机床网络DNC的构建与应用.pdf

e ． M a n u fa c l u 『 i g 制造业信息他 机床网络 D NC的构建与应用 汪代 勇 吴 昌盛 林 叶 中物院机械制造工艺研究所 ， 四川 绵阳 6 2 1 9 0 0 摘要 提出了一套用于中小型制造企业的数控机床联网与 DNC应用的解决方案 ， 方案中采用以太 网设备 与通讯服务器 的形式将数控机床接入计算机网络。D NC 系统的软件设计采用三层体 系结构 ， 以增 加灵活性、 满足企业的各种应用需求。开发 了应用服务器软件与客户端管理软件 。 实现了数控机床 与计算机之间的双向数据通讯、 机床运行数据的采集以及数控程序的状态管理等功能。 关键词 数控机床联网D NC系统机床通讯We b服务 中图分类号 T P 3 9 1 ． 9； T P 3 9 1 ． 7 文献标识码 A Co n s t r u c t i o n a n d Ap p l i c a i o t n o f CNC Ne t wo r k i n g DNC W ANG Da i y o n g，W U Ch a ng s h e n g，L I N Ye I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l T e c h n o l o g y o f C A E P， Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 0 ，C HN Abs t r ac tPr e s e n t a s o l u t i o n o f CNC n e t wo r k c o n s t r uc t i o n a n d i t s a p p l i c a t i o n f o r mi dd l e s c a l e ma n u f a c t u rin g e n t e r p r i s e． CNC t o o l s a r e n e t wo r k e d t h r o u g h e t h e r ne t d e v i c e a n d c o mmun i c a t i o n s e r v e r ． Th e S o f t wa r e i s d e s i g ne d a c c o r di ng t o t h r e e -t i e r a r c h i t e c t ur e t o a d a pt v a rio u s a p p l i c a t i o n ne e d s o f e n t e r p r i s e ．Th e a pp l i c a t i o n s e r v e r a nd c l i e n t s o f t wa r e i s a l s o d e v e l o pe d． Th e a c t u a l a p p l i c a t i o n i n d i c a t e t h a t b i -c o mmu n i c a t e b e t we e n CNC a n d c o mp u t e r a r e a c h i e v e d ， CNC r u n i ng d a t a a c c umu l a t e d a nd NC p r o g r a m p r o c e s s ma n a g e me n t a r e r e a l i z e d． K e y wo r d sCNC Ne t wo r ki ng；DNC S y s t e m ；CNC Co mmu n i c a t i o n；W e b S e r v i c e 随着制造企业数控设备 的增多 ， 数控加工在生产 活动 中的重要性不断提高 。考虑到数控加工过程 中具 有数控编程 、 加工参数调整等 不同于传统加工 的过程 和特点 ， 因此提高数控加工设备的利用率 、 采集设备的 运行数据 、 管理数控程序的状态等具有重要现实意义。 