近年來，隨著計算機和網(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)用惰许，制造業(yè)無論是觀念席覆，還是技術(shù)都發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)的以相對固定的機器和生產(chǎn)場所為中心胜玖，由上至下進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袄优，基于技術(shù)的先進制造生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。全球制造的思想就是利用異地的資源(設(shè)備竿疫、知識紫掷、人力)來制造市場所需產(chǎn)品，從而加工單元的遠程監(jiān)控技術(shù)就成為它的重要組成部分胃争。要實現(xiàn)加工單元的遠程監(jiān)控伯梧，首要解決的問題是數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問題静冯。

　　本項目就是解決傳統(tǒng)經(jīng)濟型的數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問題含长，通過網(wǎng)絡(luò)來實現(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)代先進制造技術(shù)的發(fā)展糊争。

 1 需求分析傳統(tǒng)經(jīng)濟型數(shù)控機床存在的問題

　　傳統(tǒng)經(jīng)濟型的數(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妄温、7M尖鲜、HC-6、6MB等)瓷莽、AB公司系統(tǒng)宣璧、國產(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8/5單位并行口溃卡，三類同時包括前兩類接口溢豆。這三類機床同時還存在同樣的問題就是：內(nèi)存容量較小蜒简，不適應(yīng)復(fù)雜、大型面漩仙、高精度搓茬、長程序零件的加工：它們的對外接口能力差，沒有DNC功能讯赏，不能實現(xiàn)在線加工以及網(wǎng)絡(luò)控制等問題垮兑。

希望的解決方案

　　本著滿足最基本的應(yīng)用需求、且留有一定的可擴充性及性能提高的潛力的前提漱挎，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：機床通訊接口的硬件改造雀哨，針對各類機床設(shè)計相應(yīng)的通訊接口板卡：通訊控制軟件的開發(fā)磕谅，以實現(xiàn)各機床的單機通訊功能：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)控程序圖形模擬雾棺、長程序的在線加工等)膊夹，彌補和增強原數(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)通訊然那。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成及功能整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由中央服務(wù)器邀敲、網(wǎng)絡(luò)接口、雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器涝沈、現(xiàn)場服務(wù)器珍媚、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)濟型數(shù)控機床等組成侍醇。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖見圖1尼布。系統(tǒng)工作方式為客戶/服務(wù)器方式。

圖1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

　　中央服務(wù)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中樞部分子历，它主要完成的是對各級服務(wù)器的整體控制朦舟。它采用后臺中斷工作模式，不需要人的干預(yù)稻便，而且其前臺還可以進行其他工作投湿。

　　現(xiàn)場服務(wù)器是客戶端，既擔任起數(shù)控服務(wù)器的功能趁宠，又具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能不从，它接受中央服務(wù)器下達的各項任務(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：將已加工過的數(shù)控程序反饋到中央服務(wù)器洗搂。能從系統(tǒng)的NC文件庫中提取相應(yīng)的數(shù)控代碼消返，并從中提取有關(guān)的加工零件數(shù)據(jù)和信息，對其進行處理耘拇，實現(xiàn)NC程序的圖形模擬等工作撵颊。另外宇攻，對需用長程序的零件加工，現(xiàn)場服務(wù)器還完成長程序的在線加工任務(wù)倡勇。

　　現(xiàn)場服務(wù)器可同時服務(wù)于多臺數(shù)控設(shè)備逞刷，根據(jù)需要在車間一定的空間范圍內(nèi)(比如：一個小的工作間，一個小的局部區(qū)域)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點妻熊，放置一臺PC機作為現(xiàn)場服務(wù)器夸浅，一臺服務(wù)器根據(jù)實際需要靠選用1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器來服務(wù)于多臺數(shù)控設(shè)備。

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)娜右邸Ｔ谟嬎銠C網(wǎng)絡(luò)發(fā)展上帆喇，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國際標準亿胸。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是當前流行的Internet網(wǎng)絡(luò)所使用的體系結(jié)構(gòu)馁雏，盡管它不是國際標準，但在計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中卻占有非常重要的地位国产。這是因為雖然OSI的體系結(jié)構(gòu)從理論上講比較完整托俯，其各層協(xié)議也考慮得很周全，但事實上拼固，完全符合OSI各層協(xié)議的商用產(chǎn)品卻極少進入市場雹纤，遠遠不能滿足各種用戶的需求。然而使用TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)品卻大量涌入市場今攀，幾乎所有的工作站都配有TCP/IP協(xié)議墓趋，并已成為計算機網(wǎng)絡(luò)事實上的標準，通稱“工業(yè)標準”妈削。為此轿跌，我們在數(shù)控機床的網(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)逮碾，該體系把計算機網(wǎng)絡(luò)分為四層汪兢，即應(yīng)用層、傳輸層辞槐、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層掷漱。

　　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為用戶提供進程無連接的數(shù)據(jù)報協(xié)議榄檬，數(shù)據(jù)包以獨立包的形式傳送卜范，服務(wù)不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失鹿榜、重復(fù)或失序：數(shù)據(jù)包的長度也受一次處理最大長度的限制(默認值為8192字節(jié)海雪，最大值為32768字節(jié))，不進行包的拆分和重組操作：而TCP協(xié)議是一個可靠的全雙工的字節(jié)流的面向連接的協(xié)議舱殿，TCP和UDP相比傳輸可靠奥裸、數(shù)據(jù)無差錯险掀、無重復(fù)，可按發(fā)送順序接收湾宙，數(shù)據(jù)為字節(jié)流樟氢，其長度不受限制，為用戶提供虛電路服務(wù)侠鳄，并為數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供檢驗埠啃。根據(jù)數(shù)控加工的特點，盡管數(shù)據(jù)包在傳輸量小于2048個字節(jié)時UDP可靠性更好枕捺，但數(shù)據(jù)包服務(wù)是單包吮蒜、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∮?/span>2048個字節(jié)壁歧，因此砾漓，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)控加工的特點又要具備實時性宽用、可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸量大等特點。本系統(tǒng)另行開發(fā)了基于TCP/IP協(xié)議族的相應(yīng)協(xié)議盒器，制定了應(yīng)用進程之間傳輸?shù)男畔⒌奶厥夂x跌缩。

