（光学工程专业论文）基于异构加工中心的分布式数字控制系统的研究.pdf

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。 研究生签名：查l 差垂耋：日期：盈盘：尘? ? 多 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：童l 蕴塞! 导师签名： 日 期：迹! 雩 基于异构加工中心的分布式数字控制系统 的研究 研究生：刘练志 导师：任祖平东南大学 摘要 随着敏捷制造模式向单元层的深入，企业对底层制造单元实时信息的采集与 跟踪提出了更高的要求。d n c 作为一种实现数控车间信息集成和设备集成的主 要形式，其最重要功能之一就是数据采集。因此，研究d n c 数据采集系统，对 发挥数控机床的潜力、掌握生产现场信息、提高企业的响应速度和决策水平，推 动企业自动化的进程都有着重要的现实意义。 本文首先论述了d n c 及d n c 数据采集技术的研究现状、发展趋势，比较了 异构加工中心的通信接口组成，分析了在当前先进制造技术影响下，如何发展 d n c 数据采集系统，比较了常见的d n c 信息采集方法的优缺点和适用范围。结 合东南大学机电综合训练中心的软、硬件条件，建立了基于异构加工中心的网络 d n c 系统，研究了基于数控串行通信接口和p l c 的数据采集方法，实现了对程 序号、主轴转速、进给速率、机床开机时间、机床关机时间、零件加工开始时间、 零件加工结束时间、加工零件数等信息的采集。 最后，总结了全文，并对有待进一步深入研究和探索的问题提出了建议。 关键词：加工中心，数据采集，分布式数字控制，可编程逻辑控制器 t h er e s e a r c ho fd n c s y s t e m b a s e do n h e t e r o g e n e o u sm a c h i n i n gc e n t e r g r a d u a t e ：“ul i a l l 吐i s u p e r v i s o r ：r e i lz u p i n g s o u t h e a s tu i l i v e r s 时 a bs t r a c t h i 曲e rr e q u i r e m e l l tt ot h er e a l t i m ei n f o n n a t i o nc 0 1 1 e c t i o na i l dt r a c k i n go fm e b a s i cm a i l u f a c 栅n go fe n t e r p r i s eu 1 1 i ti sp u tf o n a r da l o n gw i ma g i l em a i l u f a c 嘶n g m o d eg o i n gd e 印i n t ot h ec e l ll a y e tg a t h e r i n gm a n u f a c t u r i n gi n f o m a t i o ni so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t 如n c t i o n so ft h ed n c ( d i s t r i b u t e dn 啪e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，w h i c hi sa m 撕0 rm e t l l o dt o 如1 1 c i l 也em a c h i n e i n f o m a t i o ni n t e 簪a t i o ni nw o r k s h o p nw i l lb e v e wm e a i l i n g 向l t os t u d yo na i la d v a n c c dd a t ag a t h 嘶n gs y s t e m ，w h i c hc a nh e l pt h e e n t e r p r i s ee x e r tm ep o t e r l t i a lo ft h e i rd n cs y s t e m s ，m a l ( em eb e s tu s eo fm ea v a i l a b l e r c s o u r c ea i l ds p e e du pi t sa u t o m a t i o np r o c e s s o nm ew h 0 1 e ，i tw i l li m p r o v et h e p r o c l u c t i v i t v c o 脚【p e t i t i o n 锄de c o n o m i cb e n e f i t so ft h ee n t e r p r i s e s a tf i r s t ，t 1 1 i sp a