顏國(guó)霖

(黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 泉州 362000)

基于Windows網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顏國(guó)霖

(黎明職業(yè)大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建 泉州 362000)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)車間數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)，采用CE-232B轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)建一個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)?；谝蕴W(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，采用多線程編程方法，開發(fā)出基于Windows網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)DNC服務(wù)器管理多臺(tái)數(shù)控機(jī)床。該系統(tǒng)使用方便，適合學(xué)校實(shí)訓(xùn)車間使用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng);以太網(wǎng);多線程;TCP/IP技術(shù)

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的日益發(fā)展，新一代數(shù)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出高速化、高精度、智能化、多功能的特點(diǎn)。由分散的數(shù)控機(jī)床與計(jì)算機(jī)結(jié)合而成的DNC系統(tǒng)已成為現(xiàn)代加工企業(yè)重要管理模式之一。目前基于Windows網(wǎng)絡(luò)數(shù)控機(jī)床通訊的研究，已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一［1］。這種數(shù)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件程序的上傳或下傳，機(jī)床狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制，可以提高企業(yè)車間的管理水平及柔性自動(dòng)化加工。

隨著學(xué)校數(shù)控實(shí)訓(xùn)車間規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)備的利用率逐漸增大，車間人員和設(shè)備安全管理主要還是依賴于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督和定期職責(zé)巡視來實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步完善實(shí)訓(xùn)車間的數(shù)字化、信息化水平，提升學(xué)校信息化以及管理水平，結(jié)合學(xué)校數(shù)控實(shí)訓(xùn)車間的實(shí)際情況，筆者設(shè)計(jì)出一種滿足該車間需求的數(shù)控機(jī)床管理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過DNC服務(wù)器、CAD/CAM客戶端、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與多臺(tái)數(shù)控機(jī)床采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，并以VC++為軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)軟件。在數(shù)控車間里，建立有線以太網(wǎng)絡(luò)，加工程序可以通過老師審核后進(jìn)行上傳、下載及在線加工，在加工過程中能對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、NC程序傳輸?shù)裙δ?。這樣既減少學(xué)校硬件成本投入和管理成本，又提高了數(shù)控實(shí)訓(xùn)車間的教學(xué)效果和實(shí)訓(xùn)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化管理。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)已取得了本質(zhì)的飛躍，基于以太網(wǎng)技術(shù)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)正日趨成熟。DNC技術(shù)已有明顯的傾向趨勢(shì)［2］。但是目前的工業(yè)設(shè)備中仍存在大量只具備串口通訊的設(shè)備，這種串口不具有聯(lián)網(wǎng)能力，要采用以太網(wǎng)組網(wǎng)面臨接口轉(zhuǎn)換問題。不少公司開發(fā)出接口轉(zhuǎn)換模塊，使串口通訊設(shè)備成為局域網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，支持TCP/IP協(xié)議。

目前，將學(xué)校數(shù)控車間只具有串口通訊的FANUC 0i系統(tǒng)的數(shù)控車床和加工中心，嵌入CE-232B轉(zhuǎn)化模塊，使其具備以太網(wǎng)接口RJ45S，可直接連入網(wǎng)絡(luò)。CE-232B轉(zhuǎn)化模塊實(shí)現(xiàn)了RS232C協(xié)議與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換。FANUC數(shù)控機(jī)床通過CE-232B模塊提供的10/100Mb/s以太網(wǎng)接口與工業(yè)交換機(jī)連接。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。DNC服務(wù)器放在教師辦公室中，仿真實(shí)驗(yàn)室中有50臺(tái)客戶端供學(xué)生上機(jī)編程使用，數(shù)控實(shí)訓(xùn)室中有多臺(tái)數(shù)控機(jī)床。每臺(tái)數(shù)控機(jī)床安裝CE-232B轉(zhuǎn)化模塊，作為一個(gè)獨(dú)立終端與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。DNC服務(wù)器、CAD/CAM客戶端及數(shù)控機(jī)床之間用以太網(wǎng)交換機(jī)相連，組成一個(gè)管理維護(hù)容易，系統(tǒng)配置靈活，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

筆者結(jié)合數(shù)控加工過程中的特點(diǎn)和實(shí)際需要，研究了一種基于以太網(wǎng)技術(shù)，采用TCP/IP協(xié)議及多線程技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)通訊方法，使得數(shù)控機(jī)床能達(dá)到快速響應(yīng)及實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)通訊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要包括管理模塊，通訊模塊，NC程序仿真模塊三大模塊。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

