（机械制造及其自动化专业论文）基于web的机床信息采集系统的研究与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 网络时代制造环境的变化需要建立一种面向市场需求具有快速响应机制的网络化制 造模式。d n c ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o lo rd i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 作为一种实现 数控车间信息集成和设备集成的主要形式，需要面向网络化制造，实现数控设备的网络 共享，进行数控资源优化配置和重组。数据采集是分布式数控( d n c ) 系统的一个重要功 能，随着制造自动化和企业信息化的发展，企业对自动采集制造信息的需求越来越强 烈。现有的d n c 系统一般不具有机床运行状态自动采集功能，因此，针对国内现有的 大多数控机床开发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。 本文首先论述了d n c 数据采集技术的研究现状，分析了在当前先进制造技术影响卜- ， 如何发展d n c 数据采集系统。其次，重点研究了d n c 数据采集系统的采集方法和通 信方法。在分析网络化制造特点的基础上，基于z w o r l d 公司生产的b l 2 0 1 0 单片 机，确定了d n c 采集系统的功能要求，建立了d n c 采集系统实麓的体系结构模型。 构建了基于w e b 的数控机床采集服务平台，分析了平台结构，设计了该平台构成的各 功能模块。对平台构建的关键技术，动态交换技术、w e b 服务器和数据库服务器的连接 以及系统w e b 平台的构建，提出了相应的实现方法。 对基于以太网的d n c 信息采集系统进行实验验汪，可阻实现d n c 通信和设备信 息采集。证明采用b l 2 0 1 0 单扳机进行基于w e b 的d n c 采集技术是完全可行的，也是 可靠的。 关键词：数据采集：d n g ；网络化制造 基于w e b 的机床信息采集系统的研究与开发 s t u d y a n d d e v e l o p m e n t o fd a t ag a t h e r i n g s y s t e m f o r m a c h i n eb a s e do nw e b a b s t r a c t n e t w o r k m a n u f a c t u r i n g m o d ew i t h r a p i dr e s p o n s i v em e c h a n i s m t ot h em a r k e t r e q u i r e m e n t i sn e e d e do w i n gt ot h ec h a n g e so fm a n u f a c t u r i n gc i r c u m s t a n c ei nn e t w o r ka g ea sam a j o r m e t h o dt o s a t i s f y m a c h i n e - - i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ni n w o r k s h o p ，d n c ( d i r e c tn u m e r i c a l c o n t r o lo rd 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 ) n e e d s t om e e tt h e r e q u i r e m e n t o fn e t w o r k m a n u f a c t u r i n g ，s h a r i n gi nn c m a c h i n e sv i an e t w o r k , o p t i m i z i n gc o n f i g u r ea n dr e o r g a n i z i n g n u m e r i c a lc o n t r o lr e s o u r c e sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o na n d e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n , t h er e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s e st og a t h e rm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n a u t o m a t i c a l l yb e c o m e m o r ea n dm o r ei n t e n s e s i n c em o s td n c s y s t e m si no u rc o u n t r yh a v en o f u n c t i o no f g a t h e r i n gt h es t a t u si n f o r m a t