（机械电子工程专业论文）数控机床dnc通信在车间级网络化制造中的应用研究.pdf

数控机床d n c 通信在车间级网络化制造中的 应用研究 摘要 i n t e r n e t 的迅速发展，给传统制造业带来巨大变革，现代市场己经从卖方市 场转向买方市场，这也就要求企业的生产模式具有灵活性，管理上要有柔性， 传统的制造业己经远远不能适应局势的变化。网络化制造就是在这种环境下产 生的一种先进制造模式。它提供了制造型企业在i n t e r n e t 环境下开展生产、经 营和管理业务活动的技术手段和方法，这种制作模式有利于提高企业的工作效 率，增强新产品的开发能力，缩短上市周期，扩大市场销售空间，从而提高企 业的市场竞争能力。 数控机床作为网络化制造的执行者，更好地对其控制、管理及互联通信成 为制造业研究的热点问题之一。鉴于以上需求，本文结合合肥工业大学校基金 项目数控机床d n c 网络系统改造，对数控机床d n c 通信在车间级网络化 制造中的应用做了相应研究。文章首先分析了d n c 技术的含义及发展，对普 通d n c 系统组成、主要研究内容及其应用原则做了概述；对数控车间d n c 通 信技术( 如串行通信、数控设备的通信协议、以太网技术等) 做了重点分析， 给出了t c p i p 协议的模型以及基于以太网的d n c 通讯系统结构；设计了d n c 系统软件架构，完成系统数据库的构建；建立了网络化制造中d n c 系统的通 信功能模型，对其中的关键模块进行编程实现；最后结合工程实例设计了车间 级网络化制造与数控加工集成的具体实施方案；对软件的应用、硬件的原理和 连接作了详细分析，实例证明了软硬件的合理性、可行性，应用取得了良好的 效果。 关键词：网络化制造，d n c ，计算机网络，串行通信，数控加工 r e s e a r c hu s eo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o ld n c c o m m u n i c a t i o ni nw o r k s h o pn e t w o r km a n u f a c t u r i n g a b s t r a c t t h eq u i c kd e v e l o p m e n to fi n t e m e tt e c h n o l o g yb r i n g st h eh u g et r a n s f o r m a t i o nt ot h e t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , i nm o d e mt i m e s ，t h em a r k e th a sb e e nc h a n g i n gf r o m b a r g a i n o rt op u r c h a s e r ，w h i c hr e q u e s t se n t e r p r i s eh a sf l e x i b l ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t m o d e , t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh a sc o u l dn o ta c c o m m o d a t et h ec h a n g eh e a v i l y t h en e t w o r km a n u f a c t u r ei sak i n do fa d v a n c e dm a n u f a c t u r ep a t t e r n ，w h i c hi sp m d u c e d u n d e rt h i sk i n do fe n v i r o n m e n t i tp r o v i d e st h ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n tm e t h o d st o e n t e r p r i s ed u r i n gt h ei n t e r a c te n v i r o n m e n t ，w h i c he d h a n c e st h ee n t e r p r i s et h ew o r k i n g e f f i c i e n c y , s t r e n g t h e n st h ea b i l i t yo fd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t ，r e d u c e st h em a r k e tc y c