数控机床网络化建设的分析与研究.docx

数控机床网络化建设的分析与研究随着柔性制造系统(FMS)的发展，数控机床网络化建设已是现代制造业发展的一个大趋势。其中有不少案例已获得成功。但是由于很多技术还不成熟，在数控机床网络化建设尤其是不同系统数控机床网络化建设中出现了许多的问题。本文对这些问题进行了分析，并对其发展提出了看法。第一章 绪论1.1 柔性制造系统1.1.1 柔性制造系统定义柔性制造系统（Flexible Manufacturing System; FMS）是指在成组技术的基础上，以多台(种)数控机床或数组柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产的自动化制造系统。柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制。故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。它具有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大的优点。1.1.2 柔性制造系统的基本组成部分 就机械制造业的柔性制造系统而言，其基本组成部分有：1.自动加工系统。自动加工系统，指以成组技术为基础，把外形尺寸（形状不必完全一致）、重量大致相似，材料相同，工艺相似的零件集中在一台或数台数控机床或专用机床等设备上加工的系统。2.物流系统。物流系统，指由多种运输装置构成，如传送带、轨道一转盘以及机械手等，完成工件、刀具等的供给与传送的系统，它是柔性制造系统主要的组成部分。3.信息系统。信息系统，指对加工和运输过程中所需各种信息收集、处理、反馈，并通过电子计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对机床或运输设备实行分级控制的系统。4.软件系统。软件系统，指保证柔性制造系统用电子计算机进行有效管理的必不可少的组成部分。它包括设计、规划、生产控制和系统监督等软件。柔性制造系统适合于年产量1000100,000件之间的中小批量生产。1.1.3 柔性制造系统的类型 1.柔性制造单元。柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。2.柔性制造系统。柔性制造系统是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种的加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性仍然较低。3柔性自动生产线。柔性自动生产线是把多台可以调整的机床（多为专用机床）联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。1.1.4 柔性制造系统的优点 柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。具体优点如下。第一，设备利用率高。一组机床编入柔性制造系统后，产量比这组机床在分散单机作业时的产量提高数倍。第二，在制品减少80%左右。第三，生产能力相对稳定。自动加工系统由一自或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障机床的能力。第四，产品质量高。零件在加工过程中，装卸一次完成，加工精度嵩，加工形式稳定。第五，运行灵活。有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。第六，产品应变能力大。刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统平面布置合理，便于增减设备，满足市场需要。1.1.5 柔性制造系统发展历程及趋势1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。1967年，美国的怀特森斯特兰公司建成Omniline I系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、前苏联、德国等也都先后开展了FMS的研制工作。 1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(简称FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。柔性制造单元(FMC)一般由12台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。随着时间的推移，FMS在技术上和数量上都有较大发展，实用阶段，以由35台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。 这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。柔性制造系统的发展趋势大致有两个方面。柔性制造系统的发展趋势一方面是与计算机辅助设计扣辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。柔性制造系统的发展趋势另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个生产过程自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。在这个大系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。