基于FOCAS的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化集成系統(tǒng)開發(fā)

劉培躍，張亞寒

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北石家莊050081)

目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集管理仍然停留在單機(jī)在線或串口通信方式階段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集成管理，形成了信息化孤島。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使企業(yè)數(shù)控設(shè)備集成監(jiān)管成為了可能。為實(shí)現(xiàn)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的集中管理與控制，計(jì)算機(jī)必須能獲取各數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括［1-3］:(1)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài):是處于加工運(yùn)行還是待機(jī);是否有報(bào)警;正在運(yùn)行哪一個(gè)程序;是否結(jié)束了此次的加工任務(wù)等。(2)數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的信息與數(shù)據(jù)，如CNC 存儲(chǔ)的加工程序、主軸上的刀具號(hào)、已加工的工件數(shù)、加工時(shí)間、程序的運(yùn)行時(shí)間、CNC 參數(shù)、伺服參數(shù)、主軸參數(shù)、機(jī)床參數(shù)、PMC 參數(shù)、PMC的梯形圖、宏變量、報(bào)警號(hào)與信息等。就是說，計(jì)算機(jī)需能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視各數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀況，了解對(duì)機(jī)床進(jìn)行維護(hù)的信息。另外，計(jì)算機(jī)還必須能夠做到［4］:(1)對(duì)各機(jī)床進(jìn)行必要、實(shí)時(shí)的控制如機(jī)床的暫停、急停;(2)信息與數(shù)據(jù)的上傳與在線調(diào)試，如上傳加工程序、在線調(diào)試PMC 程序等。

文中以FANUC 系統(tǒng)為例介紹基于以太網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床集成技術(shù)，使用Visual Basic 調(diào)用FOCAS 函數(shù)庫(kù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸與OpenCNC 連接，讀取和管理CNC數(shù)據(jù)，開發(fā)數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)機(jī)床狀態(tài)、評(píng)估運(yùn)行趨勢(shì)、診斷機(jī)床故障等功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)架及功能

數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］，計(jì)算機(jī)與配置快速以太網(wǎng)板(Fast Ethernet Board)和數(shù)據(jù)服務(wù)器板(Fast Data Server Board)的數(shù)控機(jī)床通過以太網(wǎng)連接，利用Visual Basic 開發(fā)機(jī)床機(jī)床應(yīng)用程序，通過FOCAS(FANUCOpen CNC API Specifications)提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)FWLIB32.DLL 調(diào)用和上傳機(jī)床數(shù)據(jù)，并由專用數(shù)據(jù)庫(kù)管理機(jī)床數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)的主要功能包括［6-7］:

(1)數(shù)據(jù)管理。通過計(jì)算機(jī)對(duì)聯(lián)網(wǎng)機(jī)床的NC 程序、刀具偏移數(shù)據(jù)、刀具壽命管理數(shù)據(jù)、螺距誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)、用戶宏變量等集中管理上傳、下載、編輯等。

(2)運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)視。顯示當(dāng)前絕對(duì)軸實(shí)時(shí)坐標(biāo)、加工進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給倍率、模式、機(jī)床狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等NC 機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)況和機(jī)床通電時(shí)間、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、加工部件數(shù)、待機(jī)、暫停、手動(dòng)時(shí)間分布等加工成績(jī)情況統(tǒng)計(jì)。

(3)維護(hù)維修。實(shí)現(xiàn)機(jī)床強(qiáng)制保養(yǎng)，機(jī)床維修用各種數(shù)據(jù)的備份/恢復(fù)，定期收集用于故障分析的CNC 履歷數(shù)據(jù)，梯形圖順序的監(jiān)視器顯示和編輯，機(jī)床信號(hào)的狀態(tài)顯示、PMC 參數(shù)的顯示和更改設(shè)定等機(jī)床維修功能。

2 系統(tǒng)開發(fā)［8］

2.1 連接的建立與釋放

應(yīng)用程序需要調(diào)用FOCAS 提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)FWLIB32.DLL，并通過TCP/IP 通信協(xié)議建立計(jì)算機(jī)與CNC 之間的連接。當(dāng)連線成功時(shí)，控制器會(huì)回傳一數(shù)據(jù)類型為Integer(32)型的Handle 值，在離線時(shí)釋放。Handle 值將作為資料讀取時(shí)的鑰匙，利用此鑰匙才能正確使用其余功能語(yǔ)法來(lái)讀取相對(duì)應(yīng)的資料。

