基于ZigBee和以太网的数控机床网络通信系统研究.pdf

第 3期 2 0 1 3年 3月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M ac hi n e Too l＆ Aut oma t i c M a nu f a c t u r i ng Te c hni que N0． 3 M a r ．2 01 3 文 章 编 号 1 0 012 2 6 5 2 0 1 3 0 30 0 5 30 3 基于 Z i g B e e 和以太网的数控机床网络通信系统研究 梁 小晓。 ， 乐英 高 1 ． 四川 理 工 学 院 计 算 机 学 院 ， 四川自贡 6 4 3 0 0 0； 2 ． 东 南 大 学 仪 器 科 学 与 工 程 学 院 ， 南 京 2 1 0 0 9 6 摘 要 文章提 出将 Z i g B e e无 线传 感 器 网络技 术 Z i g B e e和 以 太 网有 线 网络 结 合起 来 构 成新 的数 控 机 床 网络 通信 系统 ， 实现 数控 机床 高效化 和 自动化 。利 用 S ma r t R F P a c k e t S n i f f e r 软件 侦 测 Z i g B e e纽 网 过程 ， 数 据 包传 输过程 ， 运 用 L a b V I E W 软件 制作 了一 个 机 床 无 线 通信 系统 平 台界 面 ， 并在 监 控 中心 上位 机 进行 了仿 真 。 实验 结 果表 明 系统 能 够 自动组 网、 能够 准 确 无延 迟 的 发 送数 据 ， 并在 上 位 机 界 面 实时显 示数控 机床 工作 状 态 。 关 键词 数控 机 床 ； Z i g Be e技 术 ； 通 信 系统 ； 以 太 网 中图分 类号 T H1 6 5 ； T N 9 2 文献 标识 码 A Re s e a r c h o n Co mm u ni c a t i o n S y s t e m O f NC M ac hi ne Too l Ba s e o n Zi g Be e a n d Et he r ne t LI ANG Xi a o ． x i a o ，YUE Yi n g ． g a o 1 ． S c h o o l o f Co mp u t e r S c i e n c e ，S i c h u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e En g i n e e r i n g ，Z i g o n g 6 4 3 0 0 0，C h i n a ； 2． S c h o o l o f I n s t r u me n t S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 6，C h i n a Abs t r a c t Thi s a r t i c l e p r o p os e d t h a t a n d t h e Et h e r ne t wi r e d n e t wo r k un i f i e s Zi g Be e wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k i n g Zi g Be e c on s t i t u t e s t h e ne w n u me r i c a l l y c on t r o l l e d ma c hi ne t o o l n e t wo r k s e r v i c e s y s t e m ，r e a l i z es t h e n ume r i c a l l y c o n t r o l l e d ma c h i n e t o o l hi g h l y e f f e c t i v e a nd t h e a u t o ma t i on ． S o f t wa r e d e t e c t s t h e Zi g Be e n e t wo r k p r o c e s s u s i n g S ma r t RF Pa c ke t the Sn i f f e r ，t h e d a t a p a c k e t t r a n s mi s s i o n p r o c e s s ，h a s ma nu f a c t u r e d a n e n g i n e b e d wi r e l e s s c ommun i c a t i o n s ys t e m p l a t f or m c o nt a c t s u r f a c e us i ng t