设计与制造周划的缩短，降低成本提高生产效率。 ( 3 ) 动态化 网络化制造联盟是制对市场需求和机遇，面向特定产品而组建的。市场和产品是网络化制造联盟 存在的先挑条什根据l h 场和产揣的动态变化，呵绪化制造联盟随之发生动态变化市场和产m 的机遇 不存在时，网络化制造联盟解敞，根据新的市场和产品的机遇重新纽建新的联墨 f 。 ( 4 ) 协作化 资源的充分利用体现在形成产品的价值链中的母环节。产品从设计、零部什制造、总漱，直到 产- 铺销传、售 j 服务，都需要网络联盟合作伙伴之问的紧密配合。这种协作化是一个快速响廊市场，完 成共同战略日标的优化过程。 ( 5 ) 分散化 嘲络化制遗的分散化具体体现在两个方面，其一是壹源分散化包括日遗硬件资源( 如设备、物 辩、人力和知识等) 分散在不同的组织内、不同的地域内、不同的文化条什f 等；其二是指制造系统中 生产经营管理决策的分散化。 ( 6 ) 集成化 由于资源和决策的分l 牧特性，要充分发挥资源的效率，就必颁将制造系统中再种分敞的资源能够 宴现实时集成，分| 搜资源的高教集成足时络化制造闩标之一。 第一章绪论 ( 7 ) 阿络化 现代通讯技术的发展健进了网络联盟的形成。由于制造资源和市场的分敢，实现快速重组必须建 立在网络化的基础之上。因此纽建高教的呵绍联盟需要将| l 予网络作为支撑环境井充分应用现代化 通讯技术与信息技术。 4 网络化制造系统的体系结构 阿络化制遗系统是企业在网络化制遗模式的指导思想、相关理论和方法的指导下在呵络化制造 集成平台和软件工具的支持下，结台企业具体的业务需求设计实施的基于网络的制造系统。网络化制 遗系统的结构如同l 之所示，一共分为四层，再个层的功能依次如下。 ( i ) 基础层 主要为实施阿络化制造提供基础的直持，包括计算机网络平台、基础数据库、网络化制造相关标 准等。 ( 2 ) 应用i 使能 。且层 包括网络化制造所需要的应用软什系统( 如c a d c a p p c a e c a m 、p d m 、e r p 等) 和使能丁具 ( 项目管理、企业建横与诊断、设备互联普) ( 3 ) 阿络化制造应用系统层 它包括了实施州络化制造所需的罐主要的功能。如共享信息平台、敏捷企业协作平台、产品协同 设计制造系统、在线远程制造服务、资源兆享、电子商务等。 ( 4 ) 企业川户层 通过互联网实现企业互联在项目臂理和过种骨理系统的支持下开艘企业时绺化制遗实际戍。 应用与使用工具层 基础层 圈1 - 2 阿络化制造系统的结构 网络化制造系统的体系结构是描述网络化制造系统的一组模型的集合，这些模酗描述了网络化制 造系统的功能结构、特性和运行方式。 根据制造业的发展和现状，网络化制造系统的体系结构可分为5 类：面向独立企业的网络化制造 系统；面向企业集团的网络化制造系统；面向行业的阿络亿制造系统；面向区域的呵络化制造系统 面 向动态联盟的阿络化制遗系统。 5 网络化制造的重要意义 以i b t e r n e t 为代表的网络技术灶对2 1 世纪人类发展影响蛀人的技术之一。对制造业来说，i n t e r n e t 的崛起，既是一场严嫒的挑战，也是一个难得的机遇。网络技术、通信技术、计算机技术的结合正在j j 一种新的形式把耩个社会连接在一起，形成一个全新帕网络社会政变着人类生活的各个方面。在经济 领域，网络技术正在使经济活动方式发生极大的变化，促使全球经济一体化，形成种全新的网络经济 对制造业来说，这恰恰是一个十分难得的机遇。自觉、主动地利用佰息技术来改造和强化自身依托网 络实现本地和异地企业信息、资源的共享，改造企业现行不合理的组织结构采用先进的数字化、信息 化、智能化、集成化的制造藏略，实现制造过程的低成本运行努力提高对市场需求的快速响应能力和 市场竞争能力，这才是制遗业的发展创新之路j ，f 展阿络化制造涉及判制遗企业肌产舳市场定位、产品设计、制造、供钠、维修服务、管理秤个 东南大学硕士学位论文 环节的改造调整，是以现代信息处理技术、网络技术以及自动控制技术和设备，对制造业企业进行全方 位、多角度、高效和安全的改造，同时，系统集成产生着新的先进制造技术促进制造技术本身的发展。 网络化制造可以实现制造的敏捷、优质、高效、低耗、清洁，是现代制造业的一项前沿技术。因此，与 之相关的关键技术、应用技术的攻关，相关产品的开发和产业化、应用服务体系的建立和相关政策环境 的建设，企业和行业的应用示范等，必然是网络化制造重要的项目内容。 开展网络制造工程，对于盘活、用好企业现有资源，提高相关企业的创新能力和市场竞争力，实现 区域资源优化与产业结构调整，促进大型集团公司的结构和产业升级，改造和提升传统制造产业，实现 经济增长方式的根本转变，满足我国进入w t o 后参与国际竞争的需要，具有直接的现实意义而且这对于 带动我国制造业整体科技进步，带动我国企业改革的深化，促进区域经济和国民经济持续发展，促进我 国先进制造技术发展，促进软件和其他信息产业的发展，从而实现“以高新技术改造传统产业，以信息 化带动工业化，以工业化促进信息化，实现生产力的跨越式发展”的宏伟目标，具有重大的战略意义p j 。 