機(jī)床網(wǎng)絡(luò)DNC的構(gòu)建與應(yīng)用

汪代勇 吳昌盛 林 葉

(中物院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900)

隨著制造企業(yè)數(shù)控設(shè)備的增多，數(shù)控加工在生產(chǎn)活動(dòng)中的重要性不斷提高?？紤]到數(shù)控加工過(guò)程中具有數(shù)控編程、加工參數(shù)調(diào)整等不同于傳統(tǒng)加工的過(guò)程和特點(diǎn)，因此提高數(shù)控加工設(shè)備的利用率、采集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、管理數(shù)控程序的狀態(tài)等具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于大多數(shù)中小型制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，投資風(fēng)險(xiǎn)大、見效慢、可靠性較差的FMS并不現(xiàn)實(shí)。而DNC作為機(jī)械加工車間自動(dòng)化的又一種形式，由于強(qiáng)調(diào)信息的集成與自動(dòng)化，相對(duì)于FMS來(lái)說(shuō)具有投資小、見效快、風(fēng)險(xiǎn)低等特點(diǎn)，因而受到不少中小企業(yè)的青睞。將DNC系統(tǒng)中加工設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起形成一個(gè)統(tǒng)一的制造執(zhí)行資源網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行有效的管理是充分發(fā)揮設(shè)備的效能、提高設(shè)備利用率、降低設(shè)備投資的有效途徑之一。

然而由于歷史原因，導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，使各個(gè)廠家、各個(gè)型號(hào)機(jī)床的通訊方式和通訊協(xié)議都不盡相同。因此有必要針對(duì)具體的機(jī)床通訊協(xié)議、接口方式，選擇合適的硬件設(shè)備建立機(jī)床網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)機(jī)床通訊與數(shù)據(jù)采集軟件，從而達(dá)到在應(yīng)用層屏蔽機(jī)床具體通訊細(xì)節(jié)、為用戶提供一致的人機(jī)操作界面的目的。

鑒于此，我們使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將數(shù)控機(jī)床接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，與相關(guān)服務(wù)器和管理計(jì)算機(jī)一起構(gòu)建成DNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與計(jì)算機(jī)間的雙向通訊，進(jìn)而在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序產(chǎn)生、分發(fā)與回收的過(guò)程管理;根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)機(jī)床的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，供上游的子系統(tǒng)(如CAPP、MIS等)使用;實(shí)現(xiàn)機(jī)床設(shè)備信息與車間管理信息系統(tǒng)集成，為制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的運(yùn)行提供了基礎(chǔ)支撐，并且為將來(lái)更進(jìn)一步的數(shù)字制造方面的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 機(jī)床網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

目前數(shù)控機(jī)床的DNC接口可劃分為計(jì)算機(jī)直接數(shù)控、RS232C/422串口以及網(wǎng)絡(luò)接口三種形式。其中計(jì)算機(jī)直接數(shù)控主要用于舊數(shù)控機(jī)床的改造和開放式數(shù)控系統(tǒng)，此時(shí)DNC計(jì)算機(jī)將直接控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)，而數(shù)控機(jī)床可看作一臺(tái)計(jì)算機(jī);早期配置的數(shù)控機(jī)床大多僅具備RS232C/422串口，這是比較普遍的接口形式;近幾年購(gòu)置的數(shù)控機(jī)床大多配置有網(wǎng)絡(luò)接口，具備網(wǎng)絡(luò)功能。

在大多數(shù)企業(yè)中僅具有串口的機(jī)床占大多數(shù)。考慮到安全防護(hù)、設(shè)備分置、加工現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境以及其它的因素，決定使用光纖作為機(jī)床網(wǎng)絡(luò)的物理傳輸介質(zhì)。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的通訊接口的差異，使用網(wǎng)卡以及通訊服務(wù)器的方式分別將帶網(wǎng)絡(luò)接口與RS232C串口的數(shù)控機(jī)床接入網(wǎng)絡(luò)。使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。具體方法為:(1)對(duì)具有網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)控機(jī)床，采用光電轉(zhuǎn)換器使用網(wǎng)卡接入;(2)對(duì)具有串口的數(shù)控機(jī)床，使用通訊服務(wù)器接入，通訊服務(wù)器與機(jī)床之間用屏蔽串口線連接。機(jī)床網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示的DNC系統(tǒng)中，機(jī)床通過(guò)光纖以太網(wǎng)連接到機(jī)床網(wǎng)絡(luò)之中。串口數(shù)控機(jī)床通過(guò)通訊服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通訊。通訊服務(wù)器是個(gè)單片機(jī)，其主要功能是將機(jī)床的串口通訊轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)通訊，從而達(dá)到拓展通訊距離、提高可靠性的目的。

