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贵州大学工程硕士学位论文第1 v 页 d n c 网络制造组织模式研究与应用 摘要 如今，随着生产管理水平的提高，以及c a d c a m 技术的成熟和逐渐推广应用，迫 切需要利用计算机网络技术及d n c 技术将c a d c a m 系统、数据库与数控机床有机地 融合到机械制造业中。用全新的网络制造生产模式来代替传统的生产模式，实现区域、 地方乃至全球化的网络制造体系，以提高信息、资源的共享程度及利用率，实现集约化 生产，满足未来先进生产过程及管理的需要。 本文作者通过对国内外网络化d n c 集成制造系统的相关理论、技术和不同组织模 式现状的研究分析比较，以d n c 技术、c a n 现场总线技术、工业以太网技术、通讯技 术为研究基础，提出了适合贵州大学机械学院工程实验中心的“基于工业以太网结构的 多串口转换器网络化d n c 组织模式 、完成了整个d n c 网络制造体系的功能结构设计 和系统结构设计、组织并现场实施了整个系统的软件与硬件体系、同时在现场实施的过 程中对系统进行了相关调试工作、并对调试中所出现的问题给予了解决。最终建设完成 了可集数据库、c 胱a m 、i n t e m e t 、数控设备为一整体的d n c 网络化制造系统，从 而使机械工程学院工程实验中心向先进制造技术重点基础方向之一的删c 网络化 制造领域迈进了一步。 关键词：d n c ，工业以太网，网络制造，先进制造技术 贵州大学工程硕士学位论文第v 页 r e s e a r c h & a p p l i c a t i o n o nt h e o r g a n i z a t i o nm o d e lo fd n cn e t w o r k - - m a n u f a c t u r i n g a b s t r a c t n o w , a l o n g 谢n lt h eu p g r a d i n go fm a n a g e m e n tl e v e lo fp r o d u c t i o n ，t h em a t u r a t i o na n d p o p u l a r i z a t i o n o fc a d c a mt e c h n o l o g y , i ti s u r g e n tt oi n t e g r a t ec a d c a ms y s t e m ， d a t a b a s ea n dc n cb a s ei n t ot h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ed n c t e c h n o l o g y t h e b r a n d n e wn e t w o r k - m a n u f a c t u r i n gm o d e lc a nb eu s e dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o n p a t t e mt or e a l i z et h el o c a l ，r e g i o n a le v e ng l o b a lm a n u f a c t u r i n gn e t w o r ks y s t e m ，f o rt h e p u r p o s eo fi n c r e a s i n gt h es h a r i n ga n du t i l i z a t i o no fi n f o r m a t i o na n dr e s o u r c e s ，t oa c h i e v e i n t e n s i v ep r o d u c t i o na n ds a t i s f yt h en e e do ff u t u r ea d v a n c e dp r o d u c t i o np r o c e s sa n d m a n a g e m e n t t h r o u g hr e s e a r c h e sa n da n a l y s e so l it h ec o r r e l a t e dt h e o r i e s ，t e c h n o l o g i e sa n dd i f f e r e n t o r g a n i z a t i o nm o d e lo fd o m e s t i ca n df o r e i 弘d n cn e t w o r k - m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，w i t ht h e r e s e a r c ho ft h ed n ct e c h n o l o g y , t h ec a nf i e l db u st e c h n o l o g y , t h ei n d u s t r i a le t h e m e t t e c h n o l o g ya n dt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya st h eb a s i s ，t h ea u t h o ro ft h i st h e s i sh a sg i v e n as u i t a b l ed n cn e t w o r k - m a n u f a c t u r i n gs y s t e mo r g a n i z a t i o nm o d e lt h a ti sb a s e do rt h e i n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g ya n de t h e m e td e v i c em a s t e rm u l t i p o r ts e r i a ld e v i c es e r v e r s & h u b sf o rm e c h a n i c a li n s t i t u t ep r o j e c tl a b o r a t o r yc e n t e ro fg z u t h ea u t h o ro ft h et h e s i s h a sc o m p l e t e dt h ef u n c t i o ns t r u c t u r a ld e s i g na n dt h es y s t e ms t r u c t u r ed e s i g no ft h ed n c n e t w o r km a n u f a c t u r es y s t e m ，o r g a n i z e da n di m p l e m e n t e dt h eo v e r a l ls y s t e m ss o f t w a r ea n d h a r d w a r es y s t e mo nt h es p o t a tt h es a m et i m e ，h eh a sc a r d e do nt h er e l a t e dd e b u g g i n gw o r k i nt h es c e n ef o rs y s t e mi ni m p l e m e n t a t i o np r o c e s sa n dg i v e nt h es o l u t i o nt op r o b l e m sw h i c h a p p e a r e di nd e b u g g i n gt h ep r o c e s s t h ea u t h o rh a se v e n t u a l l yc o m p l e t e dt h ed n c n e t w o r k m a n u f a c t u r es y s t e mw h i c hi sa b l et oi n t e g r a t et h ed a t a b a s e ，c a d c a m ，t h ei n t e r a c t ，t h e 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 硒aw h o l e ，r e s u l t i n gi nt h ee n t r a n c ei n t od n cn e t w o r k 贵州大学工程硕士学位论文第v l 页 m a n u f a c t u r ed o m a i nf o rt h em e c h a n i c a li n s t i t u t e sp r o j e c te x p e r i m e n tc e n t e rt h a ti so n eo f t h e k e yf o u n d a t i o nd i r e c t i o n si na d v a n c e dt e c h n i q u eo f m a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：d n c ，i n d u s t r i a le t h e m e t , n e t w o r k - m a n u f a c t u r i n g ， a d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y 贵州大学工程硕士学位论文第页 封底：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究在做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毪塑丛；翌 日 期： 2q q 曼生篁月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权贵州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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：删马导师签名 步 晋期业衄 贵州大学工程硕士学位论文第1 页 第1 章前言 传统的制造观是机械制造观，注重物料流和能量流的描述，而现代先进制造系统则 是有大量决策变量和多个优化目标，以生产率最高为优化目标的复杂系统。