l e ， e x p a n d st h em a r k e ts a l es p a c e ，t h u se n h a n c e st h em a r k e tc o m p e t i t i o na b i l i t y t h ek e yp o i n t so fo u rr e s e a r c hi n c l u d e sc o n t r o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i n go fm a c h i n e t o o l ，w h i c hi st h ee x e e u t a n to fn e t w o r km a n u f a c t u r i n g a sa b o v er e a s o n s ，c o m b i n i n gt h e p r o j e c to fi - i f u tt e c h n o l o g y r e b u i l d i n gp r o j e c to fd n c n e ts y s t e m ，t h i st e x tr e s e a r c h st h e u s eo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o ld n cc o m m u n i c a t i o ni n w o r k s h o pn e t w o r k m a n u f a c t u r i n g a tf i r s t ，t h es i g n i f i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a ld n c i si n t r o d u c e d ， t h ec o m p o s i n ga n dt h eu s ep r i n c i p l e so fd n ca r ei n t r o d u c e dt o o ；s e c o n d l y , t h ed n c c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ( f o re x a m p l e ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f n ce q u i p m e n t ) i nw o r k s h o pi sa n a l y z e dd e t a i l e d l y , t h ec o m p o s i n go fd n cb a s e do n i n t e r n e ta n dt h em o d e lo ft c p i pa r ea n a l y z e da m p l y ；t h es o f tc o m p o s i n go fd n ca n dt h e d a t a b a s ei sd e s i g n e d t h em o d e lo fd n cf u n c t i o ni sg i v e n ，t h ek e yp a r t sa r er e a l i z e d ； u l t i m a t e l y , b a s e do l lt h ea c t u a lp r o j e c t ，t h ep r o c e s sa n ds c h e m eo fa c t u a l i z i n gi n t e g r a t i n g n e t w o r km a n u f a c t u r i n gw i t hn c m a c h i n i n gi si n t r o d u c e d ，t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h e p r o j e c ta r ea n a l y z e dt o o ，t h er e s u l ts u b s t a n t i a t e st h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ep r o j e c tp r o c u r e saf a v o r a b l ee f f e c ti na c t u a lu s e k e yw o r d s ：n e t w o r km a n u f a c t u r i n g ，d n c ，c o m p u t e rn e t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，n