对 于大多数中小型制造企业来说 ， 投资风险大 、 见 效慢 、 可靠性较差 的 F MS并不 现实。而 D N C作为机 械加工车间 自动化 的又一种形式 ， 由于强调信息 的集 成与 自动化 ， 相对于 F MS来说具有投资小 、 见效快 、 风 险低等特点 ， 因而受到不少 中小企业 的青 睐。将 D N C 系统 中加工设备 、 测量设备 、 监控设备等通过计算机网 络连接在一起形成一个统一的制造执行资源网络并进 行有效 的管理是充分发挥设备 的效能、 提高设备利用 率、 降低设备投资的有效途径之一。 然而 由于历史原因， 导致数控系统 的封闭性 ， 使各 个厂家、 各个型号机床 的通讯方式 和通讯协议都不尽 相同。因此有必要针对具体的机床通讯协议 、 接 口方 式 ， 选择合适的硬件设备建立机床网络 ， 开发机床通讯 与数据采集软件 ， 从而达到在应用层屏蔽机床具体通 、 uI u 牛 幂0 朋 讯细节 、 为用户提供一致 的人机操作界面的 目的。 鉴于此 ， 我们使用统一 的网络设备将数控机床接 人计算机网络 ， 与相关服务器和管理计算机 一起构建 成 D N C网络系统 。在系统 中实现数控机床与计算机 间的双 向通讯 ， 进而在应用层实现数控程序产生 、 分发 与 回收的过程管理 ； 根据应用需求对机床 的部分运行 数据进行采集 ， 供上游的子系统 如 C A P P 、 MI S等 使 用 ； 实现机床设备信息与车间管理信息系统集成 ， 为制 造执行系统 ME S 的运行提供了基础支撑 ， 并且为将 来更进一步 的数字制造方面 的应用打下基础。 1 机床 网络构建 目前数控机床 的 D N C接 口可划分为计算机直接 数控 、 R S 2 3 2 C ／ 4 2 2串口以及网络接 口三种形式 。其 中 计算机直接数控主要用于旧数控机床的改造和开放式 数控系统， 此时 D N C计算机将直接控制机床的伺服系 统 ， 而数控机床可看作一台计算机 ； 早期配置的数控机 床大多仅具备 R S 2 3 2 C ／ 4 2 2串 口， 这是 比较普遍的接 口形式 ； 近几年购置的数控机床大多配置有 网络接 口， 制造业信息他 e ．M a n u fa c f rjn g 具备网络功能。 在大多数企业中仅具有串 口的机床占大多数。考 虑到安全防护 、 设备分置、 加工现场的电磁环境以及其 它的因素 ， 决定使用光纤作为机床 网络的物理传输介 质。根据数控机床 的通讯接 口的差异 ， 使用 网卡 以及 通讯服务器的方式分别将带网络接 口与 R S 2 3 2 C串口 的数控机床接入网络。使用光 电转换设备进行信号转 换 。具体方法为 1 对具有网络接 口的数控机床 ， 采 用光电转换器使用 网卡接入 ； 2 对具有 串 口的数控 机床， 使用通讯服务器接人 ， 通讯服务器与机床之间用 屏蔽串口线连接 。机床网络 的结构如图 1 所示。 [ J r R s， 。， 二 厂 粤 』 ] 圃 圈 I 图 1 所示的 D N C系统中， 机床通过光纤 以太 网连 接到机床网络之中。串口数控机床通过通讯服务器接 人网络并进行通讯。通讯服务器是个单片机， 其 主要 功能是将机床的串口通讯转换成 网络通讯 ， 从而达 到 拓展通讯距离 、 提高可靠性的 目的。 D N C中心服务器负责与 网络上 的数控机床进行 通讯 ， 数据库服务器负责提供数据存储服务。在 D N C 中心服务器上使用 oT C P ／ I P协议将通讯服务器的 I P地 址映射成本地的虚拟串 口， 这样与机床的通讯就变成 了与本地串E l 的通讯 。真实通讯时， D N C中心服务器 首先与通讯服务器进行 网络通讯 ， 再 由通讯服务 器与 数控机床进行串口通讯 。因此通讯服务器还具有数据 缓冲的功能， 可作为机床内存的延伸进行在线加工。 