（机械电子工程专业论文）面向网络化制造的数控编程教学系统的研究与开发.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 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。在传统的教学中，数控编程和操作必须在实际设备上进行，这既占用了设备加工 时间，又容易导致昂贵设备的损坏。而近些年涌现的数控教学系统大多偏重于单机的教 学功能，很少考虑到教学功能与实际加工相结合；也不能满足现代数控系统的网络化控 制和教学的要求。 针对以上问题，本文以f a n u co i 数控系统为研究对象，利用该系统配有的r s 一2 3 2 c 串行接口作为通讯口，以v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具、a c c e s s 2 0 0 3 作为后台数据 库，研究开发了面向网络化制造的具有教学功能，又能应用于现场加工的数控编程教学 系统。 本文提出了开放式的数控教学平台开发体系，从硬件结构和系统软件结构分别进行 了实现，并对系统关键技术和主要模块进行详细分析。 研究了串行通信的网络拓扑结构，构造了一种经济和可行的联网方案应用于现有数 控车间，满足当前网络化数控教学和现场加工的需要，提供数控机床远程控制的解决方 案，实现数控程序代码的网络传输。 研究了串行通信技术，根据现场的实际条件和用户的功能要求，确定了网络通信的 工作方式、控制方式和与不同系统之间的连接方式，组建了系统的硬件平台，应用了协 议转换联网控制策略。 采用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发平台，进行软件的功能设计和用户界面设计，开 发了“数控编程教学系统”，该系统可对程序代码进行检错，并可进行加工刀具路径仿 真，同时具有程序传输和程序代码管理等一系列功能。 本系统功能完善，界面友好自然，操作维护方便。通过调试运行，达到了预期的效 果。 关键词：网络化制造，串行通信，数控教学 面向网络化制造的数控编程教学系统的研究与开发 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f n cp r o g r a mt e a c h i n gs y s t e mo r i e n t e d n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l yu s a g eo f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y t h em a i nt e n d e n c yo f t h ec n c m a c h i n e si st h ei n t e l l i g e n tn e t w o r k i nt r a d i t i o n a lt e a c h i n go f c n cm a c h i n e ，s t u d e n t sm u s t o p e r a t ea n dp r o g r a m 、析mt h et r u em a c h i n e s i tw a s t e sw o r k i n gt i m eo f e q u i p m e n t s a n do f t e n i n v o l v i n gu n c e r t a i nd a n g e rt h a tm a k e se x p e n s i v ee q u i p m e n t sm a n g l e 1 1 1r e c e n ty e a r s s o m e c n cm a c h i n e t e a c h i n gs y s t e m sc o m ef o r t h h o w e v e r , m o s to f t h e mp a ya t t e n t i o nt ot e a c h i n g a n ds i m u l a t i o na l o n e ，a n df e wo f t h e mc o n s i d e r so f t e a c h i n gc o m b i n i n gw i t hm a n u f a c t u r e t h es y s t e m sc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f i n t e l l i g e n tn e t w o r k e dc o n t r o la n dt e a c h i n g a b o n tc n cm a c h i n e a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sa b o v e , t h i sp