（机械设计及理论专业论文）数控加工设备网络化技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术的普遍运用和发展，智能化、网络化成为当代数控机床发展的主要 趋势。目前，国内企业所拥有的数控机床设备有些比较落后，与外界的通信大多均采用 r s 一2 3 2 串行口。这种通信方式的最大缺点是通信线路不能太长，无法直接实现远程控制 的需求。针对目前企业网络制造存在的具体技术问题，提出了“数控加工设备网络化技 术研究”。 本文以大连理工大学工程训练中心现有的数控设备x h 7 1 4 立式加工中心为研究对 象，利用该加工设备配有的r s 一2 3 2 c 串行接口作为通讯口，以v c + + 6 o 作为开发工具，进 行了以下几方面的研究： ( 1 ) 以一种经济和可行的方法应用于现有数控机床，使其适应网络化制造的需要。 数控机床远程控制主要解决远程计算机在数控加工时n c 程序的上传和下送。根据机床的 加工能力，合理分配机床的加工任务，保存机床的n c 程序。通过远程i n t e r n e t 将n c 程序 正确地传输到数控加工设备上，解决数控设备的上网工作。对于通信口为r s 一2 3 2 串行口 的机床，必须应用协议转换联网控制策略。 ( 2 ) 将由远程计算机上的c a d c a m 软件直接生成的数控程序、控制参数等文件传输 到服务器上，在通过服务器将数控加工程序以文本文件的形式通过d n c 软件传输到数控 加工机床上的存储器内：实现数控程序的传输、控制参数等的远程调用、网络传输和实 现实时加工。 ( 3 ) 采用基于可视化界面的v c + + 6 o 作为开发平台，进行仿真的功能设计和用户界 面设计，开发了“数控加工仿真系统”软件，其可对由c a d c 州软件生成的加工程序进 行机床加工过程的模拟仿真，验证这些程序的正确性，并提供机床参数、进行了加工刀 具路径仿真，从而使设计者能更好的根据数控设备的参数设置来优化数控加工程序。 关键词：网络制造；串口通讯；数控程序仿真 李微波：数控加工设备网络化技术研究 s t u d yo nn e t w o r kt e c h n o l o g yo f n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l a b s t r a c t w i 也t h e 、i d eu s i n go fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r ka r eb e c o m i n gt h e m a i nd i r e c t i o no ft h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 a tp r e s e n t ，s o m ee n t e r p r i s e si nt h e h o m ep o s s e s st h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lm a j o r i t yi sq u i t eb a c k w a r d ，t h e s em a c h i n e t o o l su s er s 一2 3 2s e r i a l c o m m u n i c a t i n gw i t ho u t s i d e 1 1 ”b i gd i s a d v a n t a g eo ft h i s c o r r e s p o n d e n c ei st h el o cc a nn o tb et o ol o n ga n dt h er e m o t ec o n t r o li su n a b l ed i r e c t l yt o a c h i e v e i na l l u s i o nt ot h et e c h n i cp r o b l e mo fn e t w o r km a n u f a c t u r i n gi ne n t e r p r i s e ，p u t f o r w a r d “s m d yo nn e t w o r kt e c h n o l o g yo f n cm a c h i n et o o l ” t 1 l i sp a p e rg i v e sad e t a i lr e s e a r c ht ox h 7 1 4v e r t i c a ln u m e r a lc o n t r o lm a c h i n i n gc e n t e r o f t h ee n g i n e e r i n gt r a i n i n gc e n t e ro f d a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y i tu s e sr s - 2 3 2 c s e r i e si n t e r f a c ea sac 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 抖6 0a sae m p o l d e rt 0 0 1 g i v es o m e r e s e a r c ha sf e l l o w s ： ( 1 ) u s i n gae c o n o m i ca n dv i a b l em e t h o da p p l yw i t hn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l w h i c hi ne x i s t e n c e t h u sl - u a k et h e mf i tt h er e q u i r i n go fn e t w o r km a n u f a c t u r i n g 刀瞎r e m o t