丁 超，林 崗

(河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州213022)

0 引 言

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將計算機技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與制造技術(shù)相融合的網(wǎng)絡(luò)化制造，逐漸成為先進制造技術(shù)新的發(fā)展方向。由此，基于Internet/Intranet(企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng))的網(wǎng)絡(luò)化DNC 制造系統(tǒng)便應(yīng)運而生。分布式數(shù)控(Distributed Numerical Control，DNC)是指一臺中央控制計算機對若干數(shù)控設(shè)備進行綜合控制管理，主要包括NC 程序的管理和傳送，系統(tǒng)信息的收集、系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控及控制。近些年，制造企業(yè)為了應(yīng)對經(jīng)濟全球化的挑戰(zhàn)，提高企業(yè)市場競爭力，正在逐步將網(wǎng)絡(luò)制造及DNC 系統(tǒng)應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)、銷售、管理等一系列工作流程中［1］。

為了培養(yǎng)高素質(zhì)的科技型人才，欲對我校機電工程學(xué)院機械基礎(chǔ)實驗中心配備的各類數(shù)控設(shè)備進行基于互聯(lián)網(wǎng)的DNC 網(wǎng)絡(luò)化升級改造，實現(xiàn)實驗中心從設(shè)計、控制，到加工、測量，再到仿真、管理的無縫連接。

1 實驗中心現(xiàn)狀

我院實驗中心配備有三坐標測量機Miracle NC564、數(shù)控車床CK6140A 和CJK0620、數(shù)控立式鉆鏜床ZK7640、加工中心ZH7640 和MITSHUBISHI MV5CN、三自由度運動控制系統(tǒng)、FMS 示教系統(tǒng)和六自由度串聯(lián)機器人RBT-6T/S03S 等先進的生產(chǎn)和教學(xué)型數(shù)控設(shè)備，并配備了一些主流的CAD/CAM 應(yīng)用軟件。

但是，由于場地及使用環(huán)境等因素的限制，各數(shù)控設(shè)備相對獨立地分布在若干實驗中心車間內(nèi)，各數(shù)控設(shè)備之間以及車間層與上層計算機之間缺少應(yīng)有的信息資源交流和聯(lián)系;其中部分數(shù)控設(shè)備的操作還停留在手工編寫及輸入數(shù)控程序的階段，大量數(shù)控程序和機床數(shù)據(jù)不便于積累、備份及存檔管理。因此，我院欲建立基于實驗車間的網(wǎng)絡(luò)制造單元以實現(xiàn)實驗中心的網(wǎng)絡(luò)化制造。

2 DNC 系統(tǒng)通信

計算機要與不同類型的CNC 系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)通信，其通信協(xié)議的建立流程［2-4］如圖1 所示。

圖1 通信協(xié)議的建立

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾?，避免控制計算機與異構(gòu)CNC 系統(tǒng)通信過程中的數(shù)據(jù)傳輸混亂，通信雙方的端口參數(shù)設(shè)置必須保持一致。其中，端口參數(shù)設(shè)置包括:

端口號 1/2，根據(jù)計算機實際端口設(shè)置。系統(tǒng)中25 針串口選用COM1 端口，9 針串口選用COM2 端口。

波特率 110-19 200，通信雙方傳輸速率。PC 與數(shù)控設(shè)備設(shè)置要一致，不能為了提高傳輸速率一味提高波特率，過大或過小都可能適得其反。

奇偶校驗 奇/偶，校驗正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確被接收。

停止位 1/1.5/2，每個幀尾部總要發(fā)送一個停止位。本系統(tǒng)默認為1。

數(shù)據(jù)位 5/6/7/8，一個數(shù)據(jù)字符所使用的位數(shù)根據(jù)不同協(xié)議變化，每發(fā)送一個字符，就發(fā)送一個組。歐美設(shè)備一般為8 位，日本設(shè)備一般為7 位。

握手協(xié)議 軟件握手(Xon/Xoff 協(xié)議)/硬件握手(RTS/CTS，DTR/CTS 等)，在通訊中表示接口設(shè)備是否準備好。本系統(tǒng)中西門子系統(tǒng)采用RTS/CTS 的硬件握手;FANUC 系統(tǒng)則采用Xon/Xoff 協(xié)議。

設(shè)備參數(shù)需要根據(jù)不同數(shù)控系統(tǒng)的通信參數(shù)要求進行相應(yīng)的設(shè)置，并始終保持端口參數(shù)與設(shè)備參數(shù)的一致性。

傳送數(shù)據(jù)格式包括ASCⅡ/EIA/BIN 等，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式采用ASCⅡ格式。

3 網(wǎng)絡(luò)DNC 系統(tǒng)總體布置及硬件聯(lián)網(wǎng)

3.1 組網(wǎng)方式

根據(jù)實驗中心的改造要求和實際狀況，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)DNC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于各數(shù)控設(shè)備相對獨立的跨車間分布，故同一車間內(nèi)的多臺數(shù)控設(shè)備與同一工控機采用星型結(jié)構(gòu)組成單元局域網(wǎng)，避免由于某一設(shè)備的故障影響整個系統(tǒng)的正常運行［5］。