c m a c h i n i n g 插图清单 图1 - 1 分布式d n c 的网络结构2 图1 - 2 基本的d n c 系统组成6 图1 - 3d n c 系统的配置影响因素7 图1 - 4 网络化数控加工的基础工作框架9 图2 1 网络化制造中d n c 通信系统结构一1 2 图2 2d n c 网络制造单元的设备集成结构1 2 图2 3d n c 主机与c a d c a m 服务器的通信流程1 3 图2 42 5 针型串口结构1 4 图2 - 59 针串口结构15 图2 6t c p i p 体系结构1 9 图2 7 基于以太网的d n c 通信体系架构2 4 图2 8d n c 通信体系信息流动图2 4 图3 - 1d n c 系统软件结构2 5 图3 2d n c 系统各模块之间的数据流关系2 5 图3 - 3d n c 通信系统的功能模型2 7 图3 - 4 客户机访问数据库服务器通信原理图3 l 图3 - 5o d b c 的结构与应用程序和数据库之间的关系。3 2 图3 - 6c s o c k e t 的编程步骤3 6 图3 7e x c e l 组件类添加界面3 7 图3 - 8 零部件报表汇总3 9 图3 9 文件检索报表输出效果图3 9 图3 1o 文件传输线程工作流程4 0 图3 1 1n c 加工程序远程调用流程图4 2 图3 1 2 自动上传文件流程图4 4 图3 - 1 3 具有通信接口数控设备数据采集原理图j 4 7 图3 1 4 串行通信设备监测过程的信息流动模型4 7 图3 一1 5 数控设备信息采集程序结构4 8 图4 1 计算机直接单控数控机床5 2 图4 2 计算机直接群控数控机床5 2 图4 - 3 长线驱动电缆式的d n c 联网系统5 3 图4 4 基于集成服务器的d n c 联网系统：5 3 图4 - 5 数控机床联网系统组成5 5 图4 6 产品结构树。5 7 图4 7 网络d n c 管理模块界面5 8 图4 8 网络通信参数设置5 9 图4 9 服务器端网络d n c 通信系统界面6 0 图4 1 0 机床端网络d n c 的操作6 1 图4 一1 1 网络化改造机床端的连结6 2 图4 1 2 网络化改造后车间布局图6 2 表格清单 表2 12 5 针串口引脚定义15 表2 29 针串口引脚定义1 5 表2 3 数控设备串行通信协议1 9 表2 4 串行通信参数2 0 表2 5 与通信相关的机床参数。2 1 表3 1 零件信息数据库表。3 0 表3 2 用户信息数据库表3 0 表3 3 通信协议数据库表3 1 表3 4o d b c 体系结构的组成及功能表3 2 表3 5e x c e l 软件类型库表3 7 表3 - 6 机床加工时间记录报表5 0 表3 7 机床信息分析数据库表5 0 表4 1 无线网络交换机参数5 5 表4 2 无线节点接入网桥参数5 6 表4 3 智能终端参数5 6 表4 49 针r s 2 3 2 与2 5 针r s 2 3 2 的连接5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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 金墼王些叁堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：彭 辩隰年严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筐王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒g 壁王、业太堂可 以将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、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 学位论文作 工作单位： 通讯地址： 婶哪 舻7 月夕日 导师签名： 掣汰k 签字日期：。年7 月莎日 1 1 数控机床d n c 技术 1 1 id n c 技术的含义及发展 第一章绪论 d n c 是“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 o l ”的 简称，意为直接式数字控制或分布式数字控制。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【l 】，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，直接数字控制的实现方式有两种： ( 1 ) 采用多台具有驱动器的数控设备共用一台中央计算机来进行插补计算。 