DNC中心服務(wù)器負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。在DNC中心服務(wù)器上使用TCP/IP協(xié)議將通訊服務(wù)器的IP地址映射成本地的虛擬串口，這樣與機(jī)床的通訊就變成了與本地串口的通訊。真實(shí)通訊時(shí)，DNC中心服務(wù)器首先與通訊服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，再由通訊服務(wù)器與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行串口通訊。因此通訊服務(wù)器還具有數(shù)據(jù)緩沖的功能，可作為機(jī)床內(nèi)存的延伸進(jìn)行在線加工。

從圖1可知，由于采用了以太網(wǎng)的連接方式，保證了DNC服務(wù)器與數(shù)控機(jī)床之間的距離不受限制，可以支持靈活多樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c應(yīng)用工作模式。

2 軟件架構(gòu)

機(jī)床網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后，就需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)DNC的軟件設(shè)計(jì)。軟件采用三層結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和客戶端應(yīng)用組成，分別運(yùn)行在專門的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、DNC中心服務(wù)器以及個(gè)人計(jì)算機(jī)上。軟件的組成與結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中客戶端軟件與管理和應(yīng)用需求緊密集成，運(yùn)行在DNC系統(tǒng)的控制工作站或程序員的個(gè)人桌面計(jì)算機(jī)上，主要用于管理與數(shù)控加工有關(guān)的技術(shù)資料，如工藝規(guī)程、數(shù)控程序等。數(shù)據(jù)庫(kù)位于系統(tǒng)的最底層，為通訊服務(wù)和Web服務(wù)軟件提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)器又分為通訊服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件以及Web服務(wù)軟件三個(gè)部分。

圖2右邊虛框內(nèi)是運(yùn)行在DNC中心服務(wù)器上的軟件。其中數(shù)據(jù)服務(wù)軟件負(fù)責(zé)通訊服務(wù)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)間的通訊——從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)控程序文件供通訊軟件發(fā)送，或反之將機(jī)床上傳的程序保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。通訊服務(wù)軟件直接為數(shù)控機(jī)床提供數(shù)控程序的下載與上傳服務(wù)。通訊服務(wù)軟件通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)一方面將機(jī)床上傳到DNC服務(wù)器中的數(shù)控程序或機(jī)床運(yùn)行信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，另一方面將客戶端提交的數(shù)控程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中提出，保存到DNC服務(wù)器上供機(jī)床操作員從控制面板下載。Web服務(wù)位于數(shù)據(jù)庫(kù)與DNC客戶端應(yīng)用軟件之間，用于封裝系統(tǒng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯并屏蔽對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的直接訪問(wèn)。DNC客戶端應(yīng)用軟件通過(guò)Web服務(wù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立與制造執(zhí)行系統(tǒng)間的聯(lián)系。

3 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器軟件運(yùn)行在DNC中心服務(wù)器上，為客戶端應(yīng)用提供服務(wù)。本系統(tǒng)的服務(wù)器軟件包括通訊服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件與Web服務(wù)三個(gè)模塊。

3.1 通訊服務(wù)軟件

根據(jù)數(shù)控機(jī)床通訊接口以及數(shù)控系統(tǒng)協(xié)議的不同，通訊服務(wù)軟件使用串口通訊軟件、網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)NFS以及文件傳輸協(xié)議FTP為數(shù)控機(jī)床的通訊提供支持。其中:

(1)機(jī)床串口通訊服務(wù)軟件可以自主開發(fā)或采用商品化的軟件。在掌握機(jī)床通訊協(xié)議的前提下可以自主開發(fā)。商品化的軟件國(guó)外有丹麥CIMCO公司的DNC Max Server，美國(guó) CIMNETS公司的 DNC Professional等可供選擇;國(guó)內(nèi)有華洋宏的NET-DNC以及CAXA的產(chǎn)品等。本系統(tǒng)采用的是我們自主開發(fā)的機(jī)床通訊軟件，目前基本能夠滿足企業(yè)的需要。

(2)使用NFS服務(wù)軟件為Heidenhain系列帶網(wǎng)絡(luò)接口的機(jī)床提供數(shù)控程序的通訊服務(wù)。可以選擇隨設(shè)備贈(zèng)送的CIMCO NFSServer或PC-NFSServer軟件。本系統(tǒng)使用CIMCO NFSServer。

(3)使用FTP服務(wù)軟件為Fanuc系列帶網(wǎng)絡(luò)接口的機(jī)床提供數(shù)控程序的通訊服務(wù)?？梢赃x擇Server-U或MS IIS。本系統(tǒng)使用MS IIS。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)軟件