1 2 3d n c 系统概述 1 d 1 n c 的基本概念 美国电子工业协会( e i a ) 给d n c 系统的定义为：d n c 是一个为按要求向各台机床分配数据，并将一组 n c 机床与存储零件程序或机床程序的公用存储器连接起来的系统【4 】。 d n c 是指用一台计算机对多台数控机床实施综合数字控制的一种方式，是车间自动化的重要组成形 式。d n c 最早的含义是直接数字控制( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，也称“群控”，指的是将若干台数 控设备直接连接到一台中央控制计算机上，由该计算机负责n c 程序的管理和传送，解决了因使用纸带输 入数控加工程序而引起的一系列问题。直接数控系统的一般结构如图卜3 所示。 中央计算机 l 多个串口或多路通信转换器 l j 一一l 图1 - 3 直接数控的一般结构 七十年代，随着c n c 技术的不断发展，数控系统的存储容量和计算速度都有了很大的提高，d n c 的含 义由简单的直接数字控制延伸到分布式数字控制( 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 ) 。它不但具有直接 数字控制的所有功能，而且具有收集系统信息、监视系统状态和远程控制等功能。分布式数控的一般结 构如图1 - 4 所示。 6 第一章绪论 图1 - 4 分布式数控的一般结构 局域网 八十年代，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 相比己有很大区别，它开始着眼于车间制造的信息集成，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。而对物流等信息可以在条件成熟时再扩充，既适用于现有的生产环境，提高生产率，又节 省了成本。 随着计算机技术、通讯技术以及数控技术自身的发展，d n c 系统从以单纯n c 程序传输为主要功能的 传统d n c ，而发展成新型集成d n c 或称广义d n c 。这种集成化d n c 系统以计算机、通讯与数控等技术为基础， 把与制造过程有关的设备与上层计算机集成起来，从而实现制造设备的集中控制管理，集成通信、计划、 管理、设计等功能于一体，是现代化机械加工车间实现设备集成、信息集成和功能集成的一种新方法， 是车间自动化的重要模式。 2 d n c 的应用现状及发展趋势 近儿年，随着计算机技术、通讯技术、控制技术以及数控技术自身的发展，传统的d n c 已不能完全 满足制造自动化的需要，必须扩展d n c 的管理功能和加强与上层设计、管理等系统的集成。对此，国内 外学者纷纷提出新的d n c 概念。如，美国计算机集成制造公司副总裁d l f i r m 提出的“b r o a ds c o p ed n c ” ( 宽目标d n c ) ；1 9 9 0 年，南京航空航天大学方水良博士提出的f d n c ( 柔性d n c ) 等。“b r o a ds c o p ed n c ” 是针对现有d n c 与早期d n c 相比功能已大为扩展而提出的：而f d n c 的提出是因为“随着d n c 的不断发展，d n c 系统与f m s 系统的界限越来越模糊，d n c 己成为f m s 必不可少的一部分1 5 。近几年重庆大学张旭梅、刘飞 等几位博士又提出了“d n c ”( 集成d n c ) 的概念，由于集成d n c 概念更能反映现代d n c 集成管理的特点而受 到关注。 归纳d n c 技术的最新研究成果，主要有以下几点嘲： ( 1 ) 数控系统更多采用高性能微机以提高d n c 系统开放和集成能力 在过去的十几年中，i b mp c 机体系结构的普及，已成为越来越多的微型机的标准，又由于它的成本 低，技术人员对其熟悉性，可靠性的不断增长，性能的不断提高与完善，特别是通用p c 体系结构被越来 越多的人所接受，应用面越来越宽，己被定为“工业标准体系结构，【7 】。所以，在数控系统体系结构上， 提出以通用p c 机体系结构为基础设计开放式数控系统平台，并在此基础上，与通用p c 机互连构成分布式 数控系统。这样可以充分利用通用p c 机的现有大量软、硬件资源。 ( 2 ) 柔性制造技术的移植 由于d n c 对系统的集中管理监控功能的增强，今后人们对d n c 系统的研究重点一个是在通讯方面，另 一个就是在生产管理和调度软件方面。