i o no fm a c h i n e r u n n i n ga u t o m a t i c a l l y i tw i l lb ev e r y m e a n i n g f u lt os t u d ya n dd e v e l o pa na d v a n c e dd a t ag a t h e r i n gs y s t e mf o rd n cs y s t e m s a n e f f e c t i v ed a t a g s t h e r i n gs y s t e m c a r lh e l pt h ee n t e r p r i s ee x e r tt h ep o t e n t i a lo f t h e i rd n c s y s t e m s m a k et h eb e s tu s eo f t h ea v a i l a b l er e s o u r c ea n d s p e e du p i t sa u t o m a t i o np r o c e s so nt h ew h o l e , i tw i l li m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y ，c o m p e t i t i o na n de c o n o m i cb e n e f i t so f t h ee n t e r p r i s e s f i r s t l y ， t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to f d n cd a t ag a t h e r i n gt e c h n o l o g i e si sr e v i e w e di nt h i sp a p e ra n dt h e p r o b l e mo fh o w t o d e v e l o pab e t t e rd a t ag a t h e r i n gs y s t e mu n d e rt h ei n f l u e n c eo fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s i s a n a l y z e ds e c o n d l y ，t h e m e t h o do fd a t a g a t h e r i n g a n d c o m m u n i c a t i o no f d n c s y s t e mi sd i s c u s s e dt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to f d n cd a t ag a t h e r i n g s y s t e mo nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y z i n go fn e t w o r km a n u f a c t u r i n gi sc o n f o r m e d t h es y s t e m c o n f i g u r em o d e lo f d n c d a t ag a t h e r i n g t h r o u g h t h eb l 2 0 1 0s c mt h a tp r o d u c e d b yz w o r l d c o m p a n y d a t ag a t h e r i n gs e r v ep l a t f o 硼o fn cm a c h i n eb a s e do nw e bi se s t a b l i s h e d a l l f u n c t i o nm o d u l e so ft h i s p l a t f o r mi sd e s i g n e da n dt h ec o n s t r u c ti sa n a l y z e d t h er e a l i z a t i o n m e t h o do ft h ek e yt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gd y n a m i cd a t ae x c h a n g et e c h n o l o g ya n dw e b s e r v e c o n n e c tt e c h n o l o g yi sp r o v i d e d1 1 1 ev a l i d a t i o ne x p e r i m e n to f d n c d a t ag a t h e r i n gs y s t e mb a s e d o ni n t e m e ti sc a r r i e do u ta n dt h ec o m m a n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ng a t h e r i n gc a nb er e a l i z e d t h i sp r o v e