由于機(jī)床與計(jì)算機(jī)之間的通訊尤其是數(shù)控程序的收發(fā)以文件的形式進(jìn)行比較適合實(shí)際的需要。因此需要在通訊服務(wù)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)之間添加一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的中間層;另外，為了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)上的任意一臺(tái)客戶端管理計(jì)算機(jī)上都能夠與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通訊、并且滿足管理上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全防護(hù)的要求，我們開發(fā)通訊服務(wù)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的接口程序——數(shù)據(jù)服務(wù)軟件。其功能是監(jiān)視通訊服務(wù)器的事件并且進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫操作。圖3是數(shù)據(jù)服務(wù)軟件的工作流程。

圖3中，端口事件線程處理端口事件(機(jī)床開停機(jī)、收發(fā)程序的紀(jì)錄、機(jī)床的事件等)并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)控程序收發(fā)線程與通訊服務(wù)軟件協(xié)同工作，共同完成數(shù)控程序的收發(fā)任務(wù)。其中數(shù)控程序收發(fā)線程的處理步驟如下:

(1)線程在得到資源后首先查詢發(fā)送/接收文件列表，將文件發(fā)送/接收請(qǐng)求插入到線程所屬的文件發(fā)送/接收隊(duì)列之中。

(2)線程接著更新發(fā)送/接收文件列表以復(fù)位文件發(fā)送/接收請(qǐng)求。

(3)通訊服務(wù)程序查詢到發(fā)送/接收請(qǐng)求，從線程所屬文件發(fā)送/接收隊(duì)列中取出文件發(fā)送/接收命令。

(4)線程將請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提出、保存到相應(yīng)機(jī)床的發(fā)送目錄文件中，供機(jī)床操作員調(diào)用;接收時(shí)將上傳到機(jī)床接收目錄文件中的數(shù)控程序文件保存到數(shù)據(jù)庫(kù)之中。

(5)通訊服務(wù)建立自身的文件發(fā)送/接收隊(duì)列，準(zhǔn)備與機(jī)床進(jìn)行通訊，等待機(jī)床的響應(yīng)。

(6)若通訊服務(wù)檢測(cè)到機(jī)床的響應(yīng)，則處理文件發(fā)送/接收請(qǐng)求，自動(dòng)將數(shù)控程序發(fā)送給機(jī)床或者反之接收機(jī)床上傳過(guò)來(lái)的數(shù)控程序。

(7)如果通訊服務(wù)處理文件發(fā)送請(qǐng)求失敗或者等待超時(shí)，則在查詢到文件發(fā)送失敗后在隊(duì)列中插入一條發(fā)送失敗的記錄。

綜上所述，從數(shù)控程序的接收和發(fā)送的觀點(diǎn)來(lái)看，數(shù)據(jù)服務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)控程序文件從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出或存入，通訊服務(wù)則負(fù)責(zé)處理將程序文件發(fā)送到具體的機(jī)床(端口)上的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)DNC通訊。

3.3 Web服務(wù)軟件

Web服務(wù)軟件是位于客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的中間層。它一方面封裝應(yīng)用程序的邏輯或規(guī)則、屏蔽了數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)細(xì)節(jié)以增強(qiáng)安全性，另一方面為各種各樣的客戶端應(yīng)用(本系統(tǒng)中是班組應(yīng)用、程序員應(yīng)用與計(jì)調(diào)員應(yīng)用)提供一致的訪問(wèn)接口。盡管客戶端應(yīng)用使用不同的開發(fā)工具并且運(yùn)行在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中，由于使用Web服務(wù)而保證了數(shù)據(jù)的一致性。并且便于擴(kuò)充以增加新功能。

4 客戶端軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件從功能上可劃分為DNC應(yīng)用軟件和管理應(yīng)用軟件兩部分。管理應(yīng)用軟件根據(jù)企業(yè)的管理需求設(shè)計(jì)，運(yùn)行在相關(guān)人員的個(gè)人計(jì)算機(jī)上;DNC應(yīng)用軟件為數(shù)控設(shè)備的編程提供接口，以WebService形式運(yùn)行在DNC服務(wù)器上為上游的企業(yè)應(yīng)用提供服務(wù)。

DNC應(yīng)用軟件接受制造執(zhí)行系統(tǒng)、車間信息系統(tǒng)等企業(yè)信息系統(tǒng)下達(dá)的加工計(jì)劃信息，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)DNC提供的各種服務(wù)后轉(zhuǎn)化為對(duì)設(shè)備的控制指令。因此可將DNC應(yīng)用軟件看作企業(yè)信息系統(tǒng)對(duì)數(shù)控設(shè)備的編程接口。通過(guò)對(duì)數(shù)控設(shè)備的型號(hào)、通訊協(xié)議、DNC服務(wù)等細(xì)節(jié)進(jìn)行了封裝，使之成為一致的數(shù)控設(shè)備編程接口，供應(yīng)用程序員調(diào)用。

