智能制造中數(shù)控機(jī)床接口方法分析

車(chē)希久

摘? ?要：受益于我國(guó)汽車(chē)、工程機(jī)械、航空航天、軌道交通等行業(yè)快速發(fā)展，機(jī)床等裝備制造業(yè)也得到了快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床提供的強(qiáng)大工藝能力很好地滿足了這些行業(yè)的巨大需求。隨著信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)深度融合，數(shù)控機(jī)床向高速、高精度、高可靠性、復(fù)合化等方向發(fā)展的同時(shí)，也朝著智能化方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床如何聯(lián)入智能化管理系統(tǒng)，使“啞機(jī)”轉(zhuǎn)化為可被實(shí)時(shí)感知、實(shí)時(shí)受控的“聰明機(jī)床”，則是實(shí)施智能制造過(guò)程中需要面對(duì)的問(wèn)題。具體管理軟件開(kāi)發(fā)不是文章關(guān)注重點(diǎn)，文章僅針對(duì)數(shù)控機(jī)床與管理系統(tǒng)間接口，介紹一些粗淺的方法。

關(guān)鍵詞：智能制造;數(shù)控機(jī)床;接口方法

國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》通知中以“一二三四五五十”為總體結(jié)構(gòu)，“五五”中的第二個(gè)“五”是實(shí)行5大工程，包括制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程、智能制造工程和高端裝備創(chuàng)新等;“十”是10個(gè)領(lǐng)域，包括高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)等?？梢钥闯?，能滿足智能制造要求的高檔數(shù)控機(jī)床是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。高檔數(shù)控機(jī)床如何滿足智能制造要求、如何與新一代信息技術(shù)對(duì)接數(shù)據(jù)接口并深入融合，實(shí)現(xiàn)信息流打通、實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)感知和控制是需要關(guān)注的問(wèn)題。

1? ? 賽博物理系統(tǒng)中數(shù)控機(jī)床

賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）是包含計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)信息技術(shù)有機(jī)融合與深度協(xié)作，通過(guò)各類(lèi)傳感器、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）和視頻識(shí)別技術(shù)、紅外感應(yīng)等設(shè)備，經(jīng)約定協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。在CPS中，數(shù)控機(jī)床作為物理實(shí)體通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)和信息系統(tǒng)交互，不受空間限制，以遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時(shí)、安全和智能化方式管控機(jī)床，從而回歸物理本原。在CPS中機(jī)床僅是很小部分，但在目前零件加工工藝流程以數(shù)控機(jī)床為工具的智能制造中，數(shù)控機(jī)床卻是重要部分。

2? ? 合理規(guī)劃接口數(shù)據(jù)

數(shù)控機(jī)床作為可執(zhí)行和可感知一類(lèi)終端，可接收上層管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)指令和反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。既可接收制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）指令，又將生產(chǎn)、節(jié)拍等實(shí)時(shí)情況反饋給MES;既可接收刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，又將刀具壽命等記錄，并在機(jī)床更換刀具時(shí)反饋給刀具管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)這些功能離不開(kāi)機(jī)床與各系統(tǒng)間接口數(shù)據(jù)，常見(jiàn)接口數(shù)據(jù)如表1所示。

智能制造是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，它貫穿工藝、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)。真正想提高企業(yè)效率、效益并減少浪費(fèi)，企業(yè)實(shí)施智能制造前要立足自身產(chǎn)品全生產(chǎn)周期和價(jià)值鏈做整體規(guī)劃。數(shù)控機(jī)床方面，哪些機(jī)床需要接收、反饋哪些數(shù)據(jù)、哪些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高、哪些可間歇采集等都需規(guī)劃，以便數(shù)據(jù)能有效支持企業(yè)各軟件平臺(tái)運(yùn)行。

