（机械制造及其自动化专业论文）基于web的数控系统及其关键技术研究.pdf

查蒌一 摘要 本文从开放式、网络化两方面需求出发，研究w e b c n c 系统中所涉及的关键技术， 围绕系统体系结构的建立、开放式的系统硬软件结构及其实现方法、网络实时通信技术 和基于网络的远程控制等方面进行了系统的研究，主要研究工作及成果如下： ( 1 ) 在对数控系统体系结构分析和网络化制造模式对数控系统功能需求的基础 上，首次从平台结构、功能结构和框架结构等不同角度分析并建立了w e b c n c 系统的体 系结构，并给出了系统的设计原则，使系统具有体系结构开放、易于功能扩充和便于网 络应用等特点，为具体的硬件和软件结构设计和实现提供了一个参考框架。 ( 2 ) 首次建立了一种分布式p c + p c 结构的w e b s n c 系统硬件拓扑结构方案，按 照建立的系统层次体系结构确定了各层之间采用的通信方式，设计了系统中主要的c a n 实时通讯硬件模块。该方案既能够保证下位机控制的实时陛又能够充分发挥上层p c 机 的各种网络服务功能，便于吸收p c 机领域软硬件及网络技术的最新成果，提高了系统 硬件的可重构性和可重用性。 ( 3 ) 在面向对象的系统分析方法基础上，引入基元化理论和分级规划思想，建立 了基于组件的w e b n c 系统软件结构原理模型。提出采用c o m d c o m a c t i v e x 组件技术 来进行系统软件开发的方法，并对基于组件的w e b c n c 系统软件开发流程，组件实现和 组件运行过程进行了研究。 ( 4 ) 首次提出了采用套接字加多线程以及c a n 总线的方式进行w e b c n c 系统网络 通信的技术方案，解决了w e b c n c 系统多用户通信时的网络堵塞问题，保证用户至下位 机之间通讯的实时、可靠和有效；建立了系统实时通信传输协议模型，制订了系统应用 层通信的协议，为基于网络的远程控制实现奠定了通信基础。 ( 5 ) 分析了网络控制的基本类型以及w e b c n c 系统网络控制的可行性，对w e bc n c 系统的网络控制运行流程、工作原理进行详细研究，创新性地提出并实现了种基于w e b 的网络控制方案，详细研究了系统客户端、控制服务器端以及下位机端完成网络控制的 具体实现过程。同时对数控加工现场的视频信息传输方案、传输协议及其相关实现技术 进行了研究，使远程操作者能够更好的了解现场的实际加工情况，为网络控制提供了更 加有力的辅助手段。 ( 6 ) 在上述研究成果的基础上，实现了w e b c m c 原型系统，能够为用户提供基于 网络的数控编程、数控仿真和数控加工等功能，并以具体的加工实例验证了系统设计的 可行性和正确性。 关键词：开放式数控系统，w e b c n c ，网络控制，网络数控编程，网络数控仿真，组件 t c p i p ，c a n 总线 奎堕盔堂堡主兰垡鲨苎 a b s t r a c t t h ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nw e b c n cs y s t e ma r es t u d i e di nt h i sp a p e rs e t t i n go u t f r o mo p e n ，n e t w o r k e dd e m a n d s as y s t e m a t i cs t u d yh a sb e e nm a d e a r o u n dt h ee s t a b l i s h m e n t o fs y s t e ms t r u c t u r e ，o p e ns y s t e m a t i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o d ，t h er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo f t h en e t w o r k ，r e m o t ec o n t r o lb a s e do nt h e n e t w o r k e t c t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n da c h i e v e m e n t si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o n t h eb a s i so fa n a l y z i n gc n cs y s t e ms t r u c t u r ea n ds t u d y i n gf u n c t i o nd e m a n d so f c n cs y s t e mu n d e rn e t w o r km a n u f a c t u r i n gm o d e ，t h es y s t e ms t r u c t u r eo fw e b c n ci s a n a l y z e da n d s e tu pf o rt h ef i r s tt i m ef r o mt h ed i f f e r e n td i r e