e c o n t r o lo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o li sd u et ot h ep r o b l e mw h e ni nn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n i n gh o w t os o l v et h en cp r o g r a mo f r e c e i v i n ga n ds e n d i n g a c c o r d i n gt ot h ea b i l 时o f m a c h i n et 0 0 1 d i s t r i b u t et h em a c h i n i n gt a s ki nm a s o n , s a v et h en cp r o g r a m w ec a ns o l v et h e p r o b l e mo fm a c h i n et o o l 、 ，i mw e ba n du s i n gi n t e m e tp u tn cp r o g r a mi ne v e r ym a c h i n et 0 0 1 w ei n t r o d u c ep r o t o c o lc o n v e r s i o nu n i t i n gw e bs t r a t e g yt og e to v e rt h em a c h i n et o o lw i t l l r s 2 3 2s e r i a l ( 2 ) t r a n s m i tn cp r o g r a ma n dc o n t r o l sp a r a m e t e re t cm a d eb yc a d c a ms o f t w a r eo n r e m o t ec o m p u t e rt os e v e rp c t h e ns e v e rp ct r a n s m i tt h e mi n t ot h em a c h i n et o o l ss t o r eb y d n cs o f t w a r ea st e x tf i l e ；r e a l i z i n gt r a n s f e r so f n c p r o g r a ma n dc o n t r o l sp a r a m e t e rc t c ，a n d m a c h i n i n gi nr e a lt i m e ( 3 ) m 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 da se m p o l d e rt 0 0 1 i m i t a t e f u n c t i o na n du s e ri n t e r f a c ea r ed e s i g n e 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 t w a r ei s d e v e l o p e d ，t o o b yi t ，n cp r o g r a m sm a d eb yc a d c a ms o r w a r ea r ei m i t a t e da sm a c h i n e t o o lm a c h i n i n gi no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so f t h ep r o g r a m c n c ss e t t i n gp a r a m e t e r s c a l lb ei n q u i r e da b o u t m a c h i n i n gt o o l sr o u t ei si m i t a t e dt om a k ed e s i g n e rt oo p t i m i z en c p r o g r a m sb e t t e rb a s e do nc n c ss e t t i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：n e t w o r k m a n u f a c t u r i n g ；s e r i e sc o m m u n i c a t i o n ；n cp r o g r a mi m i t a t e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。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，也不包含为获得大连理工大学 或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：生缝选 导师签名： 垒塑5 年卫月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 第一章绪论 1 1 数控机床基本概念 数字控制机床( n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s ) 简称数控机床，这是一种将数字计 算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表 示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床 的动作，按图样要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好的解决了复 杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代 表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。