基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
將制造車間的數(shù)控設(shè)備與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成DNC（DistributedNumericalContro1）系統(tǒng)，已成為實現(xiàn)CAD／CAM一體化及計算機輔助生產(chǎn)管理集成化迫切需要解決的核心技術(shù)之一。而通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)又是構(gòu)建集成DNC系統(tǒng)的最關(guān)鍵的技術(shù)，它一般包括兩個層次，上層是DNC主機與 CAD／CAM／CAPP、MRPII系統(tǒng)幣睥間服務(wù)器的通信，下層是DNC主機與車間各種數(shù)控設(shè)備的通信數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)的方法很多引，如串行通信方法口、 MAP通信技術(shù)、現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)等。這些通信方法雖然在一定程度上實現(xiàn)了數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)，但在應(yīng)用中它們或多或少地存在一些不足。為了提高數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的可集成性和滿足實時調(diào)度功能，筆者提出了基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要根據(jù)實際需要而選定，需要考慮的因素主要有車間的環(huán)境、工廠的自動化程度與管理層的信息集成等。系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)平臺，工業(yè)以太網(wǎng)的抗干擾設(shè)計保證了在車間惡劣劣環(huán)境下的通信暢通及實時性，且易于與管理層集成。系統(tǒng)采用總線+星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主干網(wǎng)采用總線結(jié)構(gòu)，易于組成冗余環(huán)網(wǎng)。局部采用星型結(jié)構(gòu)，避免了某一臺設(shè)備的故障影響其他設(shè)備。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1如示。
實現(xiàn)數(shù)控機床和工業(yè)以太網(wǎng)連接的協(xié)議轉(zhuǎn)換器實質(zhì)就是工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包與RS232數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換器。它向上接人工業(yè)以太網(wǎng)，采用工業(yè)級RJ45接口形式，向下連接帶有RS232串口的數(shù)控機床。協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以作為數(shù)控機床的一個部件安裝在機床上。
2 系統(tǒng)功能
2．1通訊功能
（1）NC程序的雙向傳輸所有數(shù)控設(shè)備實施聯(lián)網(wǎng)集中管理，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行NC程序（包括機床參數(shù)，刀補文件，宏程序等）的雙向傳輸，從而實現(xiàn)NC程序的海量存儲、集成化管理。將每臺數(shù)控機床定義為客戶端設(shè)備，利用數(shù)控系統(tǒng)自身的通訊端口（一般為RS一232）、通訊功能，操作工可在數(shù)控機床端進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸以及訪問管理服務(wù)器端數(shù)據(jù)的全部操作，服務(wù)器端對數(shù)控端的操作請求自動進(jìn)行相關(guān)處理而無需人為干預(yù)。保證所有入網(wǎng)數(shù)控設(shè)備可在同一時刻進(jìn)行并發(fā)式的通訊傳輸。
（2）在線加工需要數(shù)控系統(tǒng)本身支持在線加工功能，可實現(xiàn)斷點續(xù)傳、子程序調(diào)用等功能。
（3）數(shù)據(jù)共享讓操作工在本地數(shù)控設(shè)備訪問其他數(shù)控設(shè)備或虛擬機床信息，方便零件轉(zhuǎn)移加工。
2．2控制功能
在該模塊中DNC服務(wù)器與CNC進(jìn)行通訊，可以實時采集數(shù)控機床的加工狀態(tài)、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、刀具信息、操作履歷，以及對刀具壽命進(jìn)行管理。并且通過一定的權(quán)限確認(rèn)，可以在線修改各種設(shè)備參數(shù)和運行參數(shù)，從而實現(xiàn)底層設(shè)備的完全監(jiān)控。通過對采集到的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以及時獲取加工業(yè)績、機床利用率等生產(chǎn)管理所需要的數(shù)據(jù)。由于生產(chǎn)狀況的千變?nèi)f化，生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)很多隨機的情況，因此不同地點、不同部門的專業(yè)人員要對同一設(shè)備進(jìn)行工作，就需要有一個自由交流的平臺，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交互、經(jīng)驗交流，最終實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊是利用計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提供廣域范圍內(nèi)共享資源的平臺，并為實時監(jiān)測監(jiān)控、故障診斷提供支持。用戶可以隨時通過網(wǎng)絡(luò)查詢設(shè)備運行狀態(tài)以及設(shè)備現(xiàn)場的工況，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2．3NC程序管理