c t i o no f t h ep l a t f o r m ，f u n c t i o na n d f r a m e a tt h es a l n et i m e ，t h ed e s i g nr u l e so fw e b c n cs y s t e ma r ep r o p o s e d ，w h i c hm a k e t h e s y s t e mh a v ec h a r a c t e r i s t i c s o fs t r u c t u r eo p e n ，e x p a n d i n gs y s t e mf u n c t i o n e a s i l ya n d c o n v e n i e n tn e t w o r k a p p l i c a t i o n ，e t c ap r e f e r e n c e f r a m ef o rc o n c r e t e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sp r o v i d e db yt h es y s t e ms t r u c t u r e ( 2 ) a d i s t r i b u t e dh a r d w a r e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f “p c + p c ”i s s e tu pf o rt h ef i r s tt i m e a c c o r d i n gt ot h es t r a t i f i e ds y s t e ms t n l c t u r e ，t h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o da d o p t e db yd i f f e r e n t l a y e r si sd e t e r m i n e da n dt h em a i nc a n m o d u l eo fh a r d w a r eo fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ni n t h es y s t e mi sd e s i g n e d t h i ss c h e m en o to n l yg u a r a n t e e st h er e q u i r e m e n to f r e a l - t i m ec o n t r o l f o rt h el o w e rc o m p u t e ra n dt a k e sf u l l a d v a n t a g eo fn e t w o r ks e r v i c ef u n c t i o n so ft h eu p p e r c o m p u t e r , b u ta l s oa b s o r b se a s i l yt h en e w e s ta c h i e v e m e n t so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fp ca n dn e t w o r ka n di m p r o v e st h ec h a r a c t e r i s t i co fr e u s a b l ea n d r e c o n s t r u c tf o rs y s t e m a t i c a lh a r d w a r e ( 3 ) o n t h eb a s i so f0 0 a n a l y t i c a lm e t h o d ，t h eb a s eu n i tt h e o r ya n dh i e r a r c h i c a lp l a n n i n g t h o u g h t i si n t r o d u c e da n dt h es o f t w a r es t r u c t u r em o d e lo fw e bc n c s y s t e mb a s e d0 c o m p o n e n ti s s e tu p t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o da d o p t i n gc o m d c o m f a c t i v e x i s p r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h e f l o w o fs o f t w a r e d e v e l o p m e n t b a s e do n c o m p o n e n t ，t h e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t h ec o m p o n e n ta n dt h ec o u r s eo f c o m p o n e n to p e r a