基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化研究

1、機械 2007年第2期 總第34卷 計算機應(yīng)用技術(shù) ·35· 基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化研究張良,肖佩,吳修德(武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070摘要:在基于工業(yè)以太網(wǎng)的DNC 系統(tǒng)基礎(chǔ)上,利用串口服務(wù)器將具備標準串口通訊的數(shù)控設(shè)備連入DNC 網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了對數(shù)控機床的分布式控制和集中管理。 關(guān)鍵詞:DNC ;工業(yè)以太網(wǎng);數(shù)控設(shè)備中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A 文章編號:1006-0316(200702-0035-03Research on networking of NC equipment based on industrial etherne

2、tZHANG Liang ,XIAO Pei ,WU Xiu-de(School of Mech-electronic Engineering ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,ChinaAbstract :The paper based on DNC system ,a serial port server was used to make the NC that have standard serial communication joined the DNC. a distributed control of the CNC ma

3、chine tools and centralized management was realized. Key words :DNC ;industrial ethernet ;NCDNC (Distributed Numerical Control是指利用通信技術(shù)實現(xiàn)計算機對機床的直接或分布式集中控制,完成制造數(shù)據(jù)傳輸、機床狀態(tài)監(jiān)控等功能。它以數(shù)控技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)等先進技術(shù)為基礎(chǔ),把與制造過程有關(guān)的設(shè)備(數(shù)控機床、加工中心等與上層設(shè)計規(guī)劃級計算機應(yīng)用集成起來,從而實現(xiàn)車間數(shù)控設(shè)備的集中控制管理以及制造設(shè)備與上層計算機之間的信息交換。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的發(fā)展以及制造自動化的需

4、要,尤其是現(xiàn)場總線以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的企業(yè)把工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與DNC 系統(tǒng)相結(jié)合,從而簡化通訊結(jié)構(gòu)、降低成本、提高系統(tǒng)的可靠性。但是在這種DNC 系統(tǒng)中,數(shù)控設(shè)備與計算機大多仍然采用串口方式進行通信,即不具備網(wǎng)絡(luò)通信能力。本文基于RS-232串口通信,采用Moxa 公司的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建出數(shù)控加工網(wǎng)絡(luò)化DNC 系統(tǒng),實現(xiàn)一臺計算機同時對多臺數(shù)控機床進行集中管理。1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)數(shù)控加工網(wǎng)絡(luò)化DNC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建需要根據(jù)實際需求來確定,所要考慮的因素主要有車間的環(huán)境、工廠的自動化程度與管理層的信息集成等。通過對工業(yè)以太網(wǎng)的抗干擾設(shè)計,能夠保證在車間惡劣

5、環(huán)境下的通信暢通及實時性,且易于與管理層集成。因此,本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)平臺;為了實現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng),在每臺數(shù)控設(shè)備上均安裝一臺單串口設(shè)備服務(wù)器,將串行接口直接轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)口,實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備與以太網(wǎng)的聯(lián)接;在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)的任意一臺計算機都可以直接控制該網(wǎng)絡(luò)的任意一臺數(shù)控設(shè)備。目前,關(guān)于數(shù)控機床的DNC 系統(tǒng)布局形式有多種,本系統(tǒng)采用的是由北京機床廠所提出的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖1 采用單串口服務(wù)器構(gòu)建DNC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有如下的幾個特點2: (1網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建標準化程度高每臺機床安裝一套單串口服務(wù)器,將機床串口直接轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)DNCCAM服務(wù)器以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng) 交換機數(shù)控機床

6、組數(shù)控機床組刀具管理·36·計算機應(yīng)用技術(shù)機械2007年第2期 總第34卷口聯(lián)入企業(yè)局域網(wǎng)。因此,DNC網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建實際上是架設(shè)標準的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。(2系統(tǒng)安全冗余度高采用星型連接方式構(gòu)建的DNC網(wǎng)絡(luò),即便單串口服務(wù)器出現(xiàn)故障,影響的只是一臺設(shè)備。(3設(shè)備分組管理靈活性好機床設(shè)備可以按照需要任意分組,由不同的計算機控制不同數(shù)量的機床。(4通訊距離長、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高由于串口服務(wù)器直接安裝在機床電柜中,串口通訊電纜的長度僅為1 3米,因此串口電纜長度對通訊質(zhì)量的影響幾乎可以忽略。而串口服務(wù)器采用TCP/IP通訊協(xié)議,可以方便地用集線器、交換機、光纖將通訊傳輸距離從100米延長至數(shù)