管理模塊:實(shí)現(xiàn)用戶組的創(chuàng)建、登入密碼的設(shè)置，機(jī)床管理、NC程序管理等功能。

通訊模塊:通訊是網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的核心部分。可實(shí)現(xiàn)NC程序的發(fā)送、接收及數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控功能等。

仿真模塊:該模塊包括NC程序的讀取和存儲(chǔ)，程序結(jié)構(gòu)的分析和提取，編譯，運(yùn)行程序后，將一些有用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)組中，并且將當(dāng)前狀態(tài)用畫圖函數(shù)顯示到桌面等功能。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通訊

傳統(tǒng)的DNC系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通信，它是單端通信，無可靠的上層協(xié)議保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，傳輸?shù)木嚯x不能超過15米，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)資源的共享。在實(shí)訓(xùn)車間，用串行通訊傳輸模具加工數(shù)控代碼在準(zhǔn)確性、傳輸?shù)乃俣纫巡荒軡M足實(shí)際需要，這也制約著車間網(wǎng)絡(luò)化、柔性化的發(fā)展?；赪indows網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常強(qiáng)。要求遠(yuǎn)程控制數(shù)控機(jī)床開機(jī)、停機(jī)、自動(dòng)走刀命令，監(jiān)控機(jī)床正在加工、正在等待、故障等狀態(tài);采集當(dāng)前刀具坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)值等。因此采用以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，傳輸層采用TCP/IP協(xié)議?；赥CP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)是一種開放式通信網(wǎng)絡(luò)，所需設(shè)備兼容性好，易組網(wǎng)，接口方便，傳輸速率高，傳輸距離不受限制，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的并行通訊傳輸。

基于Windows網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的通訊程序是在Windows環(huán)境下直接用面向連接的Windows Sockets［3］在Visual C++上開發(fā)的。DNC服務(wù)器與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，又可以與下位機(jī)進(jìn)行文件互傳。DNC服務(wù)器端完成文件的接收和發(fā)放的流程圖如圖3所示。

圖3 DNC服務(wù)器接收和發(fā)送流程圖

在Visual C++平臺(tái)下，使用多線程技術(shù)來管理多臺(tái)機(jī)床的同時(shí)連接。為了能使DNC服務(wù)器與多臺(tái)數(shù)控機(jī)床同時(shí)進(jìn)行接收和處理連接請(qǐng)求，把線程分為用戶界面線程(UI線程)和工作者線程［4］。UI線程負(fù)責(zé)處理用戶界面，開辟新的工作線程來完成發(fā)送和接收任務(wù)。而工作者線程通常在后臺(tái)工作，不能直接接收用戶的命令。工作線程通過CE-232B模塊提供的連接管理程序C2000 Manager獲得機(jī)床的信息，包括機(jī)床IP地址、機(jī)床IP端口號(hào)等。工作線程還負(fù)責(zé)偵聽數(shù)控機(jī)床發(fā)來的傳輸請(qǐng)求，建立與數(shù)控機(jī)床的套接字連接;接收數(shù)控機(jī)床傳來的數(shù)據(jù)和信息;發(fā)送數(shù)據(jù)和信息給數(shù)控機(jī)床。在線程間的同步及工作線程間的通信實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下:

2.2 NC仿真

NC程序是編程人員根據(jù)零件圖，用規(guī)定的代碼和格式編寫加工文件，可以隨時(shí)修改。對(duì)加工程序作詞法分析、語法檢查、編譯和圖形仿真，可以避免程序語法錯(cuò)誤、刀路軌跡的錯(cuò)誤，保證產(chǎn)品的合格，減少?gòu)U品的出現(xiàn)，提高生產(chǎn)效率。

打開文件后，讀取NC文件的內(nèi)容并在主界面左下方窗口中顯示NC文件內(nèi)容，刪除程序中的空白行和注釋行，然后分析校驗(yàn)代碼的正確性。分析校驗(yàn)代碼主要是按照NC代碼的語法規(guī)則識(shí)別出各類單詞符號(hào)，并產(chǎn)生用于語法分析的符號(hào)序列，然后從源程序的第一個(gè)字符開始，順序讀字符，一次讀一個(gè)，根據(jù)所讀進(jìn)的字符識(shí)別各類單詞，同時(shí)去掉源程序中的空白和注釋，并挑出程序中出現(xiàn)的非法字符號(hào)［5］。對(duì)NC程序的讀取和處理是利用ReadString函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。在逐行讀取NC程序的同時(shí)把X、Y、Z、I、J、K等關(guān)鍵字及其數(shù)值保存成字符串到StringTEMP文件中。一程度段對(duì)應(yīng)文件中的一段，最后通過atof函數(shù)將字符串變量轉(zhuǎn)換成double型變量，得到NC代碼中關(guān)鍵字的相應(yīng)數(shù)值，為后續(xù)的插補(bǔ)模塊提供數(shù)據(jù)來源。