h e La b VI EW s o ft wa r e，a n d h a s c a r r i e d o n t he s i mul a t i o n i n the m o n i t o rin g c e n t e r s u p e r i o r ma c h i n e ． Th e e x p e rime nt a l r e s u i t i nd i c a t e s t h e s y s t e m t o b e a b l e t he a u t o ma t i c ne t wo r k，t o b e a b l e t h e a c c u r a t e n on d e t e nt i o n t r a n s mi s s i o n d a t a，a n d i n s up e r i o r ma c h i n e c on t a c t s u r f a c e r e a l t i me d i s p l a y n u me r i c a l l y- c o n t r o l l e d ma c h i n e t o o l a c t i v e s t a t u s ． Ke y wo r ds NC m a c h i n e t o o l ；Zi gBe e t e c hn o l o g y；c o mmu ni c a t i o n s ys t e m ；e t h e r n e t 0 引 言 数控技术是运用数字化信息技术手段对机床机 械 的运动方 式 及 工 作 状 态 进 行 控 制 的 技 术 ， 它 集 合 了传统的机械制造 、 自动控制、 集散控制、 网络通信 、 计 算机 监测 控 制等 技 术 ， 具 有 生产 效 率 高 、 加 工 精 度 高 、 操 作高 度 自动化 等 优 点 ， 对 数 控 机床 等 机 械 制 造 业 实 现集 成管 理化 、 智 能化 、 无 人 操 作全 自动 化 有 着 非 常 重要 的作 用 。数 控 技术 是 制 造 业 实现 机 械 加 工 自动 化 的基础 ， 是 国家 实 现 机 械现 代 化 、 工 业 自动 化 的不 可或 缺 的 技 术 ， 关 系 到 我 们 国家 在 机 械 行 业 的 战略地 位 ， 是 国 家 综 合 国 力 和竞 争 力 的 重 要 体 现 1 -2 ] 。 数控 机 床 与 计 算 机 实 现 通 信 主 要 有 程 序 的 发 送／ 接 收 、 系统状 态 的采 集 以及 实 现 远 程监 控 三种 功 能 ， 提高机床 工作效 率。机床通信接 口发展经历 四 个阶段 纸带打孔机阶段、 软盘保存、 R S 一 2 3 2串 口通 信 、 网卡网络通信阶段 。本课题研究设计的基 于 Z i g B e e和 以 太 网技 术 的 数 控 机 床 无 线 通 信 监 控 系 统 ， 涉 及到 两种 关键 技 术 Z i g B e e无 线 通 信 组 网技 术 和 以太 网局域 网技 术 。相 对 于 传 统 的有 线 机 床通 信 系统 ， 研 究 基 于 Z i g B e e无线 传感 器 网 络技 术 和 以太 网的数控机床远程无线通信监控系统的意义也是显 而易见 。主要 优点 有 以下几 个方 面 1 C N C加工 程序 的输 入／ 输 出 ， 实 现 C N C加 工 程序的海量存储、 统一管理 ； 2 组 网灵 活 。机 床组 网 可 以 自由组 成 多 种 拓 扑结构， 并且没有线 缆的限制 ， 可以容易地从点对点 收稿 日期 2 0 1 21 03 0 修回 日期 2 0 1 21 20 5 基金项 目 四川理工学 院科研 基金项 目资助成 果 2 0 1 1 K Y 0 5 作者简介 梁小 晓 1 9 7 8 一 ， 女 ， 四川 自贡人 ， 四川理工学院计 算机学院硕士 ， 讲师 ， 主要从事计算机应用技术研 究， Em a i l l i t t l e s m x 1 2 6 5 4 组合 机床 与 自动化加 工技术 第 3期 的工作模式扩展到多用户的基础架构网络。 3 实现对 设 备 的远 程控 制 ， 机 床加 工程 序 的远 程 传输 、 设备 远程 维护 以及 机床 无 人 化操 作 ， 大 大 提 高 了机床生产效率和避免了由于操作人员操作不当 造 成对 机床 的损 坏 。 4 数控 机 床 采 用无 线 传 感 器 网络 组 网 系 统 具 有 使用 成 本 低 ， 便 于 施 工 与 维 护 ， 车 间 投 资 少 收 效 多 ， 减 少 了诸 多管理 等优 点 。 1 无线传 感器 网络技术 Z i g B e e Z i g B e e 技 术 为满 足 近 距 离 、 低 速 率 、 低 成 本 、 低 复杂度等需求 而研发 的新 兴 的无 线传感 器 网络技 术 。