a p e rg i v e sad e t a i lr e s e a r c ht of a n u co ic n c s y s t e m i tu s e sr s 一2 3 2 cs 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 t h ep a p e ru s ev i s u a l b a s i c6 0a se m p o l d e rt o o la n da c c e s s2 0 0 3a sd a t a b a s e ，a n dd e v e l o pak i n do fn cp r o g r a m s y s t e mt h a tc o m b i n et e a c h i n gw i t hm a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n ts y s t e mo fo p e nc n c t e a c h i n gs y s t e m ，a n d d i s c u s s e sb o t ht h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i ss y s t e m m o r e o v e rt h ep a p e r a n a l y s e st h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h em a i nm o d u l e s r e s e a r c h i n go ns o m ek i n d so ft o p o l o g yw h i c hi su s u a l l yu s e da n du s i n ga ne c o n o m i c a n dv i a b l en e t w o r k e dp r o j e c ta p p l i e sw i t hc n c w o r k s h o pw h i c hi si ne x i s t e n c e ，t h u sm a k e si t 丘tt h er e q u i r e m e n to fn e t w o r k e dt e a c h i n ga n dm a n u f a c t u r i n g t h ep a p e r p r o v i d e st h ep r o j e c t t h a tr e a l i z e st h er e m o t ec o n t r o lo f c n cm a c h i n ea n dn c p r o g r a mn e t w o r k e dt r a n s f e r r i n g r e s e a r c h i n go nt e c h n o l o g yo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，a n da c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o na n d r e q u i r e m e n tt h ep a p e rc o n f i r m sw o r k i n gm o d e ，c o n t r o l l i n gm o d ea n dc o n n e c t i o nm e t h o d a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts y s t e m t h ep a p e rs t r u c t u r e sp l a t f o r mo f h a r d w a r e ，i n t r o d u c i n gp r o t o c o l c 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 ec n cm a c h i n ew i t hr s 2 3 2s e r i a l m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0i su s e da se m p o l d e rt 0 0 1 f u n c t i o na n du s e ri n t e r f a c ea r e d e s i g n e d n cp r o g r a mt e a c h i n gs 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 mc a l lb e i i 沈阳工业大学硕士学位论文 c h e c k e da n dw o r k i n gt r a c ko fm a c h i