近年來，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊為代表的信息技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，制造業(yè)無論是觀念，還是技術(shù)都發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)的以相對(duì)固定的機(jī)器和生產(chǎn)場(chǎng)所為中心，由上至下進(jìn)行管理控制的大批量制造生產(chǎn)模式正逐步向以人為中心，基于技術(shù)的先進(jìn)制造生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。全球制造的思想就是利用異地的資源(設(shè)備、知識(shí)、人力)來制造市場(chǎng)所需產(chǎn)品，從而加工單元的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)就成為它的重要組成部分。要實(shí)現(xiàn)加工單元的遠(yuǎn)程監(jiān)控，首要解決的問題是數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問題。
本項(xiàng)目就是解決傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問題，通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)NC程序的中央服務(wù)器集中管理及網(wǎng)絡(luò)通訊。從而適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。
1、需求分析
1.1傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床存在的問題
傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控加工設(shè)備按數(shù)控系統(tǒng)分類主要有：FANUC系統(tǒng)(其中包括3T、7M、HC-6、6MB等)、AB公司系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)3B線切割系統(tǒng)等：按數(shù)控程序輸入/輸出通訊接口類型分有三類：一類為僅有RS232/RS422串行口，二類為僅有紙帶閱讀機(jī)8/5單位并行口，三類同時(shí)包括前兩類接口。這三類機(jī)床同時(shí)還存在同樣的問題就是：內(nèi)存容量較小，不適應(yīng)復(fù)雜、大型面、高精度、長(zhǎng)程序零件的加工：它們的對(duì)外接口能力差，沒有DNC功能，不能實(shí)現(xiàn)在線加工以及網(wǎng)絡(luò)控制等問題。
1.2希望的解決方案
本著滿足最基本的應(yīng)用需求、且留有一定的可擴(kuò)充性及性能提高的潛力的前提，來改善數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用環(huán)境。就此提出了以下解決方案：機(jī)床通訊接口的硬件改造，針對(duì)各類機(jī)床設(shè)計(jì)相應(yīng)的通訊接口板卡：通訊控制軟件的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)各機(jī)床的單機(jī)通訊功能：開發(fā)其它輔助功能(如：數(shù)控程序中加工信息的提取、數(shù)控程序圖形模擬、長(zhǎng)程序的在線加工等)，彌補(bǔ)和增強(qiáng)原數(shù)控系統(tǒng)功能：網(wǎng)絡(luò)體系的選擇與通訊協(xié)議的定義及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的中央服務(wù)器集中管理和網(wǎng)絡(luò)通訊。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成及功能
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由中央服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接口、雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器、1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器、數(shù)據(jù)接收器以及經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床等組成。
中央服務(wù)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中樞部分，它主要完成的是對(duì)各級(jí)服務(wù)器的整體控制。它采用后臺(tái)中斷工作模式，不需要人的干預(yù)，而且其前臺(tái)還可以進(jìn)行其他工作。
現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器是客戶端，既擔(dān)任起數(shù)控服務(wù)器的功能，又具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，它接受中央服務(wù)器下達(dá)的各項(xiàng)任務(wù)：從網(wǎng)絡(luò)上獲取由中央服務(wù)器傳來的數(shù)控加工程序的數(shù)據(jù)信息，并把這些數(shù)據(jù)信息傳送到NC文件庫(kù)：將已加工過的數(shù)控程序反饋到中央服務(wù)器。能從系統(tǒng)的NC文件庫(kù)中提取相應(yīng)的數(shù)控代碼，并從中提取有關(guān)的加工零件數(shù)據(jù)和信息，對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)NC程序的圖形模擬等工作。另外，對(duì)需用長(zhǎng)程序的零件加工，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器還完成長(zhǎng)程序的在線加工任務(wù)。