即所说的“远程插补器 插补数据以实时分享的形式传送给机床。也就是说， 边传输插补数据，机床边运动【2 3 】。 。 ( 2 ) 由计算机来取代纸带阅读机，插补计算由各台数控设备独立完成，主 要为了解决纸带阅读机可靠性差的问题。纸带阅读机和穿孔机的造价昂贵，数 控程序的传输速度慢。用纸带来存储大的数控程序成本太高，不易保管，而且 纸带的制作费用高，周期长。这时采用中央计算机来代替纸带阅读机可以提高 数控程序存储和传输的可靠性、便捷性，以及数控程序管理的方便【4 5 】。 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 的基本功能发生了二些 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【6 一j 。图1 1 给出 了分布式d n c 的网络结构。 2 0 世纪8 0 年代后，随着信息技术和先进制造技术的发展，d n c 的功能和 内涵也在不断扩大，主要体现为以下两个方面： ( 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上 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2 n - r 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( c a p m s ) 集成的纽带，是实现设计制造一体化的桥梁。 d n c 注重于信息流的集成，是机械加工车间实现制造自动化的较好方式。 图卜1 分布式d n c 的网络结构 正因为如此，国内外近2 0 年来对d n c 技术的研究很多，d n c 的内涵也在 不断扩展，尤其是先进制造技术的发展极大地促进了d n c 技术的发展。如1 9 8 7 年美国计算机集成制造公司副总裁d l f i r m 提出的“b r o a ds c o p ed n c ，认为 在c i m 的推动下，d n c 已不仅仅作为编程系统( d n c 主机) 和c n c 机床的一种 连接方式，而是可以扩充到支持车间级数据的人工采集( 通过键盘录入) 、半自 动采集( 使用条形码) 和全自动采集( 通过全闭环系统的离散信号采集) 哺】。随着网 络技术和计算机技术的发展而发展起来具备新内涵的d n c 系统有p 1 l j ： 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、通信技术和网 络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备与上层控制计算机集成起 来，从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。人工智能最新研究已经向计算智能方向发展，它主要包括：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 发展以及新的智能d n c 的出现。 1 1 2d n c 技术的主要研究内容 近年来，国内外对d n c 技术的研究主要集中在以下几个方面： 一、d n c 接口技术研究 d n c 接口的通讯功能主要有三种：下传n c 程序、上传n c 程序、系统状 态采集和远程控制 1 2 13 1 。只具备第一种功能的叫基本d n c ；具备前两种功能的 叫狭义d n c ；三种功能均有的叫广义d n c 。最早期的d n c 用d n c 工作站取 代纸带阅读机，因而只有下传n c 程序这一种功能；八、九十年代生产的数控 系统绝大多数配有r s 2 3 2 通讯接口，这类数控系统可实现上、下传n c 程序这 两种功能；九十年代生产的数控系统很多都带有专门的d n c 接口电路板，能 实现上述三种功能，如f a n u c 0 、f a n u c l 5 、f a n u c l 8 等系统，有的系统甚 至配有m a p 3 0 等网络接口。 国外各大数控公司都非常重视专用d n c 通讯接口软硬件的研究。如日本的 f a n u c 公司研究了两种接口：d n c l 和d n c 2 。d n c l 采用专用控制计算机， 同步方式传输，具有很高的传输速率，可完全实现实时控制。d n c 2 采用通用 计算机，异步方式传输，速度稍低些。d n c l 和d n c 2 均为一块标准的插件板， 直接插入数控系统的总线插槽，再借助专用通讯软件即可实现广义d n c 功能， d n c 2 有近4 0 项具体功能。美国各大数控公司更是纷纷推出了各种d n c 接口 产品，如r e m e xd n c 、r y b e t tc a m s h a r ed n c 和s h o p l i n kd n c 等。 