n et o o lc a nb es i m u l a t e d m o r e o v e rn cp r o g r a mc a l lb e t r a n s f e f r e df r o mp ct oc n cm a c h i n e t h ee x p l o r a t i o na n ds t u d yo ft h i ss y s t e mh a v eg o tg r e a ts u c c e s s i tm n ss t a b l y ，a n di s c o n v e n i e n tt ob em a i n t a i n e da n di n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n di n t u i t i o n a l t h r o u g he x p e r i m e n t ，i t i ss a t i s f i e d k e yw o r d s ：n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c n c t e a c h i n g 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：叠拯趁日期：兰竺翌：! ：j ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：扬拯趣导师签名：鼍墨垡! 查 日期：z 扩d 7 3 ，7 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 信息技术和计算机网络技术的发展使世界经济正经历着一场深刻的革命，这场革命 极大地改变着世界经济面貌，塑造着一种“新世界经济”，即“网络经济”【“。其特征是 信息产业将在世界范围内快速发展，世界经济全球化的进程大大加速，任何国家的市场 变得狭小，企业跨国家和跨行业联合进一步发展。2 l 世纪是信息技术和计算机网络技术 的世纪，产品开发将依托于网络向更广泛的领域扩展。设计制造过程的网络化是2 l 世 纪产品开发的必然趋势，在这样的趋势下，网络化制造已成为制造企业新的课题。所谓 网络化制造，即以设计与制造为核心，辅以信息流、物流、财流等相关管理，通过基于 网络的开发系统，实现远程控制和生产的新型制造方式。网络化制造的应用对象可以分 为设备层、企业层和企业群层三个层次【2 】。其中设备层的网络化制造包括设备的远程控 制、远程故障诊断、设备资源的异地共享和设备及生产现场的远程监视等。对于数控系 统的网络化制造的应用主要是解决远程计算机在数控加工时对n c 程序的上传和下送的 问题。远程计算机既可以是企业中车间级任务调度计算机，亦可以是企业级生产调度计 算机。在网络制造系统中则可以是异地协作企业的网络服务器。根据机床的加工能力， 合理分配各机床的加工任务，保存机床的n c 程序。在远程产品制造环境中，人员、设 备、资源和活动都分布于整个网络中【3 】。 近些年，随着数控机床的普及应用，逐步改变了以往的设备以单台套购进、单机运 转的模式，单台数控设备联网运行的要求越来越迫切，计算机网络和通信技术的发展为 这种需求提供了可能，采用数控设备网络系统集成，不仅可以提高数控设备的利用率， 而且对促进诸如敏捷制造等先进的管理和制造模式都具有重要的实际意义。由于数控加 工在机械制造业中的广泛应用，数控操作者素质的良莠不齐和新员工的大量培训便成为 需要迫切解决的问题。在传统的数控教学中，数控编程和操作必须在实际机床上进行， 这既占用了设备加工时间，又具有风险，培训中的误操作经常会导致昂贵设备的损坏。 近年来，涌现了大批具有数控教学功能的系统，大大便利了数控教学过程。然而，这些 教学系统大多偏重予单机的教学模拟功能，与实际设备之间缺乏关联，因两不具备真正 面向网络化制造的数控编程教学系统的研究与开发 的加工能力，且没有与数控设备形成真正的网络化连接，无法达到现代数控系统远程控 制的网络化要求。 1 2 网络化制造装备的国内外发展情况 1 2 1 国内发展情况 近年来，我国相继开发出了华中i 型、航天i 型、中华i 型、蓝天i 型等数控系 统。而开放式数控系统软、硬件平台，已在d o s 、l i n u x 操作系统平台开发成功。已经 开发出了车床、铣床、加工中心、仿形、轧辊磨、滚刀磨、拉刀磨、工具磨、凸轮轴磨 床、非圆齿扇插齿机、齿条插齿机、弧齿锥齿轮铣齿机、镗床、激光加工、玻璃机械、 纺织机械、医疗机械等3 0 多个数控系统应用品种。在国家8 6 3 计划和科技攻关计划多 年连续的支持下，我国基本掌握了网络化、数字化制造系统的基础技术。如1 9 9 9 年在 中国北京举行的国际机床博览会上，武汉华中数控股份有限公司率先推出了网络数控系 统原型机，实现了通过i n t e m e t 远程操作控制异地数控机床。