信息技术的 应用已经深入到各个方而，信息技术与制造技术的融合是机械制造技术发展的主要方 向。网络正改变人们的生活，也在改变制造业的组织模式和生产理念，通过网络进行产 品的再制造，正在将生产的全过程全球化，新世纪的制造技术将是网络化的全球制造技 术，通过网络不断更新和增大产品的知识含量，将成为制造和再制造的一种重要方式【1 1 。 1 1 网络化制造技术 网络化制造指的是面对市场机遇，针对某一市场需要，利用以网络为标志的信息高 速公路，灵活而迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智 力资源和各种核心能力，按资源优势互补的原则，迅速地组合成一种没有围墙的、超越 空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的生产、经营实体的网络联盟企业，以便快 速推出高质量、低成本的新产品。网络化制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征。 柔性化与敏捷化是快速响应客户需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速 响应、过程中的并行性与分布式决策。这意味着系统必须具有动态易变性，能通过快速 重组，快速响应市场需求的变化。由于制造资源与市场的全球分布性，因此，这种快速 重组必须建立在分布式网络化基础上。 网络化制造是面向2 1 世纪的一种先进制造模式，是我国重点发展的九项先进制造技 术之一。建立和实现基于网络的分布式制造系统模式，是对传统制造模式的扬弃与创新。 近些年来，在理论上已初具系统，在实践中亦取得成效的先进制造生产模式主要有柔性 生产、智能制造、精益生产和敏捷制造等，在充分吸收这些成果的基础上，结合当前国 内外制造业的基本形势，很多前辈提出了网络化制造系统的初步构想。 1 2d n c 技术 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 或分布数字控制，是网络化制造技术的核心技术之一；是以计算机技术、通讯技术、数 控技术等为基础，把数控机床与上层控制计算机集成起来，从而实现数控机床的集中控 贵州大学工程硕士学位论文第2 页 制、管理以及数控机床与上层控制计算机间的信息交换。它是现代化机械加工企业实现 设备集成、信息集成、功能集成的一种新方法，是制造业自动化的重要模式，也是实现 m e s 等系统的重要组成部分。 d n c 的最早含义是直接式数字控制( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，开始研究于2 0 世 纪6 0 年代，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。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c n c 硬件的成本不再是影响n c 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 ( 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【4 】。 。1 2 1d n c 系统的分类 按照d n c 的功能，可将其分为初始、基本、狭义和广义d n c 。如表1 1 所示j 表1 1d n c 系统按功能复杂程度分类 按d n c 系统的内涵的不同，可将其分为直接d n c 、分布式d n c 、柔性d n c 、 网络d n c 、集成d n c 和智能d n c 等。如表1 2 所示： 贵州大学工程硕士学位论文第3 页 表1 2d n c 系统按内涵分类 分类定义 直接d n c 系统，也就是直接数字控制d n c ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，是早期 直接 的d n c 概念，其主要功能是将计算机与数控机床的直接连接，只是实现n c 程 d n c 序的下传到数控机床以完成零件的加工而己。 分布分布式数控系统( 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 ) 是随着网络和计算机技术的发 式 展而赋予了d n c 新的内涵。不但能够实现n c 程序的双向传输，而且具有系统 d n c 信息采集、状态监视和系统控制等功能。 柔性柔性d n c 系统是随着d n c 的发展，d n c 和f m s 的界限越来越模糊，此时的 d n c d n c 己成为f m s 中必不可少的一部分。 网络d n c 系统，是为了适应敏捷制造、全球制造、分布式制造和远程制造而发 网络 展起来的一种d n c 系统。这种d n c 系统的特点是更强调网络与分布式数据库 d n c 方面的功能与虚拟集成。 集成d n c 系统，是以数控技术、计算机技术、控制技术、通讯技术和网络技术 集成等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备与上层控制计算机集成起来，从 d n c 而实现制造车间制造设备的集成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。 