t i o na r es t u d i e d t o o ( 4 ) t h et e c h n o l o g i c a ls c h e m ea d o p t i n g s o c k e t s ，m u l t i t h r e a d i n g a n dc a nb u sf o r n e t w o r kc o m m u n i c a t i o no f w e b c n cs y s t e mi sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e ，w h i c hr e s o l v e s t h e p r o b l e m o fn e t w o r k b l o c k a g e o nm u l t i u s e r sc o m m u n i c a t i o na n d g u a r a n t e e s t h e c o m m u n i c a t i o nt ob e r e a l t i m e ，r e l i a b l ea n de f f e c t i v eb e t w e e nt h eu s e ra n dt h el o w e r c o m p u t e r t h et r a n s m i s s i o np r o t o c o lm o d e li ss e tu pa n dt h ep r o t o c o li ss e td o w ni nt h e p a p e r ， w h i c he s t a b l i s h e st h ec o m m u n i c a t i o n f o u n d a t i o nf o rr e a l t i m ec o m m u l l i c a t i o n ( 5 ) t h eb a s i ct y p eo fn e t w o r kc o n t r o la n dt h e f e a s i b i l i t y o fn e t w o r kc o n t r o l f o r w e b c n cs y s t e mh a v eb e e na n a l y z e da n dt h eo p e r a t i o nf l o wa n dw o r kp r i n c i p l ef o rt h e n a b s 仃a c t s y s t e mh a v ea l s ob e e ns t u d i e di nd e t a i l ak i n do f s c h e m ef o rn e t w o r kc o n t r 0 1b a s e do nw e b i s p r o p o s e d i n i n n o v a t i v e ，w h i c hs t u d i e s t h ec o n c r e t e i m p l e m e n t a t i o n c o u r s ei n d e t a i l ， c o m p r i s i n gs y s t e m a t i cc u s t o m e re n d s ，c o n t r o ls e r v e re n d sa n dl o w e rc o m p u t e re n d s a tt h e s a m et i m e ，t h et r a n s m i s s i o ns c h e m eo fv i d e oi n f o r m a t i o nf o rt h ew o r k i n g p l a c e ，t r a n s m i s s i o n p r o t o c o la n dr e l e v a n ti m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u ea r es t u d i e d ，w h i c hc a l lm a k et h eu s e rt os e e t h el o c a ls i t u a t i o n a c t u a l l ya n do f f e r t h es t r o n g e r s u p p l e m e n t a r ym e a n sf o rt h en e t w o r k c o n t r 0 1 ( 6 ) o n t h eb a s i so f a b o v e m e n t i o n e da c h i e v e m e n t s ，t h e p r o t o t y p eo f w e b c n cs y s t e m h a sb e e ni m p l e m e n t e d ，w h i c hc a np r o v i d ef u n c t i o n sb a s e d0 i 1n e t w o r ko f n c p r o g r a m m i n g ， n c s i m u l a t i