（机械制造及其自动化专业论文）面向网络制造的dnc系统的研究和开发.pdf

摘要 叮6 5 45 27 面向网络制造的d n c 系统的研究和开发 机械制造及其自动化专业 研究生李生指导教师罗红波副教授 随着先进制造技术以及计算机网络技术，尤其是w e b 技术的飞速发展， 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的网络化全球制造已经成为未来制造系统的发展趋 势之一。作为制造系统的重要组成部分，数控系统的网络化是实现制造系统 网络化的基础。而d n c 技术作为数控技术和网络制造的关键技术之一，得到了 越来越广泛的应用“。 本课题在对当今d n c 系统的结构模式及功能进行了系统的研究之后，建立 了面向网络制造的d n c 系统平台的体系结构，并对其关键技术作了系统的阐述 与分析。最后提出了面向网络制造d n c 系统集成的解决方案。 文章首先介绍了网络制造的基本含义及其特点、d n c 系统的概念及其发展状 况，阐明了现阶段企业实施网络d n c 系统的可能性和必要性。在接下来的章节中 论文从不同层次，采用不同的方法，系统地探讨了网络d n c 系统的实现，并着重 研究了d n c 通讯结构、设备管理及其网络集成。完成的主要工作如下： 1 运用自顶而下的结构化系统分析方法一- - i d e f 方法对网络d n c 系统进行 功能研究，划分出基本功能模块，绘制出功能模型图。 2 研究了网络化制造的通信结构模式，根据不同的通信结构，设计不同的 通讯模块。 3 使用v i s u a lb a s i c6 0 作为数据库前台开发工具，m i c r o s o f ts o ls e r v e r 作为后台数据库，开发了设备信息管理模块。 4 使用v i s u a lb a s i c6 0 程序设计语言，将i n t e r n e t 浏览器集成到系统 平台，用户不仅可以通过互联网查询信息，而且客户可以在线提交产品 订单、查询产品进度等。 5 开发了在线交流模块，实现了工作站层、工厂层等不同层次、不同部门 的信息交流功能。 四川大学硕士学位论文 6 在系统中嵌入了c i m a t r o ne 4 0 的仿真功能和工艺参数优化模块，并且 给出了数控n c 程序优化的编程及d n c 通讯实例。 该系统人机界面友好，操作简单易学，移植性和维护性好，可扩展性强， 具有广泛的应用前景和较高的实用价值。 关键词；网络制造；d n c 集成；w e b 技术；通信技术 i f a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f n e t w o r km a n u f a c t u r e b a s e dd n cs y s t e m m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d i t sa u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：l is h e n g s u p e r v is o f ：l u oh o n gb o w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n ga n d n e t w o r k ，t h eg l o b a lm a n u f a c t u r eb a s e do ni n t e r n e t i n t r a n e th a sb e c o m e t h et r e n df o r t h ef u t u r em a n u f a c t u r i n gs y s t e m b e i n gt h e i m p o r t a n t c o m p o n e n to fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， n e t w o r k b a s e dc n cs y s t e misa f o u n d a t i o nt or e a l i z em a n u f a c t u r i n gs y s t e m d n c ( d 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 ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nn e t w o r k m a n u f a c t u r e a n dc n c s y s t e ma n de v e ri n c r e a s i n g l yu s e di ni n d u s t r y s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e dt h ed n cs y s t e m sc u r r e n ts t r u c t u r ea n d f u n c t i o n ，a u t h o re s t a b l i s h e dn e t w o r k b a s e dt h es y s t e mp l a t f o r mo fd n c a n da n a l y z e di t sk e yt