智能d n c 系统是随着人工智能技术的发展及其在制造领域的应用而出现的，目 智能的是为了克服基于知识的人工智能的缺点，人工智能最新研究已经向计算智能 d n c 方向发展。计算智能主要包括：模糊技术、人工神经网络、遗传算法等。这些智 能技术的运用，必将促进智能制造技术的发展及新的智能d n c 的出现。 1 2 。2d n c 系统的组成 尽管d n c 有多种多样的分类方式，但各种分类方式都有构成d n c 系统必不可少 的基本组成部分。其中主要有： 1 d n c 控制计算机，包括大容量存储器和f o 接口； 2 通讯介质( 双绞线，同轴电缆等) ； 3 通讯接口； 4 数控设备； 贵州大学工程硕士学位论文第4 页 5 软件系统( 系统软件、支撑软件、应用软件) 。 1 - 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 i 国内外研究现状 目前，世界各著名数控系统制造商纷纷投资研制网络化的d n c 集成制造系统。在 2 0 0 0 年芝加哥国际机床展上，数控机床的网络化、集成化以一种新的理念推出，网络功 能并不只用于传递加工程序和远程监控、诊断，还可用于生产管理。如大畏公司的数控 系统上可以进行设备作业状态的实时收集与统计，这些设备均用以太网连接至加工管理 系统。m a z a k 公司介绍了他们的智能化网络工厂，每台数控机床均接入企业智能网络， 这种将企业管理、设计直至生产制造的底层设备集中联网控制的网络模式使得生产率大 幅度的提高，如采用了这一模式的银 1 1 d 巨人公司以1 3 5 人年产4 2 0 台数控机床，人均生 产率1 6 0 万元【2 】。 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 r a n e t 远程操作控制异地数控机 床。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 m 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。常柴股份有限公司的北厂模具车间有四台数控机床采用了华中网 络式数控系统，所有机床通过内部局域网( n t 网) 连接。模具车间的n t 网络上的服务器， 通过i n t e r a c t 与5 k m # f 、的常柴总厂计算中心连接。总厂计算中心由u gi i 或其它c a d c a m 软件生成的数控程序可通过i n t e m e t 和服务器传送到任何一台数控机床的控制系统中。由 于华中网络c n c 具有较大的内存和外存空间，其资源可共享到计算机网络上。因此，每 台配华中数控系统的数控设备存储器上的数控程序，可通过网络共享到其他任何一台华 中数控系统上。这使得数字化仿形测量所生成的数控加工程序可共享到其他非仿型功能 的数控机床上加工模具。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【3 】。 2 0 世纪9 0 年代初，美国政府提出了先进制造技术计划，将基于信息高速公路的敏捷 制造作为美国2 1 世纪的制造战略。由美国麻省理工学院负责实施的下一代研究项目，主 要目标是研究美国在下一世纪赢得世界制造业领先地位的指南，方法与实现框架。美国 贵州大学工程硕士学位论文第5 页 制造业有效的利用俄罗斯制造业的能力，为实现更加广泛的全球制造起到示范作用，美 国政府还建立中小型信息网络，9 0 年代初，美国里海大学( l e h i g hu n i v e r s i t y ) 在研究和总 结美国制造业的现状和潜力后，发表了具有划时代意义的2 1 世纪制造企业发展战略”报 告，提出了敏捷制造和虚拟企业的新概念。这一新的哲理产生了巨大的反响【4 1 。 1 9 9 5 年美国国防部和自然科学基金会资助1 0 个面向美国工业的研究单位，共同制定 了以敏捷制造和虚拟企业为核心内容的“下一代的制造，计划【5 1 。 1 9 9 6 年5 月美国通用电器公司发表了计算机辅助制造网c a m n e t 的结构和应用。它通 过万维网提供多种制造支撑服务，其目的是建立敏捷制造的支撑环境【6 】。 1 9 9 7 年美国国际制造企业研究所发表了美国俄罗斯虚拟企业网研究报告。该项 目是美国国家科学基金研究项目，目的是开发一个跨国虚拟企业网的原型，使美国制造厂 商能够利用俄罗斯制造业的能力，从更大的意义上讲，作为全球制造基础框架一部分的 美俄虚拟企业的建立与发展起到实现全球制造的示范作用l 。 目前，英国利物浦大学正在欧共体资助下建立英国西北虚拟企业网，该网旨在支 持、促进英国西北地区中小企业的合作与发展【引。 1 9 9 8 年1 2 月，欧洲联盟公布了“第五框架计划( 1 9 9 8 2 0 0 2 ) ”，将虚拟网络企业列入 研究主题【8 】。 综上所述，网络化制造技术正在推动整个制造业的生产组织、生产管理与制造技术 的变革。 1 3 2 发展趋势 1 生产管理一体化 提高制造系统的生产率已经从注重设备自动化转向注重生产过程的科学管理。