基于工業以太網的數控機床網絡控制系統

　　將制造車間的數控設備與計算機聯網構成DNC（DistributedNumericalContro1）系統，已成為實現CAD／CAM一體化及計算機輔助生產管理集成化迫切需要解決的核心技術之一。而通信網絡的實現又是構建集成DNC系統的最關鍵的技術，它一般包括兩個層次，上層是DNC主機與 CAD／CAM／CAPP、MRPII系統幣睥間服務器的通信，下層是DNC主機與車間各種數控設備的通信數控機床聯網的方法很多引，如串行通信方法口、 MAP通信技術、現場總線、以太網等。這些通信方法雖然在一定程度上實現了數控機床的聯網，但在應用中它們或多或少地存在一些不足。為了提高數控機床聯網控制系統的可集成性和滿足實時調度功能，筆者提出了基于工業以太網的數控機床聯網控制系統。
1 系統結構
　　系統的結構主要根據實際需要而選定，需要考慮的因素主要有車間的環境、工廠的自動化程度與管理層的信息集成等。系統采用工業以太網作為網絡平臺，工業以太網的抗干擾設計保證了在車間惡劣劣環境下的通信暢通及實時性，且易于與管理層集成。系統采用總線+星型的拓撲結構。主干網采用總線結構，易于組成冗余環網。局部采用星型結構，避免了某一臺設備的故障影響其他設備。系統的拓撲結構如圖1如示。
　　實現數控機床和工業以太網連接的協議轉換器實質就是工業以太網數據包與RS232數據包的轉換器。它向上接人工業以太網，采用工業級RJ45接口形式，向下連接帶有RS232串口的數控機床。協議轉換器可以作為數控機床的一個部件安裝在機床上。
2 系統功能
2．1通訊功能
　 （1）NC程序的雙向傳輸所有數控設備實施聯網集中管理，利用網絡進行NC程序（包括機床參數，刀補文件，宏程序等）的雙向傳輸，從而實現NC程序的海量存儲、集成化管理。將每臺數控機床定義為客戶端設備，利用數控系統自身的通訊端口（一般為RS一232）、通訊功能，操作工可在數控機床端進行數據的雙向傳輸以及訪問管理服務器端數據的全部操作，服務器端對數控端的操作請求自動進行相關處理而無需人為干預。保證所有入網數控設備可在同一時刻進行并發式的通訊傳輸。
　 （2）在線加工需要數控系統本身支持在線加工功能，可實現斷點續傳、子程序調用等功能。
（3）數據共享讓操作工在本地數控設備訪問其他數控設備或虛擬機床信息，方便零件轉移加工。
2．2控制功能
　　在該模塊中DNC服務器與CNC進行通訊，可以實時采集數控機床的加工狀態、聯網狀態、刀具信息、操作履歷，以及對刀具壽命進行管理。并且通過一定的權限確認，可以在線修改各種設備參數和運行參數，從而實現底層設備的完全監控。通過對采集到的工況數據進行處理，可以及時獲取加工業績、機床利用率等生產管理所需要的數據。由于生產狀況的千變萬化，生產過程中會出現很多隨機的情況，因此不同地點、不同部門的專業人員要對同一設備進行工作，就需要有一個自由交流的平臺，通過網絡實現信息交互、經驗交流，最終實現設備的遠程監控。遠程監控模塊是利用計算機技術和網絡技術，提供廣域范圍內共享資源的平臺，并為實時監測監控、故障診斷提供支持。用戶可以隨時通過網絡查詢設備運行狀態以及設備現場的工況，對生產過程進行實時的遠程監控。
2．3NC程序管理
　　NC程序作為加工過程中非常重要的一部分資源，對其進行高效的數據化管理已經成為DNC系統不可缺少的一部分。NC程序的管理根據管理目標對象的不同又可分為對程序進行生命周期內的管理和NC程序內部信息管理。