管理應(yīng)用軟件的功能對(duì)數(shù)控加工過(guò)程涉及的要素進(jìn)行管理。可以將數(shù)控加工看作是參與人員、設(shè)備以及加工信息等相關(guān)要素參與的、需要滿足產(chǎn)品質(zhì)量管理要求的生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程。對(duì)于單件小批量的生產(chǎn)企業(yè)，數(shù)控加工過(guò)程中需要管理數(shù)控程序從產(chǎn)生、分發(fā)、回收以及歸檔等各個(gè)環(huán)節(jié)的狀態(tài)。該過(guò)程由班組長(zhǎng)、程序員(包括專業(yè)編程員、編程的工藝員和編程的操作員)與設(shè)備操作員共同完成。具體的活動(dòng)步驟有:

(1)班組長(zhǎng)按派工單分配加工任務(wù)，指定操作者與加工設(shè)備;并視情況需要向程序員申請(qǐng)數(shù)控編程。

(2)程序員完成編程任務(wù)后提交數(shù)控程序清單并移交給相關(guān)人員進(jìn)行程序質(zhì)量控制，使程序處于“可發(fā)送”狀態(tài)。

(3)操作者編寫符合規(guī)定格式的數(shù)控程序，或者下載程序文件到機(jī)床上。

(4)操作者完成加工任務(wù)后，將加工程序上載到DNC服務(wù)器上。

(5)操作者在計(jì)算機(jī)上將刀具參數(shù)、對(duì)刀坐標(biāo)等說(shuō)明信息填寫到數(shù)控程序卡片上。

對(duì)上述數(shù)控加工過(guò)程涉及到的數(shù)控機(jī)床、程序卡片、數(shù)控程序、零件工序等主要對(duì)象及相互關(guān)系進(jìn)行分析，建立實(shí)體關(guān)系模型。由零件的加工工序以及數(shù)控設(shè)備的類型決定數(shù)控編程任務(wù)，將數(shù)控程序卡片作為編程的結(jié)果予以保存。每個(gè)編程任務(wù)包含若干張編程程序卡片、上傳程序卡片和程序說(shuō)明文件;每張程序卡片包括一個(gè)程序規(guī)格說(shuō)明、若干個(gè)程序文件;上傳程序卡片包括一個(gè)程序規(guī)格說(shuō)明和若干個(gè)機(jī)床上傳程序。

根據(jù)實(shí)體關(guān)系的分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)操作封裝在WebService中。

5 應(yīng)用效果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，我們開發(fā)了一個(gè)集機(jī)床網(wǎng)絡(luò)DNC、數(shù)控程序管理以及車間管理信息系統(tǒng)于一體的DNC應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)行環(huán)境為:MSVisual C++6.0用于開發(fā)串口通訊服務(wù)程序;MS Visual Studio 2008+MS SQL2000+LINQ用于WebService開發(fā);WebService運(yùn)行平臺(tái):MS IIS+ .NET 3.5;客戶端采用C#開發(fā)，運(yùn)行環(huán)境為.NET 2.0;實(shí)際運(yùn)行時(shí)將DNC通訊服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件、WebService部署在專用的DNC服務(wù)器上。圖4與圖5分別是WebService與客戶端的運(yùn)行結(jié)果。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將數(shù)控機(jī)床接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、開展DNC應(yīng)用，打通了企業(yè)信息系統(tǒng)與制造設(shè)備之間的聯(lián)系通道，通過(guò)生產(chǎn)計(jì)劃信息與設(shè)備運(yùn)行信息之間的相互作用而提高了設(shè)備利用率。構(gòu)建數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)DNC的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)所有連網(wǎng)的機(jī)床均能與網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行雙向通訊。實(shí)際運(yùn)行時(shí)機(jī)床僅能與DNC通訊服務(wù)器通訊，服務(wù)器處于后臺(tái)守護(hù)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)通過(guò)服務(wù)器與機(jī)床設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)控程序的產(chǎn)生、分發(fā)修改與回收的管理規(guī)范化。在DNC系統(tǒng)中由于所有與數(shù)控機(jī)床的通訊都必須通過(guò)DNC通訊服務(wù)器進(jìn)行，而高層的應(yīng)用程序負(fù)責(zé)數(shù)控程序的產(chǎn)生、分發(fā)、修改與回收，因此可以進(jìn)行數(shù)控程序的規(guī)范化管理。通過(guò)將零件、加工工序、數(shù)控機(jī)床、程序員和操作者等諸多要素與數(shù)控程序進(jìn)行有效的關(guān)聯(lián)，因而可以進(jìn)行數(shù)控程序的狀態(tài)管理。

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