Z i g B e e技 术 是 建 立 在 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4 国 际无 线 通信 标准 基 础 上 的 ， 为 了 实 现 和 满 足人 们 对 小 范 围低功 耗 和 低 成 本 的无 线 上 网 要 求 ， I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4 专 门研 发和 制定 的个 人 无 线标 准 WP A N。Z i g B e e无 线 网络 容量 很 大 ， 它 可 以最 大 支 持 6 5 0 0 0个 子 节 点 组 成 的新的 巨 大 的 无 线 传 感 器 网络 ， 一 般 的 两个 网 络 节点 之间 无阻 隔传 输 通信 距 离 为 7 0米 ， 通 过 加 强 发 射功率 可 以扩展 到几 百米 。 Z i g B e e无 线 通 信 网 络 中 有 两 种 功 能 设 备 ， 三种 类 型节点 以及 三 种 网络 拓 扑结 构 [ 2 3 。Z i g B e e无 线传 感 网络有 种 设备 类 型 功 能节 点 协 调器 、 路 由器 和 终 端 设 备 。 在 Z i g B e e网 络 有 星 形 拓 扑 、 串状 拓 扑 C l u s t e r 、 网状 拓 扑 M E S H 三 种 网络 拓 扑 结 构 ， 见 图 1 星状连接 网状连接 串状连接 图 1 Zi g B e e网络 拓 扑 结 构 图 2以 太 网 技 术 以太 网技 术 是 目前 应用 最 广 使 用 最 普 遍 的 局 域 网 技 术 ， I E E E 在 制 定 I E E E 8 0 2 ． 3标 准 同时 也 定 义 了 以 太 网 的技术 标 准 ， 标 准 中规 定 了 以太 网 物 床无 线通 信 的要 求 。 3数控机床通信网络系统设计 在 数控 机 床 无 线 通 信 系 统 中 ， 系 统 的关 键 技 术 在 于 Z i g B e e 一 以太 网网 关设 计 、 他 们 之 间数 据 帧 格 式 变换 和 Z i g B e e技术 的无线 组 网 。在 数 控机 床无 线 通 信系统 中 ， 关 键 无 线 通 信 技 术 Z i g B e e网络 拓 扑 结 构 采取 串状结 构 ， 该 结 构构 建 起来 相 当 比较 简单 ， 需 要 系统 资源 也相 当 比较 少 ， 该 Z i g B e e拓 扑 结 构 还 能 实 现 网络路 由转 发 功 能 机 制 ， 有 效 地 扩展 了 Z i g B e e无 线 网络 的通 信范 围。数 控 机床 无线 通 信 网络 系 统 设 计如 图 2所 示 。 站控管 理层 网络通 信层 圆回国亟 囹 l Z i g B e e - 太网交换机 I 匡区巫 匡 巫豳～ A ／ N A ／ 现场 设 I 嵌入 Z j g B e e 模 块I l嵌入 z i g B e e 模 块l I 嵌入 z i g B e e 模块I 备层 l的数控机床1 I I 的数控机床2 l 1 的数控机床Ⅳ l 图 2 数 控 机 床 无 线 通 信 网 络 系 统结 构 框 图 构 建 的数 控 机 床 无 线 通信 系 统 ， 不 但 使 数 控 机 床组网灵活 ， 并且 数控机床没有 电源或通信线缆 的 限制 ， 可 以很 容 易 地 从 点 对 点模 式 传输 方 式 扩 展 到 上千用 户 的 串状 拓 扑结 构 基础 架 构 网络 。另 外 机 床 加工工 件需 要 频 繁 移 动 和变 化 的动 态 环 境 中 ， 机 床 节点 同样 安 装 容 易 ， 方 便 设 备 维 护 。机 床 无 线 通 信 系统 还可 实 现 对 机 床 设 备 的远 程 监 控 和无 人 化 操 作、 机床加工程序远程传输 、 远程诊断 以及远程维修 服务 、 技术 支持 服务 等 ， 大大 提 高 了机 床加 工 生 产效 率 。 4数控机床通信网络系统硬件设计 数 控机 床无 线通 信 系统 网关 设计 框 图 如下 图 3 所 示 。 Z i g B e e 单片机 射频芯 MS P 4 3 O F 1 4 9 1／ M C U C C 2 4 3 0 理 层 硬件设 备 之 间 的 连线 、 电信 号 选 择 和 媒 体 介 质 访 问层 协议 标准 。使 用 以太 网交 换机 来 实 现 网络 设备的互连 ， 最大化的减少数据传输 中的竞争 冲突、 最大程度提 高以太网网络传输 速度 以及 使用效率， 以太 网一般 采用 总 线 型 以及 星形 拓 扑 结构 。 