国内关于d n c 接口技术的研究更为活跃。由于国内还存在大量早期进口的 f a n u c 6 m 、f a n u c 7 m 、s i n u m e r i k 8 5 0 等不具有广义d n c 功能的数控系统， 因而只能在原有数控系统的基础上进行改造。比如对f a n u c 6 m 、7 m 的d n c 接口，其方法均通过研制一块专用、以8 0 5 1 单片机为核心、具有双向通讯功能 和i o 控制功能的d n c 通讯接口电路板来使所研究的数控系统具有广义d n c 功能。 此外，我国还存在大量的经济型数控系统，这些系统不具有d n c 功能，因 而关于经济型数控系统的d n c 接口的研究也很活跃。数控系统有的以m c s - 5 1 单片机为c p u ，其d n c 接口由m c s 5 1 的全双工串行接口t x d 和r x d 经电 压电流转换和电平转换与p c 机的及r s 2 3 2 串行口相连，实现n c 程序的上下 传。早期的以t p 8 0 1 单片机为控制器，专门研制的d n c 接口电路板以8 0 3 l 为核心，8 0 3l 的串行口经电平转换与p c 机的r s 2 3 2 串行口相连，d n c 接1 2 1 电 路板的输出电路与经济型数控系统的纸带阅读机输入接1 2 1 相连，实现n c 程序 的下传。常见的接口形式有以下几种： ( 1 ) 接口配置为穿孔机输入接口 该d n c 结构将计算机的并行打印1 2 1 直接与穿孔机的输入接口相联并穿出所 需纸带。该方法不需改动任何硬件电路，只需编制一个专门供穿孔机用的驱动 程序。由于该方法不能消除因使用纸带阅读机而引起的一系列问题，目前已很 少采用。 ( 2 ) 接口配置为纸带阅读机输入接口 该d n c 结构利用数控系统的纸带阅读机输入接口并通过设计一外接通讯卡 来实现。该通讯卡模拟纸带阅读机的功能，一方面与d n c 工作站的r s 2 3 2 _ 串 行通讯接口进行串行通讯，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1 4 】。该方法消除了因使用纸带阅读机而引起的可靠性等问 题，但只能下传n c 程序。这种结构又叫读带机旁路式( b t r ，b e h i n dt a p e r e a d e r ) ，在没有配置r s 2 3 2 串行通讯接口的数控系统中使用较多 1 5 - 1 6 ( 3 ) 接口配置为r s 2 3 2 接口 八、九十年代的数控系统大多具有r s 2 3 2 串行通讯接口，这种d n c 结构直 接把数控系统的r s 2 3 2 串行通讯口和d n c 工作站的r s 2 3 2 串行通讯口相连， 从而实现n c 程序的下传和上传。这种结构在不需要远程控制和状态采集的场 合应用较多。 ( 4 ) 接口配置为d n c 接口 现在进口的高档数控系统有些具有d n c 通讯接口，这种d n c 结构通过直 接在d n c 工作站和数控系统中插上相应的d n c 接口卡并运行相应的软件来实 现数控系统所带的各种d n c 功能。 ( 5 ) 接口配置为网络接口 少数进1 3 的高档数控系统具有的接口，这种d n c 结构通过直接在d n c 工 作站和数控系统中插上相应的m a p 3 0 等网络通讯接口卡并运行相应的软件就 可实现数控系统的局域网连接方式和数控系统所带的各种d n c 功能j 。 二、d n c 通讯结构研究 d n c 结构是指d n c 工作站与数控系统的接口形式，而d n c 通讯结构则指 d n c 工作站与数控系统的通讯拓扑结构。常见的d n c 通讯结构形式有： ( 1 ) 点对点式 d n c 工作站与数控系统的拓扑结构为星型结构，通过d n c 工作站的r s 2 3 2 串行通讯1 2 1 与数控系统进行点对点连接。这是一种最常见、最简便的连接方式， 但存在所连设备有限、通讯距离短、通讯速率低、通讯竞争不易解决等问题。 ( 2 ) 现场总线式 d n c 工作站与数控系统通过现场总线连接。这是一种总线式结构。在d n c 工作站与数控系统之间通常要通过现场总线接口板进行接口转换。这种方式可 克服点到点式连接中存在的问题，是目前底层设备连接方式的发展方向。 ( 3 ) 局域网式 d n c 工作站与数控系统通过局域网连接。这种方式要求数控系统具有网络 接口。这也是一种较先进的d n c 通讯结构形式，但相对现场总线方式来讲， 实时性要差些。 三、d n c 通讯关键技术研究 d n c 的通讯技术与d n c 的接口技术有些关联，但d n c 通讯技术的范围要 大得多。除d n c 工作站与数控系统的通讯外，它的主要研究内容还包括：n c 工作站与上层计算机的通讯一。