从图 1可知 ， 由于采用了以太网的连接方式 ， 保证 了 D N C服务器与数控机床之间的距离不受限制 ， 可以 支持灵活多样 的网络拓扑与应用工作模式 。 2 软件架构 机床 网络构建完成后 ， 就需要进行网络 D N C的软 件设计。软件采用三层结构由数据库服务器、 应用服 务器和客户端应用组成 ， 分别运行在专 门的数据库服 务器 、 D N C中心服务器以及个人计算机上。软件 的组 成与结构如图 2所示 。其 中客户端软件与管理和应用 需求紧密集成， 运行在 D N C系统的控制工作站或程序 员的个人桌面计算机上 ， 主要用于管理与数控加工有 关 的技术资料 ， 如工艺规程 、 数控程序等。数据库位于 系统的最底层， 为通讯服务和 We b服务软件提供数据 存储服务。应用服务器又分为通讯服务软件、 数据服 务软件以及 We b服务软件三个部分。 图2 DN C 系统软件架构 图 2右边虚框内是运行在 D N C中心服务器上的 软件。其中数据服务软件负责通讯服务软件与数据库 问的通讯从数据库 中提取数控程序文件供通讯软 件发送， 或反之将机床上传的程序保存到数据库中。 通讯服务软件直接为数控机床提供数控程序的下载与 上传服务。通讯服务软件通过数据服务一方面将机床 上传到 D N C服务器中的数控程序或机床运行信息保 存到数据库 中， 另一方面将客户端提交 的数 控程序从 数据库中提出， 保存到D N C服务器上供机床操作员从 控制面板下载。We b服务位于数据库与 D N C客户端 应用软件之间， 用于封装系统 的应用业务逻辑并屏蔽 对数据库 的直 接访 问。D N C客 户端 应 用软 件通 过 We b服务访 问数据库 ， 建立与制 造执行系统 间的联 系 。 3 服务器软件设计 服务器软件运行在 D N C中心服务器上 ， 为客户端 应用提供服务 。本系统的服务器软件包括通讯服务软 件 、 数据服务软件与 We b服务三个模块。 3 ． 1 通讯服务软件 根据数控机床通讯接 口以及数控 系统协议 的不 同， 通讯服务软件使用 串 口通讯软件 、 网络文件服 务 N F S以及文件传输协议 f v r P为数控机床的通讯提供 支持。其中 1 机床串口通讯服务软件可以自主开发或采用 商品化的软件 。在掌握机床通讯协议的前提下可以 自 主开发。商 品化 的软件 国外 有 丹麦 C I MC O公 司的 D N C Ma x S e r v e r ， 美 国 C I MN E T S公 司的 D N C P r o f e s s i o n a l 等可供选择 ； 国内有华洋宏 的 N E T D N C以及 C A X A的产品等 。本系统采用的是我们 自主开发的机 床通讯软件 ， 目前基本能够满足企业的需要。 2 使用 N F S服务软件为 H e i d e n h a i n系列带网络 、 ； ‘u『 u 平弟O州 接 口的机床提供数控程序的通讯服务 。可以选择随设 备赠送的 C I MC O N F S S e r v e r 或 P C N F S S e r v e r 软件 。 本系统使用 C I MC O N F S S e r v e r 。 3 使用 F T P服务软件为 F a n u c系列带 网络接 口 的机床提供数控程序的通讯服务 。可 以选择 S e r v e r U 或 MS I I S 。本系统使用 MS I I S 。 3 ． 2 数据服务软件 由于机床与计算机之间的通讯尤其是数控程序的 收发 以文件的形式进行 比较适合实际的需要。因此需 要在通讯服务软件与数据库之间添加一个进行数据存 储 的中问层 ； 另外 ， 为了达到网络上的任意一台客户端 管理计算机上都能够与数控机床进行通讯 、 并且满足 管理上对数据进行安全 防护 的要求 ， 我们开发通讯服 务软件与数据库之 间的接 口程序数据服务软件。 其功能是监视通讯服务器的事件并且进行数据库的读 写操作。图 3是数据服务软件的工作流程 。 图3效据 服务软件 的工作 程 图 3中， 端 口事件线程处理端 口事件 机床 开停 机 、 收发程序的纪录、 机床的事件等 并记 录到数据库 中。