2 1 世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争，面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多 产品的改型，订单的不断调整，企业决策者认识到，计划的制订要依赖于市场和实际的 作业执行状态，而不能完全以物料和库存回报来控制生产。传统生产现场管理是一黑箱 作业，已无法满足今天复杂多变的竞争需要。因此如何将此黑箱作业透明化，找出任何 影响产品品质和成本的问题，提高计划管理的实时性和灵活性，同时又能改善生产线的 运行效率已成为每个企业所关心的问题。 2 虚拟异地合作设计 贵州大学工程硕士学位论文 第6 页 虚拟异地合作设计是企业级制造技术的集成，是建立虚拟企业的重要支撑技术，主 要强调在产品设计和开发中，获取设计知识的异地合作。我国企业存在一批可以支持产 品开发中设计知识获取的资源或潜在资源，要使这些资源以及企业外的资源以开发某项 产品为中心，并和企业组织在一起，共同为这个项目的完成进行设计、特别是获取新知 识。 3 分散网络化生产 强调生产系统的网络化。分散网络化是指将动态的、没有固定隶属关系的、地理上 相隔的集团，利用信息和通讯技术把它们加以组织起来进行生产，快速地以合理的成本 将产品从设计转入生产。通过因特网对产品设计、工艺、生产和工况信息从一个生产单 元传送到异地的生产单元完成整个生产过程。 4 新型网络通讯技术 新型网络通讯技术有两种，即以太网络和现场总线方式，对数控系统制造商来说， 向开放式系统发展，即将p c 微机技术融合到数控系统中，应用界面m s w i n d o w s 化， 充分利用p c 微机主流操作系统m s w i n d o w s 庞大的软件资源，使数控系统联网通讯 更加便捷【7 】。目前，越来越多的c n c 制造商为其c n c 提供了以太网络接口和现场总线 接口。 5 无线通讯技术 采用无线通讯技术，实现计算机与数控机床间通讯无线化，增加控制管理灵活性、 并减少现场施工、缩短工期、减低成本。 6 信息的高度集成 采集更完备的机床信息，为车间生产管理提供第一手信息。智能分析采集的信息， 对设备进行实时控制，与e r p ，p d m ，m e s 等系统真正无缝联结。 1 4 课题来源、研究内容 数控加工d n c 网络制造组织模式研究一直被人们关注，特别是在上个世纪九十年代 末，基于d n c 的数控加工的模型研究在我国广泛开展，并在少数国家大型企业实验实施。 对于我们学校实验室来讲，这方面的研究尚属于空白。现阶段我校正在进行全面的改进， 包括实验室质量的提高。我们机械学院数控实验室也在不断的引进实验设备，改善实验 室的教学方式和手段，更好的培养学生动手能力、创新思维能力和综合实践能力。 目前我院已经拥有v m c 8 0 0 立式加工中心、c k 7 1 3 6 数控车床、z j k 7 5 3 2 钻铣床以及 贵州大学工程硕士学位论文第7 页 c k 0 6 2 8 数控车床、s a n y i n g 2 0 0 0 数控铣床等先进的生产和教学型数控设备；还配备有 一些较主流的c a d c a m 应用软件，应该说已经为数控技术、机电一体化系统设计、 毕业设计等相关主要专业课程提供了一个良好的实验及实践环境。但随着制造业技 术的不断发展，尤其是全球正在兴起的信息化制造技术、区域乃至全球性分布式制造系 统的技术革命，我愈发感到数控实验室在现行教学中所采用的的实验方法和手段暴露出 越来越多的问题；如现有的各数控设备都处于单机状态，其管理及使用效率都较低；设计、 制造、控制、管理等各部门各单元模块隔离，成孤岛状，信息和设备不能有效共享；实 验方法手段传统，与先进生产企业的设计、制造流程具有明显差距等问题。这些问题已 经严重到了将学生与当前实际生产中所采用的信息化先进制造技术相隔离的状态，导致 学生不能在学校完整的了解和获取关于网络化制造技术的这一新概念、新技术的知识、 致使学生理论与实际严重脱节以及知识点和实践动手能力滞后于社会生产实际。这是当 前我们急需解决的问题。因而如何利用现有条件和设备，结合生产实际改进实验手段和 方法、提高实验室的办学条件和水平、建立适应现代高校所需要的现代制造技术实验室， 使教学与先进的生产实际紧密结合、使学生的知识点与实践能力与时俱进、顺应先进制 造技术发展趋势，对于我院实验室有着重要的意义! 同时研究成果也可为企业提供一条 切实可行的d n c 网络制造系统的构建理论和方法。 本论文研究主要内容： 1 基于d n c 网络化制造不同组织模式的研究 2 基于d n c 网络化制造数控加工车间的实现方法研究 3 研究并建立适合于我院工程中心数控实验室的现代数控网络制造系统“缩微” 模型 4 对我院数控网络制造系统进行具体功能及系统结构设计 5 对我院网络制造体系构架进行具体组织和实施 6 对系统进行相关调试工作，并对其中可能出现的问题进行分析和解决 1 5 课题研究的目的及意义 1 5 。1 研究意义 随着计算机网络技术的发展，c a d c a m c a e 集成系统也向着网络集成化方向发 贵州大学工程硕士学位论文第8 页 展，使过去成为“孤岛”的微观集成发展成为符合企业需求的宏观集成。解决信息流的统 一性与物流的离散性之间长期无法协调的矛盾，解决了集成系统在信息共享时间上的统 一性与具体应用者在空间上的分散性间的尖锐矛盾。