Visual Basic 應(yīng)用程序需調(diào)用基本連線功能函數(shù)cnc_allclibhndl3 來(lái)建立連接，并確定CNC 的IP 地址、部件號(hào)和連接時(shí)間。具體語(yǔ)法為:Declare Function cnc_allclibhndl3 Lib" FWLIB32.DLL"(ByVal Ipaddr As String，ByVal Port As Short，ByVal Timeout As Integer，ByRef FlibHandle As Integer)As Short。

其中:Ipaddr(String)是以字串方式指定欲連接的CNC 控制器的網(wǎng)絡(luò)位置(即IP 地址)或者主機(jī)名稱(Host Name)，例如:" 192.168.0.1 " 或" CNC-1.FACTORY";Port(Short)為欲連接CNC控制器的部件號(hào)(Port Number);Timeout(Integer)代表指定連線時(shí)間，以s 為單位。上述調(diào)用的回傳值為EW_OK(0)時(shí)表示連線成功。

連接釋放時(shí)，調(diào)用cnc_freelibhndl 函數(shù)，只需輸入連接成功時(shí)所返回的Handle 值，具體語(yǔ)法為:Declare Function cnc_freelibhndl Lib " FWLIB32.DLL"(ByVal FlibHandl As Integer)As Short。FlibHandl 為連接時(shí)返回的Handle 值，當(dāng)返回值為W_OK(0)時(shí)表示連接釋放成功。

上述操作是通過調(diào)用基本連線功能實(shí)現(xiàn)的。除此之外，F(xiàn)OCAS 共提供CNC 控制軸和控制主軸相關(guān)功能、CNC 程序相關(guān)功能、CNC 工件管理相關(guān)功能、CNC 歷史記錄相關(guān)功能、PMC 相關(guān)功能等18 類功能函數(shù)［2］，借助這些函數(shù)可充分實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與CNC 的交互，讀取或回傳所需數(shù)據(jù)。下面就該系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)視模塊的坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)管理模塊的宏變量的讀寫詳述開發(fā)過程。

2.2 伺服坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)的讀取

CNC 的伺服坐標(biāo)軸表示方式分為機(jī)械、絕對(duì)和相對(duì)坐標(biāo)3 種，同時(shí)也可以顯示各坐標(biāo)軸的剩余位移量。讀取坐標(biāo)軸位置方法有多種，例如:cnc_absolute 可以讀取絕對(duì)坐標(biāo)，cnc_ relative 可以讀取相對(duì)坐標(biāo)。文中使用功能較為全面的cnc_rdposition 來(lái)讀取各軸坐標(biāo)信息。

cnc_rdposition 函數(shù)需輸入查詢的CNC 的Handle地址和欲查詢的坐標(biāo)類型，回傳信息為ODBPOS 數(shù)據(jù)，坐標(biāo)值讀取回傳狀態(tài)及錯(cuò)誤信息。回傳的ODBPOS 信息結(jié)構(gòu)包括abs、mach、rel 和dist 四項(xiàng)，分別表示伺服軸的絕對(duì)、機(jī)械和相對(duì)坐標(biāo)，以及各軸執(zhí)行的剩余位移量。圖2 為CNC 坐標(biāo)軸讀取流程。

圖2 讀取伺服軸坐標(biāo)值流程

下面以該系統(tǒng)讀取各坐標(biāo)軸功能為例簡(jiǎn)述開發(fā)過程。GetPositionData 為存儲(chǔ)各坐標(biāo)軸信息的變量，包含機(jī)械(Machine)、絕對(duì)(Absolute)、相對(duì)(Relative)坐標(biāo)值，及程序剩余位移量(DistanceToGo)等資料。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為Pos(Double)、Name(String)以及Unit(String)，分別代表坐標(biāo)值、軸名稱及使用單位。示例程序如下:

Spl_number=3//設(shè)置軸數(shù);

Cnc_Handle="1111"http://設(shè)置連接Handle;

ReDimGetPositionData.Machine(spdl_number)

//重設(shè)GetPositionData.Machine(i)的大小;

Dim RefODBPOS As New ODBPOS//定義數(shù)據(jù)回傳存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)ODBPOS;

Cnc_rdposition(cncHandle，1，spdl_number，RefODBPOS)//調(diào)用cnc_rdposition 函數(shù)