博览会上，北京航空航天 大学与北京市机电研究院合作，展出了基于p c 计算机和光纤数字通信伺服技术的开放 式数控系统，通过光纤同时控制l 8 台机床上的5 0 个伺服轴和主轴，组成的柔性生产 线示范系统，获得国内机床行业高度评价。在2 0 0 1 年的北京国际机床博览会上，华中 数控与北京第一机床厂合作，展示了基于i n t e r n e t 的远程故障诊断技术；与桂林机床股 份有限公司合作，展出了由四台机床联网组成的远程控制技术。这些都为网络环境下数 控系统的研究开发奠定了良好的基础。又如华中数控在江苏常柴股份有限公司，将其模 具车间的5 台加工中心和一台仿形数控机床联网，可在远程异地设计、编程，然后通过 i n t e m e t 网络传送和共享零件加工程序，实现了c a d c a m c n c 的网络集成，大大提高 了生产效率和设备的利用率 4 , 5 1 。 1 2 2 国外发展情况 网络化数控装备是近几年国际著名机床博览会的一个新亮点。国内外一些著名数控 机床和数控系统制造公司都在近几年推出了相关的新概念机和样机，如在e m 0 2 0 0 1 展 中，日本山崎马扎克公司展出的智能生产控制中心( 简称c p c ) ；日本大限机床公司展出 的信息技术广场( 简称i t 广场) ；德国西门子公司展出的开放式制造环境( 简称o m e ) 等， 反映了数控机床向网络化方向发展的趋势。在数控机床网络化之外，国外还开展了更加 沈阳工业大学硕士学位论文 广泛意义的网络化制造研究项目g , 4 1 ： ( 1 ) 美国企业网 该项目属于美国政府资助的“制造系统的敏捷基础设施”项目，它提供包括生产能 力、各种工程服务项目、产品及其价格和性能数据、销售和用户服务等。该项目是 2 1 世纪制造企业发展战略研究报告中提出的，它试图通过发达的高速信息网络通信系统 把美国的制造业联系在一起。这意味着联网的美国企业类似一个大的虚拟企业，大大提 高了资源的共享程度和制造的敏捷性。美国企业网是跨国界的，大量跨国公司将通过卫 星通信技术进入这一网络。 ( 2 ) 制造系统的敏捷基础设施网络 该项目建立于1 9 9 5 年，它是美国国防部提出的第一个敏捷制造计划，参加成员有 大学、科研机构、中小型企业和贸易协会等。目标是开发一个国家信息基础框架，并利 用这个信息基础框架提供各种制造服务，以实现敏捷制造。提供的服务包括预成员和预 资格论证、供应商信息、资源和伙伴选择、合同与协议服务、虚拟企业运作支持、工作 小组合作支持等。它是一个开放网络，任何企业都可在其上提供服务：而且这个网络是 无缝隙的，因为通过它，企业从内部和外部获褥的服务没有任何区别。通过这个网络可 以减少生产准备时间，使当前的生产更加流畅，并可开辟企业从事生产活动的新途径。 ( 3 ) 计算机辅助制造网络 它是由美国国防部提供资助，通用电器公司研究与开发中心开发的。它通过因特网 提供多种制造支撑服务，如产品设计的可制造性、加工过程仿真及产品的试验等，使得 集成企业的成员能够快速连接和共享制造信息。其目的是建立敏捷制造的支撑环境，使 参加产品开发与制造的合作伙伴( 制造商、供应商、技术推广部门、制造服务部门、政 府部门等) 在网络上协调工作，摆脱距离、时间、计算机平台和工具的影响，可以在网 上获取重要的设计和制造信息，如c a d 模型、生产工艺、制造仿真和顾客需求等。该 网络主要为大公司的成员和客户提供服务，开发出用于传递分布式制造信息和服务的使 能器，利用这些使能器，并提供“材料应用设计服务”、“环境制造服务”、“材料选择服 务”和“供应商预资格服务”等四种服务。其总体目标是将企业中各种以数据库、文本、 图形和数据文件存储的分布信息通过使能器集成起来以供合作伙伴共享，为各合作企业 面向网络化制造的数控编程教学系统的研究与开发 的过程集成提供支持。 ( 4 ) 企业集成网络 由美国国防部资助，开发的一个先进的通信基础框架。它允许各种工业应用在网络 内透明地相互连接，并提供各种增值的服务，包括目录服务、安全性服务和电子汇款服 务等。目录服务帮助用户在电子市场或企业内部寻找信息、服务和人员；安全性服务通 过用户权限为网络安全提供保障；电子汇款服务支持在整个网络上进行商业往来。通过 这些服务，用户能够快速地确定所需要的信息，安全地进行各种业务以及方便地处理财 务事务。 1 3 数控教学的国内外发展情况 数控技术及其相关课程实践性极强。国外许多工业发达国家数控化率己达到5 0 8 0 以上，高等学校和职业学校都有完善的数控教学和实验体系，并有专业公司生产提供各 种教学培训装置，学校一般跟工厂直接接轨，可在工厂的生产现场，利用生产型的数控 机床对学生进行培i j i i 。而在我国，作为技术人才培养摇篮的高等院校、中专技校，学生 动手能力与实际经验较差。我国数控技术和数控机床在企业中的应用远不及发达国家， 要对学生进行数控技术的培训，只有学校自想办法，开设一些数控教学实验来达到培训 的目的。但由于受到经费等因素的限制，大部分院校实验、实习的条件较差，学校购买 的数量有限的昂贵的数控机床，无论从数量上还是从成本、安全上考虑都不适合于学生 的普及教学和实验，而只能进行参观、观摩等，技能训练更无从谈起，致使学生的技术 素质和动手能力相对较差。