【i j 1 1 1 国内外数控技术发展现状 2 0 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机技术及控制技术 在机械制造设备中的应用是制造业发展的最重大的技术进步。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) 以来至今己经历了5 0 多个年头。数控设 备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制 造设备家族，每年全世界的产量有1 0 - 2 0 万台，产值上百亿美元。随着科学技术的不断 发展，制造业也随之发生了翻天覆地的变化，各种先进制造技术正逐渐地应用于制造系 统中。制造系统正向着数字化、集成化、并行化、网络化及柔性化的方向发展i 2 7 j 。在 现代制造系统中，数控加工设备已成为制造系统的核心设备，是现代机械制造系统的重 要组成部分。数控设备是机械、电子、自动控制理论、计算机和检测技术密切结合的机 电一体化高新技术产品，它能把机械装备的功能、可靠性、效率和产品质量提高到一个 新水平，使机械电子行业发生深刻的变化。由于数控加工设备在制造业中的重要地位， 世界上近1 0 年来，数控机床的数量增加了1 0 倍，日本的数控机床品种已达1 3 0 0 多种，机 床产值数控化率为7 0 ，有些现代化机械加工车间，使用机床的数控化率已超过9 0 【8 1 0 1 。 我国是继美国、日本之后的第三个数控机床拥有量的大国。 我国数控机床制造业在8 0 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实 现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在9 0 年代初期 面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时 生产能力降到5 0 ，库存超过4 个月。从1 9 9 5 年“九五计划”以后国家从扩大内需启动 机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻 关，对数控设备的生产起到了很大的促进作用，尤其是在1 9 9 9 年以后，国家向国防工 业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2 0 0 0 年8 李微波：数控加工设备网络化技术研究 月份的上海数控机床展览会和2 0 0 1 年4 月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种 产品的繁荣景象。但也反映了下列问题： 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销； 高技术水平、全功能产品主要靠进口； 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进 口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前 我国是全世界和机床拥有量最多的国家( 近3 0 0 万台) ，但我们的机床数控化率仅达到 1 9 左右，这与西方工业国家一般能达到2 0 的差距太大。日本不到8 0 万台的机床却 有近1 0 倍于我国的制造能力。数控化率低，己有数控机床利用率、开动率低，这是发 展我国2 1 世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床 3 0 0 0 4 0 0 0 台，日本1 年产5 万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口7 0 0 0 9 0 0 0 台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家 计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针。当时提出数控化改造的 设备可达8 1 0 万台，需投入8 0 1 0 0 亿资金，但得到的经济效益将是投入的5 - 1 0 倍以上。 因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。“十五” 刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6 8 亿元，用于对1 2 - 1 8 万台机 床的数控化改造。 1 1 2 国内外数控系统技术的总体发展趋势 新一代数控系统采用开放式体系结构： 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出开放式体系结构 的新一代数控系统。开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、网络化方向进一步发展。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。开 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。开放式体系结构可 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 大连理工大学硕士学位论文 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，使系统 体积更小，更加小型化、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、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开放的，由于有充足的软、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，既可通过升级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。 