关于d n c 通讯技术的研究主要有以下几个方面： ( 1 ) 串行通讯技术 d n c 工作站与数控系统的通讯采用最多的是串行通讯，物理接口最常见的 是r s 2 3 2 c 串行通讯接口。这种方式实现方便，价格低廉，是目前最主要的形 式【1 8 。19 1 。但存在通讯距离短、传输速度慢、可靠性差，只能实现点到点通讯等 问题。人们对这种通讯方式不断改进的基础上( 如增加传输距离、扩展通讯口、 转换成其它串行接口标准等) ，还在积极地寻求其它通讯方式。但串行通讯的研 究仍然具有重要的现实意义，这是因为我国的机械加工业还很落后，机械制造 车间的计算机应用水平也不高，目前d n c 车间大多采用串行通讯方式：具有 单元层设置的车间，单元层的控制计算机通常很少，一般只有两三个，这种情 况下可以采用串行通讯方式；数控系统d n c 的物理接口有r s 2 3 2 c ，r s 4 2 2 和 r s 4 8 5 等多种，现场总线接口板的物理接口通常只提供以上的一到两种，因此， 即使在设备层的连接中采用现场总线，仍存在串行通讯接口标准的转换问题。 ( 2 ) 计算机局域网技术 随着计算机技术和网络技术的发展，d n c 工作站与上层控制计算机的连接 越来越多地采用计算机局域网技术。d n c 系统中的网络通讯传输介质主要有双 绞线、同轴电缆和光纤三种，网络拓扑结构主要有星型、环型、总线型和树型 四种：网络通讯协议标准主要有m a p t o p ( 带0 造自动化协议技术和办公协议) ， t c p i p ( 传输控制协议互联网协议) 以及d e c n e t 和e t h e r n e t 等。m a p 是数控 设备连接较好的局域网方案，具有通讯距离长、可靠性好、所连接设备多等优 点。它涵盖了o s i 标准中关于通信协议的7 个层次。在技术层面上，m a p 可以 说面面俱到，无懈可击，但实现复杂，开发费用大。在多台n c 机床同步加工 或n c 程序的传输与加工同时进行时达不到实时性要求，且通讯费用较高。 ( 3 ) 现场总线技术 现场总线( f i e l d b u s ) 是一种适合于现场设备联网，成本低、效益高、使用方 便、实用性强、可靠性好的网络总线标准。它是一种分布存牛产瑚。场的底层自 动化设备与控制室里较高级的自动化设备之间的一种数字式串行通讯链路，在 拓扑结构上是总线式( 主从式) 。现场总线的任务，简单说就是采集测量值、传 送测量值以及调节干预过程。现场总线可用于远程数据采集、监控、工厂自动 化、过程控制、能源管理、可靠性工程、材料处理、数据通讯等场合。现场总 线被称为是一种将引发一场整个工业测控领域革命、引起产品全面更新换代的 变革技术。现场总线技术是目前底层设备连接的较好方案，但费用高，使用上 尚有很多局限。目前常用的现场总线标准有b i t b u s 2 0 。2 1 】，c a n b u s 2 2 捌】等。 1 1 3d n c 系统的组成 尽管d n c 系统有多种多样，但都有构成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i o 接口； ( 2 ) 通讯介质( 双绞线，同轴电缆等) ； ( 3 ) 通讯接口； ( 4 ) n c 或c n c 数控设备； ( 5 ) 软件系统( 包括实时多任务操作系统、d n c 通信软件、d n c 管理和监 控软件、n c 程序编辑软件、还可能有数控系统软件) 。 图1 。2 为一个基本的d n c 系统组成结构。 工作 设备 图1 - 2 基本的d n c 系统组成 d n c 系统的构成形式多种多样，系统的大小和复杂程度也各不相同。d n c 系统可以小到只有台d n c 主机控制多台数控机床也可以大到包括单元层、 车间层和工厂层。所以具体的d n c 系统组成要根据其要求达到的目标和具体 条件来决定。影响d n c 系统配置的因素很多，如图1 3 所示，首先应考虑工厂 具体的需求，如需要的自动化程度、信息流以及工厂的计算机结构层次等重要 因素，此外车间管理及设备数目等对d n c 系统也有很大的影响。 图1 - 3d n c 系统的配置影响因素 1 1 4d n c 系统的应用原则 d n c 系统的优越性在于其简单的程序数据管理，快速的n c 数据传送，以 及数据传送所具有的更高的安全性能，且可实现n c 机床完全自动的、柔性的 操作。引入d n c 的目的在不同的企业是不同的，但通常有如下的原因： ( 1 ) 消除程序读入装置维护所需的费用； ( 2 ) 可以直接通过服务器进行程序管理，简化n c 程序的管理，减少程序 输入的错误，避免重复劳动； ( 3 ) 便于生产的管理，增加加工系统的柔性； ( 4 ) 对机床信息进行采集，方便设备管理。 