o n ，n cm a c h i n i n g ，e t c t h ef e a s i b i l i t ya n de x a c t n e s sh a sb e e nv e r i f i e di nt h e c o n c r e t e p r o c e s s i n gi n s t a n c e k e y w o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ，w e b c n c ，n e t w o r kc o n t r o l ，n cp r o g r a m m i n go v e r n e t w o r k ，n cs i m u l a t i o no v e r n e t w o r k ，c o m p o n e n t ，t c p i p ，c a nb u s 1 l i 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，论文中不包含其他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：起礁斧日期：加，o - 汐 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、缩印或其他复制手段保存论文。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：翅蝌导师签名：易j 日期 第一章绪论 1 1 现代制造业与数控技术 第一章绪论 1 1 1 现代制造业的发展趋势 制造业是将可用资源与能源通过制造过程，转化为可供人们使用或利用的工业品或 生活消费品的行业，它涉及到国民经济的大量行业，如机械、电子、轻工、_ 食品、军工、 航天等。可以说制造业是国民经济和综合国力的支柱产业“1 。 本世纪中叶以来，以微电子技术、网络通信技术、自动化技术、人工智能与新材料、 计算机科学与技术为核心的新一代工程技术的迅猛发展，掀起了以信息技术为核心的浪 潮，给人类描绘了一幅未来信息社会和知识经济的壮丽图景。这些新技术加之现代管理 技术在制造领域产生的强大渗透和辐射效应，正在使制造业的面貌发生翻天覆地的变 化。此外，随着世界经济的增长和人们生活水平的提高，市场环境也发生了巨大变化， 消费者需求曰趋个性化、多样化，随着交通、通讯技术的发展，以及各国对贸易限制的 减少，使得市场沿地域合并，形成了跨国性的、全球性的经济。开放的国际市场使消费 者更具选择性，批量生产的产品逐渐为个性化、多样化的产品所取代，客户化、小批量、 快速交货的要求不断增加，各种新技术的涌现和应用更加剧了市场的快速变化。制造业 面临的竞争更加激烈。 在以上多种因素的综合作用下，制造业i l l 益向着高度自动化、智能化、集成化、网 络化的方向蓬勃发展。各种先进制造技术和制造模式亦如雨后舂笋般应运而生，如柔性 加工系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 、敏捷制造( a m ) 、虚拟制造( v m ) 、绿色 制造( g m ) 、并行工程( c e ) 、准时生产( j i t ) 、精益生产( l p ) 、企业资源计划( e r p ) 、智能 制造( i m ) 等等“”3 。采用先进的制造技术和生产模式是制造企业提高市场竞争力，迎接 知识经济时代挑战的重要选择。 1 1 2 数控技术在现代制造业中的地位和作用 随着科学技术的进步与制造技术的发展，社会对产品多样化的需求越来越强烈，产 品更新换代的周期也越来越短。为了满足市场需要，对制造设备提出了更高的要求，要 求其具有高效率、高质量、高柔性和低成本的特性。数控机床作为种自动化的加工设 备而被广泛采用，它是现代制造业的基础执行设备，没有数控机床，上述提到的先进制 造模式的实施就要大打折扣。 数控技术是数控机床的关键技术，它是由机械学、控制论、电子学、计算机科学等 基础学科发展起来的一门综合性的新学科。自从上世纪中期数控技术问世以来，就在机 1 查壹盔堂蔓主堂垡鲨塞 床控制方面取得了广泛、深入的发展，从开始的数控铣床、发展到数控车床、数控转床、 数控磨床、数控线切割机床、加工中心等等，这些都是现代制造业最关键的设备。此外， 由于数控技术的出现，还直接推动了c a d 、c a p p 、c a m 等计算机辅助技术向着实用化、 工程化方向发展，加上与信息技术、网络技术的融合保证了现代制造业向着高速度、高 精度、高效率、柔性化和网络化方向发展，促进了各种先进制造技术和先进制造理念的 产生和实施。因此，各工业发达国家都把提高数控技术水平作为提高本国制造业水平的 关键，竞相发展数控产业，数控产业已成为一个关系到国家战略地位和体现综合国力水 平的产、止3 。 一一 1 2 数控技术的产生与发展 1 2 1 数控技术的发展历程 2 0 世纪5 0 年代，随着机械制造业和控制技术的发展，诞生了数控技术( 简称n c ) ， 它使传统的机械制造业重放光辉。1 9 4 6 年，美国宾夕法尼亚大学研制了世界上第一台电 子计算机，它标志着新的工业革命的开始。二次世界大战后不久，美国空军亟需能够保 持精度重复性的装置，对复杂的飞机零件进行加工和检测，并与麻省理工学院( m i t ) 合作，在1 9 5 2 年成功地研制了世界上第一台三坐标数控铣床。