这种数控系统可随c p u 升级而升级，结构上不必变动。 新一代数控系统控制性能大大提高： 数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展， 数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前 馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动 参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故 障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动 识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已实用化。 总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、 高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。 1 1 3 数控机床组成 ( 1 ) 机床主体 机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主 轴箱、进给机构、刀架即自动换刀装置等机械部件。根据零件不同的加工方式分车床、 铣床、钻床、镗床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型机床。 ( 2 ) 数控装置 数控装置是数控机床的核心，现代数控装置均采用c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 形式，它包括硬件( 印刷电路板、c r t 显示器、键盘、纸带阅读机等) 以及相应的软件。 c n c 装置用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插 补运算以及实现各种控制功能。现代数控系统提供了多种程序输入方法，如通过面板人 工现场输z , ( m d i 方式) 、通过磁盘驱动器输入、通过串行通讯口输入及传统的纸带阅读 机输入等。现代数控系统均配置有大容量存储器r a m 来存储已输入数控系统的加工程 序。通过数控系统的显示器及键盘可现场对内存中的加工程序进行编辑与修改。 ( 3 ) 伺服系统和测量反馈系统 李微波：数控加工设备网络化技术研究 伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺 服控制。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给 驱动单元和主轴伺服电动机组成。步迸电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常 用的驱动装置。 1 l - t 2 j 测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的 数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出 达到设定值所需的位移量指令。 ( 4 ) 数控机床的辅助装置 辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装鹭包括： 气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明 等各种辅助装置。 ( 5 ) 程序载体 现代数控机床不仅可以用c n c 装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以利用自 动编程机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上( 如纸带、磁带、磁 盘等) ，然后送入数控装置。对于较为复杂的零件，一般都是采用这种自动程序编制的 方法。 数控机床的构成如图1 1 所示。 图1 1 数控机床构成 f i g 1 1c o n s t i t u t e so f n om a c h i n et o o l 1 1 4 数控机床的特点 与通用机床和专用机床相比，数控机床具有以下主要特点 加工精度高、加工质量稳定可靠： 大连理工大学硕士学位论文 能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工； 生产效率高； 对产品改型设计的适应性强； 有利于制造技术向综合自动化方向发展； 监控功能强，具有故障诊断的能力； 减轻工人劳动强度，改善劳动条件。 1 1 5 数控机床的发展 从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了5 3 年 历程。数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段： 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 ) 。到8 0 年代，总体发展 趋势是：数控装置由n c 向c n c 发展；广泛采用3 2 位c p u 组成多微处理器系统；提 高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便予裁剪、扩展和功能升级，满足不同 类型数控机床的需要：驱动装置向交流、数字化方向发展；c n c 装置向人工智能化方 向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。1 1 3 总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越 高，性能价格比也越来越高。