在工厂使用了一定数量的数控机床之后，由于以上原因，通常会产生引入 d n c 的需求，但从经济和技术上综合考虑，引入d n c 的原则一般有： ( 1 ) 系统内的数控机床数量：连接在系统内的数控机床数量对于系统的效 率和成本的回收都是十分重要的，一般在系统中有10 台左右n c 机床或更多时， 即应考虑d n c ； ( 2 ) 控制系统要处理的数据量：在数据量很大且程序的处理速度要求很快 时，n c 程序的长度在c n c 的程序存储器不能满足程序的要求时，应考虑d n c ； ( 3 ) n c 程序的管理：n c 程序管理的问题越大，就越应当考虑采用d n c ； ( 4 ) 在加工中需要频繁更换程序加工的批量越小，程序越小，在正确的机 床上，正确的时间内，使用正确的程序加工就越困难，但如果采用d n c 就能 比较容易的解决这个问题。 1 2 数控加工网络化技术 1 2 1 数控机床的使用现状 数控加工作为先进制造的典型技术，是网络化制造的重要手段，应随市场 的全球化、竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人性化而体现出制造技术的 信息化、科学化和服务化。随着网络化制造的出现，数控加工技术不再是简单 的设备使用问题，而是一项具有一定规模的系统应用工程，需要在生产模式上 发生改变，但是在我国数控加工却不尽如人意。 2 0 世纪8 0 年代开始，我国的制造企业通过不同形式，包括国家投资、中 外合资、国内外贷款等，进行了大规模的技术引进和技术改造。我国第一个进 行整体行业技术引进和改造的是上海机床工业，国家通过世界银行贷款1 亿美 元对上海机床工业进行了大规模的全面技术改造，从技术进步的角度来看，上 海机床厂和上海机床公司所属的1 6 家主要企业和研究所确实上了一个很大的 台阶，与国外机床工业的差距大大缩小。随后，长春第一汽车厂、洛阳第一拖 拉机厂、沈阳第一机床厂、哈尔滨三大动力厂等也相继引进了先进的制造装备。 但是我国在数控机床使用中，有些应用的很好，充分发挥了效益，而大多数却 存在开动率和利用率不高、经济效益不理想等问题，造成资源的极大浪费，阻 碍企业竞争力的增强。深入分析我们不难得出造成这种现象的原因主要有以下 几个方面：操作、编程复杂，会操作、编程的人员少，即使会操作、编程，对 于单件小批量生产，由于编程烦琐，技术人员宁愿安排使用普通机床加工；复 杂工件的编程量较大，受控制系统容量限制而不能使用，某些商品化编程软件， 只提供加工理想形状的几何仿真，不提供切削参数优化功能，遇到大型复杂工 件，即使计算机能够自动生成数控代码，操作者仍感到程序调整困难；数控技 术资源分布不均衡是一个很重要的因素，往往是具有硬件设备，却缺乏软件力 量。 1 2 2 网络化数控加工的提出 以信息技术为核心的“第3 次浪潮”正牵引着人类进入工业经济时代鼎盛 的时期，推动着制造业的深刻变革，极大地增加了制造活动的深度和广度，促 使制造业日益向高度自动化、智能化、集成化和网络化的方向蓬勃发展。在这 样的发展趋势下作为最终执行机构，制造业的基本加工单元一一机床( 多为数控 机床) 也就必须直接或间接的与网络互连。以实现从设计到加工、从管理到生产 的全部过程在网络支持下的连续集成。因此建立新型网络数控系统是经济发展 的迫切需要。信息技术赋予了直接数控( d n c ) 以新的含义：由7 0 年代初期的简 单的一台或多台计算机对多台数控机床进行综合控制发展为数控机床通过其控 制计算机与企业局域网以及更外延的i n t e r n e t 的连结；d n c 系统的主要支持也 由硬件支持为主逐步过渡到以软件支持为主。这使得数控系统的柔性更大，动 态适应能力更强，对信息的共享性更强，软件的发展使得操作者的工作量变小， 操作更简单方便。d n c 和计算机技术在网络环境下的集成使计算机辅助设计与 制造、计算机辅助物料管理和调度及生产计划和控制等各个系统有机的联系起 来，有效利用网络技术、共享数据库系统，使企业的经营管理和生产操作实现 无缝结合，由此产生了网络数控。也可以讲是技术和需求的双轮推动着网络数 控的产生和发展 2 5 2 7 】。 1 2 3 网络化数控加工基础工作框架 在全球网络制造环境下，网络联盟组成单位之间的数控加工以何种方式相 互联系，以何种内容进行相互合作，这就需要我们建立基于网络化制造的数控 加工模型。在联盟企业中，分析数控加工整个过程，可将其划分为产品设计、 工艺编制、数控代码编制、加工、物料流管理、产品数据管理、过程分析等几 个功能环节。为使数控机床与网络连接成一个完整系统，需要将以上各环节形 成功能模块，既要分别实现与网络的集成，建立先进制造数控加工装备的外联 网( e x t r a n e t ) ，又要实现各功能模块之间的相关连接及模块内部的网络化，建立 先进制造数控加工装备的内联网( i n t r a n e t ) 。 