通訊協(xié)議的實現(xiàn)

　　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確攻睬、及時雀肠、有序地傳送信息，并能彼此毫無差錯地對信息進行語法分析和解釋浅慎。

　　對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)胁会，其傳輸信息有自己獨特的含義。在客戶端和中央服務(wù)器間傳遞的信息抵蚊，主要有客戶端的請求信息施绎、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)信息贞绳。

　　在系統(tǒng)的協(xié)議中谷醉，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)器連接的建立冈闭、維持和釋放俱尼。加工控制信息由控制命令字、控制參數(shù)組成萎攒。網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議格式為：“cmd遇八，1byte命令代碼，1byte命令長度耍休，命令參數(shù)刃永，4字節(jié)的校驗碼(XC)”货矮。‘cmd’為命令引導(dǎo)碼揽碘，用以標識命令的開始：‘命令長度’只包括命令參數(shù)及校驗碼的長度次屠。若無命令參數(shù)，則為4稀掠，校驗碼將無意義也不被檢驗拇蟋，但還是必須發(fā)送。

　　傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的末尾4字節(jié)為校驗碼幽滤。前3字節(jié)為該包的所有字節(jié)的和蓖搅，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)生錯誤哼沃，則第4字節(jié)的校驗碼一定不正確翩汰。因此，靠監(jiān)測第4字節(jié)校驗碼來保證通訊數(shù)據(jù)的可靠性床候。

　　3 硬件設(shè)計原理系統(tǒng)在服務(wù)器端使用2/4/8口RS422A接口卡進行轉(zhuǎn)接溃耸，進入現(xiàn)場后采用RS-422/RS-485雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接至現(xiàn)場服務(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)控制標準接口板卡猩缺。

　　當現(xiàn)場服務(wù)器服務(wù)于多臺數(shù)控機床時发惭，采用“1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器”分接于多臺機床∑“數(shù)據(jù)接收器”是專門針對僅有紙帶閱讀機8/5單位并行口的機床(如線切割機)而設(shè)計的罩锐。它完成機床與PC機的通訊以及實現(xiàn)數(shù)控程序的在線加工÷卑Γ“1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器”與“數(shù)據(jù)接收器”的設(shè)計的基本原理圖見圖2涩惑。

圖2 數(shù)據(jù)接收(收發(fā))器基本原理圖

　　使用數(shù)據(jù)接收器時，在機床接線上要作相應(yīng)改動桑驱，即：在原紙帶閱讀機的輸出信號線上通過三態(tài)門并入相應(yīng)的3B代碼數(shù)據(jù)信號竭恬，將原系統(tǒng)發(fā)送給紙帶閱讀機的步進信號作為控制系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)的定時信號。系統(tǒng)設(shè)計時碰纬，設(shè)置了控制開關(guān)萍聊，用于選擇使用原紙帶閱讀機還是使用數(shù)據(jù)接收器。 4 軟件開發(fā)原理系統(tǒng)的軟件由兩部分組成悦析，一是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制軟件寿桨，再一個就是現(xiàn)場服務(wù)器與各類機床的通訊軟件。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)原理

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制軟件安裝于中央服務(wù)器中强戴，其設(shè)計原理是：中央服務(wù)器不停地接收并分析從各端口送來的請求亭螟、命令、信息等數(shù)據(jù)包骑歹。當一個數(shù)據(jù)包接收完畢后预烙，它將首先通過包中的校驗碼進行驗證該包在傳送過程中是否出錯胀爸。若出錯，它將發(fā)出“重發(fā)”命令給原發(fā)客戶端：若正確則進行相應(yīng)的處理千荡。

現(xiàn)場服務(wù)器與各類機床的通訊軟件開發(fā)原理

　　針對各類機床與現(xiàn)場服務(wù)器的通訊锌德，軟件開發(fā)的基本原理是：要將數(shù)控程序傳入數(shù)控機床，首先將數(shù)控程序轉(zhuǎn)換為機床能識別的代碼EIA碼或ISO碼绅踪，然后以數(shù)據(jù)包的方式讀入現(xiàn)場服務(wù)器內(nèi)存沼惹，再逐字節(jié)地向數(shù)控機床控制系統(tǒng)發(fā)送，同時計算機不停地監(jiān)測機床接口的狀態(tài)寄存器的狀態(tài)兄诱。從機床傳出數(shù)據(jù)遥浑，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)。

5 結(jié)論

　　此項研究解決了經(jīng)濟型數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問題旧育，實現(xiàn)了數(shù)控加工程序的中央服務(wù)器集中存儲捞勿、管理，網(wǎng)絡(luò)查詢及下載功能路揖。解決了不具備直接通訊接口功能的數(shù)控機床的數(shù)控程序輸入難題和在線加工問題私周。實踐證明：該系統(tǒng)具有操作簡單、使用方便斋射、運行穩(wěn)定可靠伪节、性能優(yōu)良等特點。它的投入使用绩鸣，大大地改善了數(shù)控加工程序的存儲、管理和傳輸條件纱兑，從而有效地提高了實際生產(chǎn)效率呀闻。對于類似的、不具備遠程監(jiān)控和上線能力的數(shù)控機床的改造潜慎，具有重要的意義和參考借鑒價值捡多。

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