e c h n o l o g i e sa n ds e tu pa ni n t e g r a t e dd n cs y s t e m i nt h ee n d t h e a r t i c l e ， f i r s to f a l l ， i n t r o d u c e dt h ed e f i n i t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r km a n u f a c t u r e ，a sw e l la st h ep r i n c i p l e s a n d d e v e l o p m e n t o fd n c s y s t e m t h e n ，e x p o u n d t h e p o s s i b i l i t y a n d n e c e s s i t yi nt h em o d e r ne n t e r p r i s et op r a c t i c et h e n e t w o r k b a s e dd n c s y s t e mf r o md i f f e r e n ta n g l ea n dw a y s m o r e o v e r ，a u t h o rm e t h o d i c a l l y r e s e a r c h e dt h er e a l i z a t i o no fd n cs y s t e mp l a t f o r mi n t e g r a t e dt h en e t w o r k f u n c ti o n a n dd e v e l o pi t sc o m m u n i c a t i o nw a y s ，e q u i p m e n tm a n a g e m e n ta n d t h ei n t e g r a t e dn e t w o r k t h ed e t a i la sf 0 1 l o w s ： l u s i n gt o p d o w ns y s t e ma n a l y z i n gm e t h o d i d e f t og i v et h ed n c s y s t e mt h eb a s i cf u n c t i o nm o d e l a n di t sd r a w i n g 2r e s e a r c ht h ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e so fn e t w o r km a n u f a e t u r ea n d 四川大学硕士学位论文 d e v e l o pv a r i o u so o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s i na c c o r d a n c ew i t hi t s s t r u c t u r e 3 d e v e l o pt h ef a e i l i t y sm a n a g e m e n tm o d e lb ym e a n so ff o r e g r o u n d s o f t w a r ev i s u a lb a s i c6 0a n db a c k g r o u n dm i c r o s o f t s o ls e r v e r d a t a b a s ea p p l i c a t i o n 4i n t e g r a t e dt h ei n t e r n e te x p l o r e ri n t ot h ed n cs y s t e mp l a t f o r m ， w h i c hi su s e db yc l i e n t s t ob r o w s et h ei n f o r m a t i o n ，s u b m i t s p r o d u c t i o no r d e r ，e t c o nt h ew e b 5o n l i n ec o m m u n i c a t i o n m o d e lh a sb e e n i n t e g r a t e d ， w h i c hi s c o n v e n i e n tf o rs t u f f s i nd i f f e r e n t d e p a r t m e n t t o e x c h a n g e i n f o r m a t i o ni n s t a n t a n e o u s l y 6i n t e g r a t e ds i m u l a t i o no ft h ec i m a t r o ne4 0i n t ot h ed n cp l a t f o r m ， a n dg i v et h ee x a m p l eo fh o wt op r o g r a mt h en cc o d e f r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s ys t u d ya n ds i m p l eo p e r a t i o n ，g o