st h a tt h ed n c g a t h e r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nw e bt h r o u g hb l 2 0 1 0s c m i s f e a s i b l ea n d c r e d i b i l i t y k e y w o r d s ：d a t a g a t h e r i n g ；d n c ；n e t w o r km a n u f a c t u r i n g 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 大连理工大学或其他单位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贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：奎渔日期： 竺壁! 壁! i 大连理工大学硕士学位论文 1 - 绪论 1 1 课题背景与意义 信息技术和计算机网络技术的发展使世界经济正经历者一场深刻的革命，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” 1 。其特 征是信息产业将在世界范围内大大发展，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迸一步发展。网络经济时代，传统的组织结构 相对固定、制造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的制造模 式已与之不相适应，需要建立一种市场需求驱动的、具有快速响应机制的网络化制造模 式 2 。网络化制造作为一种网络经济运行模式，对于加快我国传统产业改造、促进网 络经济与传统制造业的结合具有重要意义。 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。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 现场的远程监视等数控设备是企业的重要设备资源；是尖端工业( 如信息技术及其产 业、生物技术及其产业、航空和航天等国防工业产业) 的最基本装备；是反映企业生产 能力和生产水平的一个重要指标。我国数控设备拥有和使用的情况是： 1 ) 我国已拥有相当数量的数控设备，2 0 0 0 年我国数控机床拥有量约为1 4 万台 3 ，但由于数控设备种类繁多，价格较高企业很难拥有种类齐全能够完全满足本企业 需求的数控设备。数拗口工能力经常成为企业快速反映市场机遇的瓶颈。 2 ) 我国数控设备的利用率普遍偏低，平均利用率约为4 m a 3 1 。造成利用率低的原 因一是数控加工信息交流不畅通，降低了机床的利用效率，造成机床可加工时间的相对 浪费；二是没有加工任务，直接导致数控设备的闲置，造成机床可加工时间的绝对浪 费。 这就造成了数控设备需求和闲置的矛盾，一部分企业为把握市场机遇，急于寻找合 适的数控加工设备；而另一部分企业却为数控设备得不到充分利用甚至闲置而头疼。对 于企业中存在的问题，其解决方式是通过网络化制造，实现数控设备资源的共享，进行 数控资源的配置和重组，以网络化制造模式进行新产品的制造和加工。也就是说，企业 在缺乏数控加工能力的情况下，不是一味的增加数控设备的投入，而是从降低企业投资 风险出发，需求合适的具有数控加工能力的盟友结成企业动态联盟，在不需要投入大量 资金的情况下，尽可能获得所需要得数控加工资源，扩大企业得数拦z j d t 能力。提高企 基于w 曲的机床信息采集系统的研究与开发 业快速响应市场，适应多样化加工的能力，使合作各方的资源得到充分的利用，降低生 产成本，争取在局部最优的基础上取得全局最优。通过网络化制造，实现数控资源的共 享可以概括为以下优点： 1 ) 资源优化 数控加工设备资源共享能优化社会资源配置。组建动态企业联盟的一个初衷就是在 不增加太多固定设备投资的前提下，通过优势互补、资源共享来提高共同的竞争力、敏 捷性，实现双赢、共赢。 2 ) 提高对市场的响应度 数控加工设备资源共享能提高企业的市场晦j 盘度。在网络化制造系统中，为快速响 应市场加工任务，往往在多个盟员之间分配、调度和优化。加工任务同时并行地在多个 加盟企业的设备上加工制造，可以快速地生产出产品满足顾客需求。 因此实现数控设备的网络共享是非常必要的。那么什么样数控设备以及数控设备如 何联网才能适应网络化制造的需要。对此的研究主要从两个方面展开： 1 ) 网络数控系统的研究 网络化数控装备是近两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两年推出了相关的新概念和样机，如在e m 0 2 0 0 1 展 中，日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司展出的“c y b = p r o d u c t i o nc e n t e r ”( 智能生产控制 中心，简称c p c ) ；日本大隈( o k u m a ) 机床公司展出“i tp l a z a ”( 信息技术广场， 简称广场) ；德国西门子( s i e m e n s ) 公司展出的o w nm a n u f a c t u r i n ge n v h o r t r n e n t ( 开 放制造环境，简称o m e ) 等，反映了数控机床向网络化方向发展的趋势 4 】。 