NC程序作為加工過程中非常重要的一部分資源，對其進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)化管理已經(jīng)成為DNC系統(tǒng)不可缺少的一部分。NC程序的管理根據(jù)管理目標(biāo)對象的不同又可分為對程序進(jìn)行生命周期內(nèi)的管理和NC程序內(nèi)部信息管理。
對NC程序的內(nèi)部屬性進(jìn)行管理主要包括程序號、程序注釋、零件圖號、所加工的零件號、加工工序號、加工范圍、機床、用戶信息等進(jìn)行管理。在該系統(tǒng)中可對程序根據(jù)圖號、零件名稱、工序、機床等進(jìn)行多種條件的復(fù)合查尋，同時對加工程序編輯歷程、所用刀具清單、工藝卡片等進(jìn)行管理。數(shù)控程序員編寫的加工程序有時不可能一次就達(dá)到加工要求，根據(jù)加工過程，將程序分為4個狀態(tài)：①編輯——程序分處各編程軟件指定的文件夾中，由程序員加載至程序庫時關(guān)聯(lián)信息包括：程序號，程序名，程序文本，零件號，零件名稱，工藝文件名稱，工序號，工步號，編寫者，編寫日期，刀具表，零件圖片。②試切——處在試切驗證階段的程序。 ③鎖定——試切無誤從機床回傳到計算機中的程序。④定型——審核定型歸檔的程序。
程序管理流程為：編程人員（有編輯修改的權(quán)限）編好的程序在完成修改、仿真校驗等工作后加載人相應(yīng)數(shù)據(jù)庫試切驗證區(qū)，同時填表完成NC程序關(guān)聯(lián)信息的輸入，此時程序處于編輯狀態(tài)，經(jīng)編程主管（有解鎖的權(quán)限）審核同意后，將程序改成調(diào)試狀態(tài)，此后可發(fā)送到機床試切，也可以從機床的控制面板上遠(yuǎn)程調(diào)用程序；試切驗證和調(diào)試無錯誤的程序經(jīng)程序主管的同意后發(fā)回到數(shù)據(jù)庫的鎖定區(qū)，此時程序狀態(tài)為鎖定；經(jīng)過技術(shù)主管（有批準(zhǔn)的權(quán)限）審核無誤后，正式進(jìn)入數(shù)據(jù)庫定型歸檔，程序變成只讀屬性，以后不能再修改了（只有個別有權(quán)限的人可改）。整個管理流程如圖2。
3 系統(tǒng)關(guān)鍵部件——轉(zhuǎn)換器設(shè)計
工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與RS232串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器的工作原理是，把來自串口設(shè)備的任何信息透明地傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)上的任何一臺計算機，也可以把來自上層的任何控制信息透明地傳輸給數(shù)控設(shè)備。通過為協(xié)議轉(zhuǎn)換器配置IP地址，數(shù)控機床成為網(wǎng)中的一個節(jié)點，從而達(dá)到集中管理數(shù)控機床的功能，如文件傳輸、狀態(tài)監(jiān)控等。協(xié)議轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
協(xié)議轉(zhuǎn)換器就是一種嵌入式系統(tǒng)。采用PHILIPS公司生產(chǎn)的ARM（AdvancedRISCMachines）芯片作為處理器，在ARM公司的集成開發(fā)環(huán)境ADS1．2（ARMDeveloperSuit）[中，通過在芯片上移植實時操作系統(tǒng)C／OS-Ⅱ及TCP／IP協(xié)議，開發(fā)基于C／OS-Ⅱ的串口監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了串17數(shù)據(jù)到工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換。其工作過程如下：串口監(jiān)控軟件一旦發(fā)現(xiàn)串17有數(shù)據(jù)到達(dá)，觸發(fā)一個中斷，系統(tǒng)調(diào)用協(xié)議轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后通過智能交換機發(fā)給管理層計算機。整個工作過程如圖4所示。
4 結(jié)語