其装置大约由2 0 0 0 多个 电子管组成，占了个普通实验室大小的空间，这台数控机床的研制成功标志着数控技 术的开创和机械制造的一个新时代的到来。 数控系统从产生到现在，主要经历了以下几个阶段“1 ： ( 1 ) 第一代数控系统，以m i t 研制的三坐标数控系统为标志，系统全部采用电子管 元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。 ( 2 ) 第二代数控系统，以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标志。 ( 3 ) 第三代数控系统，6 0 年代中期，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小、 功耗降低，数控系统的可靠性得以进一步提高，推动了数控系统的进一步发 展。 以上三代，都属于硬逻辑数控系统，称为n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。 ( 4 ) 第四代数控系统，7 0 年代初，随着微电子技术的发展，小型计算机的价格急 剧下降，小型计算机逐渐取代数控系统中的专用计算机，使许多控制功能可 以依靠编制的专用程序来完成，实现了软件控制，不必依靠硬件电路，大大 地提高了数控系统控制的灵活性和数控设备的可靠性。1 9 7 0 年在芝加哥展览 会上，首次展出了采用小型计算机的计算机数控c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) 装置，标志着计算机数控技术的问世，数控系统发展到了第四代。 2 堡= 里堕丝 一 ( 5 )第五代数控系统，? 0 年代惹期，中、大规模集成电路技术所取得的成就，促 使价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片的产生，并 逐步应用于数控系统，进一步简化了c n c 系统的硬件结构，降低了c n c 机床 的成本。至此产生了以微处理器为数控系统核心的第五代数控系统。其后1 0 多年中，大规模集成电路的进一步发展，使微处理器的性能不断提高，软件 功能日益增强，c n c 系统随着外围电路和接口配置的不断完善，以及软件技术 在交互式人机对话中和图形显示技术方面所取褥的成就丽得到发展。 ( 6 )进入9 0 年代以后，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以个人 计算机( p c ) 为基础，向着开放化、智能化、网络化等方面进一步发展。由 于基于p c 的开放式数控系统可以充分利用p c 机丰富的软硬件资源和适于p c 机的各种先进技术，已成为数控技术的发展趋势和潮流。 1 2 2 数控技术的发展趋势 为满足市场和科技发展的需要，现代制造技术对数控技术提出了更高的要求，主要 表现在以下几个方面8 “州蚓： ( 1 ) 高速度、高精度 随着数控机床向高速度、高精度方向发展的需要，数控装置要能够高速处理输入 的指令数据，计算出伺服电视的移动量，同时要求伺服电机能高速地作出反应。目前高 速主轴单元转速已达1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0r m i n 以上；进给运动部件工作进给移动速度达6 0 m m i n 以上，精密级的数控机床加工精度已有原来的0 0 0 5 r m 提高到0 o o l 5 m m 。微处理 器的迅速发展为数控系统高速、高精方向发展提供了保障，c p u 已由8 0 年代的1 6 位发 展到现在的3 2 位以及6 4 位的数控系统，c p u 的频率也提高到几百兆赫、上千兆赫。由 于运算速度的极大提高，使得当分辨率在0 1pm 、0 0 1um 情况下仍能获得很高的进给 速度，可达到2 4 - 2 4 0 m m i n 。 ( 2 ) 柔性化、开放式的体系结构 随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用c n c 系统之间的 自成一体所带来的互不兼容的弊病，追切需要具有配置灵活、功髓扩展简便、便于统一 管理的数控系统；此外产品的快速更新换代及多样化需求使得市场对具有良好柔性和具 有多种加工功能的制造系统的需求超过了对大型单一制造系统的需求。这些发展趋势促 使了一个新的概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的。r 开放式数控系统”。要求数 控系统改变过去那种含有许多插件板的专用硬件系统，采用模块化的软硬件结构，提供 用户扩展功能的软硬件接口以及系统的可移植性和与其他应用软件的交互操作等等。开 放式数控系统已经成为数控技术发展的潮流。特别是以通用p c 机为平台基础上的开放 1 銮童盔堂堂主兰堡垒壅一 式数控系统研究具有独特的优势，也是开放式数控系统的一个重要发展趋势。 ( 3 ) 智能化 智能化是数控技术发展的另一趋势，随着人工智能在计算机领域的不断渗透与发 展，为了适应现代制造业柔性化、自动化发展需要，数控设备的智能化程度也在不断提 高。