到1 9 9 0 年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统 约1 3 万台套。 1 2d n c 含义及组成 1 2 1 基本概念 d n c 是d i r e c tn u m o f 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州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，提高生产率，又节省了成本。 近些年，又出现了很多新的d n c 概念。如1 9 8 7 年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 ”，认为在c i m 的推动下，d n c 已不仅仅作为编 程系统( d n c 主机) 和c n c 机床的一种连接方式，而是可扩充到支持车间级数据的人工 采集( 通过键盘录入) 、半自动采集( 使用条形码) 和全自动采集( 通过全闭环系统的离散信 号采集) 。 1 9 9 0 年南京航空航天大学方水良博士提出的“柔陛d n c ”( f d n c ，f l e x i b l e d n c ) ， 认为随着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 已成为f m s 必不可少的一部分，并将d n c 系统用作f m s 的通信和控制模块。 1 9 9 8 年重庆大学张旭梅博士提出“集成d n c ”( i d n c ，i n t e g r a t e dd n c ) ，强调“扩 展d n c 的管理功能和与d n c 系统外的信息集成”。将其定义为：“集成d n c 是现代 化机械加工车间的一种运行模式。它以数控技术、通讯技术、计算机技术和网络技术等 先进技术为基础，把与制造过程有关的设各( 如数控机床等) 与上层控制计算机集成起来， 从而实现制造车间制造设备的集中控制管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算机 之间的信息交换”。d n c 集成的模式可根据车间的规模大小不同，构成不同的结构层 次，有a ) 工作站层和设备层2 层控制结构，b ) 车间层、工作站层和设备层3 层控制结 构，c ) 车间层、单元层、工作站层和设备层4 层控制结构，d ) 跨车间控制结构。 1 2 2d n 0 的国内外的发展状况 d n c 的基本功能是下传n c 程序。随着技术的发展，现代d n c 还具有制造数据传 送叫c 程序上传、n c 程序校正文件下传、刀具指令下传、托盘零点值下传、机器人程 序下传、工作站操作指令下传等) 、状态数据采集( 机床状态、刀具信息和托盘信息等) 、 刀具管理、生产调度、生产监控、单元控制和c a d c a p p c a m 接口等功能。 关于d n c 技术的研究，主要集中在以下几方面： ( 1 ) d n c 接口技术研究 d n c 接口的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 远程控制。只具备第一种功能的叫基本d n c ；具备前两种功能的叫狭义d n c 三种功 能均有的叫广义d n c 。最早期的d n c 用d n c 主机取代纸带阅读机，因而只有下传n c 大连理工大学硕士学位论文 程序这一种功能；八、九十年代生产的数控系统绝大多数配有r s 2 3 2 c 通讯接口，这类 数控系统可实现上、下传n c 程序这两种功能；九十年代生产的数控系统很多都带有专 门的d n c 接口电路板，能实现上述三种功能，如f a n u c 0 、f a n u c l 5 、f a n u c l 8 等 系统，有的系统甚至配有m a p 3 0 等网络接口。 国外各大数控公司都非常重视专用d n c 通讯接口软硬件的研究。如日本的f 蝴圮 公司研究了两种接口：d n c i 和d n c 2 。d n c i 采用专用控制计算机，同步方式传输， 具有很高的传输速率，可完全实现实时控制：d n c 2 采用通用计算机，异步方式传输， 速度稍低些。d n c i 和d n c 2 均为一块标准的插件板，直接插入数控系统的总线插槽， 再借助专用通讯软件即可实现广义d n c 功能，d n c 2 有近4 0 项具体功能。美国各大数 控公司更是纷纷推出了各种d n c 接口产品，如r e m e xd n c 、r y b e 订c a m s h a r e d n c 以及s h o p 眦d n c 等。 国内关于d n c 接口技术的研究更为活跃。由于国内还存在大量早期进口的 f a n u c 6 m 、f a n u c 7 m 、s m u m c r i k 8 5 0 等不具有广义d n c 功能的数控系统，因而只能 在原有数控系统的基础上进行改造。如对f a 矾c 6 m 和7 m 的d n c 接口进行研究，其 方法均通过研制一块专用、以8 0 5 1 单片机为核心、具有双向通讯功能和i o 控制功能 的d n c 通讯接口电路板来使所研究的数控系统具有广义d n c 功能。 ( 2 ) d n c 结构和d n c 通讯结构研究 d n c 结构是指d n c 主机与数控系统的接口形式，而d n c 通讯结构则指d n c 主机与数 控系统的通讯拓扑结构。 常见的d n c 结构形式有： 接口配置为穿孔机输入接口。 接口配置为纸带阅读机输入接口。 接口配置为r s 2 3 2 c 接口。八、九十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。这种结构在不需要远程控制和状态采集的 场合应用较多。 接口配置为d n c 接口。现在进口的高档数控系统有些具有d n c 通讯接口，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d n c 接口卡并运行相应的软件来 实现数控系统所带的各种d n c 功能。 接口配置为网络接口。