也使得整个企业能利用以网络为基 础的i n t r a n e t 新兴技术，将p d m e r p ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t e n t e r p r i s er e s o u r c e p l a n n i n g ) 技术贯穿于整个企业的人、财、物、产、供、销的各个方面。数控技术、自 动控制技术作为企业生产环节计算机信息化的代表，是生产型企业最重要的技术改造环 节。但因数控系统作为专用计算机系统，无法实现直接与企业p d m c a d c a m 网络系统 并网，造成网络系统的不完善。特别是造成p d m e r p 系统与生产环节的脱节，将会影响 整个系统的有效性与基本数据信息的准确性，所以建立完整的d n c 网络制造系统，并与 整个网络系统实现并网具有非常重要的意义 基于网络环境下的先进设计技术和先进制造技术研究在工业发达国家已成为制造 业发展的最重要研究基础。与国外的制造企业相比，我国制造企业存在着地域分布广， 企业分布广的不同区域经济发展与基础设施条件不平衡等特点。在此情况下，实施网络 化制造的意义就更加明显，通过网络化制造的方式可以在很大程度上解决由于地理空间 上的差距给企业发展带来的不利影响。同时数控机床网络化集成技术具有系统化、标准 化、开发周期短、资金投入少、高性能、升级换代快、智能化且可以参与过程管理等诸 多优点。网络化d n c 技术的实现将大大地提高制造业的柔性、敏捷制造过程、提高制造 业生产率和产品竞争力，可以满足制造业不断变化的需求，顺应先进制造技术的发展趋 势，以适应激烈的市场竞争，将使我国现代制造水平提升至更高程度。 1 5 2 研究目的 本课题广义研究目的是基于i n t e r n e t 网络，将分散在不同地理位置、具有不同设计 以及制造资源的企业动态连接起来，打破区域和时间限制，实现资源共享与信息集成， 完成产品的异地设计与加工，充分发挥先进制造装备活力、最大提高资源利用率。 相对狭义研究目的是通过对d n c 网络化制造系统相关技术的研究，建立一个具体的 c a d c a m 、i n t e r n e t 、各种数控设备与d n c 主机相连接的网络组织模式系统。这个系统要 适合贵州大学机械工程学院实验中心的各种环境条件要求，最终构成一个适应网络制造 的实验环境。 贵州大学工程硕士学位论文第9 页 第2 章d n c 网络集成技术研究 2 1 网络化d n c 集成系统 近年来随着计算机网络和通讯技术的发展以及制造自动化的需要，单台数控设备 联网运行的要求越来越迫切，d n c 因其投资少、规模小、见效快等优点重新引起国内外 的重视。d n c 比f m s 更适合我国国情，但是随着社会的发展和技术的进步，传统的d n c 已不能完全满足制造业的需要，必须扩展d n c 的管理功能和与d n c 系统外的信息集成。 鉴于此，提出了集成d n c 概念并将其定义为：“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、控制技术、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。 在“八五 、“九五 期间国家建立了一些机械设计、制造数据库。【9 】这些数据库将是网 络化制造的重要资源。数控机床网络化d n c 集成系统的长远目标是实现企业生产车间信 息的集成管理，实现数据通畅传输。 2 1 1网络化d n c 集成系统与传统d n c 系统的区别 网络化d n c 集成系统区别于传统d n c 系统，主要体现在： 1 d n c 系统的集成不仅是设备的集成，也是功能的集成，信息资源的集成，控制 与管理的集成，是一种广义的集成。 2 d n c 系统的集成可以是车间内不同品牌、不同协议的智能设备之间的集成，也 可以是不同车间、不同系统之间的集成，甚至是厂内与厂外或远程设备之间的 集成，即是一种开放式的集成。 3 d n c 系统的集成是一种分级集成，即这种集成，可以是设备级的、工作站级的、 单元级的，也可以是车间级的，甚至是跨车间级的。因此，集成环境的d n c 必 须满足集成通讯、兼容性和开放性、实时性、可靠性的要求。 贵州大学工程硕士学位论文第1 0 页 2 1 2 网络化d n c 集成系统的功能 d n c 集成系统需要集成的信息包括：向上与公司层计算机( 或其它企业服务器) 交互信息；向下与加工设备双向传送信息。其主要功能包括： 1 d n c 主计算机通过车间服务器直接与外部企业相连，作为一个独立的制造单元 与外界交换信息，如发布本制造单元加工信息网页，从网上下载、上传数控程 序等。为了确保数控加工程序的正确性，可以利用仿真加工软件进行验证。 2 d n c 主计算机可以通过车间服务器与本企业的c a d c a m 计算机相连，并且通 过本机操作平台应用软件下载本企业的生产任务及数据加工程序等信息，还可 以通过车间服务器上传信息。 3 操作软件能够根据各个数控设备的情况，分配加工任务，通过调用相应的通讯 模块，将n c 加工程序分配给数控机床或加工中心：可以采集、接收设备层的 各种信号，并自动反馈控制信息：在屏幕上显示所申请的程序名、申请程序的机 床号及正传送的程序内容和字节数，可对系统的配置参数进行修改；在无申请 时，可进行通讯日志管理或n c 程序管理。 4 在原有数据库系统基础上，实现生产计划、生产任务、工艺文件、n c 程序和加 工设备的管理。