p e rp r e s e n t sm ec 1 l 】盯e n td e v e l o p m e n t 柚dt r e n d so fd n ca i l dd n c d a t aa c q u i s i t i o ns y s t 锄t h es t m c t u r eo ft h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo fm e h e t e r o g e n e o u sm a c h i i l i n gc e n t e r sh a sb e e l lc o m p a r e e d t h e n ，i ta 1 1 a l y z e sh o wt o d e v e l o pab e t t e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu n d e rm ei n f l u e n c e o fa d v a n c e d m a l l u f a c t l l n gt e c i m 0 1 0 西e s t h e nm ea n a l y s i s a n dc o m p a r i s o nb e t w e e l lt h e a d v 雒t a g e sa n dd i s a d v a i l t a g e sa sw e ua sm ea p p l i c a t i o na r e a si nm e 饥l d i t i o n a ld n c d a t aa c q u i s i t i o nm e m o d s 挪cd i s c u s s e d c o m b i n e dw i t ht h es o r w 孤a 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 i l i c st r a i l l i n gc e l l t e r( s e u ) ，m en e t w o r k e dd n cs y s t 锄 b a s e do nm a c l l i l l i n gc e n t e ri sc o n s t r u c t e d t h e i lm ed a t aa c q u i s i t i o nb a s e do np l c h a sb e e i lr e s e a r c h e d a n dn cs t a m sm e s s a 窒i e sh a v eb e e n 吼l c c e s s 龟l l ya c q u i r e d ，s u c h 勰n cp r o g r 锄m h n b f e d e r a t e ，s p i n d l es p e e d ，t h ep r o c e s s i n gs t a r tt i m eo fn c p r o g 舢，m ep r o c e s s i n ge i l dt i m eo fn cp r o 黟a m ，m ei t e mo fp r o c e s s e dp a r t sa r l ds o o n a tl a s t ，s o m es u g g e s t i o n so nw h a tn e e d s 如n h e rs t u d yo nm ec o n f i g u r a b l e 【 n c d a t aa c q u i s i t i o ns v s t a nh a v e b e e nb r o u 曲tf o 刑a r d k e y w o r d s ：m a c l l i 幽gc e i l t d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d i s t r i b u t e dn u m 耐c a l c o n t r o l ，p r 0 伊a m m a b l el o 百cc o i r h 0 l l e r i l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 d n c 的概念1 1 2 1 d i n c 的概念及发展1 1 2 2 d n c 的分类3 1 2 加t 中心的构成3 1 2 1 加t 中心的结构3 1 2 2 数控系统的接口规范5 1 3 异构加t 中心的通信接口及参数一6 1 3 1异构数控系统的通信接口6 1 3 2 异构数控系统的通信参数7 1 4 论文研究的意义及主要内容8 第二章e i n c 数据采集的方法研究1 0 2 1 d n c 数据采集的意义1 0 2 2d n c 数据采集的方法1 l 2 3 d n c 数据采集的研究现状、面临的问题和发展趋势1 4 2 3 1 d i n c 数据采集的研究现状1 4 2 3 2d n c 数据采集面临的问题1 4 2 3 3 数控系统数据采集的发展趋势1 5 2 4 数据采集方法的确定1 5 2 5 小结16 第三章基于串行通信接口的数据采集1 7 3 1 数据的采集l7 3 1 1 宏指令采集数控机床数据的原理1 7 3 1 2 宏指令的概念1 7 3 1 3 宏指令的调用1 8 3 1 4 宏指令采集数控机床状态信息的工作流程1 9 3 1 5 宏指令可采集的数据类型2 0 3 2 数据的传输2 3 3 2 1 串口通信的概念2 3 3 2 2 网络拓扑结构。