其次，同車間工控機之間采用有線網(wǎng)絡(luò)連接;而跨車間的車間層工控機之間的聯(lián)網(wǎng)，以及車間層工控機與上層計算機之間的聯(lián)網(wǎng)，由于實驗中心局部車間場地條件的限制導(dǎo)致網(wǎng)線布置復(fù)雜，采用無線網(wǎng)絡(luò)連接。因此，采用有線和無線相結(jié)合的總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)實驗中心內(nèi)部Intranet 以及與Internet 的聯(lián)網(wǎng)［6］。

3.2 DNC 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)布置

實驗中心網(wǎng)絡(luò)化改造DNC 系統(tǒng)采用四層DNC 網(wǎng)絡(luò)化模式［7］，以工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 DNC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 系統(tǒng)硬件配置

實驗中心擁有的CNC 系統(tǒng)主要包括FANUC、SIEMENS 802S、華中Ⅰ型及華興數(shù)控系統(tǒng)，它們都提供標準的RS-232C 串行接口。此外，還有部分教學(xué)型數(shù)控設(shè)備通過運動控制卡或I/O 接口與車間層工控機進行通信。車間層與上層計算機之間通過TCP/IP 協(xié)議建立的局域網(wǎng)進行通信，上層計算機則通過Internet與外部網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交流。

組建有線網(wǎng)絡(luò)時，為了提高系統(tǒng)的擴展性和可移植性，選用8 個局域網(wǎng)接口的TP-Link TL-R860 +路由器及PCI 接口的TP-LINK TF-3239D 網(wǎng)卡進行網(wǎng)絡(luò)連接。在無線網(wǎng)絡(luò)過程中，為了保證工業(yè)環(huán)境下，數(shù)據(jù)信息的傳輸速率及可靠性，選用能夠通過LCD 顯示上傳/下載速度、記錄頻寬的Belkin N1 Vision 無線路由器及PCI 接口的Belkin F5D8001zh 無線網(wǎng)卡，其理論最高傳輸速率可達300 Mbps。

4 DNC 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該DNC 系統(tǒng)軟件采用Windows XP 作為開發(fā)平臺，選用Java 語言作為開發(fā)工具進行編程實現(xiàn)［8-11］。軟件開發(fā)主要包括以下幾個功能模塊:

(1) 系統(tǒng)總體布置圖。以便操作者了解整個實驗中心及各車間網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控設(shè)備分布和結(jié)構(gòu)圖。

(2) 數(shù)控程序管理模塊。使用戶能夠在計算機上進行數(shù)控程序的編輯、優(yōu)化及保存等操作，程序開頭要有程序號，以便進行程序檢索，并根據(jù)不同CNC 系統(tǒng)所定義的數(shù)控程序結(jié)構(gòu)和格式的差異，將實驗中心現(xiàn)有配置情況下的NC 程序標準化，制定內(nèi)部的編號標準(如表1 所示)并顯示在用戶界面上，便于程序的積累、備份及存檔管理，同時保證機械加工的高效率。

表1 實驗中心內(nèi)部NC 程序編號標準

(3) 系統(tǒng)通訊模塊。提供用戶界面進行控制計算機與CNC 系統(tǒng)通信的參數(shù)設(shè)置，并能夠儲存及加載。

(4) 程序查詢模塊。通過設(shè)置查詢條件查找數(shù)據(jù)庫中符合條件的程序詳細信息。

(5) 設(shè)備管理模塊。對實驗中心數(shù)控設(shè)備及刀具進行管理，有效提高車間資源的利用率，增強設(shè)備的協(xié)調(diào)性和靈活性。

(6) 工藝信息管理模塊。能夠?qū)ιa(chǎn)及加工工件的各種工藝信息進行編輯、優(yōu)化并存檔。

(7) DNC 與CNC 的數(shù)控程序傳輸模塊。在建立通信的基礎(chǔ)上，將數(shù)控代碼下傳至CNC 系統(tǒng)中，以便進行數(shù)控加工。

(8) DNC 車間層工控機與上層計算機及服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。用以獲取數(shù)控程序及產(chǎn)品信息并保存。

軟件主程序流程圖，如圖3 所示。

圖3 主程序流程圖

5 實施效果

本次對我院實驗中心各種異構(gòu)CNC 系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)化改造，為我校專業(yè)課程的實踐教學(xué)提供了良好的教學(xué)模型，建立了基于Internet 的網(wǎng)絡(luò)信息通訊，實現(xiàn)跨地區(qū)、跨區(qū)域的異地產(chǎn)品設(shè)計與加工、資源共享與信息集成;同時建立了基于Intranet 的實驗中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，改善各數(shù)控設(shè)備的單機狀態(tài)，有效提高各種資源的管理和使用效率。

6 結(jié) 語

隨著先進制造技術(shù)的不斷深入和發(fā)展，本次升級改造作為寶貴的實踐經(jīng)驗，對今后可能出現(xiàn)的大規(guī)模工廠、車間的DNC 系統(tǒng)改造以及數(shù)控網(wǎng)絡(luò)化信息集成提供較高的參考價值及理論基礎(chǔ)。

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