以太 网 技 术传 输协 议采 取 通 用 的 T C P ／ I P通 信 协 议 ， 与 Z i g B e e无线 通信协 议相 比 ， T C P ／ I P通信 协 议 比较 复 杂 ， 根 据 数 控 机 床 无 线 通 信 组 网 协 议 标 准 的 需 要 对 T C P ／ I P协议进 行 裁剪 和 优 化 使 开发 成 本 较 低 ， 占用 不 了多少 系统 资源 ， 机 床组 网灵 活 ， 完全 满 足数 控 机 圈 3 Zi g Be e -- 以 太 网 网关 硬 件 设 计 结构 图 它 以 MS P 4 3 0 F 1 4 9单 片 机 和 Z i g B e e射 频 芯 片 C C 2 4 3 0为 核 心 ， 其 中 ， MS P 4 3 0 F 1 4 9芯 片 为 控 制 核 心 ， C C 2 4 3 0为发 送／ 接 收 机床 数 据包 核 心 ， 配备 了无 线网络通信接 口和 以太网控制器 ， 并增加 了大容量 存 储功 能 的 S R A M 等基本 的系统 外 围设 备 。M 口天 捎 盟 MC U模 式 设 计 ， 其 中 MS P 4 3 0 F 1 4 9单 片机 为 主 控 制 芯 片 ， C C 2 4 3 0为 辅 助 作 用 ， 支 持 主 控 制 器 的功 能 。 机 床无线 通 信 网络系 统 的 Z i g B e e路 南节 点 与协 调 器节 点 硬 件设 计 差 不 多 ， 不 一 一 介 绍 。机 床 终 端 一 终 器器 由调 一＼ 路协， ． ，， 2 0 1 3年 3月 刘 涛 ， 等 基 于综合 加权 法 的 主数据 识 别技 术研 究 5 9 计算得 出九个指标最终的权重如表 3所示 。 表 3主数据识别指标权 重 指 标名称 权重 指标 名称 权重 独立性 7 ． 2 3 ％ 不是完全不变化 0 ． 3 7 ％ 共享性 l 3 ． 4 2 ％ 生命 周期较长 l 6 ． 7 5 ％ 业务操作主要对象 1 6 ． 9 2 ％ 惟一性 2 ． 5 5 ％ 存 在多个 特征 属性 3 ． 9 0 ％ 基础性 l 8 ． 5 l ％ 不随业 务操作 改变 l 9 ． 9 5 ％ 3 根 据企 业情 况需 求 和专 家 的意见 ， 设 定 主 数 据 识别 得 分 阈值 为 0 ． 7 5 。 依据综合加权法得到 的主数据识别权重构建主 数 据识 别评 分 模 板 ， 通 过 评 分 模 板 工 具 得 出 被 识 别 数 据 疑似 为 主数 据 的分 数 ， 如表 4所 示 。 表 4主数据识别 实体得 分 实体名称 得分 实体名称 得 分 组 织机构 o ． 9 1 8 3 投诉记 录 O ． 1 5 9 2 员工薪资 0 ． 2 8 5 7 客服申请 O ． 1 3 7 9 员丁 0 ． 9 0 0 9 供应商 O ． 9 2 l 8 客户订单 0 ． 1 9 8 2 电力企 业 0 ． 8 9 7 7 客 户 0 ． 9 l 6 8 经 分 析得 出 ， 实体 组 织 机 构 、 员 工 、 客 户 、 供 应 商 及 电力企 业 的得分 不 低 于 已定 的 主数 据 识 别得 分 阈 值 0 ． 7 5 ， 所 以 可 以 判 定 ， 在 本 企 业 中 ， 组 织 机 构 、 员 工 、 客户、 供应商及 电力企业为需要集中进行管理 的 主数据 ， 见 图 2 。 壶 蒌 机 构 薪资 员工订单 客户 投诉 申请 供应商 企业 被识别实体名称 图 2主数据识别 实体得 分 4 结束语 本 文 对 主数据 管 理 中 的 主数 据 识别 技 术 进 行 了 研 究 ， 通 过对 主数 据 识 别 方 案 及 其 关 键 技 术 的 研 究 与 比较分 析 ， 基于 企 业需 求 ， 设 计 了一 种 规范 化 的企 业 主数据 识别 流 程 ， 包 括数 据 实 体 类别 梳 理 、 数 据 主 题 域 划分 、 数 据概 念模 型构 建 、 识 别 评分 模 版 制 定 四 个 步 骤 。 为 克服单 一 赋 权 法 的缺 陷 ， 本 文 提 出 了 将 主 成 分分析法与德尔菲法 进行集成 的综合加权 法， 并基 于综 合集 成加 权 法设计 主 数据识 别 评分 模版 。 实验结果 表 明基 于综合加权 法 的主数 据识别技术 是一套 可 以扩展 的 主数 据识 别方 法 ， 可快 速 准确 地确 定企业主数据 ， 有效提高大型企业主数据管理效率。 [ 参 考文献] [ 1 ]D a v i d L o s h i n ．Ma s t e r D a t a M a n a g e me n t [ M] ．