工業(yè)以太網(wǎng)通信可以滿足車間數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制的通信要求，基于工業(yè)以太網(wǎng)的DNC系統(tǒng)使車間乃至整個企業(yè)的信息網(wǎng)與DNC通信網(wǎng)絡(luò)得以統(tǒng)一。達(dá)到全車間信息的完整性、通透性、一致性，而且可以直接將數(shù)控機床接人[nternet，實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的傳輸，適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)制造的需要。由T- T．,_IIeVAX～已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)場控制發(fā)展的趨勢，以此技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能可靠，易于在企業(yè)中推廣莉應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景．
[參考文獻(xiàn)]
[1]洪永強，陳永波，蔣紅霞．異構(gòu)數(shù)控設(shè)備DNC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J]．儀器儀表學(xué)報，2003·24（4）；326～328·
[2]熊斌．敏捷DNC系統(tǒng)的理論探討[J]．計算機集成制造系統(tǒng)，1999，5（6）·l～7．
[3]劉利鋒。王敏杰．面向模具制造的多功能DNC通信系統(tǒng)開發(fā)[J]．模具工業(yè)，2001，（4）·7～9．
[4]劉磅．TCP／IPEthernetl自控設(shè)備的新進(jìn)[EB／OL]．http：／／bbs．gongkong．corn／detail．a(chǎn)sp?id：237378．
[5]孔德芳．有了｛EPA標(biāo)準(zhǔn)》”E網(wǎng)到底”不是夢[EB／OL]．http／／www．zju．edu．cn／zd～w／jd／read·php?recid：12905·
[6]田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M]．北京；北京航空航天大學(xué)出版社·2005．
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要根據(jù)實際需要而選定，需要考慮的因素主要有車間的環(huán)境、工廠的自動化程度與管理層的信息集成等。系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)平臺，工業(yè)以太網(wǎng)的抗干擾設(shè)計保證了在車間惡劣劣環(huán)境下的通信暢通及實時性，且易于與管理層集成。系統(tǒng)采用總線+星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主干網(wǎng)采用總線結(jié)構(gòu)，易于組成冗余環(huán)網(wǎng)。局部采用星型結(jié)構(gòu)，避免了某一臺設(shè)備的故障影響其他設(shè)備。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1如示。
2 系統(tǒng)功能
2．1通訊功能
（1）NC程序的雙向傳輸所有數(shù)控設(shè)備實施聯(lián)網(wǎng)集中管理，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行NC程序（包括機床參數(shù)，刀補文件，宏程序等）的雙向傳輸，從而實現(xiàn)NC程序的海量存儲、集成化管理。將每臺數(shù)控機床定義為客戶端設(shè)備，利用數(shù)控系統(tǒng)自身的通訊端口（一般為RS一232）、通訊功能，操作工可在數(shù)控機床端進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸以及訪問管理服務(wù)器端數(shù)據(jù)的全部操作，服務(wù)器端對數(shù)控端的操作請求自動進(jìn)行相關(guān)處理而無需人為干預(yù)。保證所有入網(wǎng)數(shù)控設(shè)備可在同一時刻進(jìn)行并發(fā)式的通訊傳輸。
（2）在線加工需要數(shù)控系統(tǒng)本身支持在線加工功能，可實現(xiàn)斷點續(xù)傳、子程序調(diào)用等功能。
（3）數(shù)據(jù)共享讓操作工在本地數(shù)控設(shè)備訪問其他數(shù)控設(shè)備或虛擬機床信息，方便零件轉(zhuǎn)移加工。
2．2控制功能
在該模塊中DNC服務(wù)器與CNC進(jìn)行通訊，可以實時采集數(shù)控機床的加工狀態(tài)、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、刀具信息、操作履歷，以及對刀具壽命進(jìn)行管理。并且通過一定的權(quán)限確認(rèn)，可以在線修改各種設(shè)備參數(shù)和運行參數(shù)，從而實現(xiàn)底層設(shè)備的完全監(jiān)控。通過對采集到的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以及時獲取加工業(yè)績、機床利用率等生產(chǎn)管理所需要的數(shù)據(jù)。由于生產(chǎn)狀況的千變?nèi)f化，生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)很多隨機的情況，因此不同地點、不同部門的專業(yè)人員要對同一設(shè)備進(jìn)行工作，就需要有一個自由交流的平臺，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交互、經(jīng)驗交流，最終實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊是利用計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提供廣域范圍內(nèi)共享資源的平臺，并為實時監(jiān)測監(jiān)控、故障診斷提供支持。用戶可以隨時通過網(wǎng)絡(luò)查詢設(shè)備運行狀態(tài)以及設(shè)備現(xiàn)場的工況，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2．3NC程序管理