主要表现为：加工过程的自适应控制，检测加工过程中的重要信息，自动优化加工 参数，改善加工条件，提高生产效率，引入专家系统，在自动编程、工艺处理和故障诊 断方面发挥领域内专家级水平。 ( 4 )网络化 网络经济时代对制造业信息化、网络化的需求，使i n t e r n e t i n t r a n e t 在企业的整 个运行过程中的地位越来越重要，网络化已成为新一代数控系统的重要特征。不但要求 数控系统能够与底层其它现场设备进行通讯，还要求能够与上层的管理计算机交换数 据，与c a d c a m p d m e r p 等计算机辅助系统进行无缝集成，能够支持面向全球网络化制 造的、基于i n t e r n e t 的各种远程服务功能，如远程在线编程、远程仿真、远程监控、 网络数控加工、远程故障诊断和远程培训等，支持制造设备的网络共享和异地调度，实 现加工过程的网络化。 ( 5 ) 高可靠性 数控系统的可靠性是一个非常重要的指标，一般以平均无故障时间( m t b f ) 来衡量。 当前的数控系统的硬件大量采用高集成度的芯片，减少了元器件数量，不仅降低了功耗， 也提高了数控系统的可靠性。新型的大规模集成电路采用表面贴装技术，实现了三维高 密度安装工艺，且元器件经过严格筛选，使得数控系统的平均无故障时间达到1 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 h 。 1 3 开放式数控技术的国内外研究情况 1 3 1 开放式数控定义 i e e e 开放系统技术委员会规定”“1 ：一个开放式的系统必须具备不同应用程序能很 好地运行于不同供应商提供的不同平台上的能力、不同应用程序之间能够相互操作的能 力和一致的用户交互风格。根据这一定义，开放式数控系统应具备四个特点：相互操作 性、可移植性、可缩放性、可互换性。 1 ) 相互操作性系统提供标准化的接口、通讯协议和交互模型。不同的应用程序 模块可以通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上，相互之间保持平等的相互操 作能力，1 力、调工作。 2 ) 之上。 3 ) 删除。 可移植性不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同的系统平台 可缩放性可以通过装载和卸载特定功能模块单元来实现系统功能的添加或者 4 )可互换性不同性能、可靠性和不同功能能力的单元可以相互替代。 1 3 2 国外研究情况 国外很早就开始对开放式数控技术进行研究。早在1 9 8 1 年，美国国防部为了减少军 备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制器( n g c ) ”的计划，并成 立了“美国国家制造科学中心( n c m s ) ”，最终形成一份开放式系统体系结构规范s o s a s ( s p e c i f i c a t i o no fa no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) ，开发了基于s o s a s 的c n c 型谱系列。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有 美国的o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e t s ) 、欧洲的0 s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 和日本的o s e c ( 0 p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 等计划”7 “嘲。3 “3 “。这3 个计划的发展基本上代表了开放 型数控的发展现状，其核心是建立种向数控系统的硬软件开发商、机床制造商和最终 用户都开放的体系结构和标准，使数控系统不依赖于某个特定厂家，达到可互连、互操 作、可重组和可互换的目的。但是直到目前这样的目标还远没有实现。 随着通用微型计算机，特别是p c 机的飞速发展，原来在大、中型机上才能实现的 功能现在在微机上就可以完成。在美国首先出现了所谓在p c 机平台上的数控系统，即 p c 数控系统( p c _ n c ) 。由于p c 机产量大、价格相对便宜，技术进步和性能提高快，可 靠性高，因此以其作为数控系统的软、硬件平台不但可以大幅度提高数控系统的性价比， 而且可以充分利用通用微机已有的软硬件资源和分享计算机领域的最新成果，加快新产 品开发速度，降低开发难度，同样能够达到开放性的目的。在实际产品中，国外开发商 最近开发的以下几种新型开放式p cn c 系统具有一定的代表性。： g e f a n u c 公司开发出两种开放式c n c 系统。一种是直接将p c 嵌入到c n c 系统底板 上的p c _ n c 集成的控制系统，该系统可使p c 机与c n c 系统间进行高速度的数据传输与 交换，p c 的主板由包含内存储器的高功率p e n t i u m 处理器和便于以后增装硬件的工业标 准结构( i s a ) 数据总线接口组成。除此之外，该公司还设计出允许连接用户自己定制 的第三方硬件和软件的接口以方便用户。