現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器可同時(shí)服務(wù)于多臺(tái)數(shù)控設(shè)備，根據(jù)需要在車間一定的空間范圍內(nèi)(比如：一個(gè)小的工作間，一個(gè)小的局部區(qū)域)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，放置一臺(tái)PC機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，一臺(tái)服務(wù)器根據(jù)實(shí)際需要靠選用1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器來服務(wù)于多臺(tái)數(shù)控設(shè)備。
2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議的選擇
系統(tǒng)中的各種信息都是通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸?shù)�。在�?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展上，影響較大的網(wǎng)絡(luò)體系主要有：OSI七層參考模型和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)模型。OSI參考模型是ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前流行的Internet網(wǎng)絡(luò)所使用的體系結(jié)構(gòu)，盡管它不是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中卻占有非常重要的地位。這是因?yàn)殡m然OSI的體系結(jié)構(gòu)從理論上講比較完整，其各層協(xié)議也考慮得很周全，但事實(shí)上，完全符合OSI各層協(xié)議的商用產(chǎn)品卻極少進(jìn)入市場(chǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各種用戶的需求。然而使用TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)品卻大量涌入市場(chǎng)，幾乎所有的工作站都配有TCP/IP協(xié)議，并已成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，通稱“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”。為此，我們?cè)跀?shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)中，采用的是TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，該體系把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為四層，即應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。
TCP/IP體系結(jié)構(gòu)為傳輸層制定了兩種協(xié)議即：傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)，UDP為用戶提供進(jìn)程無連接的數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，數(shù)據(jù)包以獨(dú)立包的形式傳送，服務(wù)不提供無錯(cuò)保證，數(shù)據(jù)可能丟失、重復(fù)或失序：數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度也受一次處理最大長(zhǎng)度的限制(默認(rèn)值為8192字節(jié)，最大值為32768字節(jié))，不進(jìn)行包的拆分和重組操作：而TCP協(xié)議是一個(gè)可靠的全雙工的字節(jié)流的面向連接的協(xié)議，TCP和UDP相比傳輸可靠、數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、無重復(fù)，可按發(fā)送順序接收，數(shù)據(jù)為字節(jié)流，其長(zhǎng)度不受限制，為用戶提供虛電路服務(wù)，并為數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供檢驗(yàn)。根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)，盡管數(shù)據(jù)包在傳輸量小于2048個(gè)字節(jié)時(shí)UDP可靠性更好，但數(shù)據(jù)包服務(wù)是單包、無序傳送，而系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信顯然不能保證所有傳輸?shù)男畔⒍夹∮?048個(gè)字節(jié)，因此，只能選用TCP作為系統(tǒng)的傳輸層協(xié)議。
應(yīng)用層的通訊協(xié)議的選擇既要考慮到數(shù)控加工的特點(diǎn)又要具備實(shí)時(shí)性、可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸量大等特點(diǎn)。本系統(tǒng)另行開發(fā)了基于TCP/IP協(xié)議族的相應(yīng)協(xié)議，制定了應(yīng)用進(jìn)程之間傳輸?shù)男畔⒌奶厥夂x。
系統(tǒng)協(xié)議，就是保證客戶端和服務(wù)器端的應(yīng)用線程之間能相互準(zhǔn)確、及時(shí)、有序地傳送信息，并能彼此毫無差錯(cuò)地對(duì)信息進(jìn)行語法分析和解釋。
對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其傳輸信息有自己獨(dú)特的含義。在客戶端和中央服務(wù)器間傳遞的信息，主要有客戶端的請(qǐng)求信息、數(shù)據(jù)信息和中央服務(wù)器端的狀態(tài)信息。
客戶端的控制信息又分為兩種：網(wǎng)絡(luò)控制信息和加工控制信息：服務(wù)器端的狀態(tài)信息也分為兩種：連接狀態(tài)信息和客戶端的狀態(tài)信息。