NC程序作為加工過程中非常重要的一部分資源，對其進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)化管理已經(jīng)成為DNC系統(tǒng)不可缺少的一部分。NC程序的管理根據(jù)管理目標(biāo)對象的不同又可分為對程序進(jìn)行生命周期內(nèi)的管理和NC程序內(nèi)部信息管理。
對NC程序的內(nèi)部屬性進(jìn)行管理主要包括程序號、程序注釋、零件圖號、所加工的零件號、加工工序號、加工范圍、機床、用戶信息等進(jìn)行管理。在該系統(tǒng)中可對程序根據(jù)圖號、零件名稱、工序、機床等進(jìn)行多種條件的復(fù)合查尋，同時對加工程序編輯歷程、所用刀具清單、工藝卡片等進(jìn)行管理。數(shù)控程序員編寫的加工程序有時不可能一次就達(dá)到加工要求，根據(jù)加工過程，將程序分為4個狀態(tài)：①編輯——程序分處各編程軟件指定的文件夾中，由程序員加載至程序庫時關(guān)聯(lián)信息包括：程序號，程序名，程序文本，零件號，零件名稱，工藝文件名稱，工序號，工步號，編寫者，編寫日期，刀具表，零件圖片。②試切——處在試切驗證階段的程序。 ③鎖定——試切無誤從機床回傳到計算機中的程序。④定型——審核定型歸檔的程序。
程序管理流程為：編程人員（有編輯修改的權(quán)限）編好的程序在完成修改、仿真校驗等工作后加載人相應(yīng)數(shù)據(jù)庫試切驗證區(qū)，同時填表完成NC程序關(guān)聯(lián)信息的輸入，此時程序處于編輯狀態(tài)，經(jīng)編程主管（有解鎖的權(quán)限）審核同意后，將程序改成調(diào)試狀態(tài)，此后可發(fā)送到機床試切，也可以從機床的控制面板上遠(yuǎn)程調(diào)用程序；試切驗證和調(diào)試無錯誤的程序經(jīng)程序主管的同意后發(fā)回到數(shù)據(jù)庫的鎖定區(qū)，此時程序狀態(tài)為鎖定；經(jīng)過技術(shù)主管（有批準(zhǔn)的權(quán)限）審核無誤后，正式進(jìn)入數(shù)據(jù)庫定型歸檔，程序變成只讀屬性，以后不能再修改了（只有個別有權(quán)限的人可改）。整個管理流程如圖2。
工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與RS232串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器的工作原理是，把來自串口設(shè)備的任何信息透明地傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)上的任何一臺計算機，也可以把來自上層的任何控制信息透明地傳輸給數(shù)控設(shè)備。通過為協(xié)議轉(zhuǎn)換器配置IP地址，數(shù)控機床成為網(wǎng)中的一個節(jié)點，從而達(dá)到集中管理數(shù)控機床的功能，如文件傳輸、狀態(tài)監(jiān)控等。協(xié)議轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
工業(yè)以太網(wǎng)通信可以滿足車間數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制的通信要求，基于工業(yè)以太網(wǎng)的DNC系統(tǒng)使車間乃至整個企業(yè)的信息網(wǎng)與DNC通信網(wǎng)絡(luò)得以統(tǒng)一。達(dá)到全車間信息的完整性、通透性、一致性，而且可以直接將數(shù)控機床接人[nternet，實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的傳輸，適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)制造的需要。由T- T．,_IIeVAX～已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)場控制發(fā)展的趨勢，以此技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能可靠，易于在企業(yè)中推廣莉應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景．
[參考文獻(xiàn)]
[1]洪永強，陳永波，蔣紅霞．異構(gòu)數(shù)控設(shè)備DNC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J]．儀器儀表學(xué)報，2003·24（4）；326～328·
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[5]孔德芳．有了｛EPA標(biāo)準(zhǔn)》”E網(wǎng)到底”不是夢[EB／OL]．http／／www．zju．edu．cn／zd～w／jd／read·php?recid：12905·
[6]田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M]．北京；北京航空航天大學(xué)出版社·2005．
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