对数据库中信息具有录入、查询、修改、插入和生成自动报表 功能，具有一定的数据处理能力。 5 具有通讯竞争处理功能。由于d n c 主机同时控制多台数控机床，因此通讯竞争 不可避免，应用d n c 通讯竞争优化调度模型及算法，实现通讯资源优化管理， 系统动态配置，完成n c 程序的分配，保证实时性及可靠性。 6 系统具有一定的安全管理机制。用户具有小同的操作权限，由数据库统一管理 用户：登记申请程序的机床号、申请程序的名称、时间及传递程序的状态，并可 输出每天的报表或查询。 2 1 3 网络化d n c 集成系统的特点 高度集成化的d n c 系统，使信息从设计、分析、工艺、计划到制造与管理高度集 成，具有集中计划管理与动态调度控制等特点，d n c 系统能够按照工艺计划及生产作 业计划分配n c 程序和传送指令到相应的机床，实现多种数控机床组成的d n c 系统实 贵州大学工程硕士学位论文第l l 页 时控制的集成化生产管理。从上述分析可以看出，基于集成环境的d n c 系统，其通讯 的特点至少包括以下几点1 6 j ： 1 系统集计算机网络、通讯、管理信息、数控技术为一体； 2 无论数控机床采用那一种c n c 控制，均可通过修改通讯协议进行联网； 3 每个d n c 主机能同时控制多达2 5 6 台数控机床，可实现长距离传输系统的扩充 性好，可根据需要增加或减少数控设备； 4 具有远程控制功能，可以在数控机床处直接从d n c 主机中调用数控程序，机床 操作人员无须操作计算机。 2 1 4 网络化d n c 集成系统目前存在的问题 目前，d n c 系统的研究尚存在以下有待解决的技术问题： 1 d n c 系统体系结构的开放性不强。国内大部分d n c 系统局限于单一供应商的 制造设备，平台之间可移植性差，不同应用程序互操作能力有待提高，不利于 系统集成； 2 d n c 系统通讯结构多为点对点式，或采用局域网加点对点式，不能很好地解决 通讯竞争问题； 3 d n c 系统与c a d 的接口功能还很弱： 4 d n c 系统控制软件可重用性不强，需要进行面向对象设计和实现。 2 2 基于c a n 总线的d n c 集成制造系统 2 2 1c a n 总线 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局 域网。它的出现为分布式网络控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通讯提供了强 有力的技术支持。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控 制或实时控制的串行通讯网络。较之目前许多r s 4 8 5 基于r 线构建的分布式控制系统而 言，基于c a n 总线的分布式网络控制系统在以下方面具有明显的优越性： 贵州大学工程硕士学位论文第1 2 页 l 、c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权( 取决于 报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且c a n 协议废除了 站地址编码，而代之以对通讯数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据， 这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通讯实时性强，并且容易构成冗余 结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用r s 4 8 5 只能构成主从式结构系统，通 讯方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差； 2 、c a n 总线通过c a n 控制器接口芯片8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物 理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c 砧此端只能是低电平或悬 浮状态。这就保证不会出现象在r s 4 8 5 网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线 发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且c a n 节点在错误严重 的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会 出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁 状态。 3 、c a n 具有的完善的通讯协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现，从而 大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的r s - 4 8 5 所无法比 拟的【1 0 1 。 