車希久

摘? ?要：受益于我國汽車、工程機械、航空航天、軌道交通等行業(yè)快速發(fā)展，機床等裝備制造業(yè)也得到了快速發(fā)展，數(shù)控機床提供的強大工藝能力很好地滿足了這些行業(yè)的巨大需求。隨著信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)深度融合，數(shù)控機床向高速、高精度、高可靠性、復(fù)合化等方向發(fā)展的同時，也朝著智能化方向發(fā)展。數(shù)控機床如何聯(lián)入智能化管理系統(tǒng)，使“啞機”轉(zhuǎn)化為可被實時感知、實時受控的“聰明機床”，則是實施智能制造過程中需要面對的問題。具體管理軟件開發(fā)不是文章關(guān)注重點，文章僅針對數(shù)控機床與管理系統(tǒng)間接口，介紹一些粗淺的方法。

關(guān)鍵詞：智能制造;數(shù)控機床;接口方法

國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》通知中以“一二三四五五十”為總體結(jié)構(gòu)，“五五”中的第二個“五”是實行5大工程，包括制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程、智能制造工程和高端裝備創(chuàng)新等;“十”是10個領(lǐng)域，包括高檔數(shù)控機床和機器人、新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)等?？梢钥闯?，能滿足智能制造要求的高檔數(shù)控機床是未來發(fā)展的重點領(lǐng)域。高檔數(shù)控機床如何滿足智能制造要求、如何與新一代信息技術(shù)對接數(shù)據(jù)接口并深入融合，實現(xiàn)信息流打通、實現(xiàn)管理系統(tǒng)對數(shù)控機床實時感知和控制是需要關(guān)注的問題。

1? ? 賽博物理系統(tǒng)中數(shù)控機床

賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）是包含計算、網(wǎng)絡(luò)和物理實體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過信息技術(shù)有機融合與深度協(xié)作，通過各類傳感器、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）和視頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)等設(shè)備，經(jīng)約定協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)互通，進行信息交換，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。在CPS中，數(shù)控機床作為物理實體通過接口實現(xiàn)和信息系統(tǒng)交互，不受空間限制，以遠程、可靠、實時、安全和智能化方式管控機床，從而回歸物理本原。在CPS中機床僅是很小部分，但在目前零件加工工藝流程以數(shù)控機床為工具的智能制造中，數(shù)控機床卻是重要部分。

2? ? 合理規(guī)劃接口數(shù)據(jù)

數(shù)控機床作為可執(zhí)行和可感知一類終端，可接收上層管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)指令和反饋實時數(shù)據(jù)。既可接收制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）指令，又將生產(chǎn)、節(jié)拍等實時情況反饋給MES;既可接收刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，又將刀具壽命等記錄，并在機床更換刀具時反饋給刀具管理系統(tǒng)。實現(xiàn)這些功能離不開機床與各系統(tǒng)間接口數(shù)據(jù)，常見接口數(shù)據(jù)如表1所示。

智能制造是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，它貫穿工藝、設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)。真正想提高企業(yè)效率、效益并減少浪費，企業(yè)實施智能制造前要立足自身產(chǎn)品全生產(chǎn)周期和價值鏈做整體規(guī)劃。數(shù)控機床方面，哪些機床需要接收、反饋哪些數(shù)據(jù)、哪些數(shù)據(jù)實時性高、哪些可間歇采集等都需規(guī)劃，以便數(shù)據(jù)能有效支持企業(yè)各軟件平臺運行。

3? ? 常見數(shù)控系統(tǒng)接口方法

國內(nèi)外常見數(shù)控系統(tǒng)有西門子、發(fā)那科、海德漢、三菱、發(fā)格、廣素、華中、科德等，還有機床廠家進行了二次開發(fā)，如馬扎克、森精機、德瑪吉等。系統(tǒng)支持通信協(xié)議不同，采用的接口方法和可采集數(shù)據(jù)也不同，下面對幾種常用數(shù)控系統(tǒng)接口方法作簡要說明。

3.1? 西門子系統(tǒng)

840DSL是西門子一款高端數(shù)控系統(tǒng)，常用接口數(shù)據(jù)一般有兩大類，分別是NC和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）數(shù)據(jù)。

NC數(shù)據(jù)可用以太網(wǎng)實現(xiàn)，840DSL配PCU50，預(yù)裝Win XP，Win 7，Win 10，管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與機床接口?？稍赑CU50上安裝客戶端軟件，也可用OPC UA協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口，840DSL有豐富數(shù)據(jù)種類可供采集，但此法對系統(tǒng)配置要求較高，對老系統(tǒng)如810D等不適用。

PLC數(shù)據(jù)可用OPC UA通信協(xié)議實現(xiàn)，也可對系統(tǒng)內(nèi)置S7-300進行遠程訪問，用S7通信協(xié)議對機床少部分數(shù)據(jù)進行處理。有些機床狀態(tài)可直接使用NC數(shù)據(jù)，有些狀態(tài)數(shù)據(jù)需通過PLC處理才能滿足要求，在處理這方面數(shù)據(jù)時，需注意S7-300數(shù)據(jù)格式，并定義好數(shù)據(jù)。下面以機床狀態(tài)字為例，來舉例說明。首先，西門子使用摩托羅拉風(fēng)格作為“Words”或“DoubleWords”，較高部分位于較低字節(jié)，反之亦然，如圖1所示。其次，設(shè)備狀態(tài)字最好為連續(xù)地址，以便管理系統(tǒng)通過單個輪詢操作讀取，機床狀態(tài)字定義如圖2所示。機床PLC因與具體機床相關(guān)聯(lián)，要對機床PLC較熟悉，才能保證機床運轉(zhuǎn)不受影響。