国内学者对于网络数控系统的研究也越来越多，包括网络数控系统的概念和功能定 义、框架体系、技术体系以及实现模型等 5 7 。文献( 5 ) 中给出了网络数控系统的概 念：网络数控系统是以通讯和资源共享为手段，以车间乃至企业内的制造设备的有机集 成为目标，支持i s o o s i 网络互联规范的自主数控系统。 网络数控系统是近几年刚刚提出的概念，最主要的特点是数控机床本身提供网络接 口，可以直接接入国际互联网，实现信息访问。在文献( 7 ) 中把这种具有网络接口的 数控机床构成的网络称为直接数控网络( d i r e c tc n cn e t ) 。 2 ) 面向网络化制造的d n c 系统的研究 相比于网络数控系统，我国车间中应用的数控机床绝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。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 d 2 大连理工大学硕士学位论文 n u m e f i c a lc o m m l ) ，d n c 是车间内部实现数控加工信息集成的一种主要方式。目前对 它的研究主要考虑本车间信息的集成和传输，研究重点主要放在车间内部，而对于网络 制造模式下的d n c 系统的构建和实施方法的研究还较少，本文将面向串行通信机床， 对网络化制造模式下d n c 系统实施的若干特性问题和各种模式的d n c 系统通信存在 的共性问题展开研究。 d n c 系统通过实现数控加工信息集成，从而大大提高数控设备利用率，减少了数 控设备可加工时间的相对浪费，而面向网络化制造的d n c 系统通过数控设备资源共享 实现数控设备的重组，减少了数控设备可加工时间的绝对浪费。本文的研究针对我国企 业数控设备的现状，充分结合我国国情，对于企业数控设备的利用率、快速反映市场机 遇具有重要意义。 1 2 网络化制造的发展 网络化制造是经济全球化和信息革命时代的必然产物，是网络经济时代先进制造技 术和网络技术相结合的必然结果。第5 届国际计算机集成制造大会( 2 0 0 0 年3 月，新 加坡) 的组委员会主席r o b e r tg a y 和学术委员会主席j a s b i rs i n g h 在他们联合撰写的大 会论文集前言中指出，近年来制造业“最伟大的影响就是基于i n t e r n e t 技术和相关业务 的出现”。美国互联网投资公司创办人d a v dw c t h c r c l l 甚至认为互联网的出现比工业革 命更为重要，改变的步伐远比工业革命大。文献( 8 ) 指出制造全球化、制造敏捷化、 制造网络化、制造虚拟化和绿色制造是现代制造业发展的趋势。而制造全球化、制造敏 捷化和虚拟化均离不开制造网络化的支撑环境，因此，可以说制造网络化是现代制造业 发展的主要趋势之一。鉴于网络技术对制造业的重大影响，关于网络化制造的研究正在 全球兴起，在网络化制造模式研究方面，华中理工大学杨叔子院士提出了“基于a g e n t 的网络化制造”模式 8 】和“分布式网络化制造系统”( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，d n m s ) 9 。香港理工大学李荣彬教授和同济大学张曙教授联 合提出了“分散化网络化制造系统”【1 0 ，1 l 】。重庆大学的刘飞教授提出了“区域性网 络化制造系统( g e g i o m an e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，r t q m s ) ” 1 2 ，1 3 a 南京航空 航天大学的楼佩煌教授提出的“基于w e b 的客户化分布式网络化制造技术” 1 4 。清华 大学吴爱萍博士提出了“网络化敏捷制造模式”。另外，刘飞教授还从基本特征、技术 特征和功能特征三个方面分析网络化制造的内涵【1 5 】。还有大量学者对网络化制造中各 个子系统进行了研究 1 6 - 2 2 。在应用方面，国内也陆续建立了区域性网络化制造服务平 台2 3 2 7 。 。3 基于w e b 的机床信息采集系统的研究与开发 1 3d n c 系统数据采集在制造执行系统中的地位 众所周知，制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m , m e s ) 在工厂综合自动化 系统中起着中间层的作用。它为操作人员管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资 源( 人、设备、物料、客户需求等) 的当前状态。v i e s 能通过信息的传递对从生产命令下 发到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂中有实时事件发生时，m e s 能及 时对这些事件作出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行约束和处理。这种对状 态变化的迅速响应使m e s 能够减少企业内部那些没有附加值的活动，有效地指导工厂 的生产运作过程，同时提高了工厂及时交货的能力，改善了物料的流通性能，提高了生 产回报率。