o dr e p l a n t e d a n dm a i n t a i n e d ，b e t t e rd e v e l o p e d m a k et h i ss o f t w a r ea f a r r a n g i n g p r o s p e c ta n dh i g hu t i l i t yv a l u e k e y w o r d s ：n e t w o r km a n u f a c t u r e ，i n t e g r a t e dd n c ，w e bt e c h n o l o g y c o m m u n i c a t i o n 第l 章绪论 1 绪论 1 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。作为上述高科技的基础有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 正向着深度和广度方向发展，己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：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，最大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 m 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”。 1 2 网络制造的研究 1 2 1 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 四i i 大学硕士学位论文 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。图1 一l 是基于i n t e m c t i n t r a n e t 的网络化制造信息模型 图卜1 是基于in t e r n e t in t r a n e t 的网络化制造信息模型 1 2 2 网络化制造的主要特点 网络经济具有智能化、全球化、开放化、高速化、数字化和虚拟化特点。 网络化制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征。 经济活动的网络化使企业经营活动出现以下特点： 1 组织结构扁平化和网络化 机器延伸了人的手脚，计算机和网络技术延伸了人的大脑，使管理者的管理 幅度变大、变宽，高层管理者可以和执行者之间建立直接的联系，中层管理机 构失去存在的必要性，使组织机构扁平化，而每一个脑力劳动者将是企业的基 本单位，可以根据工作需要自由组合，使组织网络化。 2 经营直接化和角色模糊化 第1 蕈绪论 计算机网络使生产者与消费者之间可以建立直接的联系，而使中间商失去市 场，并密切了关系生产者与消费者之问的关系，消费者可以通过网络将自己的 意见加入生产过程而成为部分生产者，生产者与消费者之间的界限变得模糊了。 3 产品个性化 由于大量使用计算极技术，使企业能快速响应市场豹变化，以多品种、小 批量满足消费者的个性化、多样化需求，迎合消费者需要的定制生产将取代过 去的大量生产方式。 4 技术最优化 网络技术的发展，网络中信息传播的快速和信息获取的方便容易，使不同 地域的企业通过网络联系起来，各个企业可以充分发挥各自的核心优势，可以 在全球范围内选择最好的企业作为自己的合作伙伴。 5 。资源利甩充分化 网络化制造可以提高大型、专用设备的利用率、降低使用成本：可以通过网 络帮助企业获得异地科研机构和高等学校的技术支持，大力推动共性技术的应 用和发展。沟通企业与客户之间的供需关系，实现信息、资源的共享和互补。 1 2 3 网络化制造的组织结构形式 传统的制造企业大多采用大而全和小而全的封闭型生产模式，大多数企业 资源浪费严重、效益低下，置此迫切器要甩一种薪型的生产组织形式来改造原 有的形式。 在i n t e r n e t 出现以前，为了建立相互信任的合作关系，企业往往多次往返 于待选合作伙伴之间进行考察、谈判、拟订契约等：建立合作关系后，为了协 作设计和协同制造，企业又要在合作伙伴之间往返以协调设计和制造关系，交 易费用相当高。因此企业寻找合作伙伴一般受地域范围的限制。为了降低合作 的交易费用，企业间的协作关系一般较为稳定常以组建企业集团、互相参股、 控股等方式强化合作关系。这样，企业的规模是大了，在“卖方市场”环境下 是有利的。企业可以通过提高产品质量、扩大产品的生产批量和生产经营规模 来降低单位产品的制造和管理费用来降低成本，提高企业的市场竞争力和经济 效益。但是俗话说“船大难掉头”，即惯性大，这种模式对市场变化的反应能 力差，产品品种变化慢，产品更新时间长，企业重组难。 四川大学硕士学位论文 网络环境下，制造企业的组织形态、经营模式和管理机制需要有全方位的 创新，使之适应网络化制造的要求。制造企业不再是孤立的个体，而是社会化 大系统中的一个成员，并作为动态的制造环境中一个可供使用的制造个体资源， 可以利用网络以企业集成( 或企业联盟) 的形式，通过合作与竞争，参与动态的 制造系统重组。 参与这种企业集成的单元( 可以是个企业、企业的一个部门，如功能独 立的车间、班组、一个制造子系统或职能部门、甚至一台或若干台制造设备) 能够借助先进的计算机、网络通信工具就某项制造业务或服务采取迅速协调行 动，彼此之间通过不同的增值链进行联系。