配828DSL機床可用OPC UA通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口，V4.8版本以上，支持遠程建立/刪除刀具數(shù)據(jù)、建立/刪除加工程序和執(zhí)行一個選定程序，這使828DSL接口數(shù)據(jù)和功能更加豐富。

3.2? 發(fā)那科系統(tǒng)

發(fā)那科系統(tǒng)機床數(shù)據(jù)接口方法有兩種，接口數(shù)據(jù)也分NC，PLC數(shù)據(jù)兩大類。一種接口方法是系統(tǒng)配以太網(wǎng)功能，管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問發(fā)那科FOCAS函數(shù)獲取數(shù)據(jù)，優(yōu)點是快速方便，缺點是對機床配置要求較高，因早期發(fā)那科系統(tǒng)有些并不配以太網(wǎng)接口。常用發(fā)那科系統(tǒng)不能預(yù)裝Windows，需在固定頁面設(shè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如圖3所示，具體可參考FANUC說明書。需機床PLC處理后，方可使用數(shù)據(jù)定義，與西門子系統(tǒng)思路相同，只是地址和格式不同，不再贅述。另一種接口方法用串口實現(xiàn)，需在宏程序中加串口打印輸出指令，將數(shù)據(jù)從串口輸出。相對以太網(wǎng)缺點明顯：（1）輸出數(shù)據(jù)有限，報警信息等輸出困難。（2）要在程序中加調(diào)用指令。（3）非實時數(shù)據(jù)，機床狀態(tài)改變時不立即輸出，只在打印輸出指令執(zhí)行時才輸出。此方法屬有限半自動式，數(shù)據(jù)有效性受影響。

3.3? 海德漢系統(tǒng)

常見的iTNC530系統(tǒng)可用以太網(wǎng)處理接口數(shù)據(jù)。系統(tǒng)有專用DNCRemoTools軟件包來處理數(shù)據(jù)。軟件包雖可處理大量數(shù)據(jù)，但缺點是機床DNC功能必須打開，NC軟件高版本系統(tǒng)需向廠家買授權(quán)，系統(tǒng)對主軸扭矩不能直接采集，且DNCRemoTools軟件包針對不同版本系統(tǒng)能處理的數(shù)據(jù)也有區(qū)別。

3.4? 其他數(shù)控系統(tǒng)

除以上介紹數(shù)控系統(tǒng)外，隨著智能制造方面需求越來越多，很多數(shù)控系統(tǒng)都開始配置一些類似管理系統(tǒng)的功能，并標配以太網(wǎng)口，支持通用協(xié)議如OPC UA，Modbus，Profibus及MQTT等來實現(xiàn)機床與管理系統(tǒng)間接口，如MAZAK 640和三菱M70支持CC-link，有些可用系統(tǒng)廠商提供軟件的處理數(shù)據(jù)。

3.5? 無通信接口數(shù)控系統(tǒng)

無以太網(wǎng)等通信接口，也不支持常用協(xié)議的設(shè)備，可通過增加PLC，HMI或通信模塊的方法，用I/O信號來處理簡單的接口數(shù)據(jù)。該方法優(yōu)點是不受系統(tǒng)限制，缺點是能處理數(shù)據(jù)少，現(xiàn)場接線改動較大。

4? ? 注意事項

4.1? 生產(chǎn)工藝特點決定接口數(shù)據(jù)

企業(yè)有各自生產(chǎn)工藝特點，需處理的接口數(shù)據(jù)種類等也會有差異，單件/小批量生產(chǎn)工藝相對于批量生產(chǎn)要處理更多數(shù)據(jù)，不但要關(guān)注機床主軸、狀態(tài)、進給倍率等，還要根據(jù)任務(wù)處理零件加工程序等與生產(chǎn)管理相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2? 接口方法多樣性和接口數(shù)據(jù)的定制性

同一企業(yè)機床配置數(shù)控系統(tǒng)品牌種類通常不統(tǒng)一，不同系統(tǒng)需用不同通信協(xié)議和接口方法，具有多樣性特點。機床按工藝能力分有多種，為獲取所需數(shù)據(jù)，各類機床的接口數(shù)據(jù)可具有定制性，以體現(xiàn)設(shè)備在不同工藝流程中特性和管理需要，以實現(xiàn)效益最大化。

4.3? 接口數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性

另一重要內(nèi)容是接口數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑，機床在工藝流程中都需何種接口數(shù)據(jù)，用什么方法統(tǒng)計，什么格式，都需仔細統(tǒng)一規(guī)劃，以免出現(xiàn)最終總報表數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑不統(tǒng)一情況，損失整體系統(tǒng)的性能。

在企業(yè)管理系統(tǒng)總體規(guī)劃藍圖內(nèi)，數(shù)控機床數(shù)據(jù)接口定義就有了明確的方向，讓數(shù)控機床插上“智慧的翅膀”，距離并不遙遠。