For I As Integer=0 To spdl_number-1 Step 1

GetPositionData.Machine(i).Parameter=tODBPOS.Pos(i).mach.data/10(tODBPOS.Pos(i).mach.dec);//存儲(chǔ)坐標(biāo)值進(jìn)入GetPosition Data.Machine(i).Parameter 中;

GetPositionData_Machine(i).Name=(tODBPOS.Pos(i).mach.name).ToString;//存儲(chǔ)軸名稱進(jìn)入Get-PositionData_Machine(i).Name;

SelectCasetODBPOS.Pos(i).mach.unit.ToString

Case”0”

GetPositionData.Machine(i).Unit=”mm”

Case”1”

GetPositionData.Machine(i).Unit=”inch”

Case”2”

GetPositionData.Machine(i).Unit=”degree”

Case Else

GetPositionData.Machine(i).Unit=””

End Select

Next//存儲(chǔ)坐標(biāo)單位進(jìn)入GetPositionData.Machine(i).Unit 中。

2.3 宏變量的讀取

在FANUC CNC 數(shù)控系統(tǒng)中，宏變量分為局部變量、全局變量和系統(tǒng)變量3 種，前兩項(xiàng)為用戶編寫數(shù)控程序時(shí)指定，最后一項(xiàng)為系統(tǒng)狀態(tài)變量。FOCAS規(guī)定:局部變量只能讀取，全局變量和系統(tǒng)變量既可讀又可寫。宏變量操作分為單一和多重陣列讀寫兩類，宏變量單一讀寫較為簡(jiǎn)單，因此下面以多重陣列變量的讀取為范例介紹開發(fā)過程，見圖3。

圖3 宏變量讀取流程

Cnc_rdmacror 為多重陣列讀取函數(shù)，只能用于局部和全局變量的讀取，系統(tǒng)變量不能使用。Cnc_rdmacror函數(shù)需要輸入查詢CNC 的(1)Handle 地址;(2)讀取范圍起始編號(hào)(s_number);(3)結(jié)束編號(hào)(e_number);(4)存儲(chǔ)回傳數(shù)據(jù)的IODBMR 資料結(jié)構(gòu);(5)IODBMR 資料大小等。若函數(shù)讀取成功，則開始回傳，依次讀出各變量編號(hào)數(shù)值，讀取DATA 資料結(jié)構(gòu)中的變量數(shù)字(mcr_val)及小數(shù)點(diǎn)位數(shù)(dec_val)，并根據(jù)回傳數(shù)字及小數(shù)點(diǎn)位數(shù)換算變量實(shí)際數(shù)值，公式為(mcr_val/10dec_val))。

3 數(shù)控機(jī)床側(cè)的設(shè)置

FANUC 的以太網(wǎng)功能主要通過TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)，使用時(shí)需在數(shù)控系統(tǒng)上設(shè)定IP、TCP 和UDP 端口數(shù)據(jù)等信息。下面以內(nèi)嵌式以太網(wǎng)為例說明設(shè)定方法［9］:首先修改20 號(hào)參數(shù)為5;按SYSTEM→公共鍵，出現(xiàn)IP 地址設(shè)定畫面，如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)與多臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接時(shí)，需要填寫路由器地址，如不需要，則不用填寫;然后按下FOCAS2 鍵，進(jìn)行FOCAS2 的設(shè)置，如圖5所示，TCP 設(shè)定為8193，UDP一般設(shè)定為8192，時(shí)間間隔一般設(shè)定為10。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)IP 地址設(shè)定

圖5 FOCAS2 設(shè)定

4 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化制造是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，數(shù)控機(jī)床管理與使用走向網(wǎng)絡(luò)化、智能化已成為必然?；谝蕴W(wǎng)、TCP 協(xié)議和Socket 編程技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化集成系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)管理多臺(tái)數(shù)控機(jī)床并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以提高企業(yè)生產(chǎn)資源的生產(chǎn)效率和有效利用率，具有較高推廣和實(shí)用價(jià)值。

［1］張愛紅.數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(11):154-156.

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［6］陳賢清，黃河，古文偉，等.數(shù)控機(jī)群數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(10):99-106.

［7］鄒品軍，王宵，劉會(huì)霞.網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽在FANUC 機(jī)床聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2005(8):93-198.

［8］BEIJING FANUC 公司.FOCAS1_2 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)光盤(A02B-0207-J737#ZZ11)［CD］.

［9］BEIJING FANUC 公司.以太網(wǎng)板/數(shù)據(jù)服務(wù)器板操作說明書(B-63354EN)［M］.