m e s 还能通过双向直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关生产 行为的关键任务信息【2 8 】。在i v i e s 上层，主要有供应链管理、销售和服务管理、企业 资源规划和产品设计过程工程。在m e s 下层，则是低层生产控制系统，包括d c s ， p l c ，d n c n c 和s c a d a ，或这几种类型的组合 2 9 1 制造执行系统作为企业上层事务处 理和低层设备控制系统之间的中间桥梁，在生产计划的优化调度、生产过程的改进等方 面起着越来越重要的作用。制造执行系统中最基础的工作一现场信息的采集又是这个桥 梁中的关键。它可及时准确地了解企业的设备运行、产品加工等生产过程情况，减少中 间环节，降低人为因素的影响，对于科学地编制生产计划提供准确可靠的技术数据，加 强生产过程的透明度。还可大大降1 氐各种干扰对系统的影响，使车间在适应产品种类变 化、缩短生产周期、提高产品质量、实现准时生产、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获得改善，从而提高车间的综合生产能力。d n c 是指 一台或多台计算机对多台数控机床实施综合数字控制。d n c 系统属于自动化制造系统 的一种模式，它强调信息的集成与信息流的自动化，物料流的控制与执行可大量介入人 机交互。d n c 系统功能一般包括：n c 程序及数据的传递机床状态采集与上报；根据生产 计划。自动分配n c 程序及数据到相应机床：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、夹具等的实时控制；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，实现工件的输送、贮存，同步加工和装配等活 动的集成化生产管理。 d n c 系统的数据采集作为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获取、传输、处理、分析和应用。d n c 数据采集作为m e s 下 层，是m e s 获得底层设备状态信息的主要来源，在i v i e s 中占有重要地位，是i v i e s 的 核心内容之一。制造执行系统需要d n c 系统收集整理数据信息，反馈回经营计划系 统，作为其下一步编制生产计划的依据。 4 大连理工大学硕士学位论文 制造自动化的内涵主要指制造过程中对各种信息的监测、测试与监控自动化，对物 流和设备管理自动化，设备诊断与维修技术自动化。在制造自动化中，无论是信息检 测、测试与监控，物流和设备管理，还是设备诊断与维修技术，均是以数据采集技术做 支撑的，可以说先进合理的数据采集技术的使用是实现m e s 乃至制造自动化的重要基 础与关键所在。国内不少企业具有m r p i i e r p 系统，但其基础数据还需人工录入，一 些企业的管理系统有不少假数据在跑现场信息的自动采集己成为制造业信息化的瓶 颈，必须对数据采集方法进行研究 3 0 1 。 1 4d n c 系统数据采集技术研究现状、存在问题和发展趋势 1 41 制造系统数据采集研究现状 由于d n c 相对于f m s 投资小、见效快，国内外对d n c 技术的研究非常重视，已 经进行了大量研究。主要集中在以下两个方面。 ( 1 ) d n c 硬件接口技术 d n c 硬件接口的研究主要包括以下形式： 1 ) 基于c n c 系统侧的接口卡 这类插卡可直接插入c n c 系统的总线插槽内，作为c n c 系统即插即用的功能 体。具有这类插卡的高档c n c 系统可直接与d n c 主机通信或直接和l a n 相连，并且 有很高的传输速率及多种通信功能例如，日本f a n u c 公司研制的d n c l 2 接口及 m a p 30 等网络接口；美国各大公司纷纷推出的r e m x d n c ，r y b e e t tc a m s h a r e d n c ，s h o p c i n k d n c 等接e l 31 1 1 3 2 1 1 3 3 1 。 2 ) d n c 主机侧的接口卡 这类接口卡可直接插入d n c 主机的总线插槽内，作为d n c 主机与配有r s - 2 3 2 接 口的中高档c n c 系统联结的桥梁。通过软件完成d n c 采集通信功能。例如美国 s p e c t r u mc n ct e c h n o l o g i e s 公司商品化产品t u r b o e x p r e s sp o r tr s 2 3 2 卡及c o m r o l r o c k e tp o r t 卡等，可直接插入通用p c 机插槽内，且可同时多台c n c 系统以高速进行 通信。介于d n c 主机与c h i c 系统之间的联结器( 这实际上是我们通常说的串口集线 器) ，类似于局域网中集线器，但是其输出口可直接与c n c 系统的r s 2 3 2 接口互联， 而输入口可直接与d n c 主机网卡相联 3 4 1 。 国内对于d n c 硬件接口的技术研究也很活跃。由于国内存在大量8 0 ，9 0 年代进口 的f a n u c 6 m , s i e m e n s 8 1 0 8 2 0 等系统，只具有r s 2 3 2 接口。