少数进口的高档数控系统具有接口，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 等网络通讯接口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。 李微波：数控加工设各网络化技术研究 接口配置为进行直接数控的计算机。现在有些数控系统采用计算机直接数控方 式，即直接用一台通用计算机来控制数控机床。这种数控系统的d n c 结构则为通用计算 机r s 2 3 2 c 串行通讯接口的互连。 常见的d n c 通讯结构形式有： ( 1 ) 点到点式 d n c 主机与数控系统的拓扑结构为星型结构，即通过d n c 主机的r s 2 3 2 c 串行通讯 口与数控系统进行点到点连接。这是一种最常见、最简便的连接方式，但存在所连设备 有限、通讯距离短、通讯速率低、通讯竞争不易解决等问题。 ( 2 ) 现场总线式 d n c 主机与数控系统通过现场总线连接。这是一种总线式结构。在d n c 主机与数控 系统之间通常要通过现场总线接口板进行接口转换。这种方式可克服点到点式连接中存 在的问题，是目前底层设备连接方式的发展方向。 ( 3 ) 局域网式 d n c 主机与数控系统通过局域网连接。这种方式要求数控系统具有网络接口。这也 是一种较先进的d n c 通讯结构形式，但相对现场总线方式来讲，实时性要差些。 1 2 3d n c 发展趋势 现场总线( f e i 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。现阶段最具代表性的现场总线有p r o f i b u s 、基金会现场总线和c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 。制造自动化协议m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 是通道存 取方式为t o k e n - b u s 的宽带l a n ，它符合i e e e 8 0 2 4 标准。所有智能化了的设备可以通 过一个统一的接口与该网络连接，以避免不同控制系统与计算机系统之间信息交换而造 成的耗费。m a p 网是目前应用非常广泛的工业网，它是以开放式系统和i s o 七层参考模 型为基础的宽带系统通信网络。m a p 是将宽带技术、总线技术和无源工作站耦合溶为一 体，从而高度保证了信息无错传输。从技术的角度来说，m a p 通过国际标准的制定把工 业控制中的数据通信向前推进了一步。尽管m a p 不能够完全覆盖工业控制领域中的整个 通信要求，从现场层上的应用来说，m a p 的网络存取费用很高；但由于国内d n c 系统的 通信结构多为点到点式，只有少数为局域网式。即使为局域网式，也只是d n c 主机连到 局域网上，d n c 主机与机床数控系统的连接仍为点到点式；我们认为应大力推广使用m a p 应用。因为它能容易地将车间中的机器人、n c 机床及其它数控设备联结到工厂网络中， 大连理工大学硕士学位论文 实现信息的集成与信息管理的自动化。另外为解决数据大量高速传输、实时性、通讯距 离长等问题，发展高速化数据通讯技术及大量使用现场总线( f i e l db u s ) 就成为必须。 我们认为未来十年d n c 集成系统将是f i e l db u s 时代。 1 3 网络数控通讯发展现状 现在国内摘网络数控虽然刚刚起步，但研究的厂商也是不少，如北京东方嘉志公司 与东方亚太公司开发的i i n d n c 。w i n d n c 系统是w i n d o w s 下的一个应用程序，运行于p c 及其兼容机。它本身是一个多任务通信软件，该系统在进行r s 一2 3 2 串口通信的同时， 还可同步进行文件编辑，p l t 文件转换或加工程序验证，这为正确传输n c 程序提供了良 好的辅助手段。为完成这些工作，除了r s 一2 3 2 多用户卡外( 1 对4 以上系统) ，该系统不 需要附加其它硬件。w i n d n c 能充分利用p c 机的硬件资源，其总体性能可与国外同类产 品相媲美。 国外在这方面的技术已经很成熟，尤其是美国p r e d a t o rd n c 软件，用p r e d a t o rd n c 控制的计算机控制网络，不仅可以在同一时间支持2 5 6 台数控机床和每台电脑之间的信 号发送，接受d n c 文件的传输，而且还可以按照厂房和工作中心分组，组织数控机床， 随时了解其中任意一台机床的运行情况，随时可以对它进行发送传输操作。它所具备的 远程访问和控制功能可以让操作者通过对数控机床的操作，直接完成与远程电脑之间的 发送，接受d n c 文件的传输，同时也让操作者看到电脑上的数控程序的目录清单，节省 操作人员在电脑和数控机床之间来回奔波的时间，提高了工作效率。更可以把客户端计 算机连接到p r e d a t o rd n c 服务器上，使p r e d a t o rd n c 客户端用户可以在世界的任何地 方连接到d n c 服务器上。p r e d a t o rd n c 软件在全球的销售是非常大的，因其强大的功能， 简便的操作，具有非常高的性价比，深得全球各大机床制造公司的青睐。世界最大机床 制造商之一的德国德马吉( d m g ) 机床公司就指定p r e d a t o rd n c 作为本公司出产机床的联 网软件。 a s c e n d a n t t b c 矾o l o g i e s 公司所开发的e x t r e m e d n c 专用数控机床通信软件，广泛地 用于各种不同类型数控机床的数据文件的编辑、发送、接收、d n c 、远程控制以及数控 程序的轨迹校验。 1 4 本课题意义 以数控机床为核心设各的现代机械制造系统具有控制规模大，自动化程度高和柔性 化强的特点。由于制造系统的结构越来越复杂、价格愈来愈昂贵，如何提高机床的利用 率就成为人们所关注的问题。多数数控机床都存在同样的问题：内存容量小，不适应复 杂、大型面、高精度、长程序零件的加工，而且数控加工程序主要由手工输入。