从本质上说，每一种最终产品都对 应着一条条增值链的集合。在计算机通信不发达、i n t e r n e t 企业尚未成型时， 增值链上各成员组织只能采用电话、电报、信件、传真、人员携带资料出差等 具有种种缺陷( 如容量小、速度慢、费用较高、壹档不便) 的联络方式，致使许 多成员组织( 特别是中小企业) 因信道不畅而失去商机的情形时有发生。计算机 通信时代的到来和i n t e r n e t 的崛起，为中小企业突破信息壁垒，参与组建跨行 业、跨地域的增值链提供了机会。 增值链的竞争力直接体现为最终产品的竞争力，但增值链的竞争力实际上 来自其各个构成环节各成员组织( 不仅仅是最终产品生产企业) 竞争力的整 合：i n t e r n e t 的竞争力也只能来源于其各个成员组织竞争力的整合。这种由增 值链把各个具有相关利益的独立单元连接而成的联盟形成一个增值伙伴网络， 网络成员间共享信息、共同响应市场、共同创造商机，相互协作、共同受益。 1 2 4 网络化制造的重要意义 以i n t e r n e t 为代表的网络技术是对2 l 世纪人类发展影响最大的技术之 一。对制造业来说，i n t e r n e t 的崛起，既是一场严竣的挑战，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，正在用一种新的形式把整个 社会连接在一起，形成一个全新的网络社会，改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，形成一种全新的网络经济。对制造业来说，这恰恰是一个十分难得的机遇。 自觉、主动地利用信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 第1 章绪论 息化、智能化、集成化的制造策略，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，这才是制造业的发展创新之路! 开展网络化帛# 造涉及到案日造企业从产品市场定位、产晶设计、制造、供销、 维修服务、管理等各个环节的改造调整，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，必然是网络化毒9 造重要的项目内容。 开展网络化制造工程，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，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阳】。 1 3 d n c 的概念及其发展 1 3 ，1 d 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。 d n c 在七十年代末以前被称为计算机直接数字控制，即d i r e c tn u m e r i c a l c o n t r o l 。1 9 6 5 年出现了第一个d n c 系统，当时由于机床数控系统成本高、n c 程序的存储介质穿孔纸带可靠性不高及信息管理困难等原因。采用一台中 央计算机进行数控计算来控制多台数控机床，中央计算机将插补数据以实时共 享方式传送给机床，即所谓“远程插补”方式。后来由于计算机硬件的发展， 加工过程和数据传输的可靠性及程序管理和信息集成要求成为主要目标，d n c 四川大学硕士学位论文 发展到了读带机( b t r ，b e h i n dt h et a p er e a d e r ) 方式，d n c 计算机相当于纸 带读入机，其远程通信线与读带机并联于机床控制器。直接数控系统的一般结 构如图l 一2 所示： 中央计算机 i多个串口或多路通信转换器 南1 熹。ll 图1 - - 2 直接数控的一般结构 中央计算机与数控机床间的连接可以采用多路通信转换器或多个串行口两种方 式，各机床之间各自独立地完成各自功能的设备。 七十年代以后，随着计算机数控系统( c n c - = c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 的发展，出现了分级控制系统( h i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1 ) ，此时d n c 一般作为系 统的底层。七十年代木在d n c 的概念基础上建立起了柔性制造系统( f m s ) ， 此时d n c 演变成为分布式数控系统( 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 ) ，它在结 构上采用局域网络技术( l a n ) 进行通讯( 图i - - 3 ) ，在功能上已演变为生产准备 和制造过程中设备信息互联的纽带，强调信息与控制功能的集成，并成为现代 制造车间实现c i m s 信息集成的有效途径，各数控机床之间也不再是互无联系的 独立设备，而是彼此之间按照生产计划或工艺过程产生千丝万缕的联系。 图1 3 分布式数控系统的结构图 6 局域网 第j 章绪论 现代d n c 系统是指用一台或多台计算机，对多台数控机床实施综合数字控 制的分布式数控系统，俗称群控系统。d n c 属于制造自动化系统( d n c ，f m s ，c i m s ) 的一种基本模式，尤其适用于资金和技术力量不太强的中小型企业。随着计算 机技术的发展和数控机床的普遍使用，国内许多企业在所用数控技术比较成热 的情况下，纷纷提出改造生产线建立d n c 系统的要求”3 。 