此外，我国还存在大 5 基于w e b 的机床信息采集系统的研究与开发 量经济型数控机床。针对上述国情，国内主要研究对象为后两种形式。如深圳研发电子 有限公司研制的r s 2 3 2 扩展卡等。但这些卡主要用来进行n c 程序传输，实现数控设 备数据采集的很少。 ( 2 ) d n c 软件技术研究 在d n c 发展初期，其功能主要由构成系统硬件来决定，随着计算机通信技术和网 络通信技术的发展，d n c 系统数据采集往往靠软件功能来拓展。 国外有不少成熟d n c 软件产品。如d n cw o r k 公司的n e tw o r k e dd n c 软件 f 3 5 l 、日本f a n u c 公司的d n c 2 系统 3 6 l 、中国台湾涌佳科技有限公司的 x d n c 3 7 1 。其它知名的d n c 软件公司就有十多家。这些软件大部分可通过w i n d o w s 支持的t c p i p 协议与l a n 或u n i x 系统连接，实现c n c 程序、工艺参数等数据的+ 日 下传递和状态采集( 含故障信息、刀具信息) 与显示。国内d n c 应用软件有影响的有重 庆大学研制的“基于软插件技术的d n c 通信系统”。其软插件的含义为将异构数控设 备的各通信协议转换成软件模块，从d n c 主机中下载到与机床相联的c a n 通信卡内 的e p r o m 中，通过c a n 总线卡实现异构数控设备与d n c 主机的联结与通信。清华 大学和北京机床研究所合作完成的“国家c i m s e r c 的d n c 系统”系统通信结构为 局域网型，其控制级互联采用星型拓扑结构，通过串口联结到d n c 主机。上海交通大 学研制的“基于c o r b a 的d n c 系统”等【3 8 】。 1 4 2 d n c 系统数据采集存在的问题 d n c 系统按功能分为狭义d n c 、广义d n c 。狭义d n c 仅能实现n c 程序的双向 传输，广义d n c 不仅能实现n c 程序双向传输，而且能实现状态采集和远程控制。 现在d n c 系统状态采集应能够提供当前机床的工作状态，如是否加工、加工零件 和数控程序的名称等，对于加工中心可提供刀具库中刀具的定义，另外还应有机床故障 报警功能。国内d n c 系统的研究主要集中在n c 程序的传输上，一般的数控系统都不 带d n c 接口，常见的加工系统的p l c 接口只在机床内部使用，对外无p l c 接口，而 且大部分k s 2 3 2 口不能实现状态采集，对加工中心的硬件改造比较困难，也极容易破 坏昂贵的数控设备，大部分系统没有实现d n c 系统数据采集功能。 在采集接口技术层面上，基于m a p 协议的采集接口可以说面面俱到无懈可击，但 在实际开发上，复杂程度高，开发费用大，老旧机床用此技术实现d n c 几乎不可能。 因此在国内这种技术几乎没有应用。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设 备之间实现双向串行多节点数字通信系统，它用在d n c 系统中存在通信传输距离远， 6 大连理工大学硕士学位论文 实时陛好，价格低廉等优点，但在采集设备数据时，由于采用轮循方式采集数据，存在 实时性的问题。 数控系统与上层控制计算机的集成方法是d n c 数据采集系统中最关键的技术。现 有数控系统由于生产年代和生产厂家不一，存在多种档次和型号，其通信接口和协议也 存在差异，不同厂家之间的软件与硬件的集成难于实现，给数控系统的集成造成了一定 困难。 另外，从计算机技术介入到制造应用领域开始，伴生着“信息孤岛”问题一直困绕 着业界。“信息孤岛”相当严重地限制了信息交换继而约束了应用领域的拓展。“信息 孤岛”问题概括体现在用户( 应用) 程序对数据的访问，一是从信息源获取什么样品格的 数据，二是如何把这些数据信息从源( 地址) 送达目的地 3 9 】。同样的问题在d n c 系统信 息采集中也存在着。 1 4 3 数据采集系统的发展趋势 企业信息化时代为d n c 系统数据采集提供了广阔的应用前景。随着传感器技术、 微电子技术、计算机技术和信息处理技术的发展，d n c 系统数据采集具有如下发展趋 势： 1 、d n c 系统采集的信息与其它系统集成 目前d n c 系统采集软件的功能还不完善，应该面向c i m s 的需要，实现d n c 系 统与m r p 等系统的无缝结合，一个功能完善的d n c 采集系统，应该实现闭环的信息 流，机床接受来自工作站的包含数控程序和刀具、夹具信息的制造数据，并反馈生产信 息到分析模块，得到提高机床效率的措施。另外，d n c 系统应该结合m p , p 系统，实现 系统内的任务分配和动态平衡功能。 2 1 开放性和通用性的d n c 数据采集标准 由于制造环境的复杂性和异构的数控系统，目前d n c 采集系统的组成差别很大， 往往成为专用系统，可重用性差，一种开放式的信息集成和应用集成的标准的研究是当 前的研究重点，在此标准下，可实现透明的信息交换，同时为不同的操作系统、网络、 数控机床设备提供支持。与数据采集相关的标准有两个：过程控制用对象链接与嵌入 ( 0 l e f o rp r o c e s sc o n t r o l ，o p c ) 和可互换的虚拟仪器设备( i n t e r c h a n g e a b l ev i r m a l i n s t m m e n t s ， r v a ) 。