N e w Y o r k ， Mo r g a n Ka uf ma nn，2 0 09． [ 2 ]L e i Wa n g ， X i n g u o Mi n g ， J i n g Y o u ． T h e S t e p s a n d Me t h o d o l o g y o f I de n t i f y i n g Ma s t e r Da t a f r o m Bus i ne s s Pr o c e s s e s [ J ] ．Wo r l d C o n g r e s s o n S o f t w a r e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 9 7 3 29 33 3． [ 3 ]张德进．企业 主数据 分析 与表达 技术 研究 [ J ] ．机械设 计 与研究 ， 2 0 0 8 ， 2 4 2 6 7 7 1 ． [ 4 ]王学建 ， 康小强 ， 李越新 ．基于层次分 析法 的主数据识别 方法研究 [ J ] ．电信技术 ， 2 0 1 1 7 4 6 5 0 ． [ 5 ]陶菊春 ， 吴建民．综合 加权评 分法 的综 合权 重确 定新 探 [ J ] ．系统工程理论与实践 ， 2 0 0 1 ， 8 8 4 3 4 8 ． [ 6 ]迟 国泰 ， 曹婷婷 ， 张昆．基于相关 主成 分分析 的人的全 面 发展评价 指 标 体 系 构 建 [ J ] ．系 统 工 程 理 论 与 实 践 ， 2 0 1 2， 3 2 1 1 1 11 1 9 ． [ 7 ]王俊英 ， 李德华．群决 策专家权 重 自适 应算 法研 究 [ J ] ． 计算机应用研究 ， 2 0 1 1 ， 2 8 2 5 3 2 5 4 0 ． [ 8 ]于洋 ， 李一军．基 于 多策 略评价 的绩 效指标 权重 确定 方 法研究 [ J ] ．系统工程理论 与实践 ， 2 0 0 3 ， 8 8 81 5 ． 编辑李 秀敏 上接 第 5 5页 7 结束 语 本文把 无线 传 感器 网络 技术 Z i g B e e应 用 到 数 控 机床通 信系统 中去 ， 数 控 机床 通信 系 统基 本 上 可 以达 到动态调试和监控机床 ， 为数控机床监控、 调试 、 精密 加工提 供 了有效 的手段 。 由于机床 工作环境存 在设 备 众多 ， 电磁环境 比较复杂 ， 所 以系统抗 干扰 问题 还待 下 一 步解 决 。随着 无 线 通 信 技术 和信 息 处 理 技 术 的发 展 ， 相信机床通信系统会实现无线化、 高效化和信息 化 ， 从而提高机床工作效率， 提高企业的经济效益。 [ 参考文献 ] [ 1 ]毛新 华．基 于 D N C的数控 机床 通信 和管 理系统 的研 究 与开发[ D] ．华北 电力大学 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]Wa n g z h i ， q i n L i n Hu i ， D u Y i n g ． P r o g r e s s o f 3 G E v o l u t i o n Te c h no l o g y S t a n d a r d．ZET Co mmun i c a t i o ns ， 20 06． [ 3 ]夏志 ， 张洁 ， 张功． 数控机床数据采集嵌入式适配器设计与 开发 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 2 5 5 8 5 9 ． [ 4 ]郭羽 中 ， 于东 ， 岳东峰 ， 等． 数控 总线通信 的动态安全校 验方 法 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 1 8 6 4 6 6 ． [ 5 ]方培潘 ， 皮佑 国．基 于 S E R C O S I I 的机 床数控 系 统实 时 通信 与同步控 制研究 [ J ] ．组合机床与 自动化加 工技术 ， 2 0 1 2 2 5 55 6 ． [ 6 ]李文 仲 ， 段 朝 玉 ， 等．Z i g B e e无 线 网络 技术 入 门 与实 战 [ M] ．北京 北京航空航 天大学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 7 ]张雷 ， 周斐 ， 等．基于 以太 网的双单片机数 据采集器 的研 制 [ J ] ．工业 控制计算机 ， 2 0 0 7 ， 2 0 1 2 2 7 3 0 ． [ 8 ]黄汉 霞 ， 何平 ， 王志成．基 于 L a b v i e w与 U S B的嵌入 式伺 服 系统的数据 监测 [ J ] ．组 合 机床 与 自动化加 工 技术 ， 2 0 1 1 1 2 3 53 7 ． [ 9 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