3? ? 常見(jiàn)數(shù)控系統(tǒng)接口方法

國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)數(shù)控系統(tǒng)有西門(mén)子、發(fā)那科、海德漢、三菱、發(fā)格、廣素、華中、科德等，還有機(jī)床廠家進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，如馬扎克、森精機(jī)、德瑪吉等。系統(tǒng)支持通信協(xié)議不同，采用的接口方法和可采集數(shù)據(jù)也不同，下面對(duì)幾種常用數(shù)控系統(tǒng)接口方法作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

3.1? 西門(mén)子系統(tǒng)

840DSL是西門(mén)子一款高端數(shù)控系統(tǒng)，常用接口數(shù)據(jù)一般有兩大類(lèi)，分別是NC和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）數(shù)據(jù)。

NC數(shù)據(jù)可用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，840DSL配PCU50，預(yù)裝Win XP，Win 7，Win 10，管理系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與機(jī)床接口?？稍赑CU50上安裝客戶端軟件，也可用OPC UA協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口，840DSL有豐富數(shù)據(jù)種類(lèi)可供采集，但此法對(duì)系統(tǒng)配置要求較高，對(duì)老系統(tǒng)如810D等不適用。

PLC數(shù)據(jù)可用OPC UA通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，也可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)置S7-300進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)，用S7通信協(xié)議對(duì)機(jī)床少部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。有些機(jī)床狀態(tài)可直接使用NC數(shù)據(jù)，有些狀態(tài)數(shù)據(jù)需通過(guò)PLC處理才能滿足要求，在處理這方面數(shù)據(jù)時(shí)，需注意S7-300數(shù)據(jù)格式，并定義好數(shù)據(jù)。下面以機(jī)床狀態(tài)字為例，來(lái)舉例說(shuō)明。首先，西門(mén)子使用摩托羅拉風(fēng)格作為“Words”或“DoubleWords”，較高部分位于較低字節(jié)，反之亦然，如圖1所示。其次，設(shè)備狀態(tài)字最好為連續(xù)地址，以便管理系統(tǒng)通過(guò)單個(gè)輪詢操作讀取，機(jī)床狀態(tài)字定義如圖2所示。機(jī)床PLC因與具體機(jī)床相關(guān)聯(lián)，要對(duì)機(jī)床PLC較熟悉，才能保證機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)不受影響。

配828DSL機(jī)床可用OPC UA通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口，V4.8版本以上，支持遠(yuǎn)程建立/刪除刀具數(shù)據(jù)、建立/刪除加工程序和執(zhí)行一個(gè)選定程序，這使828DSL接口數(shù)據(jù)和功能更加豐富。

3.2? 發(fā)那科系統(tǒng)

發(fā)那科系統(tǒng)機(jī)床數(shù)據(jù)接口方法有兩種，接口數(shù)據(jù)也分NC，PLC數(shù)據(jù)兩大類(lèi)。一種接口方法是系統(tǒng)配以太網(wǎng)功能，管理系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)發(fā)那科FOCAS函數(shù)獲取數(shù)據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是快速方便，缺點(diǎn)是對(duì)機(jī)床配置要求較高，因早期發(fā)那科系統(tǒng)有些并不配以太網(wǎng)接口。常用發(fā)那科系統(tǒng)不能預(yù)裝Windows，需在固定頁(yè)面設(shè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如圖3所示，具體可參考FANUC說(shuō)明書(shū)。需機(jī)床PLC處理后，方可使用數(shù)據(jù)定義，與西門(mén)子系統(tǒng)思路相同，只是地址和格式不同，不再贅述。另一種接口方法用串口實(shí)現(xiàn)，需在宏程序中加串口打印輸出指令，將數(shù)據(jù)從串口輸出。相對(duì)以太網(wǎng)缺點(diǎn)明顯：（1）輸出數(shù)據(jù)有限，報(bào)警信息等輸出困難。（2）要在程序中加調(diào)用指令。（3）非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，機(jī)床狀態(tài)改變時(shí)不立即輸出，只在打印輸出指令執(zhí)行時(shí)才輸出。此方法屬有限半自動(dòng)式，數(shù)據(jù)有效性受影響。