因此，改变目前数控技术教育的现状己迫在眉睫【9 】。 1 4 课题的提出及意义 数控机床近些年在我国开始普及应用，为提高我国工业化水平及工业竞争力起到了 重要作用。随着计算机网络和通信技术的发展，寻求数控设备与网络的有机结合成为近 些年研究的热点。目前，我国企业中应用的数控机床大多数只具有串行通信能力，无法 直接接入互联网，只能通过数控机床提供的r s 2 3 2 接口实现数控程序的接收和发送a 这种信息传输方式也就是所说的d n c ( d i r e c tn u m e r 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 l c o n t r 0 1 ) 。而r s 一2 3 2 串口通信的距离又菲常有限，这就需要一种特殊的网络结构来适应 沈r ll ：业人学硕十：学位论文 多通道数控设备串行通信网络化的发展要求【1 0 q 2 。 在箨企业大力引进数控设备的同时。操作的智能化、规范化问题逐渐得到人彳f 】的重 挽。数控设备价格很高，直接用昂贵的数控机床进行数控培i jr i ，很不经济。现行的数控 教学系统功能单一，许多是基于d o s 操作系统，其用户界面可。祝化程度差，而新丌发 的基于w i n d o w s 的数控教学系统又限予在电脑屏幕上进行加工仿真，不能进行实际加 工切削。如；南京宇航维i 造自动化所的y h c n c 数控车铣模拟仿真教学软件和江苏理工 大学的产品，他们在微机上开发的数控仿真系统，可遴行数控编程期加工仿真，但由于 没有跟实际机床相连，不能进行实际的加= 【切削，只能给操作者以感憔的认识，操作者 的实际操作技能锝不到训练。又如华中科技大学丌发的华中i 型数控培训系统，能够进 行数控实践教学和实际操 乍培i ) t i 。但由于系统以d o s 作为操作平台，其用户界西可视 化程度较差，不能与目前市场上流行的w i n d o w s 应用程序界面相比拟，并且没有以市 场上主流的f a n u c 数控系统为模拟对象，不能适应数控教学的实践训练。 基于此要充分发挥我国中小型金韭现有数控设备的生产潜力，研究既满足现代制 造过程的数控机床网络化需要，又具有教学应用功能的系统势在必行。 1 5 课题的研究方法及内容 在本课题中我们进行了基于w i n d o w s 平台的d n c 网络系统的研究和探索。建立了 该数控系统的网络试验平台。同时开发了具有串行通信能力、程序检错和仿真功能的数 控编程教学系统。具体的研究内容和方法如下： ( 1 ) 研究了串行通信的拓扑结构，构造了一种经济可行的d n c 联网方案应用于现 有数控车间，使其既适应予阏络亿教学的需要，又可以实现数控机床远程控制的功能。 ( 2 ) 研究了串行通信技术，根据现场的实际条件和用户的功能要求，确定了网络 通信的工作方式、控制方式和与不同系统之间的连接方式，组建了系统的硬件平台，应 用了协议转换联网控制策略。 ( 3 ) 采用基于可视化界颟的v i s u a lb a s i c6 0 作为丌发平台，进行功能设计和用 户界面设计，开发了“数控编程教学系统”，该系统具有程窿检错、刀具加工路径仿真、 程序传输和程序代码管理等一系列功能。 5 丽向网络化制造的数控编p 舛女学系绒的研究0 开发 2 教学系统通信网络结构的研究 2 1 教学系统通信网络的功能要求 本课题的数控编私教学系统，要应用于拥靠1 6 台数控车床的数控教学，圭产苇h j 。 在教学中要具钉举机教学和网络化传输等功能，在生产中要具有可以对多台设备的n c 挥序上传和下送等功能，所以此敦学系统的通信刚络要具育定的特殊性，要酬臻2 满足 教学的需要，又能同刈。服务于生产，这就需要认真研究现有d n c 网络结构的优点和不 足，选择最符合设汁封标的d n c 网络结构来构建数 窄编霸! 教学系统的通信嘲络。 2 2d n c 网络技术研究 2 2 ，id n c 系统概念及发疑 d n c ( d i r e c tn u m e r 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 0 1 ) 意为直接数字控 制或分白式数 控制，是衔用一台或多台中央计算钒对多台数控机床实施综台数，控制 的- r e t , 方式。在d n c 系统巾臻奉保留原_ 爿乏备数控机床c n c 系统，弦与d n c 系统的中 央计算机组成计算机网络，实现分缴控制管理。哼1 央计算机并不取代备数控装臀的捅补 运算等常规j 二作，丽主要执彳亍计划调度、数据分配、远程监控等控制管理工作。 d n c 的最早含义跫赢接数字控, $ 1 ( d i r e c t n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，歼始研究予2 01 廿纪6 0 年代，当时计算机的离成本足阻碍数控机床普及的主要问题，为了降低数控设备的成本， 将若于台数控设备直接连接在一台计算机上，出中央计算机负责数控程序的管理和传 送，这就是随接数字控制，它解决了早期数控设备因使用纸带丽产生的系列问题。 