计算机与数控机床问实现d n c 控制是实现c a d c a m 一体化技术最关键的细 节，也是向更高一级f m s 或c i 幅发展需要解决的第一步关键难题，制造业从单 机自动化发展到d n c 在技术上首先要解决数控机床与计算机之间的信息交换和 互联问题，d n c 的正常运行和控制功能的强弱在很大程度上取决于系统的通信 结构。这是实现d n c 的核心问题。因此实现d n c 联网通讯，也成为实现c a d c a m 一体化的基础”。 1 3 2d n c 系统研究现状 近几年，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 己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，南京航空学院方水良博士提出的f d n c ( 柔性d n c ) 等。“b r o a d s c o p ed n c f 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“。 近两年重庆大学张旭梅、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。 集成d n c 是指以数控技术、控制技术、通讯技术和网络技术等为基础，把 与制造过程有关的设备( 数控机床等) 与上层控制计算机集成起来，从而实现制 造设备的集中控制管理以及制造设备间，制造设备与上层控制计算机间的信息 交换。中央集成计算机对多台制造设备集中控制管理，除传送制造数据外，d n c 计算机还是设备过程监控的数据采集节点和与车间计算机网络进行信息通讯的 节点。这些概念的提出从不同程度，不同方面反映了d n c 概念的演变和功能的 扩展。d n c 技术发展的趋势是高柔性、智能化、高效率、易集成。 7 四川大学硕士学位论文 归纳d n c 技术的最新研究成果，主要有以下几点： 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，己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”，即i e e e p 9 9 6 1 6 1 “。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 幅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“。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。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，传递的数据必须正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 第l 童绪论 1 4 课题来源及研究任务 1 4 1 课题来源及研究意义 本课题主要是对网络d n c 系统平台的结构模式进行研究和开发，是我校承 担的8 6 3 子项目异地装备资源共享技术的研究的重要研究内容。 面向网络的d n c 系统平台为网络数控系统有效地进行功能集成提供了软件 环境，并且能够通过直观的人机界面展示系统所集成的功能。系统一方面可以 通过操作平台实现系统内部与外部的信息交换；另一方面可以通过操作平台实 现系统内信息的有效管理。 对d n c 系统平台结构模式及功能进行研究，一方面，从理论上明确网络制 造进一步功能集成的方向以及集成的方法，从而不断完善网络d n c 系统；另一 方面在生产实践中，通过操作平台系统地将优秀的c a d c a m 软件、生产管理 软件加以集成，有利于短期内建立网络化的多功能制造单元。这对于提高制造 企业快速市场应变的能力，改善加工水平具有十分重要的意义。 1 4 2 本人的主要工作 在对网络化制造结构模式和功能的研究基础上，提出了面向网络的d n c 平 台解决方案，开发出网络d n c 系统软件，基本上实现了面向网络的d n c 平台的 串口通信、信息集成和数据共享。 具体做了以下工作： 运用自顶而下的结构化系统分析方法一i d e f 方法对网络d n c 平台进行 功能研究，划分出基本功能模块，绘制出功能模型图。 研究了网络化制造的通信结构模式，根据不同的通信结构，设计不同的 通讯模块，使平台具有良好的可移植性。 使用v i s u a lb a s i c6 0 作为数据库前台开发工具，m i c r o s o f ts o l s e r v e r 作为后台数据库，开发出机床设备信息、刀具信息，工件信息、 客户信息管理模块，不仅可以在线进行生产设备信息查询和编辑。而且 可以在线提交产品进度信息供客户w e b 查询。同时，数据库采用c s 和 b s 混合结构，易于实现数据共享。 使用进程间通信技术，将i n t r a n e tn c 模块、串口通信模块、工艺参数 优化模块、加工仿真模块集成入操作平台。通过调用i n t r a n e tn c 通信 9 四川大学硕士学位论文 模块实现了平台与工厂层的部门之间的数据通讯，调用串口通信模块实 现了平台与设备层的串口通信功能，调用工艺参数优化模块、加工仿真 模块在线编辑和显示加工过程。 使用v i s u a lb a s i c6 0 程序设计语言，将i n t e r n e t 浏览器集成到系统 平台，用户不仅可以通过互联网查询信息，而且客户可以在线提交产品 定制、产品进度查询等。