数控程序收发线程与通讯服务软件协同工作 ， 共 同完成数控程序 的收发任务 。其 中数控程序收发线程 的处理步骤如下 1 线程在得到资源后 首先查询发送／ 接 收文件 列表 ， 将文件发送／ 接收请求插入到线程所属 的文件发 送／ 接收队列之 中。 2 线程接 着更新发送／ 接 收文件列表 以复 位文 件发送／ 接收请求。 3 通讯服务程序查询到发送／ 接收请求， 从线程 所属文件发送／ 接收队列 中取 出文件发送／ 接收命令 。 4 线程将请求 发送 的数据从数 据库 中提 出、 保 存到相应机床的发送 目录文件中， 供机床操作员调用 ； 接收时将上传到机床接收 目录文件中的数控程序文件 保存到数据库之 中。 耋 ‘ u lu _年 J e ． M a n u fa c lu n n gi制造业信息他 5 通讯服务建立 自身 的文件发送／ 接收 队列 ， 准 备与机床进行通讯 ， 等待机床的响应。 6 若通讯服务检测到机床 的响应 ， 则处理文 件 发送／ 接收请求 ， 自动将数控程序发送给机床或者反之 接收机床上传过来 的数控程序 。 7 如果通讯服务处理文件发送请求失败或者等 待超时， 则在查询到文件发送失败后在 队列 中插入 一 条发送失败 的记录。 综上所述 ， 从数控程序 的接收和发送 的观点来看 ， 数据服务负责将数控程 序文件从数据库 中取 出或存 入 ， 通讯服务则负责处理将程序文件发送到具体 的机 床 端 口 上 的过程 ， 从而实现 D N C通讯 。 3 ． 3 We b服务软件 We b服务软件是 位于客户 端与数据库 之间 的中 间层。它一方面封装应 用程序 的逻辑或规则 、 屏蔽 了 数据库的访问细节 以增 强安全性 ， 另一方面为各种各 样的客户端应用 本系统 中是 班组应用 、 程序员应用 与计调员应用 提供一致 的访 问接 口。尽管客户端应 用使用不同的开发工具并且 运行在不 同的应 用系统 中， 由于使用 We b服务而保证 了数据的一致性 。并且 便 于扩充 以增加新功能。 4 客户端 软件设计 应用软件从功能上 可划分 为 D N C应用软件和管 理应用软件两部分。管理应用软件根据企业的管理需 求设计 ， 运行在相关 人员 的个人计算 机上 ； D N C应用 软件为数控设备 的编程提供接 口， 以 We b S e r v i c e形式 运行在 D N C服务器上为上游 的企业应用提供服务 。 D N C应用软件接受制造执行系统 、 车间信息系统 等企业信息系统下达的加工计划信息 ， 调用 网络 D N C 提供的各种服务后转化为对设备的控制指令。因此可 将 D N C应用软件看作企业信息 系统对数控设备的编 程接 口。通过对数控设备 的型号、 通讯协议 、 D N C服 务等细节进行了封装 ， 使之成为一致 的数控设备编程 接 口， 供应用程序员调用。 管理应用软件 的功能对数控加工过程涉及的要素 进行管理 。可以将数控加工看作是参与人员 、 设备 以 及加工信息等相关要素参 与的、 需要满 足产 品质量管 理要求的生产 活动过程 。对于单件小 批量 的生 产企 业 ， 数控加工过程 中需要管理数控程序从产生 、 分发、 回收以及归档等各个环节 的状态。该过程 由班组长、 程序员 包括专业 编程员 、 编程 的工艺员和 编程 的操 作员 与设备操作员共 同完成。具体的活动步骤有 1 班组长按派工单分配加 工任务 ， 指定操 作者 l 33 制造业信息他e ．M a n u fa clu 『ln gi 与加工设备 ； 并视情况需要 向程序员申请数控编程。 2 程序员完成编程任务后提交数控程序清单并 移交给相关人员进行程序质量控制 ， 使程序处 于“ 可 发送” 状态。 3 操作者编写符合 规定格式 的数控程序 ， 或者 下载程序文件到机床上。 4 操作者完成加工 任务后 ， 将加 工程序上载到 D N C服务器上。 