2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算帆，特男u 足微处理机技术的发展和价格的下降。使 得c n c 硬件的成本不再足影响n c 应用的主要问题，而且c n c 的存储容毓不断扩大， 己n r 以存储筒蕾零件豹程序，这i 重d n c 的基本功能发，了一些变化。数控程序不足以 实t t - f 的方式传输给数控设备，两硅一次完成全部传输，存储拒数拄机床的程序存储器中， 社：j ；耍f i 寸可以启动运行，这就足所隧的分砸j 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 ) 。 分如式数：# 控制除了具有蔑接数字控制的功能外，还钶系统信息收煲、系统状态躲控和 挖帮j 功能引。 2 0 世纪8 0 年代后，随蓿信息技术和先进制造技术的发展，d n c 的功能和内涵也征 沈阳工业大学硕士学位论文 不断扩大，主要体现为以下两个方面【1 5 - 18 1 ： ( 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 的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在一起， 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c a d c a m 和计算机辅助生产管理系统 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 c i 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、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 。 2 2 2d n c 的功能和接口 d n c 通信功能主要有三种：下送n c 程序，上传n c 程序，系统状态采集和远程控 制。只具有第一种功毙称为基本d n c ，具有前两种功能称为狭义d n c ，三种功能都具 有称为广义d n c 。d n c 的接口是指数控机床提供的通信接口，数控机床提供的通信接 口决定了d n c 系统能够达到的功能。d n c 接口有如下四种类型 1 9 之l l ： ( 1 ) 接口配置为纸带阅读机输入接口 ，这种d n c 结构要利用数控系统的纸带阅读机输入接口，并通过设计- - ) f 接通信卡 来实现。该通信卡模拟纸带阅读机的功能。一方面与d n c 主机的r s 2 3 2 c 串行通信接 口进行串行通信，另一方面将n c 程序以并行方式通过纸带阅读机输入接口送入数控系 统a 这种方法消除了因使用纸带阅读机而引起的可靠性等问题，但只能下送n c 程序。 这种结构又叫读带机旁路b t r ( b e h i n d t a p er e a d e r ) 。现在已经有很多公司提供读带机旁 路产品。 面向网络化制造的数控编羊l l ：教学系统的研究与开发 ( 2 ) 接 j 配筲为r s 2 3 2 c 接口 2 0 批纪8 0 9 0 年代的数控系统大多赎何r s 2 3 2 c 串行通信接口，这种d n c 结构直 接把数拧系统的r s 一2 3 2 c 串行通信口和d n c 主机的r s 2 3 2 c 碍j 行通信c a , = t l 迩，从丽实 现n c 程序的上传和下送。这种结构在4 i 需要远程控制和状态采集的场合应用较多。为 了实现广义d n c 功能需要在坂有数控系统的琏勰t 通过增加一块其霄双向通信功能 孱】i o 控制功能的d n c 通信接口卡。 ( 3 ) 接口配罨为d n c 接口 离梢数控系统有些具有d n c 通信接口，筑接在d n c 丰机和数控系统中插上相应的 d n c 接i ：l 卡并运行嘏应的软件。实现数拧系统所带的各种d n c 功能。这种炎犁的d n c 系统小仅呵以实现数控程j 上：传和下送，还r 玎以实现系统状态聚集和远程控制。 ( 4 ) 接口泓霞为蚓络接u 少数高档数控系统具彳f 网络接口，这种d n c 结构通过直接在d n c 壹机和数荇系统 中插e 栩应的m a p 3 0 等网络通信接口卡并运 i 年弱应的软件就可实现数控系统的局域网 连续方式和数控系统所带的各种d n c 功能。 2 ，23d n g 通信技术和拓扑结构 数控机床提供的接翻和d n c 网络的拓扑结构决定了d n c 逶信所采用的技术，通信 技术和嘲络技术的发展使d n c 的通信方式变得更加丰富，f = j 静在d n c 中应用到的通信 技术主要有以下几种1 2 2 , 2 3 j 。 ( i ) 串行通信技术 利f j 数控机床提供的r s 2 3 2 、r s 。4 2 2 、r s 4 8 5 或b t r 接口，采用点对点或星形拓 矜结构的率行通信技术束实现通信。 