产品特征造型h 工艺参数优化卜_ 叫走刀轨迹生成卜+ 网 上 i n t e r n e t 交 企业局域 n c 仿真 hn c 代码网上传输hn c 异地力i i 卜+ 流 网 图卜4 网络化数控加工的基础工作框架 全球网络化制造以数控加工基础技术为主线，以t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o l p r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议为网络通信平台，开发c a d c a m 系统的网络制 造技术，来实现产品设计与加工基础技术的网络化。将具有自动生成数控代码 和代码校验能力的c a d c a m 系统集成到i n t e r n e t 上，使更多具有数控机床的 用户可以通过互联网，使用网上发布的数控资源信息，获得产品加工的n c 代 码，通过网络仿真校验数控代码的正确性，并将其直接用于异地的数控加工。 图1 4 给出了网络化数控加工的基础工作框架。 1 3 课题研究的意义及主要内容 1 3 1 课题研究的意义 网络化制造是一种新型的先进制造模式，是企业为应对知识经济和制造全 球化的挑战而实施的以快速响应市场需求和提高企业( 企业群体) 竞争力为主 要目标的一种先进制造模式。通过采用先进的网络技术、制造技术及其他相关 技术，构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统，并在系统的支持下，突 破空间地域对企业生产经营范围和方式的约束，提高企业的工作效率，增强新 产品的开发能力，缩短上市周期；实现企业间的协同和各种社会资源的共享与 集成，高速度、高质量、低成本地为市场提供所需的产品和服务；有利于利用 软件资源提高设备利用率，实现资源共享，顺应时代发展趋势。 数控机床作为网络化制造的执行者，如何解决数控机床的联网及通信成了 网络化制造的关键。文章针对合肥工业大学工业培训中心机床网络化、管理信 息化等需求，主要研究了d n c 通信在车间级网络制造中的应用、d n c 通信网 络的合理构建，在此基础上对车间级网络化制造系统进行设计与实施，项目取 得的良好效果和车间状况的成功改善也有力地说明了机床d n c 通信网络建立 和研究的意义及必要性。为进一步实施网络化制造奠定了基础。 1 3 2 课题研究的主要内容 本文通过分析机床d n c 技术及数控加工网络化技术的发展，结合实际课 题对d n c 通信相关技术做了研究分析，成功地对校实习基地数控车间进行了 网络化改造，并取得了很好的效果。 本课题研究的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 数控机床d n c 技术的含义及发展，不同类型d n c 系统的结构，d n c 系统的应用原则； ( 2 ) 数控网络化车间的d n c 通信技术：网络化制造中的d n c 通信体系、 串行通信技术、数控设备的通信协议及参数、以太网技术； ( 3 ) 开发车间网络d n c 系统，系统的软件结构，数据库的建立，关键功 能模块的实现方法； ( 4 ) 基于d n c 通信技术的车间级网络化制造的具体实施； ( 5 ) 数控机床的联网、计算机与数控机床之间的通讯、程序互传等； 通过以上内容的研究，主要解决合肥工业大学工业培训中心目前数控区实 习管理不便、设备利用率低等问题。 第二章数控网络化车间d n c 通信技术 2 1 网络化制造中的d n c 通信体系 2 i 1 网络化制造中d n c 通信系统结构 在网络化制造环境下，企业与外界需要进行广泛地联系，企业内部需要网 络化管理，传统d n c 系统已经逐渐不能满足企业的需要。为了扩大企业的影 响、提高生产效率和在激烈的竞争中获得更大的利益等多种原因，d n c 系统就 必须要加强网络方面的功能。面向网络化制造的d n c 系统与传统d n c 系统 的最大不同之处在于其通信的网络化。面向网络化制造的d n c 系统应满足以 下几方面的要求： ( 1 ) 集成性的要求：网络化d n c 系统的通信是一种集成环境下的通信， 又是一个数控加工信息的集成系统，它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，因此在此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。 不仅要实现与底层数控设备的通信连接，而且要保证与上层控制计算机的 通信与信息的集成； ( 2 ) 实时性的要求：网络化d n c 系统与底层通信实时性要好，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，同时也要支持在线加工的需要； ( 3 ) 可靠性的要求：网络化d n c 系统既要能适应车间工况又要能防止数 据的丢失，以保证d n c 系统数据传输的准确可靠。对于接入外网的d n c