5 操作者在计算机上将刀具参数 、 对 刀坐标等 说明信息填写到数控程序卡片上 。 对上述数控加工过程涉及到 的数控机床 、 程序卡 片 、 数控程序、 零件工序等主要对象及相互关系进行分 析 ， 建立实体关系模型。由零件 的加工工序以及数控 设备的类型决定数控编程任务 ， 将数控程序卡片作为 编程的结果予以保存 。每个编程任务包含若干张编程 程序卡片、 上传程序卡片和程序说明文件 ； 每张程序卡 片包括一个程序规格说 明、 若干个程序文件 ； 上传程序 卡片包括一个程序规格说明和若干个机床上传程序 。 根据实体关系的分析结果进行数据库设计 ， 将数 据库的访问操作封装在 We b S e r v i c e中。 5 应用效 果 根据上述设计思路 ， 我们开发了一个集机床网络 D N C、 数控程序管理 以及车间管理信息系统于一体的 ■- I- ■ I ∞■ 4 昭回 档 赫 雌 尊0 晒 v 专 啦 l盛 图4 We b S e r v i c e 运行结果 D N C应用系统。系统的开发运行环境为 MS V i s u a l C 6 ． 0用于开发 串口通讯服务程序； MS V i s u a l S t u d i o 2 0 0 8MS S Q L 2 0 0 0 L I N Q 用 于 We b S e r v i c e开 发 ； We b S e r v i c e运行平 台 M S I I S． N E T 3 ． 5 ； 客户端采用 c 开发 ， 运行环境为 ． N E T 2 ． 0 ； 实际运行时将 D N C通 讯服务软件 、 数据服务软件、 We b S e r v i c e 部署在专用的 D N C服务器上 。图 4与图 5分别是 We b S e r v i c e与客 户端的运行结果。 6 结语 图5客 户端运行结果 通过将数 控机床接入 计算机 网络 、 开展 D N C应 用 ， 打通 了企业信息系统与制造设备之间的联系通道， 通过生产计划信息与设备运行信息之 间的相互作用而 提高了设备利用率。构建数控机床网络 D N C的经济 效益主要体现在 以下两个方面 1 所有连网的机床均能与网络上的计算机之间 进行双向通讯。实际运行时机床仅能与 D N C通讯服 务器通讯， 服务器处于后台守护状态。网络上的计算 机通过服务器与机床设备交换数据。 2 数控程序的产生 、 分发 修改与 回收的管理规 范化。在 D N C系统中由于所有与数控机床的通讯都 必须通过 D N C通讯服务器进行 ， 而高层的应用程序负 责数控程序的产生、 分发 、 修改与回收 ， 因此可以进行 数控程序的规范化管理。通过将零件、 加工工序、 数控 机床、 程序员和操作者等诸多要素与数控程序进行有 效的关联 ， 因而可以进行数控程序的状态管理。 参考文献 1 张其林等． 基 于工业 以太 网的 D N C通信技术研究 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 6 8 2 0 4～2 0 6 2 毛泽平 ， 王敏杰 ， 蔡玉俊 ． 基于 以太网 的串行机床 D N C通信 系统的 研究 [ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 5 8 1 4 4～1 4 6 3 岳秋琴 ， 余华． 基于现场总线 的 D N C系统研 究 [ J ] ． 现代 制造工程． 2 0 0 5 3 5 9～ 6 1 4 李微波． 数控加工设备网络化技术研究[ D ] [ 硕士学位论文] ．大 连 大连理工大学 ， 2 0 0 5 ． 第一作者 汪代 勇， 男， 1 9 6 6年生， 硕 士， 高级工程 师， 主要研 究方向有机加工车间 D N C 、 虚拟装配等。 编辑谭弘颖 收稿日 期 2 0 0 9 0 9 2 3 嚣 黥黧 f 编 如 果 您 想 发 表 对 本 文 g看 法 请 将 文 章 编 号 填 入 读 者 意 见 调 壹 表 中 j昀 橱 廒 tt I u J u l平 O