点对点型拓扑络构即一台数控机廉对应于一台计箨机，针对不同的数控设备编制通 信软件。对于工件的输送、贮存、同步加工和装配等活动的集成化管理，一般还需要采 用一台外部过程控制计算机与d n c 系统梢连。这种结社j 可以同时收集车问的j 他制造 数烈c ，盘f 1 u k 汁划、j + 序、j ：人掇作资料等。口r 以实现机床数獬收馕和产品数锻牧绥， 达剑f “义d n c 的功能。这种结构的缺点足必须为铘台数控设餐配备一台丁控计锋机， 造成1 ：羟汁算机数鞋太多，企、啦投资过大。时由y - r s 一2 3 2 c 援fj 的限制，1 控计算机 沈目1 i 业入学颈十学能论文 机和数控设备的距离只能在1 5 m 内。点对点型拓扑结构如图2 1 所示。 圈2 ，l 点对点型拓孙结构翻 f i g 2 1t o p o l o g yo f p o i n tt op o i n ts t r u c t u r e 为了解决点对点型拓扑结构工控计算机太多的缺点，发展了星型拓扑，即一台计算 桃( d n c 主机) 对应于多台数控机床，所有的数控机床均从同一d n c 主机下载n c 程序， 这种拓扑结构有三种实现方式。 第一种是给计算机增加串订通信卡，如陶2 2 所示。每台枧床均与承独的串目通信 卡连接，当机床距计算机较远时，可利用r s 2 3 2 增羊鐾装置实现远程传输。这种黠构易 于实现，同时省锌了大量的计算机设备投资，识其最大缺点是可靠性差。一旦d n c 主 机出现问题，整个系统都无法运行，同孵所连的设备不能太多，丽且这种设备的扩展 性能很差。 丽向网络化幕9 造的数控编稃教学系统的研究与开发 酬2 2 使j | j 审翻扩展的足形拓扑结构 f i g 2 , 2s t a rt o p o l o g yu s i n gm u l t i p o r ts e r i a lb o a r d s 第二二种疑在计算帆上添掘r s 4 8 5 透信k ，掘隰2 t 3 所示。利f ! r s 4 8 5 串行接 l 抗 干扰能力强，传输2 f ! 离远的特点，丽且r s 一4 8 5 允洎：多点通信，一对甲衡电缆上可连接 多达3 2 个终端设备由r 数控机冻多为r s 2 3 2 接口，因此必须醚嚣r s 4 8 5 r s 2 3 2 双 向转换器。 翻2 3 使川r s4 8 5 的琅形拓扑维+ f i g 2 3s l a rt o p o l o g yu s i n gr s 一4 8 5 2 最厉一手| l t 足利用串行通信集线器( h u b ) 水实现，j c 拓扑结翰矗罔2 4 所示。很多公 i o 沈r l l ：业人学硕七学能论文 司提供这种集线器产品。 | 耋j2 4 使埘璋l 口h u b 的艰形拓扑结构 f i g 2 4s t a rt o p o l o g yu s i n gs e r i a lh u b ( 2 ) 局域网通信技术 局域网型通信互联是一种非集中控制的通信网，它把各站点，例如个d n c 系统 通过条公用的通信介质( 双绞线、光纤电缆或| 司轴电缆) 连接在一起。各站点之蚓的 距离可较远。这足一种先进的d n c 通信形式，位燹求数控系统必须其有网络接口。目 前数控枫床提供的网络接日主要趋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 ) 通信接口， 近几年来也出现了其有以太列通信接翻的数控机廉1 2 4 i 。m a p 趋荚国g m 公司发起研究 和歼发的用于车间环境豹通用嘲络通信标准。m a p 协议能在制造环境下把各种自动化 设备有机集成起来，使它们协调运行，满足生产需要。m a p 标准支持全部i s o 提出的 丌放系统互联( o s i ) 七层参考模型。针对o s i 七层模型，m a p 对于每一层都提出了具体 的协议标准，专门面向工厂自动化。傻拂议本身只提供实现标准，不提供实现的范例。 这季中通信技术在实际歼发上复杂程度商、开发费用大，老旧机床用陇技术实现d n c 几 乎不可能，所以在国内这种技术几乎没有应用。新式数控系统如f a n u c1 8 提供这种 m a p 接口。 近几年来随着歼放式数控系统的发展和以太网技术的成熟以及传输遽度豹提崭，部 分数控机床歼始提供以太网接口，以太网己经成为办公自动化的主流技术，采用以太网 面向嘲络化铷遗湘数控编辑数学系统的研究j 开发 接口的数控机床可以实现军问自动化和办公自动化的无缝连接，实现c a d c a m 和d n c 系统的完全集成，是目莳的发艘方向。 ( 3 ) 现场总线技术 现场总线( f i e l db u s ) 足t - ) t , 十年代本九1 f 年代钥发展起束的，跫用于仪表与控制象 之的个标准的、歼放的、双f i j ；j 的多蠡占数字通信系统。能魄时满足造程控制自动化鞠 带4 j 矗自动化豹需要。随羲训算机技术、遥信技术、集成电路技术的发展，以全数字式现 场总线为代表的甄联规范，珉在迅弦发展和扩大。