1.2 数控机床1.2.1 数控机床概念数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。1.2.2 数控机床的发展数控机床数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。第二章 数控机床网络化2.1 当前数控机床网络化控制技术现状1、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。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。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EM02001展中，日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的。Cyber Production Center”(智能生产控制中心，简称CPC)；日本大隈(Okuma)机床公司展出“1Tplaza”(信息技术广场，简称rr广场)；德国西门子Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(开放制造环境，简称OME)等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。2、数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。3、随着CAD/CAM体化技术和局域网技术的普及和应用，目前多数企业在新产品设计开发、工艺过程编制和数控机床程序编制的效率和质量上都得到了明显的提高，企业的技术管理与生产管理已经进入了网络化时代。而在我国，与CAD/CAM密切相关的数控机床管理仍然处于原始状态，成为制约企业现代化管理水平提高的瓶颈。4、网络化实训教学在我国职业技术院校基本还是一个空白，目前还没有一个成熟的网络化数控实训控制系统投入使用。2.2 数控机床联网的实现方法数控机床经过多年的发展，其功能越来越强，但其机械结构却趋向简单化，使传动链缩短，精度提高，功能主要靠数控系统实现。目前应用的数控系统主要有两类，一类是传统的数控系统，数控系统采用专用的总线结构形式，系统对用户是封闭的；另一类是基于PC 开放体系的结构数控系统，如传统数控生产厂家西门子、FANUC等公司，在传统专用数控结构的基础上添加了PC外壳的数控系统。新兴的数控生产厂家基于PC 结构直接开发新的数控系统。数控联网方式主要有3 种，见图2.1。A. 通过RS232 联网B. 通过现场总线联网C. 通过局域网直接联网2.3 数控机床联网前的主要问题1程序传输方面对于一些程序量要求相对较少的数控机床。一直是采用最原始的手工键盘输人方式，这种方法的弊病是：(1)效率低；(2)占用机时长；(3)易出错。而一些程序输入量比较大的数控机床，则使用一个台式计算机放在机床边专门用于程序传输。这种方法的缺点是：(1)环境恶劣，计算机维护困难。(2)通讯软件为DOS版本，升级换代困难；(3)一台计算机针对一台数控机床，设备资源浪费；(4)操作方法复杂，对操作者的紊质要求高；(5)多人操作一台计算机，程序文件的管理混乱。另外我们曾经用笔记本电脑进行程序传输，由于频繁地对传输电缆进行插拔操作，笔记本电脑的串行接口极易被烧毁。2程序管理方面(1)对于FAUNC系统，其程序号只能使用Oxxxx；对于西门子系统，其程序号只能使用MPFxxx，因程序号码的资源有限，同一个程序号有可能对应多个零件图号，从而在应用中易产生混乱。(2)为了使程序号与零件图号相互对应，必须有专人负责对程序进行记录管理，此项工作繁杂、易出错。(3)以上弊端严重影响着企业数控加工的生产效率，因此迫切需要寻找一种改善数控机床现状的有效方法，对其进行系统化的管理。正是由于目前企业生产中遇到的同题，目前数控加工网络化控制正处于一个初步发展的阶段。2.4 解决数控机床网络化问题的分析基于目前我国网络化数控控制技术的发展状况，我认为。数控机床联网系统的建设还是非常有前景的。打破目前国内常用的数控机床点对点控制系统，使机床和计算机之间实现一对多和多对多的数据传输。2.4.1 系统的组成机床联网系统包括：(1)网络服务器、(2)局域网线、(3)CAD/CAM计算机、(4)CNCLINK-40管理系统、(5)联网系统主控机、(6)远程通讯接口、(7)通讯电缆、(8)数控机床。其中网络服务器、局域网线、CAD/CAM系统和数控机床是企业已存在的资源；系统管理机是一台安装了联网专用软件的工业级PC计算机，可以将客户管理端软件安装在局域网的任何一台计算机上作为管理工作站；联网系统管理机是一台专用计算机，其作用是接受各工作站的调度，向网络上所有数控机床发送指令，实现机床信息的统一管理；远程通讯接口设备是专用于主控机与机床间通讯的多串口分配器，其特点是可实现远距离传输而无信号损失；通讯电缆是普通4芯屏蔽电缆，两端加光电隔离器以避免干扰信号。2.4.2 机床联网系统应具备的主要功能1、彻底摆脱手工输入程序和单机输入程序的局面。实现长距离自动程序传输。2、用于管理的PC机可以放置在局域网的任何位置，不受距离的影响，而主控机距离数控机床的最远距离允许达到1500M。3、并行传输程序，即一台主控机可以同时面向多台数控机床进行数据通讯。4、操作简单，无需借助其他设备或编程员的帮助，操作工人在机床的操作面板上输入相应指令，就可以上传或下载零件加工程序。5、主控机24小时工作。随时对网络上的数控机床实施管理及数据通讯，不会影响机床的三班倒或节假日加班运行。6、传输可靠性高，专用软件本身有数据校验功能，所以在传输过程中一般不会出现错误，特殊情况下如有错误计算机立即报警。软件同时具有上传和下载文件的检查功能，每个文件上传后均可返回一个检查文件，确保数据