2 7 3 2 3 硬件组成及功能2 8 3 2 4 软件组成及功能3l 3 2 5 异构系统通信功能的实现3 4 3 3 数据采集结果显示3 6 3 4 小结3 7 第四章基于加工中心p l c 的数据采集3 8 4 1 加工中心p l c 的类型及功能。3 8 i i i 4 1 1 数控机床p l c 的形式3 8 4 1 2 数控系统p l c 的功能4 0 4 1 3p l c 与c n c 、n t 侧的信息交换4 0 4 1 4 基于p l c 的数据采集4 3 4 2 联网方式4 5 4 2 1 联网方式4 5 4 2 2 数据采集模块4 6 4 3 数据采集结果显示4 6 4 4 ，j 、结4 7 第五章总结与展望4 8 致谢4 9 参考文献5 0 作者在攻读硕士期间论文发表情况5 3 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着国际制造业竞争日趋激烈、信息技术的飞速发展，制造业不得不面对日 益频繁、无法预知的市场变化。为了赢得市场，制造企业的生产模式和制造组织 方式逐渐由面向产品转向面向客户、面向需求和面向服务。近年来人们将制造技 术与信息技术、自动化技术、现代管理技术、人工智能及系统工程方法相互融合， 提出了先进制造技术a m t ( a d v a l l c e dm a j l u f a c t u d n gt e c t u l o l o g y ) 的概念，并进行 了广泛研究。到目前为止，己提出或实施的先进制造技术与系统模式有分布式数 字控制d n c ( d i s t 曲u t e dn 啪耐c a lc o n t r 0 1 ) 、柔性制造系统f m s ( f l e x i b l e m a i l u f a c t u r i n gs y s t e n l ) 、制造执行系统m e s ( m a n u f a c 仰- i n ge x e c u t i o ns y s t e n l ) 、精 益生产l p ( l e a i lp r o d u c t i o n ) 、智能制造系统i m s ( 1 1 1 t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 、敏捷制造系统a m s ( a 西l em a n u f a c t l 埘n gs y s t e m ) 、全能制造系统 h m s ( h o l o n i cm a i l u f a c t l l r i n gs y s t e i l l ) 、虚拟制造系统v m s ( n u a lm a n u f a c t 嘶n g s y s t 锄) 等等。 对制造资源进行信息化管理是提高企业竞争力的有效途径，当前大多制造企 业正纷纷采用d n c 系统对车问内数控设备进行管理。基于以太网和t c p i p 的d n c 系统，以其所具有的易于联网、传输速度快、实现成本低等优势，成为 研究的热点并广泛应用【2 j 。相对f m s 技术，虽然d n c 的运行效率和自动化程度 较低，但其投资小、见效快，具有良好的可扩充性，并且其实施过程还可作为 f m s 的一个初级阶段，因此，d n c 已经成为我国中小型制造企业改革的主要目 标之一【3 1 。 1 2d n c 的概念 1 2 1d n c 的概念及发展 d n c ( d i r e c tn u m 嘶c a lc o 纳的l0 rd i s t r i b u t e dn 啪砸c a lc o n 仃0 1 ) 通常是指计 算机直接数字控制或分布式数字控制，即用一台或多台计算机对若干台数控机床 进行综合数字控制，完成制造数据传输、机床状态监控等功能的一种方法【4 j 。美 国电子工业协会( e l e c 仃0 1 1 i ch l d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e 认) 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 程序与存储零件程 序或机床程序的公用存储器连接起来的系统【5 】，。 