由丁采用现场总线将使控制系统结构 筒肇、系统安装赞用减少并且易于维护、用户可以自f | 选择不同厂商、不蚓d 牌的现场 设螯达到最侄的系统集成等系列的优点，现场总线技术难越来越受到人们的蚕视。出 于现场总线足辏卡数字通信的，c ! _ l 此侄现场与控制室之阳j 能进行多变壁舣向通信，构建 旗于现场总线的d n c 网络主要是虑心现场总线传输速度离、实时他好的特点。由于数 控机庆并没有提供专门的现场总线接 j ，渊此只能应用现场总线构建网络，脏在接入数 控机床时则需要宙专门的转换器以连接数控机眯的审行接口，在转换器和数控机床问仍 采j j 串行通信。刹朋通信瓣端攀元以实现现场总线和串口通信的转换。翻莳在d n c 应 用的现场总线主要有b i t b u s 、c a n e 3 u s 、p r o f i b u s 等；现场总线通信结构示意脚如剐2 ，5 所示。 图2 ，j 现场总线通信纷心d i 怠吲 f i g 2 5s k e t c ho ff i c l d b u sc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e 沈日li 业人学硕十学位论文 2 3 教学系统通信网络的结构 2 3 1 构造系统通信网络需关注的问题 通信系统的联网方式决定了整个系统的性能，针对于面向教学和生产双重任务的通 信网络，要集中关注以下几个方谣的问题： ( i ) 稳定性 需要系统硬件舰模较小、故障率低、传输可靠稳定。 ( 2 ) 集中性 以台或凡台主机实现对多台数控设备的集中管理，共享程度商。 ( 3 ) 通信距离 主机与数控设备问的通信距离应能满足教学和车i 日j 布局的需要。 只有关注以上问题爿能符合完整的设计要求，为软件平台的搭建建立可靠的硬件基 础，达到课题研究的根本嚣的。 2 3 2 几种网络结构的分析 从前丽的介绍中我们知道，主机与数控机床的通信，是利用数控机床提供的r s 2 3 2 、 r s - 4 2 2 、r s - 4 8 5 或b 1 r 接口，采用点对点型或星形拓扑结构来实现串行通信的目的。 出于本课蹶的系统采用的足f a n u c 0 i 系统，该系统只具备r s 2 3 2 c 串行通信端1 2 1 ，根 据实际情况我们考虑了三种网络通信结构。 x ( k ) 且y ( o ) y ( k ) 。 ( x ( o ) 、y ( 0 ) ) 为每步运动时刀具起始点 的坐标值， ( x ( k ) ，y ( k ) ) 为每步运动时刀具的终点的坐标值， ( x ( n ) ，y ( n ) ) 为当前 的动点的坐标值。另七种情况相同。) 沈阳工业大学硕士学位论文 图4 3 第一种情况下动点与直线的关系 f i g4 3r e l a t i o no f p o i n ta n dl i n ei ns i t u a t i o nf i r s t l y 第一种情况直线石百，起点0 坐标为( x ( o ) ，y ( o ) ) ，终点e 坐标为( x ，y ( k ) ) ， 还有一个动点为n ( x ( n ) ，y ( n ) ) ，如图4 3 所示。先假设动点n 正好处于直线之上，则 有下式成立： 器端= 器端 “， x ( n ) 一x ( o ) x ( k ) 一x ( 0 ) “ 即： ( y ( k ) y ( 0 ) ) ( x ( n ) - x ( o ) ) 一( k ) 一x ( 0 ) ) ( y ( n ) - y ( o ) ) = 0( 4 2 ) 假设动点处于石豆的上方n ，则直线琶话矿的斜率大于直线石叵的斜率，从而有： 器塑- x ( o ) 器塑- x ( o ) ( 4 3 ) x ( n )x ( k ) 一 即； ( y 。y ( o ) ) ( n ) - x ( o ) ) - x ( o ) ) ( y ( n ) y ( o ) ) 0 时，动点n ( x ( n ) ，y ( n ) ) 落在直线o e 下方区域： 当f 0 ) ，为了更靠近直线轮廓， 则要求刀具向y 方向进给一步；当刀具处于直线上方区域时( f o 情况一致，从 而将f 0 和f = 0 两种情况归于一类( f 0 ) 。根据上述原则从起点o o ( ( o ) ，y ( o ) ) 开始， 走一步，算一算，判别f 符号，再趋向直线进给，步步前进，直至终点e ( k ) ，y ( k ) ) 。 这样，通过逐点比较的方法，控制刀具尽量走出一条接近零件轮廓直线的轨迹。当每次 进给的台阶( 即脉冲当量) 很小时，就可将走出的折线近似当作直线来看待。显然，逼 近程度的大小与脉冲当量的大小直接相关。 由偏差判别函数公式可以看出，每次求f 时，要作乘法和减法运算，为了简化运算， 通常采用递推法，即每进给一步后新加工点的加工偏差值通过前一点的偏差递推算出。 现假设第n 次插补后，动点坐标为n ( x ( n ) ，y ( n ) ) ，偏差函数为： f ( n ) = ( y ( k ) 一y ( o ) ) ( x