随着网 李微波：数控加工设备网络化技术研究 络技术的发展，如果能够通过网络，直接将加工程序实时的传输到机床上，可以较大幅 度地提高机床的利用率，即网络制造技术。 网络制造是随着计算机网络技术的发展形成的一种新型制造模式，它以计算机网络 技术为基础，通过计算机网络来实现异地加工，最大限度的共享有限的企业资源，实现 企业间的相互协作。由网络数控制造技术所产生的计算机集成制造、敏捷制造、精益生 产，智能制造、并行工程等先进制造技术正是当今制造业发展的方向和目标。 但我国多数数控机床不具备网络功能，没有大容量的存储设备，无法实现 c a d c a m 软件与机床的直接通讯，适应网络制造的要求，本课题针对此现象并结合大 连理工大学工程训练中心x h 7 1 4 立式加工中心的网络化改造的实际背景，开展研究工 作。具有较强的先进性和实用性。 1 5 本文完成的主要内容 随着计算机技术的发展，用一台计算机进行多台数控机床的程序管理和程序传输己 经成为可能，而实施数控机床联网便可避免上述种种弊端。毕业设计完成以下两方面内 容： 如何实现数控机床的联网。 远端计算机如何控制数控机床并传输n c 加工程序，即远程控制。 本章小结 本章主要论述了数控机床的基本概念及其构成，d n c 的概念及其在制造过程中的 应用，以及网络数控通信软件目前国内外发展现状。另外阐述了课题的意义以及本文完 成的主要任务。 大连理工大学硕士学位论文 2 第二章串行通讯技术 2 1 串行通讯技术的研究 在计算机开放式数控系统产生之前，我国生产的数控系统及现有的数控系统一般没 有网络功能，且大多数都不拥有大容量存储设备( 如硬盘) ，而只使用高价位、低容量的 电子盘等设备。而随着各种计算机辅助设计制造( 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，并需要方便快捷地与数控系统进行大容量 信息的通信与交换。这些辅助系统生成的复杂零件加工g 代码程序量一般以m b 来计量。 对于复杂零件的大容量程序，用户一般不得不另配一台微机进行d n c 控制，或只能将其 分为若干小容量的程序块，然后依次输入到数控系统中，这种方法非常繁琐，且在背景 有干扰强烈的工厂环境中易对数控传输产生干扰“钔，为解决上述缺点，就必须了解计算 机之间的通信问题。计算机内各部件之间，计算机与各外设之间，计算机与计算机之间 都是以通信的方式传递、交换数据信息的。计算机通信有两种基本方式：串行方式和并 行方式。并行传输是在多条并行( 8 位或1 6 位) 的传输线上把数据的各位同时由一端传送 到另一端。串行数据传输则是在单条l 位宽的传输线上，数据和控制信息一位接一位的 顺序传送。并行通信速度快，但它所需传输线多，成本高，合用于近距离通信。而串行 通信却使传输线大大减少，成本降低，合于远距离数据传输【b 。串行通信是计算机通信 中发展比较早、比较成熟的一个专门学科，它涉及计算机接口，调制解调器，文件传输 协议等。 2 1 1 串行通讯的特点 串行通信是指外设和计算机之间使用一根数据通信线加上一条地线来进行单向通 信，传送的信息( 数据信息和控制信息) 在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一 位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可 以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。串行通信之所以被广泛采用，其中 一个主要原因是可以借助现成的电话网进行信息传送，既增加调制解调器，远程通信就 可以在电话线上进行，而调制解调器费用便宜，技术也较为简单。 串行通信采用串行口连接。串行口是计算机标准接口之一，现在的p c 机一般至少 有两个串行口c o m i 和c o m2 。通常c o m i 使用的是9 针d 形连接器，而c o m 2 有些使用的 是老式的d b 2 5 针连接器，但现在几乎很少见2 5 针的串口连接器了。常用的信号脚说明 见表2 1 。 李微波：数控加工设备网络化技术研究 表2 1d b 9 和d b 2 5 的常用信号脚说明 t a b 2 1c o m m o ns i g n a lc o n n e c t i o ni l l u m i n a t i o no f d b 9a n dd b 2 5 2 1 2 串行通信传输方式 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息 只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时 双向传送则称为全双工【”j 。 如果在通信过程的任意时刻，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 传到b ，又能由b 传a ，但只能由一个方向上的传输存在， 称为半双工传输。 如果在任意时刻，线路上存在a 到b 和b 到a 的双向信号传输，则称为全双工。电 话线就是二线全双工信道。由于采用了回波抵消技术，双向的传输信号不致混淆不清。 双工信道有时也将收、发信道分开，采用分离的线路或频带传输相反方向的信号，如回 线传输。 表2 2 通信方式比较 t a b 2 2c o m m u n i c a t i o nm o d e sc o m p a r i s o n 大连理工大学硕士学位论文 上述三种传输方式的共同点是基于在一条线路上传输一种信号频率。如果使用多路 复用器或多路集中器专用通信设备，这些设备通过将一个信号划分为若干个频带或时间 片的复用技术，从而使多路信号同时共享通信线路，这就是多工传输方式【l ”。 2 1 3 信息的检错与纠错 串行通信的最终目的是将发送端要发送的数据正确无误地传送到接收端，由于突发 性干扰( 电气干扰等) ，而引起的误码是难免的，这将直接影响通信系统的可靠性，所以， 对通信差错控制能力是衡量一个通信系统的重要指标。通常，把如何发现传输中的错误， 叫检错。发现