这两标准在测控领域广泛应用r n o p c 是针对工厂车间和过程控制设备设计的， 比如各种广泛应用的可编程逻辑控制器、分布式控制系统以及其它类似系统。通过 o p c ，相关设备之间透明的进行数据输入榆出。而m 主要针对用电子测试设备而制定 7 基于w e b 的机床信息采集系统的研究与开发 的，比如：万用表、示波器以及类似测试设备，它主要任务是针对通用测试仪器的交互 使用而制定的接口标准，建立标准设各驱动模型，使得用户在测试过程中不需要更改软 件程序就可以直接代换设备。 3 ) d n c 采集接口技术 ， 国内数控系统大多数是经济型、无r s 2 3 2 c 串行通信接口、有r s 2 3 2 c 串行通信接 口的数控系统，这些数控系统要实现机床状态采集的功能，必须外加m 屺接口板。 m a p 网络接口在实际开发上，复杂程度高，开发费用大，老旧机床用此技术实现d n c 几乎不可能。因此，d n c 采集接口技术的研究是当务之急。 1 5 论文的研究背景与主要内容 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。由于d n c 系统相对于f m s 投资小、见效快，是具 有较好柔性的多个数控设备集成控制系统，被越来越多的企业所接受 i s l 而我国存在不 少经济型的数控机床，这些设备不具有广义d n c 功能接口，因此我国大部分d n c 系 统仅实现n c 程序的上，下传输，没有实现设备状态采集功能。 当今世界经济飞速发展和市场全球化，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是充分利 用现有资源，提高车间自动化管理水平，采集与生产相关的实时信息，作出合理决策， 着重解决组织协调及控制问题，完善生产过程的监控手段。 d n c 采集技术的研究，给d n c 系统带来新的活力，对我国发展中的中小企业来 说，其实施更具有实际价值，可以有效提高目前我国大部分企业中存在的数控设备利用 率不高的问题。 因此，为了使模具企业适应现代化生产的需要。推动制造业信息化的发展，研究符 合国内实际状况的d n c 数据采集系统具有重要的意义 无论制造信息化、制造自动化或m e s ，都直接或间接以d n c 系统数据采集为依 据，以此构成一个能反映生产过程真实情况的反馈系统。因此d n c 数据采集系统研究 与开发具有很重要的意义，也是本文主要的研究课题。 本文主要研究内容如下： 8 一 大连理工大学硕士学位论文 第一章主要论述了d n c 系统数据采集技术在国内外的研究现状和存在问题，及其 在制造执行系统中的地位和作用。 第二章采用z w o r l d 公司的b l 2 0 1 0 单片机，构建了面向网络化制造的基于以太网 的d n c 系统( p o w e r d n c ) 。主要分析了d n c 数据采集系统的组成、功能，以及各个 部- 分的实现方式，提出一个d n c 的数据采集系统体系结构框架。 第三章主要分析和讨论d n c 数据采集系统中关键技术。 第四章对d n c 数据采集系统进行实验验证。 第五章详细阐述了数控资源集成服务平台的构建技术。 第六章对本文研究工作进行了深入总结，并对数据采集技术作了进一步展望。 一9 一 基于w e b 的机床信息采集系统的研究与开发 2 网络化制造模式下的d n c 信息采集系统 2 1p o w e r d n c 系统的功能要求 网络化制造是一种全新的制造模式，以数字化、柔性化和敏捷化为基本特征。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。因此，网络化制造模式下的d n c 系统应具有集 成、分布和广义的特征，同时必须获得信息高速公路的充分支持，这是网络化制造的根 本要求，也是面向网络化制造的d n c 系统的内在特性。在此把面向网络化制造的d n c 系统简称为p o w e r d n c 系统，p o w e r d n c 系统应具有下列功能： 1 ) d n c 系统是一个数控加工信息集成系统 p o w e r d n c 系统是实现数控机床和上层( 车间调度人员、c a d c a m 人员、工艺编 制人员、生产资料管理人员和企业合作伙伴) 交流的桥梁，因此在p o w e r d n c 系统中应 包括需要交流的全部信息。因此它不仅仅是一个数控程序传输系统，而是包括制造数据 ( 数控程序、作业计划和刀具数据等) 传输、机床状态采集、作业任务分配、机床信息 管理、机床状态数据分析等的集成化信息系统。这与文献( 6 3 ) 中提出的集成的思想 基本相同，不同的是p o w e r d n c 系统不仅强调车间内的信息集成，也强调企业联盟的数 控加工信息集成，因此p o w e r d n c 系统是对集成d n c 系统的扩展。 2 ) 支持基于网络的制造数据共享功能 d n c 系统能够实现网络联盟企业计算中心与现场数控设备之间的信息共享。该功 能主要表现为两个方面：一方面实现数控设备可以共享联盟企业计算中心的加工程序代 码，实现联盟企业计算中心的计算能力通过网络的延伸：另一方面联盟企业计算中心可 以通过网络接收来自数控设备的制造数据，服务予其它数控设备。