另种是将c n c 系统与p c 机用高速串联数据 总线连接起来的组合式p c _ n c 系。组合式p c n c 系统包括两个接口插件和一根能将c n c 系统连接到各种p c 机上的光缆。该系统选用人们熟悉的标准计算机硬件和软件资源， 因而具有良好的人机界面和方便的操作功能。不仅如此，该控制系统还能进行极高速的 查亘奎堂堡主堂垡堡墨一 双通道数据传输，并具有良好的数据集成能力。由于该控制系统具有以上优点，所以能 用一台开放式p c s c 系统控制8 台机床，很受用户青睐。 三菱电器公司开发出一种能插入各种p c 机、型号为m e l d a sm a g i c 6 4 的6 4 位c n c 系统。其主要特点是柔性好，用户可随意开发或定制所需软件，例如c a d c a m 或c o r o m 驱动软件等。用户还可使用v i s u a lb a s i c 语言开发出操作者自己能使用的窥视窗口。 l j i - ，用户还可以在控制系统上安装w i n d o w s 9 5 n t 和三菱公司自己开发的标准人机接 口( h m i ) 软件等。这些功能的设置都是专用c n c 系统所不及的。 a l l e n b r a d l e y 公司为用户提供了柔性、安全、可靠性更好的开放式p cn c 系统。 他们为用户设计出能更快地进行数据处理，可连接i n t e r n e t 的a l l e n b r a d l e y 9 p c 开 放式p cn c 数控系统。该系统为用户配备了6 种联接接口：( 1 ) a - b 公司的s o f tl o g i c 5 逻辑驱动器接口，( 2 ) d e v i c en e t 输入输出接口；( 3 ) 伺服控制接口；( 4 ) 零件加工程序 汇编器接口；( 5 ) 人机界面( i n i ) 接口( v i s u a lb a s i c ) ；( 6 ) 各种网络连接( c o n t r o ln e t 和i n t e r n e t ) 接口。 1 3 3 国内研究情况 我国的数控产业起步较早，但发展较慢，目前与国际水平相比仍有很大差距。自1 9 5 8 年我国研制出第一台电子管式数控系统样机后，经历了三起三落、徘徊不前很长一段时 间，未能形成稳定的生产能力，丧失了许多发展的良机。其原因固然是多方面的，但我 国民族信息产业发展缓慢，器件、特别是c p u 等大规模及超大规模芯片和软件、操作系 统及其应用软件成为发展我国数控技术的瓶颈的主要原因。从改革开放后的“六五”开 始，通过技术引进、消化吸收，特别是“八五”期间的自主开发，组织数控联合攻关， 开发具有我国自组版权的数控系统，取得了重大突破。特别是开发中华i 型、航天i 型、 华中i 型、蓝天i 型数控系统，意义重大，是我国数控发展史上的一个转折点“。 在“八五”数控科技攻关中，世界上发生了2 件直接影响我国数控研究的事件： 是美国的n g c 计划：二是通用p c 机的飞速发展。德国i b h 、美国a i 、日本朋立等相继 开发了以p c 机为基础的数控系统，美国a m p r oc o m p u t e r 公司的策略发展部行政副总裁 r i c kl e h r b a u m 提出“利用p c 机体系结构设计新一代嵌入式应用”，新一代数控系统的 核心是开放性。 随着“八五”攻关的进展，通用p c 机的不断成熟和普及，我国也自行开发设计了 基于p c 机的数控系统，由于当时经费和技术方面原因，没有统一的标准规范，仍然是 封闭型的设计，所以不能称为开放式数控系统。“。 9 0 年代后期至今，随着国际上开放式数控技术的发展，国内掀起了开放式数控系统 研究的热潮，如中科院沈阳计算所正在考虑和制定“新代机床控制机开放式系统体系 蔓二兰堑堡 结构标准规范参考模式”；北京机床研究所已经引进了德国p a 公司的开放式c n c 系统 p a 一8 0 0 0 的全套技术，对其产品应用进行开发；还有一些厂家和研究所正在对美国d e l t a t a u 公司的p i v l a c 系统进行开发和应用。 在数控系统开放式理论研究方面，国内的研究人员在以通用p c 机的基础上提出许 多新的思路和构想。如基于软件芯片的开放式数控系统”、基于组件的开放式数控 系统汹 c l 、基于现场总线的开放式数控系统协1 、基于w l n g x n t 的开放式数控系统等等 【7 3 j 1 4 基于w e b 的数控系统研究意义 1 4 1 网络化数控系统研究意义 通信技术和网络技术的飞速发展，以及全球经济一体化的到来，对市场的响应时间 成为企业赢得竞争优势的重要因素。因此在过去几年里，制造业出现了前所未有的合并 潮，越来越多的企业认识到企业间的优势重组、强强联合是企业在未来竞争中立于不败 之地的重要举措。这场革命极大的改变这世界经济面貌，塑造着一种新经济形式，即网 络经济。对制造业而言，在网络经济时代，需要建立一种按市场驱动的、具有快速响应 机制的网络化制造模式。异地异构的数控机床联网，形成虚拟加工系统，扩大企业的加 工能力是网络化制造技术在加工制造方面的重要内容之一。通过网络，同一企业内部各 职能部门之间，以至由分布在世界不同地方组成的虚拟企业之间，能够为完成某一客户 需求而协调有序地进行异地产品开发、设计、制造、销售等活动，实现了全球范围内的 制造资源共享和企业问的优势互补，为实现面向客户需求的异地敏捷网络化制造提供了 可能和最基本的支持“”。”