3.3? 海德漢系統(tǒng)

常見(jiàn)的iTNC530系統(tǒng)可用以太網(wǎng)處理接口數(shù)據(jù)。系統(tǒng)有專(zhuān)用DNCRemoTools軟件包來(lái)處理數(shù)據(jù)。軟件包雖可處理大量數(shù)據(jù)，但缺點(diǎn)是機(jī)床DNC功能必須打開(kāi)，NC軟件高版本系統(tǒng)需向廠家買(mǎi)授權(quán)，系統(tǒng)對(duì)主軸扭矩不能直接采集，且DNCRemoTools軟件包針對(duì)不同版本系統(tǒng)能處理的數(shù)據(jù)也有區(qū)別。

3.4? 其他數(shù)控系統(tǒng)

除以上介紹數(shù)控系統(tǒng)外，隨著智能制造方面需求越來(lái)越多，很多數(shù)控系統(tǒng)都開(kāi)始配置一些類(lèi)似管理系統(tǒng)的功能，并標(biāo)配以太網(wǎng)口，支持通用協(xié)議如OPC UA，Modbus，Profibus及MQTT等來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床與管理系統(tǒng)間接口，如MAZAK 640和三菱M70支持CC-link，有些可用系統(tǒng)廠商提供軟件的處理數(shù)據(jù)。

3.5? 無(wú)通信接口數(shù)控系統(tǒng)

無(wú)以太網(wǎng)等通信接口，也不支持常用協(xié)議的設(shè)備，可通過(guò)增加PLC，HMI或通信模塊的方法，用I/O信號(hào)來(lái)處理簡(jiǎn)單的接口數(shù)據(jù)。該方法優(yōu)點(diǎn)是不受系統(tǒng)限制，缺點(diǎn)是能處理數(shù)據(jù)少，現(xiàn)場(chǎng)接線改動(dòng)較大。

4? ? 注意事項(xiàng)

4.1? 生產(chǎn)工藝特點(diǎn)決定接口數(shù)據(jù)

企業(yè)有各自生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，需處理的接口數(shù)據(jù)種類(lèi)等也會(huì)有差異，單件/小批量生產(chǎn)工藝相對(duì)于批量生產(chǎn)要處理更多數(shù)據(jù)，不但要關(guān)注機(jī)床主軸、狀態(tài)、進(jìn)給倍率等，還要根據(jù)任務(wù)處理零件加工程序等與生產(chǎn)管理相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2? 接口方法多樣性和接口數(shù)據(jù)的定制性

同一企業(yè)機(jī)床配置數(shù)控系統(tǒng)品牌種類(lèi)通常不統(tǒng)一，不同系統(tǒng)需用不同通信協(xié)議和接口方法，具有多樣性特點(diǎn)。機(jī)床按工藝能力分有多種，為獲取所需數(shù)據(jù)，各類(lèi)機(jī)床的接口數(shù)據(jù)可具有定制性，以體現(xiàn)設(shè)備在不同工藝流程中特性和管理需要，以實(shí)現(xiàn)效益最大化。

4.3? 接口數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性

另一重要內(nèi)容是接口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑，機(jī)床在工藝流程中都需何種接口數(shù)據(jù)，用什么方法統(tǒng)計(jì)，什么格式，都需仔細(xì)統(tǒng)一規(guī)劃，以免出現(xiàn)最終總報(bào)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑不統(tǒng)一情況，損失整體系統(tǒng)的性能。

在企業(yè)管理系統(tǒng)總體規(guī)劃藍(lán)圖內(nèi)，數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)接口定義就有了明確的方向，讓數(shù)控機(jī)床插上“智慧的翅膀”，距離并不遙遠(yuǎn)。