對(duì)于G指令，因?yàn)镚指令的格式有限而且個(gè)數(shù)有限。在程序中首先把可能出現(xiàn)的所有G指令保存在一個(gè)數(shù)組里，然后在每一行NC代碼文件中遍歷該數(shù)組，當(dāng)與數(shù)組中保存的數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果一致時(shí)保存該數(shù)據(jù)。若某行NC代碼中未指定某個(gè)關(guān)鍵字(X、Y、Z、與G00同組的模態(tài)G等)的數(shù)值，則以上一行所填充的數(shù)值填充本行。最后視圖顯示代碼，在OnDraw中實(shí)現(xiàn)繪圖。NC文件G代碼的編譯過程流程圖如圖4所示。

圖4 編譯過程流程圖

3 系統(tǒng)軟件運(yùn)行

基于以上原理，開發(fā)了一套基于Windows網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)軟件，其主界面如圖5所示。界面左上方為數(shù)據(jù)區(qū)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前加工時(shí)刀具的X，Y，Z坐標(biāo)。界面左下方為NC代碼區(qū)，滾動(dòng)顯示當(dāng)前正在加工的NC代碼。界面右下方為NC程序仿真區(qū)，顯示靜態(tài)仿真的結(jié)果或進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。界面右上方為狀態(tài)區(qū)，顯示當(dāng)前加工狀態(tài)。當(dāng)某臺(tái)數(shù)控機(jī)床正在加工NC程序時(shí)，DNC服務(wù)器可以臨視到當(dāng)前該臺(tái)機(jī)床的工作狀態(tài)，NC程序代碼，當(dāng)前刀具的坐標(biāo)及走刀軌跡。如圖5所示。該系統(tǒng)在學(xué)生開展生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)時(shí)能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)NC程序仿真正確，減少撞刀和廢品的出現(xiàn)，為實(shí)訓(xùn)的學(xué)生提供一個(gè)現(xiàn)代制造技術(shù)模式的氛圍。

圖5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的主界面

4 結(jié)語

針對(duì)我校數(shù)控車間的實(shí)際情況，將現(xiàn)有串行通訊機(jī)床通過嵌入CE-232B模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與DNC主機(jī)連接?；谝蕴W(wǎng)和TCP/IP技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于Windows的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)服務(wù)器管理多臺(tái)數(shù)控機(jī)床。探討了系統(tǒng)硬件的構(gòu)建和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中一些關(guān)鍵技術(shù)，如以太網(wǎng)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、NC仿真等。該系統(tǒng)在我校數(shù)控機(jī)床實(shí)訓(xùn)車間運(yùn)行良好，使用方便，但某些功能需要進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］吳濤.基于以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字通訊協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［2］黃榮杰，吳波.DNC通訊接口模式在網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用分析［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(5):43-49.

［3］王華，葉愛亮.Visual C++6.0編程實(shí)例與技巧［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［4］潘愛民，王國(guó)印.Visual C++技術(shù)內(nèi)幕［M］.4版.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［5］孫悅紅，編譯原理及實(shí)現(xiàn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

Design and Reality of Windows-based Network Numerical Control System

YAN Guo-lin
(College of Electromechanical and Automatic Engineering，Liming Vocational University，Quanzhou 362000，China)

In order to achieve the networking between CNC lathes in training workshop，an industrial Ethernet is built by CE-232B conversion module.Based on Ethernet and TCP/IP，this paper develops a Windows-based network numerical control software，which realizes the aim of managing lots of CNC machine tools by one DNC server.The system is easy to use，suitable for using in NC training workshop of school，having certain practical value.

network numerical control system;Ethernet;multi-threading;TCP/IP technology

TP311.1

A

1009-3907(2013)12-1541-05

2013-10-09

顏國(guó)霖(1980-)，男，福建永春人，講師，主要從事數(shù)控技術(shù)，CAD/CAM方面研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云