最近一些研究人员尝试将多年来在f m s 生产管理方面的大量研究 成果及实用经验应用于异构数控机床d n c 集成系统中【8 】。这种技术线路可以为那些过去长期从事f m s 研究 的人们，利用d n c 系统实现自动化机械加工车间集成化生产管理，提供一条快捷有效的途径。 ( 3 ) 高速化数据通信技术的发展及现场总线的应用 在数控加工中，对于复杂零件的加工，如汽车模具中大量的曲线，用c a d c a m 生成的基于微小直线 段的n c 程序能达到几兆赫。这种情况下大多采用一边传送一边加工的方式进行加工，此时，传递的数据 必须止确且实时性要求极高。所以，1 9 2 0 0 波特率以上的高速数据通信技术的研究在许多汽车模具制造 7 东南大学硕士学位论文 企业中受到重视。更值得注意的是，为了提高d n c 系统集成的可靠性和开放性，以及适应d n c 系统功能和 通信功能不断扩展、增强的趋势，基于总线结构的现场总线技术将得到广泛使用，而点对点星型拓扑结 构应用将减少。 目前，d n c 系统的进一步发展主要有以下几个方面： ( 1 ) 高度集成化c a d c a m 系统的发展及其与d n c 系统的集成，使信息从设计分析到制造管理高度集 成。 ( 2 ) 制造设备、装运设备及存储设备的高度自动化和柔性化。 ( 3 ) 现场总线作为底层通信网络技术将迅速得到广泛使用。 ( 4 ) 网络制造以及d n c 在加工过程中的在线监控将成为d n c 研究的热点。 ( 5 ) 网络安全在网络制造领域承担越来越重要的角色。 3 d n c 系统数据通信技术 通信技术是面向网络制造的d n c 系统最关键技术，它也是实现设备集成和信息集成的基础，d n c 系 统涉及的主要通信技术有：局域网、串行通信和现场总线等。 ( 1 ) 局域网通信技术 随着计算机技术和计算机网络技术的发展，计算机联网己成为企业和车间的一般要求，局域网的发 展也为车间、企业的信息集成带来了可能1 9 l ，局域网在集成的d n c 系统中可用于工厂层、车间层、单元 层和工作站层的计算机联网过去，单元控制器与工作站的连接多采用串行通讯，随着网络技术的发展 和价格的下降，现在更多的考虑采用局域网方式。 d n c 系统中常见的局域网有e t h e r n e t ( 以太网) 和d e c n e t 等。其中，e t h e r n e t 是d n c 系统中使用最多 的一种计算机局域网。它以使用c s m a c d ( 载波监听) 技术，作为对介质( 总线) 访问的技术，采用同 轴电缆作为总线传输媒体。以太网于1 9 7 0 年由施乐( x e r o x ) 公司首次开发，1 9 7 6 年x e r o x 建造了一个传 输速度为2 9 4 m b p s 的c s m a c d 系统，该系统就称为以太网。2 0 世纪8 0 年代，d e c 、i n t e l 和x e r o x ( d i x ) 共同开发，起草了一份1 0 m b p s 速率的以太网标准，称为“蓝皮书标准”，这就是以太网标准的第一版 ( e t h e r n e tv 1 ) 。1 9 8 5 年，他们又对第一版进行了改进，公布了以太网标准第二版( e t h e r n e tv 2 ) 。 i e e e 8 0 2 以e t h e r n e tv 2 为基础，制定了8 0 2 3 c s m a c d 局域网标准。自i e e e 8 0 2 3 5 9 准公布以来，以太网 技术的应用越来越广泛。到目前为止，在1 0 m 以太网技术的基础上又开发了1 0 0 m 快速以太网、1 0 0 0 m 高速 以太网和高带宽、全交换的以太网技术。最简单的以太网的结构是由若干个工作站组成，这些工作站连 接在一个单独的以太网段上，如图1 - 5 所示为1 0 b a s e 5 以太网的网络结构，它由4 个结点和一台服务器组 成。 最长5 0 0 米 图1 - 51 0 b a s e 5 以太网的网络结构 d n c 系统使用的网络通信协议主要有t o p 、m a p 和t c p i p 协议等。互联网协议i p 和传输控制协议t c p 一起构成著名的t c p i p 协议，它是事实上的网络互联标准，目前绝大部分网络操作系统都支持它，如 n e t w a r e ，w i n d o w sn ts e r v e r l a ns e r v e r l i n u x 等。 8 第一章绪论 ( 2 ) 串行通信技术 串行通信通常可采用并行或串行两种传输方式，并行传输抗干扰能力差，不宜用于长距离传输，尤 其是在环境较恶劣的加工车间。串行方式使用线路少，单向的串行传递只要一条信号线，而并行传递方 式中