在系統(tǒng)的協(xié)議中，這些信息都規(guī)定了相應(yīng)的格式規(guī)范，客戶端的網(wǎng)絡(luò)控制信息主要用于與服務(wù)器連接的建立、維持和釋放。加工控制信息由控制命令字、控制參數(shù)組成。網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議格式為：“cmd，1byte命令代碼，1byte命令長(zhǎng)度，命令參數(shù)，4字節(jié)的校驗(yàn)碼(XC)”�！甤md’為命令引導(dǎo)碼，用以標(biāo)識(shí)命令的開始：‘命令長(zhǎng)度’只包括命令參數(shù)及校驗(yàn)碼的長(zhǎng)度。若無命令參數(shù)，則為4，校驗(yàn)碼將無意義也不被檢驗(yàn)，但還是必須發(fā)送。
傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的末尾4字節(jié)為校驗(yàn)碼。前3字節(jié)為該包的所有字節(jié)的和，第4字節(jié)為所有字節(jié)的異或值。
若發(fā)送過程中有數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，則第4字節(jié)的校驗(yàn)碼一定不正確。因此，靠監(jiān)測(cè)第4字節(jié)校驗(yàn)碼來保證通訊數(shù)據(jù)的可靠性。
系統(tǒng)在服務(wù)器端使用2/4/8口RS422A接口卡進(jìn)行轉(zhuǎn)接，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后采用RS-422/RS-485雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接至現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器。2/4/8口RS422A接口卡與RS-422/RS-485雙向轉(zhuǎn)換器均采用工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)接口板卡。
當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器服務(wù)于多臺(tái)數(shù)控機(jī)床時(shí)，采用“1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器”分接于多臺(tái)機(jī)床�！皵�(shù)據(jù)接收器”是專門針對(duì)僅有紙帶閱讀機(jī)8/5單位并行口的機(jī)床(如線切割機(jī))而設(shè)計(jì)的。它完成機(jī)床與PC機(jī)的通訊以及實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的在線加工。
使用數(shù)據(jù)接收器時(shí)，在機(jī)床接線上要作相應(yīng)改動(dòng)，即：在原紙帶閱讀機(jī)的輸出信號(hào)線上通過三態(tài)門并入相應(yīng)的3B代碼數(shù)據(jù)信號(hào)，將原系統(tǒng)發(fā)送給紙帶閱讀機(jī)的步進(jìn)信號(hào)作為控制系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)的定時(shí)信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置了控制開關(guān)，用于選擇使用原紙帶閱讀機(jī)還是使用數(shù)據(jù)接收器。
系統(tǒng)的軟件由兩部分組成，一是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制軟件，再一個(gè)就是現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器與各類機(jī)床的通訊軟件。
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制軟件安裝于中央服務(wù)器中，其設(shè)計(jì)原理是：中央服務(wù)器不停地接收并分析從各端口送來的請(qǐng)求、命令、信息等數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包接收完畢后，它將首先通過包中的校驗(yàn)碼進(jìn)行驗(yàn)證該包在傳送過程中是否出錯(cuò)。若出錯(cuò)，它將發(fā)出“重發(fā)”命令給原發(fā)客戶端：若正確則進(jìn)行相應(yīng)的處理。
針對(duì)各類機(jī)床與現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器的通訊，軟件開發(fā)的基本原理是：要將數(shù)控程序傳入數(shù)控機(jī)床，首先將數(shù)控程序轉(zhuǎn)換為機(jī)床能識(shí)別的代碼EIA碼或ISO碼，然后以數(shù)據(jù)包的方式讀入現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器內(nèi)存，再逐字節(jié)地向數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)送，同時(shí)計(jì)算機(jī)不停地監(jiān)測(cè)機(jī)床接口的狀態(tài)寄存器的狀態(tài)。從機(jī)床傳出數(shù)據(jù)，通訊控制軟件總是從其程序代碼的末端開始至常規(guī)內(nèi)存的頂端(0A0000H)作為接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
此項(xiàng)研究解決了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工程序的中央服務(wù)器集中存儲(chǔ)、管理，網(wǎng)絡(luò)查詢及下載功能。解決了不具備直接通訊接口功能的數(shù)控機(jī)床的數(shù)控程序輸入難題和在線加工問題。實(shí)踐證明：該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。它的投入使用，大大地改善了數(shù)控加工程序的存儲(chǔ)、管理和傳輸條件，從而有效地提高了實(shí)際生產(chǎn)效率。對(duì)于類似的、不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和上線能力的數(shù)控機(jī)床的改造，具有重要的意義和參考借鑒價(jià)值。