从实现方式上，d n c 强调制造数据的共享通过基于i n t e m e t i n t r a n e t 的w w w 服务来实现，支持i n t e m e t e x p l o r e r 、n e t s c a p e 等浏览器的浏览。但由于串行通信机床无法直接接入i n t e m e t ，因此 需要为数控机床提供代理，由代理接收来自网络的信息并转发给数控机床。 3 ) 支持基于网络的实时监控功能 p o w c r d n c 系统能够通过网络实时发布机床的状态信息，反映机床的运行历史，统 计机床的运行报告，同时通过w e b 摄像机实时发布现场的生产情况。这要求一方面采 集机床状态，如机床的启动、停止、报警等机床信号，另一方面把这些采集的信息实时 网络发布，同时记录到机床的运行历史数据库，实现对机床全部生产时间的状态记载。 一l o 大连理工大学硕士学位论文 4 ) 支持跨平台的操作功能 ， 由于盟友的计算机软、硬件、数控加工设备、数据库系统及应用等具有多样性：囱 此，p o w 盯d n c 系统必须是开放式的，能够为盟友提供开放、公共的界面，支持跨平台 操作，支持不同地域的多用户同时操作和信息共享。这就要求p o w e r d n c 中的信息共享 平台必须支持跨平台操作。 2 2d n c 系统通信与采集结构构建方案 无论是本文提出的p o w c r d n c 还是集成d n c 、柔性d n c 以及敏捷d n c 等思想， 其实现的关键都是d n c 通信，这是建立d n c 系统的基础，只有在此基础上，才能探 讨各种d n c 的内涵，但是不同的d n c 思想对于d n c 通信要求也不完全一致，需要根 据d n c 的思想选择合适的d n c 通信方案或扩展d n c 的通信功能。 构建p o w e r d n c 系统需要依据数控机床提供的不同通信接口分别实菇。目前企业 中应用的数控机床提供的主要是串行通信接口，还有极少的网络接口和读带机旁路接 口，网络接口的数控机床可以直接接入网络，不需额外改造。而读带机旁路接口数控机 床多为较早的数控机床，改造价值低，在此不作讨论。因此本文的研究主要针对具有串 行通信接口的数控机床。综合以前在d n c 通信方面迸行的研究，并考虑d n c 通信和 网络的结合，对于应用串行通信的数控机床，p o w e r d n c 系统通信结构可采用以下2 种 实现方式。 2 21 局域网结合点对点式结构 1 、结构原理 局域网结合点对点式d n c 通信结构如图2 i 所示，其构建原理是： 1 ) 构建车间局域网，应用网络服务器实现车间局域网和i n t c m e t 的连接。 2 ) 应用串行通信实现计算机和数控机床的连接，具有d n c 接口的数控机床，可直 接通过串行通信实现数据的传输和机床信息的采集，对于不具有d n c 接口的数控机 床，需要为计算机添加信息采集卡，以采集机床的运行信息，同时要求与数控机床连接 的每台计算机可作为网络服务器网络发布机床运行状况，或者把采集到的机床信息同步 映射到网络服务器，供拥有权限的i n t e r n e t 的用户访问。 3 ) 机床操作人员在计算机上通过浏览器获取数控程序、作业计划等制造数据，把 需要下载的数据如数控程序、零件图形等下载到当地，并通过串行传输通信软件把数控 程序传输给数控机床。 基于w e b 的机床信息采集系统的研究与开发 2 、结构优点 由于为每台数控机床配置了计算机，因此可以实现在计算机上浏览和编辑数控程 序，查看作业计划、零件图形和工件加工配置信息，同时计算机可以进行工件加工状态 收集、工序数据收集和劳动力数据收集。基本可以实现无纸化生产。这也是目前企业中 ， 普遍应用的一种结构，不过大多没有机床信息采集功能。 3 、结构缺点及存在的研究问题 由于为每台数控机床均配置计算机，导致车间内的计算机过多，企业的一次性投资 过大，投资回报期长，后期还存在大量计算机的维护工作和机床操作人员的培训工作。 目前国内应用的d n c 通信传输软件大多为专用系统，一种通信软件大多只能支持一种 或有限的几种数控机床，理想情况应是以一种通用性的d n c 通信软件支持全部的数控 机床。该结构的机床状态信息的采集已在多篇文献中有过阐述，不过其无法实现网络发 布，需要增加机床状态信息映射功能，把采集的信息实时网络发布。 图2 1 局域网结合点对点式 c 通信采集结构 f i g 2 1l a n c o m b i n e dp o i n tt op o i n td n cc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e 2 2 2 局域网式结构 在应用现场总线实现的通信结构中，过多的协议层次导致了整个系统的复杂和开发 的难度，如果不使用现场总线，而考虑把车间的以太网直接延伸到数控机床，车间的通 信结构将变成i m e m e f f i n t r a n e f s e r i a l ，从而简单了很多。具有以太网接口的串口服务器 1 2 大连理工大学硕士学位论文 和具有以太网接口的可编程逻辑控制器( p l c ) 的出现和以太网技术的发展使这项技术 成为可能 4 0 】。 1 、结构原理 1 ) 构建车间局域网，应用网络服务器实现车间局域网