7、百米或數(shù)公里與遠端的數(shù)據(jù)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中采用數(shù)據(jù)包的傳輸數(shù)據(jù)校驗方式,增強了數(shù)據(jù)安全性,保證傳輸?shù)綑C床的數(shù)據(jù)不出錯。2 系統(tǒng)的實現(xiàn)在本系統(tǒng)中,通過利用串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器將標準串行通信口轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)接口,串口服務(wù)器是將來自TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包,解析為串口數(shù)據(jù)流;反之,也可以將串口數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸,它能把多個串口設(shè)備連接并能將串口數(shù)據(jù)流進行選擇和處理,把現(xiàn)有的RS232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為IP端口的數(shù)據(jù),這樣就能夠?qū)鹘y(tǒng)的串行數(shù)據(jù)送上流行的IP通道,串口服務(wù)器將TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口映射為Windows 操作系統(tǒng)下的一個標準串口,應(yīng)

8、用程序可以像對普通串口一樣對其進行收發(fā)和控制。串口服務(wù)器在數(shù)控系統(tǒng)組網(wǎng)中的功能是把來自數(shù)控系統(tǒng)的任何信息透明地傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)上的任何一個計算機,也可以把來自局域網(wǎng)的任何信息透明地傳輸給數(shù)控設(shè)備,這相當于局域網(wǎng)和串口設(shè)備的網(wǎng)關(guān)通過為串口服務(wù)器配置IP地址,使數(shù)控機床成為局域網(wǎng)中的一個節(jié)點,從而擁有局域網(wǎng)的部分功能,實現(xiàn)資源共享。Moxa公司的串口設(shè)備服務(wù)器有多種,在本系統(tǒng)中采用的是NPORT 5110型。NPORT 5110為單口服務(wù)器,提供TPC服務(wù)器模式、TCP 客戶端模式、UDP 服務(wù)器/客戶端和以太網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器模式。每個NPORT 5110帶有一個RS232串口和一個10MB/100MB以

9、太網(wǎng)口,通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)NPORT 5110與上位機之間的連接。盡管串口設(shè)備服務(wù)器在物理上采用以太網(wǎng)連接,但通過驅(qū)動程序, NPORT 5110的串口可以被映射為Windows操作系統(tǒng)下的一個標準串口或Linux下的real tty口,應(yīng)用程序可以像對普通串口一樣對其進行收發(fā)和控制,從而達到對機床設(shè)備聯(lián)網(wǎng)控制的目的。上位機端采用客戶機服務(wù)器(Client Server體系結(jié)構(gòu),通過將任務(wù)合理分配到Client端和Server端,降低了系統(tǒng)的通訊開銷,可以充分利用兩端硬件壞境的優(yōu)勢。Client/Server(客戶機/服務(wù)器能夠充分利用客戶機的運行能力,應(yīng)用服務(wù)器運行數(shù)據(jù)負荷較輕。目前大多數(shù)應(yīng)

10、用軟件系統(tǒng)都是Client Server形式的兩層結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中采用C/S構(gòu)架,具體實現(xiàn)的是選用C+ Builder的語言開發(fā)環(huán)境,開發(fā)了一套系統(tǒng),該系統(tǒng)主要具有兩大主要的功能模塊,即串口通訊和主機間通訊,可以實現(xiàn)以下3個功能:(1接受文件接收文件功能可以把數(shù)控機床的文件接收到本地,供再編輯和使用。該模塊首先打開串口,啟動串口監(jiān)視線程,對串口進行監(jiān)視,判斷是否有數(shù)據(jù)到達,若有,則讀取數(shù)據(jù),并保存到所接受到的數(shù)據(jù),直到接收到EOF字符為止,并存儲相關(guān)的功能描述以及數(shù)控機床編號等信息。(2發(fā)送文件發(fā)送文件功能模塊負責(zé)把數(shù)控文件發(fā)送到數(shù)控機床上。用戶在服務(wù)器界面選擇要發(fā)送的文件,設(shè)置要發(fā)送的數(shù)控機床