　　對NC程序的內部屬性進行管理主要包括程序號、程序注釋、零件圖號、所加工的零件號、加工工序號、加工范圍、機床、用戶信息等進行管理。在該系統中可對程序根據圖號、零件名稱、工序、機床等進行多種條件的復合查尋，同時對加工程序編輯歷程、所用刀具清單、工藝卡片等進行管理。數控程序員編寫的加工程序有時不可能一次就達到加工要求，根據加工過程，將程序分為4個狀態：①編輯——程序分處各編程軟件指定的文件夾中，由程序員加載至程序庫時關聯信息包括：程序號，程序名，程序文本，零件號，零件名稱，工藝文件名稱，工序號，工步號，編寫者，編寫日期，刀具表，零件圖片。②試切——處在試切驗證階段的程序。 ③鎖定——試切無誤從機床回傳到計算機中的程序。④定型——審核定型歸檔的程序。
　　程序管理流程為：編程人員（有編輯修改的權限）編好的程序在完成修改、仿真校驗等工作后加載人相應數據庫試切驗證區，同時填表完成NC程序關聯信息的輸入，此時程序處于編輯狀態，經編程主管（有解鎖的權限）審核同意后，將程序改成調試狀態，此后可發送到機床試切，也可以從機床的控制面板上遠程調用程序；試切驗證和調試無錯誤的程序經程序主管的同意后發回到數據庫的鎖定區，此時程序狀態為鎖定；經過技術主管（有批準的權限）審核無誤后，正式進入數據庫定型歸檔，程序變成只讀屬性，以后不能再修改了（只有個別有權限的人可改）。整個管理流程如圖2。
3 系統關鍵部件——轉換器設計
　　工業以太網協議與RS232串口協議轉換器的工作原理是，把來自串口設備的任何信息透明地傳輸到工業以太網上的任何一臺計算機，也可以把來自上層的任何控制信息透明地傳輸給數控設備。通過為協議轉換器配置IP地址，數控機床成為網中的一個節點，從而達到集中管理數控機床的功能，如文件傳輸、狀態監控等。協議轉換器的結構如圖3所示。
　　協議轉換器就是一種嵌入式系統。采用PHILIPS公司生產的ARM（AdvancedRISCMachines）芯片作為處理器，在ARM公司的集成開發環境ADS1．2（ARMDeveloperSuit）[中，通過在芯片上移植實時操作系統C／OS-Ⅱ及TCP／IP協議，開發基于C／OS-Ⅱ的串口監控軟件，實現了串17數據到工業以太網數據包的轉換。其工作過程如下：串口監控軟件一旦發現串17有數據到達，觸發一個中斷，系統調用協議轉換中斷服務程序，將數據轉換為工業以太網數據包，然后通過智能交換機發給管理層計算機。整個工作過程如圖4所示。
4 結語
　　工業以太網通信可以滿足車間數控機床網絡控制的通信要求，基于工業以太網的DNC系統使車間乃至整個企業的信息網與DNC通信網絡得以統一。達到全車間信息的完整性、通透性、一致性，而且可以直接將數控機床接人[nternet，實現遠程信息的傳輸，適應了網絡制造的需要。由T- T．,_IIeVAX～已經成為工業現場控制發展的趨勢，以此技術實現的數控機床網絡控制系統性能可靠，易于在企業中推廣莉應用，具有廣闊的應用前景．
[參考文獻]
[1]洪永強，陳永波，蔣紅霞．異構數控設備DNC系統的通信網絡設計[J]．儀器儀表學報，2003·24（4）；326～328·
[2]熊斌．敏捷DNC系統的理論探討[J]．計算機集成制造系統，1999，5（6）·l～7．
[3]劉利鋒。王敏杰．面向模具制造的多功能DNC通信系統開發[J]．模具工業，2001，（4）·7～9．
[4]劉磅．TCP／IPEthernetl自控設備的新進[EB／OL]．http：／／bbs．gongkong．corn／detail．asp?id：237378．
[5]孔德芳．有了｛EPA標準》”E網到底”不是夢[EB／OL]．http／／www．zju．edu．cn／zd～w／jd／read·php?recid：12905·
[6]田澤．嵌入式系統開發與應用[M]．北京；北京航空航天大學出版社·2005．