另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是具有通讯速率高、容易实现、且性价 比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前c a n 总线应用于众 多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。 2 2 2c a n 总线在d n c 集成制造技术中的应用 c a n 作为一种工业环境中的通讯标准，更适合于场地级设备的互连，是目前d n c 底层与数控机床通讯连接的最佳选择。目前，国内很多c a n 的模块化产品的出现，为c a n 总线的应用奠定了基础。因此c a n 总线方式是一个较理想的异构数控系统的d n c 通讯方 式。 主机、c a n 智能控制单元和数控系统，三方采用请求响应方式协调工作。对数控 系统的远程控制由主机先发命令，而n c 程序的上、下载则可由数控系统先发申请，c a n 智能控制单元主要完成信息在主机与数控系统之间的双向传递。目前，数控系统通讯协 议一般有三层，即物理层、数据链路层和应用层。由于c a n 总线的加入，必须建立主机、 前端和数控系统三者之间新的协议对应关系。但是数控系统通讯协议不同，前端程序就 贵州大学工程硕士学位论文第1 3 页 不一样。因此主机程序应针对不同的数控系统通讯协议和数控功能建立相应的通讯协议 转换软件模块，将其封装到“软插件库”中，使该模块可直接下载到与机床相连的c a n 通 讯前端单元中。【1 1 】系统充分利用c a n 总线组网的特殊优势，解决了普通局域网组建网络 数控系统所固有的局限性，具有工作可靠、结构简单、成本低，且实时性和可扩展性好 等优点；以软插件技术作为异构数控系统通讯协议转换软件的设计核心；在该系统的设 计过程中总分考虑并解决了通讯竞争问题，使控制的设备数、通讯速度、通讯距离大大 提高。 d n c 系统主要由网络服务器、d n c 主机、c a n 智能模块等部分组成。其结构为客 户机，服务器的体系结构。网络服务器对数据库进行管理，存放生产任务、数控程序、 图纸、工艺文件等信息，向上可与企业网或互联网j i n t e m e t 联接，实现企业内或企业问的 资源共享，向下通过局域网与c a d c 觥a p p 系统、d n c 主机相连，方便的通过网络 交换各种制造信息；d n c 主机上带有网络接口卡、c a n 接口卡，是整个系统的核心，其 主要任务是通过c a n 接口卡与c a n 智能模块通讯，实现对数控机床的通讯控制和通讯管 理，当机床申请n c 程序时，根据采集到的机床状态信息进行任务的排队管理与分配， 实现通讯过程的实时监控。无申请时，可进行通讯日志管理或n c 程序及设备管理等。 d n c 主机的可视化的人机交互界面，操作简单，可以方便的对数据库中记录的插入、查 询、修改、编辑等操作。实现d n c 集成的重点要解决数控机床与计算机的双向通讯问题， 该模型适用于国内使用较多的带r s 2 3 2 接口数控机床，又兼顾有m a p 接口的新型机床， 能以各种不同的拓扑结构与n c 机床相连。软件模块功能组成如图2 1 ，可方便地实现与 其他c a d c a m 系统进行信息共享，成功地为进一步开发f m s 和c i m s 产品奠定了必要 的技术基础；d n c 网络系统结构如图2 2 所示。 d n c 网络集成系统软件平台 系统维 护模块 参 数 设 置 加工设备 管理模块 安ij 联l | 离 全il 网ii 线 管ll 设ii 设 理i l 备l i 备 | i 管| 管 ll 理l i 理 加1 二作业 调度模块 明| | | | 谰匡 渊睡 灵 图2 1d 集成制造技术软件模块 馈墩一 统模一 匡 刻南引纛王吲引箧打引引j赢引簸一而引胍雠己刚引 贵州大学工程硕士学位论文第1 4 页 m a p 接口 数控机床 办公自动化 管理系统 d n c 主服务器 c a n 网络接口扩展卡 c a n 智能模块 jl c a n 智能模块 i c a n 智能模块 网络服务器 非r s 系列接 数控机床 r s 2 3 2 接口 数控机床 刀 具 管 理 系 统 图2 2c a n 总线d n c 集成系统硬件原理网络拓扑结构图 2 3 基于d n c 集成技术的网络制造模型 对应于集成d n c 的控制结构，基于集成d n c 技术的网络制造模式可分为4 种。 2 3 12 层运行模式 c a d if c a p p jj c a m jjm r p id n c 主机 d n c 通讯管理 系统信息管理 nc 程序管理 工艺信息管理 理 理 控 数控设备卜f设备网、y 一数控设备 数控设备 数控设备 数控设备 图2 3 2 层运行模式 这种运行模式具有结构简单、功能集中、投入少、易实现等特点，适合于只需对车 间局部进行d n c 控制的场合。 管管管监源划度程资计制过 造茂淹淹 制生生生 贵州大学工程硕士学位论文第1 5 页 2 3 23 层运行模式 随着网络技术的发展，车间局域网的建立已非常现实易行，而大部分的工厂和企业 还不可能很快就建立起企业网，因而该运行模式可以说是目前较适合我国国情的一种， 适合于没有单元层设置且集成控制管理功能要求较高的车间。 2 3 34 层运行模式 图2 43 层运行模式 该运行模式与3 层运行模式的区别是增加了单元层管理( 见图2 5 ) 。