11、編號。在發(fā)送文件之前,通過串口對通信節(jié)點設(shè)備發(fā)送選擇數(shù)控機床命令,選擇成功之后,計算機與選定的機床將建立通信鏈路;計算機發(fā)送一個字符,數(shù)控機床進行接收,直至文件結(jié)束,結(jié)束傳輸。(3主機間通訊客戶端程序通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端程序相連,可以使數(shù)控機床操作者在局域網(wǎng)的其它客戶端上編寫數(shù)控機床命令文件;用戶可以在客戶端編寫數(shù)控文件,可以設(shè)置作者、功能、機床編號等描述信息,然后上傳給服務(wù)端計算機,即可在服務(wù)器界面進行管理,最后通過發(fā)送文件功能發(fā)給數(shù)控機床。機械2007年第2期 總第34卷計算機應(yīng)用技術(shù)·37·系統(tǒng)串口通訊以及主機間通訊這兩個模塊的流程圖如圖3、圖4所示。圖3 主機通訊模塊

12、流程圖 圖4 串口通訊模塊流程圖3 應(yīng)用實例本系統(tǒng)由4臺三菱公司的E-60數(shù)控機床和一臺三菱公司的M-64數(shù)控機床組成,這幾臺設(shè)備都具有標準的RS232串口通訊接口,本文提出的數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)方案已成功的將這幾臺數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)了對異構(gòu)DNC機床的分布式控制和集中管理,成功地實現(xiàn)了數(shù)控加工程序的實時、快速、安全傳輸,以及數(shù)控機床的集成化管理。4 結(jié)語基于工業(yè)以太網(wǎng)的DNC系統(tǒng)能使車間乃至整個企業(yè)的信息網(wǎng)與DNC通信網(wǎng)絡(luò)互連,實現(xiàn)全車間信息的完整性、通透性、一致性。本文通過采用基于以太網(wǎng)的DNC技術(shù),將具備標準串口通訊的數(shù)控設(shè)備連入DNC網(wǎng)絡(luò),設(shè)備層與上位機互通,實現(xiàn)了對異構(gòu)DNC機床的分布式控制

13、和集中管理,以及數(shù)控加工程序的實時、快速、安全的傳輸。由于工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)場控制發(fā)展的趨勢,以此技 術(shù)實現(xiàn)的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能可靠,易于在企業(yè)中推廣和應(yīng)用,具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻:1 吳飛,吳華春,江征風(fēng). 基于以太網(wǎng)的DNC系統(tǒng)的應(yīng)用研究J. 機械工程與自動化,2005,(2:4-6.2 唐華. JCSDNC 數(shù)控車間綜合數(shù)據(jù)交換平臺J.CAD/CAM與制造業(yè)信息化.3 蔡理,陸啟建. 基于以太網(wǎng)的數(shù)控機床集成系統(tǒng)J. 制造業(yè)信息化,2003,(11:69-71.4 吳文秀,吳修德. 基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)J. 石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報,2005,(6:803-806.5 賴興余,李偉光,葉邦彥. 基于現(xiàn)場總線的開放式網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)研究J. 組合機床與自動化加工技術(shù),2004,(3:40-42.2 結(jié)論每個企業(yè)都有自己的設(shè)計制造習(xí)慣,此軟件并不能完全滿足工作的需要,但在眾多三維建模軟件中,它的優(yōu)勢也是非常明顯的。易學(xué)易用操作簡單,在SolidWorks軟件中可以進行機械表產(chǎn)品的模擬裝配以獲得整機或部件的三維實體,建立充分而完整的設(shè)計數(shù)據(jù)庫,在此基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品質(zhì)量特性分析、零部件間的干涉檢查、自動創(chuàng)建二維工程圖、機構(gòu)運動仿真、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元分析