d n c 的最早含义是直接式数字控制，开始研究于2 0 世纪6 0 年代【6 】，当时计 算机的高成本是阻碍数控机床普及的主要问题，为了降低数控设备的成本，将若 干台数控设备直接连接在一台计算机上，由中央计算机负责数控程序的管理和传 送，这就是直接数字控制。直接数字控制的实现方式有两种： ( 1 ) 采用多台具有驱动器的数控设备共用一台中央计算机来进行插补计算， 即所说的“远程插补器”，插补数据以实时分享的形式传送给机床。 东南人学硕十学位论文 ( 2 ) 由计算机来取代纸带阅读机，插补计算由各台数控设备独立完成，主 要为了解决纸带阅读机可靠性差的问题。纸带阅读机和穿孔机的造价昂贵，数控 程序的传输速度慢。用纸带来存储大的数控程序成本太高、不易保管，而且纸带 的制作费用高、周期长。这时采用中央计算机来代替纸带阅读机可以提高数控程 序存储和传输的可靠性、便捷性，以及数控程序管理的方便。 2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算机特别是微处理机技术的发展和价格的下降， 使得数控系统c n c ( c o m p u t e rn u m 嘶c a lc o n t r 0 1 ) 硬件的成本不再是影响n c ( n u m 嘶c a lc o n t r 0 1 ) 应用的主要问题，而且c n c 的存储容量扩大，已可以存储 简单零件的程序，这时d n c 的基本功能发生了一些变化，数控程序不是以实时 的方式传输给数控设备，而是一次完成全部传输，存储在数控机床的程序存储器 中，在需要时可以启动运行。这就是所说的分布式数字控制，分布式数字控制除 了具有直接数字控制的功能外，还有系统信息收集、系统状态监控和控制功能。 2 0 世纪8 0 年代后，随着信息技术和先进制造技术的发展，d n c 的内涵也在 不断扩大，近些年又出现了很多新的d n c 概念。 1 9 8 7 年美国计算机集成制造公司副总裁d l f i n n 提出的“b r o a ds c o p e d n c ”，认为在计算机集成制造c i m ( c o m p u t e ri n t e 伊a t e dm a n u n l c t u r i n g ) 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 的一种连接方式，而 是可扩充到车间级数控的人工采集( 键盘录入) 、半自动采集( 使用条码) 和全 自动采集【7 】( 通过全闭环的离散信号采集) 。 方水良博士提出的柔性d n c ( f l e x i b l ed n c ，f d n c ) 的概斜引，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。 张旭梅博士认为随着c i m s 技术的发展，集成的思想越来越重要，d n c 应该 作为制造自动化的一种方法，集成到c i m s 中，由此提出了集成d n c ( i n t e 掣a t e d d n c ，i d n c ) 的概念p j ，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 。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 的设备( 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问的信息交换 。 熊斌提出了“敏捷d n c ”的概斜1 0 】。敏捷d n c 是将敏捷的思想和方法融入 d n c 思想系统中，使之符合敏捷制造企业的要求，适应现代制造技术的发展趋 势。在d n c 系统中的具体表现，它是企业针对某一个或多个经营机遇与合适的 某一个或多个盟友进行虚拟合作结成的动态联盟。企业借助网络媒介与盟友进行 信息交换，直接或间接地对分散在各地的盟友的n c 设备进行远程控制而形成的 一种新型的d n c 系统。 近年来，还有研究者将人工智能运用于d n c 系统提出了智能d n c 概念，也 有研究者结合无线电技术，开始研究无线d n c ( w i r e l e s sd n c ) 技术i l 。 随着先进制技术的进步，d n c 的功能也不断扩展。主要体现为以下两个方面： ( 1 ) 从传输的内容和实现的功能上 目前d n c 系统传输的不仅包括n c 程序，而且包括执行特定生产任务所需 的制造数据，如刀具数据、作业计划、机床配置信息等。部分d n c 系统还具有 机床状态采集和远程控制等功能。 ( 2 ) 车间的地位及其所发挥的作用 利用d n c 通信网络可以把车间内的数控机床通过调度和运转控制联系起来， 2 第一章绪论 从而掌握整个车间的加工情况，便于实现加工物件的传送和自动化检测设备的连 接。