对网络化制造和企业间的动态联盟体系的建立 进行了大胆尝试。 采用建立进程的方式，解决了n c 程序的编辑、保存和备份问题。 开发了在线交流模块，实现了工作站层、工厂层的不同部门进行及时信 息交流的功能。 在系统中嵌入了c i m a t r o ne 4 0 的仿真功能，并且完成了对四缸电喷排 气管模具的数控编程及通讯。 提出了将网络监控( 机床加工状态监控、测试监控) 集成入网络d n c 系 统平台的方案，为进一步实现网络化制造和d n c 集成进行了有益的探索。 1 0 第2 章d n c 系统数据通讯技术的研究 2 d n c 系统数据通讯技术的研究 通讯技术是面向网络制造的d n c 系统最关键的技术，它也是实现设备集成 和信息集成的基础，需要满足以下需求： ( 1 ) 集成通讯的要求。d n c 系统的通讯是一种集成环境下的通讯，不仅要实 现与底层数控设各间的通讯，而且要保证与其它系统和上层控制计算机的通讯 与信息的集成。 ( 2 ) 支持多种数据形式。不仅要求支持般的文件传输，还可以支持工作站 与生产设备之间的数据加工指令交换。 ( 3 ) 支持不同的实时性要求，车间层的信息交换数据批量大但实时性要求不 高，而加工现场的信息交换数据量小，但响应速度和实时性要求很高。 ( 4 ) 支持可能涉及的多种类型的计算机和操作系统。不同的计算机具有不同 的处理能力和性价比，例如：控制方面要求工控机的支持，产品涉及需要图形 工作站，数据存储和处理可能要求其他的小型机或高性能的微机等，而这些不 同类型的计算机往往具有不同的操作系统。 ( 5 ) 具有可扩展性。随着市场需求的变化，企业和车间也处于发展变化之中， 从而对通讯的需求会发生变化；另一方面，通讯系统本身也在不断变化，新的 通讯技术不断出现。因而要求集成通讯系统具有相当的灵活性、可扩展性和开 放性，同时应把低成本高效率的通讯产品作为优先选择对象。 ( 6 ) 可靠性的要求。d n c 系统的抗干扰能力要强，要能适应车间工况和 恶劣的现场环境，以保证d n c 系统数据传输的准确可靠“。 d n c 的通讯技术涉及的主要通讯技术有：计算机局域网、串行通讯和现场 总线，w e b 的信息通信及共享等。 2 1 计算机局域网 随着计算机技术和计算机网络技术的发展，计算机连网已成为企业和车间 的一般要求，计算机局域网的发展也为车间、企业的信息集成带来了可能“。 计算机局域网在集成的d n c 系统中可用于工厂层、车间层、单元层和工作站层 的计算机连网。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。 四川大学硕士学位论文 2 1 1 d n c 系统中常见的局域网和网络通讯协议 d n c 系统中常见的局域网有e t h e m e t 和d e c n e t 等。其中，e t h e m e t ( 以太网) 是d n c 系统中使用最多的一种计算机局域网。它以c s m a c d 方式工作，采 用同轴电缆作为总线传输媒体。以太网由美国x e r o x 公司a i t o 研究中心和 s t a n f o r d 大学合作研制，1 9 8 0 年9 月，d e c 、i n t e l 和x e r o x 三个公司合作制定 有关以太网的工作标准。由于以太网标准由上述三个公司制定，所以又被称为 d l x 规范，该规范被工业界广泛接受，成为事实上的工业标准，目前，以太网 技术发展非常快，已出现了快速以太网、超高速以太网等“。 d n c 系统使用的网络通讯协议主要有t o p 、m a p 和t c p p 等。 t o p ( 技术和办公协议) 是美国波音公司7 0 年代水研究的用于办公自动化的 网络开放系统体系结构，用来连接公司多种类型和厂家的微机、小型机、工作 站、终端以及打印机和绘图仪等，并提供文字处理、文件传输、电子邮件、图 形传输、数据库访问和事务处理的服务标准。 m a p ( 锖u 造自动化协议) 是美国通用汽车公司8 0 年代初为了实现制造系统、 单元控制器、工作终端、可编程逻辑控制器f t l c ) 、材料加工系统、机器人以及 其他自动化设备之间的通信而研究的一种用于制造自动化的网络通讯协议。 m a p 是通道存取方式为令牌总线的宽带局域网，符合i e e e 8 0 2 4 标准。所 有智能化了的设备都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。它以开放式系统和i s o 参考模 型为基础，在i s o 规定的范围内允许多种协议方式以满足不同的应用场合。m a p 在每一个1 2 m h z 频宽的通道内，以传输速度1 0 m b p s 进行信息传递。m a p 共 有3 个1 2 m h z 通道可供选择。此外，它还提供了优先级和“立即响应”作为选 择方案。总之，m a p 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。1 9 8 4 年通用汽车公司和波音公司参加由美国国家标 准局召开的计算机会议n c c ，并在会上达成协议：将t o p 扩充为m a p 的办公 室技术版本。于是出现了t o p m a p 的结合，形成了一套即可支持生产、又可 支持办公的完整的网络体系结构( m a p t o p 体系结构) ，广泛应用于各种不同 类型的企业，并被选为支持企业c i m s 过程的计算机网络标准1 。 