“。 如今的数控系统不再是一个孤立的机床控制单元，而是处于企业的f m s 和c i m s 环 境中，甚至处于基于i n t e r n e t 的虚拟企业环境下。传统的封闭式数控系统没有共同的 通信标准，缺乏标准的人机接口，互操作性差，系统模块不具备互换性和移植性。上述 这些情况都严重阻碍了快速而有效解决现代制造环境中的数控加工和系统集成等问题。 因此，作为各种先进制造环境中网络制造的基本单元，开放式网络数控系统的研究与应 用显得尤为重要。 网络数控系统是一种基于网络运行的数控系统，它不但应该能够在一个企业的内部 支持c i f f 8 的底层设备之间连网，与c a d c a m p d m e r p 等计算机辅助系统进行无缝集成： 还应该能够支持面向全球网络化制造的、基于i n t e r n e t 的各种远程服务功能，如远程 在线编程、远程仿真、远程监控、远程故障诊断和远程培训等，支持制造设备的网络共 享和异地调度，实现数控加工过程的网络化。 查堕盔堂堡主堂焦丝塞 国外已有人提出将i n t e r n e t 直接连到加工设备，使底层加工设备不但能够接受零 件加工程序，远程控制命令等下行的信息，还能够及时上传设备的各种现场信息，支持 企业上层的生产经营管理和决策。由于通用p c 机在软、硬件技术上的优势，国外各大 公司相继推出基于p c 的开放式数控系统，为数控系统的网络化提供了强有力的支持， 特别是新型的基于p c 机的开放式数控系统已经具备了强大的网络功能，可直接连入 i n t e r n e t i n t r a n e t ，实现远程监控、远程故障诊断和远程培训等”1 “。 目前国内在网络数控系统方面的研究主要集中在结构描述、功能描述、性能描述、 信息描述以及模型与软件框架模型的研究与探讨阶段，实用成果不多，特别是面向网络 化制造的开放式数控系统的研究尚处于探索与起步阶段。一些研究机构在现有数控系统 基础上开发了部分网络功能，其中以华中网络数控系统较具代表性，硬件平台采用通用 工业p c 机，通过并行口与机床相连，p c 总线上能够连接网卡等外设。对于自行开发的 智能加工控制接口，既可以通过并行口与机床相连，也可以直接插到总线上，具有很好 的开放性，并支持远程诊断，在实际企业中得到了应用。“。此外，国内的四川大学，重 庆大学等高校和一些科研单位也对网络数控进行了大量研究。但是研究主要集中在如何 解决d n c 或f m $ 环境下的数控系统与上位控制主机之间及与c a d c a m 系统间的数控程序 通信问题，还不能称为完整的网络数控系统，网络服务功能有限。合肥工业大学的王 治森、韩江等提出了网络数控系统的概念及体系结构等，但仅限于理论概念研究“”2 “。 综上所述，数控设备是一个国家机械制造业现代化的关键设备，数控系统的开放化、 网络化早已为世界各国机床制造商所共识，商业和市场的分析也证明了这个观念有一个 潜在的巨大市场。我国发展数控产业起步较早，但大多数为简易数控，过去引进的系统 如f a n u c 、s i e m e n s 等都只带有普通的通信接口，如r s 2 3 2 c 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等，已不能 再适应市场的要求。继续引进、消化吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径， 但却无法从根本上解决自主开发数控系统的问题。为摆脱这种被动局面，就必须具有超 前意识，利用现有的条件，开展先进数控系统的研究，才是改变我国数控现状的唯一出 路。网络化数控是实现数控系统开放性的重要而关键的领域，是个需要在理论上和实 践上进行探讨的问题，它的研究成果将具有重要的实际价值。 1 4 2 基于w e b 的数控系统研究意义 。本课题来源于江苏省科技攻关计划资助项目：“基于w e b 的数控系统在普及型数控 机床中的应用”。 由于开放式数控系统是最近几年提出来的全新的数控模式，代表了未来数控技术的 发展方向，已经得到了世界各工业发达国家的高度重视。而网络经济对制造业信息化、 网络化的要求使i n t e r n e t i n t r a n e t 在企业整个运行过程中的地位和作用越来越重要。 董= 里堕堡一一 一 在现代企业信息网中，已经把w e b 作为信息流动的统一平台，将w e b 技术与开放式数控 系统有机的结合起来，实现基于w e b 的数控系统，将是解决数控系统开放化、网络化的 途径之一，还可以将企业内部的信息网和控制网有效的连接起来，实现企业的综合自动 化，从而更有效地支持网络化制造，为我国制造企业对数控系统的生产和应用探索出一 条新路。 因此，基于w e b 的数控系统( 简称w e 邺n c 系统) 的实现，不但在单个的企业内， 使得底层生产控制系统的集成更加简单有效，可以充分实现企业内部的资源和信息共 享，适应未来车间面向任务和订单的生产发展方式：而且在虚拟企业( 或企业联盟) 内 部，也可以更好地贯彻敏捷制造等先进的制造模式思想，同时也为数控加工的远程化、 无人化，创建宜人的加工环境奠定基础。希望通过这项研究能够进