d n c 系统连接数控设备和上层计算机，是实现计算机辅助设计( c a d ) 计 算机辅助制造( c a m ) 和计算机辅助生产管理系统( c a p m s ) 集成的纽带，是实 现设计制造一体化的桥梁。相比与f m s ，d n c 更注重于信息流的集成，从而避 免f m s 在物流上的高投资，是机械加工车间实现制造自动化的较好方式。按照 计算机集成制造c i m s ( c o m p u t e ri n t e 酉a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 的递阶控制 理论，d n c 系统可以方便的组织为数控单元【1 2 】【1 3 】，接收来自车间的作业计划， 实现单元内的作业调度和资源调度、决定零件的加工路线、监控和统计数控设备 的任务执行情况等。因此d n c 是实现信息集成制造的一个层次，既可以单独使 用，也可以继续发展为f m s 和c i m s 【l4 。根据经验，一个完整的d n c 系统可将 1 3 左右的生产时间转变为加工时l 、日j 引，这对于拥有多台数控机床的企业来讲， 其潜在的收益是巨大削1 6 】。因此，d n c 技术作为一种先进制造模式受到了许多 制造企业的欢迎，成为其增强自身竞争力的一个有效途径。 d n c 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备( 如数控机床等) 与上层控制计算机集成起来，从而实现 了制造车间制造设备的集中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【1 7 】。 1 2 2d n c 的分类 d n c 由直接数字控制发展到分布式数字控制，其内涵和功能也有了扩展。前 者主要目的是为了解决早期数控系统因使用纸带而引起的一系列问题，主要功能 是下传n c 程序。后者除传送n c 程序外，还具有系统状态采集和远程控制等功 能。2 0 世纪9 0 年代以后，d n c 的内涵和功能还在不断扩大，除与数控系统通信 外，d n c 主机还可以与工厂级的计算机通过网络等方式进行通信。此外，d n c 主机还可以集通信、控制、计划、管理、设计等功能于一体。 目前，在现有的d n c 主机与数控系统通信接口功能的基础上，从d n c 功能 的角度将d n c 分为基本d n c 、狭义d n c 和广义d n c 三种。表1 1 是这三种 d n c 功能的比较。 表1 1三种d n c 功能的比较 d n c 基本d n c狭义d n c广义d n c 下传n c 程序下传n c 程序、上传n c 程序 功能下传n c 程序 上传n c 程序 系统状态采集、远程控制 复杂程度简单中等复杂 价格低一般高 1 3 加工中心的构成 1 3 1 加工中心的结构 加工中心一般由输入输出设备、数控装置( c n c ) 、主轴和进给伺服单元、位 置检测装置、可编程逻辑控制器p l c ( p r 0 伊锄m a b l el o 百cc o n t r o l l 哪及其接口电 东南人学硕士学位论文 路和机床本体等几部分组成。图1 一l 所示是加工中心的组成框图。 图l 一1 加工中心的组成 ( 1 ) 输入输出装置 加工中心在进行加工前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才 能根据输入的程序进行加工。在加工过程中，操作人员向机床数控装置输入操作 命令，数控装置为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信息等。此外，输 入的程序并非全部正确，有时需要编辑、修改和调试。以上工作都是机床数控系 统和操作人员进行信息交换的过程，要进行信息交换必须具备输入输出装置。 ( 2 ) 数控装置 数控装置是由c p u 、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专业计算机。 c n c 装置是c n c 系统核心，其基本功能是根据输入的零件加工程序进行相应的 处理( 如运动轨迹处理、机床输入输出处理等) ，然后输出控制命令到相应的执 行部件( 伺服单元、驱动装置和p l c 等) ，这些工作都是由c n c 装置内硬件和 软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作。 ( 3 ) 伺服系统 伺服系统由伺服放大器和伺服电动机组成，包括主轴伺服单元和进给伺服系 统两部分。主轴伺服单元主要接受来自p l c 的转向和转速指令，驱动主轴电动 机转动。进给伺服系统的作用是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床 工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的 工件，即把数控装置送来的微弱指令信号，放大成能驱动伺服电动机的大功率信 号。 ( 4 ) 位置检测装置 位置检测装置将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号， 并反馈到c n c 装置中，使c n c 能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一 致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。 ( 5 ) 可编程序控制器 可编程序控制器p l c 控制辅助装置完成机床的相应开关动作，如工件的装 夹、刀具的更换、切削液的开关等，用p l c 程序替代继电器控制电路，实现数 控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。 ( 6 ) 机床本体 数控机床的机械部件包括：主运动部件( 如主轴部件、变速箱等) 、进给运 动执行部件( 如工作台等) 和支承部件( 如床身、立柱等) ，此外，还有冷却、 润滑、排屑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心，还有自动换刀装置、自动 4 第一章绪论 交换工作台装置等部件。 1 3 2 数控系统的接口规范 根据国际标准 i s o4 3 3 6 - 1 9 8 1 ( e ) 机床电气设备之间的接口规范 的规定，接口 分为四类：第一类：与驱动命令有关的连接电路；第二类：数控系统与检测系统 和测量传感器间的连接电路；第三类：电源及保护电路；第四类：通断信号和代 码信号连接电路。图1 2 所示为c n c 、电气设备和机床三者之间的连接。 图1 2c n c 装置、电气设备和机床之间的连接 第一类、第二类：传送的信息是数控系统与伺服驱动单元( 速度控制环) 、 伺服电动机、位置检测和速度检测之间的控制信息及反馈信息，它们属于数字控 制及伺服控制。 第三类：接口电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。强电线路由 电源变压器、控制变压器、保护开关、接触器、功率继电器及熔断器等连接而成， 以便为辅助交流电动机、电磁铁、离合器、电磁阀等功率执行元件供电。强电线 路不能与低压下工作的控制电路或弱电线路直接连接，只能通过断路器、热动开 关、中间继电器等器件转换成直流低压下工作触点的开合动作，才能成为继电 器逻辑电路和p l c 可接收的电信号。反之，由c n c 系统输出来的信号，应先驱 动小型中间继电器( 一般工作电压为直流+ 2 4 v ) ，然后用中间继电器的触点接通 强电线路的功率继电器去激励负载( 电磁铁、电磁离合器、电磁阀线圈) 。 第四类：开关信号和代码信号是数控系统与外部传送的输入输出控制信号。 5 东南大学硕上学位论文 当数控系统带有p l c 时，这些信号除极少数的高速信号外，均通过p l c 传送。 第四类接口信号根据其功能的必要性又可分为两种： ( 1 ) 必须的信号以及为了保护人身和设备安全，或者为了操作，兼容所必 须的信号，如“急停”、“进给保持”、“n c 准备好 等。 ( 2 ) 任选的信号，并非任何数控机床都必须有的，而是在特定的数控系统 和机床相配条件下才需要的信号，包括行程极限、j o g 命令( 手动连续进给) 、 n c 报警、程序停止、复位、m 信号、s 信号、t 信号等【l 引。 1 4 异构加工中心的通信接口及参数 异构的加工中心主要是指加工中心的通讯接口不同、通讯参数和协议不同以 及实现的d n c 的功能不同。 1 4 1 异构数控系统的通信接口 按d n c 通信接口的不同可将数控系统分为经济型数控系统、无r s 2 3 2 c 串 行通信接口的数控系统、有r s 2 3 2 c 串行通信接口的数控系统和有d n c 通信接 口的数控系统四类。这些数控系统( 或经改造后) 可实现不同的d n c 通信功能。 我国工厂对d n c 功能需求差异较大，有的只需要基本d n c 功能即可，有的则 需要广义d n c 功能【l 圳。 ( 1 ) 经济型数控系统 我国早期的经济型数控系统大多由单板机改装而成，没有r s 2 3 2 c 串行通信 接口，但大多数配有纸带阅读和磁带录音机接口。这类数控系统只能实现基本 d n c 功能，n c 的传输，且需外接一个d n c 接口板，先由微机将数据传送给d n c 接口板，并存入其数据缓存器，再由接口板将数据以纸带信息方式输出给数控系 统。若想直接在这样的硬件接口的基础上实现数据采集功能，几乎是不可能的。 对这类机床的数据采集一般采用外接电路或数据卡的方式，采集一些开关量信 息，如图1 3 所示。 输 占i j 阔二摹：拥 j jp q 忧v o 出 输入接哩 经济型 i p c 系歹i r s 2 3 荭 接口电路l 惮片铡 电 数控系统 l 计算机 d n c 接口板 路 图1 3 经济型数控系统的通信接口 ( 2 ) 无r s 2 3 2 c 串行通信接口的数控系统 早期的f a _ n 17 c7 m 等数控系统，由于生产年代早，没有配r s 2 3 2 c 串行通信 接口，其纸带阅读机和穿孔机的输入、输出口是并行的。