互连网协议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 实上的网络互连标准，目前绝大部分网络操作系统都支持它，如n e t w a r e 、 1 2 第2 章d n c 系统数据通讯技术的研究 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。 2 1 2t o p i p 协议简介 国际标准化组织i s o 的开放系统互联o s i ( i m e m a t i o n a l s t a n d a r d o r g a n i z a t i o n o p e ns y s t e mi m e r c o n n e c t i o n ) 参考模型将网络分为：应用层、表示 层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层七个层次。t c p i p 是计算 机网络中常用的，也是i n t e m e t 网络中使用的一种通信协议。对照o s i 七层参 考模型，可以把t c p i p 分为四个层次：应用层、传输层、因特网层、网络接口 层“。采用分层模型的方法有利于网络的描述和结构化，下面简单介绍一下： 应用层 应用层最容易理解，它对应于我们非常熟悉的网络应用程序，如w w w 浏 览器，f t p 程序，e m a i l 电子邮件程序等等。 传输层 网络应用层中需要传输的数据，并不由应用程序直接发送到网络接口卡或 网络线缆中传输，而是将它们传送到传输层，传输层负责将数据分段并将其组 织成数据流，这些段被按顺序编号后发送到目的主机，如果有的段在传输过程 中丢失了，目的主机会要求源主机丢失发送的段。在t c p i p 分层模型中提 供了两个协议用于数据传输：t c p 和u d p 。 因特网层 因特网层提供了三个主要功能；寻址、打包和路由选择，i p 协议就驻留在 这一层，i p 地址也在这一层被封装。当信息从传输层到达时，i p 协议给信息加 上该层的标题，标题包括：源主机i p 地址、目的主机l p 地址、传输协议( t c p 或u d p ) 、检验和以及生存期( t i m e q o h v e ) 等信息。 网络接口层 网络接口层接受因特网层的数据包，并加上帧标题使之成为数据帧。帧标 题包括：源主机的m a c 物理地址、目的主机或缺省网关的m a c 物理地址以及 循环冗余校验等，然后将数据帧以二进制位的形式放到传输线上传输。 在t c p i p 协议分层模型的传输层，提供了两个协议用于数据传输：传输 控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t m lp r o t o c 0 1 ) 和客户数据报协议u d p ( u s e t d a t ag r a mp r o t o c 0 1 ) ，t c p 提供面向连接的通信，它是可靠的、有保证的传输协 四川大学硕士学位论文 议；u d p 协议提供无连接的服务，它不能保证目的主机一定接受到数据。 i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 锛议提供主机的逻辑寻址，网络中的每一台主机有一个唯一 的i p 地址，i p 协议通过子网掩码把目的计算机和它自己的i p 地址比较，确定 数据包是经过路由器发送( 两台主机不在同一个网段中) ，还是直接发送到目的 主机。在计算机网络中，数据被采用包分组交换( p a c k e ts w i t c h i n g ) 的方式，即要 传输的数据被分解成一系列的数据包( d a t ag r a m ，或者称为包p a c k e t ) ，这些数据 包带有源计算机和目的计算机的地址，经过一个或者多个网络，最后到达目的 计算机，目的计算机将收到的数据包进行重组还原成原来的数据。为了使两台 计算机之阍能够正确地进行数据通信，同一网络中的主机必须遵守相同的协议。 2 2 串行通讯 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，而并行传递方式中传送每一位都要一条信号 线，在较长距离的数据传递采用串行方式比较经济，而且可避免在远程运输时， 多条线路的线间干扰和耦合。因此，对如n c 加工程序等可靠性要求很高的长 距离传输，多采用串行方式“”。 2 2 1 串行通信接口标准 r s - 2 3 2 c 标准( 协议) 是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发 并于1 9 6 9 年公布的通信协议，它适合于数据传输速率在0 - 2 0 0 0 0 位s 范围内 的通信。它最初是为远程通信连接数据终端设备和数据通信设备而制定的，但 目前已广泛用于计算机与外设之闻的近程连接。这个标准对串行通信接口都作 了明确规定。由于通信设备厂商都生产与r s 2 3 2 c 兼容的通信设备，因此，它 作为一种标准，在目前串行通信接口中，广泛采用r s 2 3 2 c 串行接1 2 连接机床 和计算机“。 r s 2 3 2 c 标准对以下两方面作了规定：信号电平标准和控制信号的定义。 r s 2 3 2 c 采用负逻辑来规定逻辑电平，信号电平与通常的r r l 电平兼容。 r s 2 3