对这类系统实施d n c ， 可以外加d n c 接口板。由于f a n u c7 m 系统由纸带阅读机、纸带穿孔机和p l c 接口，因此可根据需要实现基本d n c 、狭义d n c 和广义d n c 三种方式，如图 1 4 所示。 6 第一章绪论 p c 系列lr s 2 3 2 cl r s 2 3 2 c 计算机r 接口电路 阿碍丁 匿捌 d n c 接口板 纸带阅读机 输入口 纸带阅读机 输出口 p l c 接口 f - a nl j c7 m 图1 4 州u c7 m 系统的三种通信接口 ( 3 ) 有r s 2 3 2 c 串行通信接口的数控系统 目前使用的数控系统大多带有r s 2 3 2 c 串行通信接口，如烈u c6 m 、 c i n c i n n a t i a 2 1 0 0 e 等。利用该r s 2 3 2 c 接口可直接实现狭义d n c 和数控程序上 传下传功能。要实现广义d n c 的系统状态采集和远程控制功能，同样也要外接 d n c 通信接口板以增加i o 控制功能。以f a n u c6 m 为例，实现广义d n c 通 信接口方式如图1 5 所示。 p c 系列ir s 2 3 2 cl r s 2 3 2 c 计算机r 1 接口电路 网碍t 区划 d n c 接口板 r s 2 3 2 c 接口 p l c 接口 f - a n u c6 m 图1 5f a n u c6 m 系统的广义d n c 通信接口 ( 4 ) 有d n c 通信接口的数控系统 2 0 实际9 0 年代国外各大数控公司生产的数控系统大多带有d n c 通信接口， 如f a n u co 、f a n u c1 5 系统等，有的甚至配置了m a p 3 o ( 制造自动化协议) 等网络接口。这些数控系统只要配置了相应的d n c 接口软硬件就可实现广义 d n c 功能。这种d n c 通信接口的物理层有r s 2 3 2 c 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 等形式， 有时需外加一些接口转换板。对于未配置这些接口的数控系统，只能利用预备的 r s 2 3 2 c 串行通信接口实现狭义d n c 功能。若要实现广义d n c ，则只能采用图 1 6 所示的方法。 躲t 蚓篾笋 兰兰垫闩毒含髫囊板 图1 6f a m7 co 系统的广义d n c 通信接口 1 4 2 异构数控系统的通信参数 异构数控系统因为生产厂家的不同所采用的参数也不尽相同，通信所涉及到 的参数包括： ( 1 ) “文件后缀”一文件名称的后缀。 ( 2 ) “波特率”数据传输速率，表示每秒钟传送二进制代码的位数，它的单位 7 东南大学硕士学位论文 时位秒，常用的波特率为4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 。波特率的选择一般与传输距离有 关，一般传输距离越远，波特率应选择的越低。在选择波特率时一般还要根据 n c 机床数控系统的要求来选择。在d n c 传输时，c n c 控制器通过握手信号来 通知计算机何时发送及何时停止，一般在4 8 0 0 和9 6 0 0 波特率下均能满足c n c 系统对d n c 传输的要求。我们的经验显示，c n c 系统的d n c 加工效率一般取 决于c n c 系统内部本身的接收文件和处理的效率，而不是取决于r s 一2 3 2 传输 的波特率。 ( 3 ) “数据位”一串口通信中单位时间内的电平高低代表一位，多个位代表一个 字符，这个位数的约定即数据位的长度。一般位长度的约定根据系统的不同有： 7 位、8 位。 ( 4 ) “奇偶校验 一代码在传送过程中用来检验是否出错的一种方法，一般分为 奇校验和偶校验两种。奇校验规定：f 确的代码一个字节中1 的个数必须是奇数， 若非奇数，则在效验位置“1 ”；偶校验规定：正确的代码一个字节中1 的个数必 须是偶数，若非偶数，则在效验位置“1 ”。 ( 5 ) “换行符”一传输过程中用来标示传输代码每行结束的字符。 ( 6 ) “反馈字符”接收一端在收到每个( 或者某个特殊字符) 时，往发送端返 回一个确认字符。 ( 7 ) “握手方式”一接收和发送双方用来建立握手的传输协议。 ( 8 ) “结束代码”传输过程中用来标示传输代码文件全部结束的字符。 异构数控系统应选用相应的参数，设置错误可能导致无法通信等故障。 1 5 论文研究的意义及主要内容 无论制造信息化、制造自动化或m e s ，都直接或间接的以底层数据采集系统 采集的数据为依据，并以此构成一个能反映生产过程真实情况的反馈系统。面对 世界经济飞速发展和市场的全球化，制造企业要想在激烈的市场竞争中获胜，必 须具有时间、质量、价格、服务的竞争能力。具有这四种能力的重要手段之一就 是采集与生产相关的实时信息，完善生产过程的监控手段，从而提高现有资源的 利用率，提高车间自动化管理水平【2 0 1 。 d n c 作为车间制造设备一种集成模式，对车间生产计划、技术准备、加工操 作等基本操作进行集中监控和分散控制。d n c 投资小、见效快、可靠性高，是 具有较好柔性的数控设备集成控制系统【l 引，已经被越来越多的企业所接受。 通过d n c 数据采集技术的研究，可以有效地改善d n c 数据采集系统的通用 性、灵活性和可复用性。对我国发展中的中小企业来说，其实施更具有实际价值。 本文结合东南大学机电综合工程训练中心的特点和软硬件的现状，研究了 d n c 数据采集系统实现的关键技术及其实现方法，主要内容安排如下： 第一章研究了“异构加工中心 和“分布式数字控制系统 这个重要概念， 具体研究了d n c 的概念、发展过程和分类，异构加工中心的不同通信接口和通 信参数。 第二章研究了d n c 数据采集的意义，常用方法并对基于串行通信接口和p l c 的数据采集的方法的优缺点进行了比较，根据具体的软硬件情况，确定了两种切 实可行的数据采集方案。 第三章研究了基于数控机床串行通信接口的数据采集方法。介绍了宏指令的 概念、系统变量的调用方法，f a m ，c 、h 从s 和s i e m e n s 三种数控系统各自系 第一章绪论 统变量的范围以及可调用的数据类型。利用串口服务器、无线a p 和无线交换机 将加工中心连入局域网，实现了异构数控系统的通信，使得从加工中心采集的数 据能够通过无线网络传输给服务器计算机，在服务器计算机上进行显示和保存。 第四章研究基于p l c 的数据采集方法。从p l c 的i o 口采集机床数据，经 过采集模块的预处理后，利用串口服务器连入局域网，将采集得到的数据传输给 服务器计算机。 第五章对本文的研究工作进行了总结，并对d n c 数据采集技术作了进一步 的展望。 9 东南大学硕上学位论文 第二章d n c 数据采集的方法研究 2 1d n c 数据采集的意义 制造过程涉及大量的制造设备、多变的工艺因素，因而它包含了复杂的环境 和状态信息。要实现制造过程的柔性自动化，除了与系统控制、管理等技术相关 外，制造过程的状态采集也显得至关重要【z 。只有采用有效的信息采集技术， 充分、实时、准确地获得制造过程中的各种状态信息，并以此为基础实现对制造 过程的有效控制和管理，才能提高整个系统的柔性、强健性和故障处理能力【2 引。 d n c 数据采集作为d n c 系统的重要功能，它的主要目的是对机械制造过程 中产生的各种信息进行提取、传输、处理、分析和应用。传统的d n c 技术只能 双向传输n c 程序，已不能满足生产实际的需要。目前d n c 采集系统的功能一 般包括：n c 程序及数据的传递；根据生产计划，自动分配n c 程序及数据到相 应的机床；机床状态的采集与上报；刀具数据的分配与传递；刀具、夹具准备计 划、实现系统内刀具、夹具的实时控制；按照工艺计划及生产计划，实现由多种 数控机床组成的d n c 系统的物流实时控制，实现工艺的输送、存储，同步加工 和装配等活动的集成化生产管理。 d n c 数据采集系统作为m e s 的下层，是生产原始数据的主要来源之一，是 m e s 的核心内容，在m e s 中占有重要的地位【2 3 1 。m e s 根据底层d n c 系统采集 的与生产有关的实时数据，及时准确的了解企业的设备运行、生产加工等生产过 程情况，便于对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程进行优化 等。同时，计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、并行工程等新技 术也都在数控机床基础上发展起来。d n c 数据采集也为这些新技术提供了必要 的底层支持，比如：缩短产品生产周期、使车间适应产品种类变化、提高产品质 量、合理利用资源、减少在制品和库存、敏捷地满足市场需求等方面，d n c 数 据采集都做出了贡献，提高车间的综合生产能力。只有采用有效的信息采集技术， 充分、实时、准确地获得制造过程中各类设备的状态信息，并以此为基础实现对 制造过程的有效控制和管理，才能提高整个系统的柔性、强健性和故障处理能力 【2 2 1 。研究和开发d n c 数据采集系统，对发挥数控机床的潜力、充分利用制造资 源，推动企业自动化的进程，提高企业生产率、竞争力和经济效益均有着重要的 现实意义【2 4 1 。 制造信息集成主要解决底层数控设备和其它部门之间的信息交换问题，是一 个双向的信息流动。数控设备需要得到来自这些部门的制造数据，包括n c 程序、 工艺规程、刀具信息、机床设置信息、零件图形等。数控设备为这些部门提供实 时状况、设备工况、故障报告、生产统计等信息。根据这些信息可以更加合理地 安排车间生产任务以及分析机床利用情况，从