基于網(wǎng)絡DNC的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的研究與應用說明書

1、基于網(wǎng)絡 DNC 的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的研究與應用摘要隨著信息技術的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡應用的普及，當今世界經濟全球化使社會進入網(wǎng)絡經濟時代，推動著制造業(yè)向網(wǎng)絡制造方向發(fā)展，本文針對數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)方案及實現(xiàn)技術進行了詳細地研究，構建了基于網(wǎng)絡 DNC 通信的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)并得到初步應用。本文闡述分布數(shù)字控制（DNC）系統(tǒng)的概念、分析比較了國內外的 DNC 技術， 針對國內制造企業(yè)數(shù)控機床的特點，闡明了實施 DNC 的重要性，并以串口通信、局域網(wǎng)（有線/無線）、數(shù)據(jù)庫等技術為基礎，針對安徽工業(yè)大學工程實踐與創(chuàng)新教育中心的數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)需求和分布的具體特點，通過軟硬件的整合設計了基于網(wǎng)絡 DNC 通訊的數(shù)控機床的

2、聯(lián)網(wǎng)方案，為用戶提供了便捷的數(shù)控加工程序的數(shù)據(jù)傳輸工具，初步實現(xiàn)數(shù)控機床加工的網(wǎng)絡制造過程，為學校培養(yǎng)網(wǎng)絡制造人才提供了一個良好的平臺，同時為制造企業(yè)探索了構建網(wǎng)絡制造系統(tǒng)提供了一個范例。本文構建了數(shù)控機床網(wǎng)絡 DNC 的硬件平臺，以 DNC 服務器為主體、網(wǎng)絡交換機（有線/無線）為通訊設備，采用串口服務器為串口機床聯(lián)網(wǎng)媒介、兼顧網(wǎng)口機床，針對各類數(shù)控機床不同的數(shù)控系統(tǒng)進行相關參數(shù)設定，制作機床連接線， 保證每臺機床均可接入系統(tǒng)。本文構建了數(shù)控機床網(wǎng)絡 DNC 的軟件平臺，以 WINDOWS2003 為平臺、SQL sever2000 為數(shù)據(jù)庫、Visual C+為開發(fā)工具采用模塊化、集成化的

3、理念，提出了基于網(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的六個功能模塊，并給出部分功能模塊的運行實例。通過軸類零件、浮雕作品等具體實例，通過網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)從設計到加工完成的整個網(wǎng)絡制造流程，驗證該系統(tǒng)的應用性和穩(wěn)定性。關鍵詞：網(wǎng)絡制造分布數(shù)字控制數(shù)控機床串口通信網(wǎng)絡通信IIAbstractWith the development of information technology and the popularity of network applications, the world economic globalization makes the society entered

4、the era of network economy, promote manufacturing to network manufacturing direction, were studied in detail based on the CNC Networking Scheme and realizes the technique of network manufacturing system, network communication based on DNC and preliminary application.In this paper, analysis of DNC sy

5、stem concept, the comparisons between domestic and foreign DNC technology, according to the characteristics of NC machine tool manufacturing enterprise in China, and illustrates the importance of the implementation of DNC, and the serial communication, local area network ( wired and wireless ), data

6、base technology as the foundation, the specific characteristics of demand for networking and distribution for NC machine center of Anhui University of Technology engineering practice and the innovation of education, through the integration of software and hardware design of the network scheme of CNC

7、 machine tools based on DNC communication network, provides data transmission tool of NC program and convenient for the user, preliminary implementation of NC machine tool network manufacturing process, provides a good platform for the school training network manufacturing personnel, at the same tim

8、e for the manufacturing enterprises to explore the provides an example of constructing the network manufacturing system.This paper constructs the CNC machine network hardware platform of DNC, with DNC server as the main body, the network switch (wired and wireless) communication equipment, using ser

9、ial servers for serial machine network media, both the net mouth machine, the NC system of NC machine tool in various different parameters setting, making machine connecting line, ensure every the machine can access system.This paper constructs the software platform of NC machine tool network DNC, t

10、aking WINDOWS2003 as the platform, SQL sever2000 as database, Visual C+ as development tool using modular, integrated concept, put forward six function modules of DNC communication network based on network manufacturing system, and gives examples of some functional modules.Through the shaft parts, r

11、elief work in specific cases, through the network of DNC platform, from design to finished the whole network manufacturing process, verify the application of the system and stability.Keywords: network manufacturingDNCnumerical control machine Serial communicationnetwork communication目錄6中文摘要IIAbstrac

12、tIII第一章緒論11.1 先進制造技術與網(wǎng)絡制造11.1.1 先進制造技術11.1.2 網(wǎng)絡制造21.2 數(shù)控技術31.2.1 數(shù)控技術的概念31.2.2 數(shù)控機床的組成31.3 DNC 技術41.4 本課題的研究背景與意義和主要研究內容41.4.1 本課題的研究背景與意義41.4.2 本課題的主要研究內容4第二章網(wǎng)絡DNC 通訊系統(tǒng)的總體方案設計62.1 網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)的基本要求62.2 數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)存在的問題62.3 幾種基本的 DNC 系統(tǒng)的通信方案72.3.1 點對點通信技術72.3.2 現(xiàn)場總線通信技術82.3.3 局域網(wǎng)通信技術92.4 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)的總體結構方

13、案102.5 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)的實施方案132.5.1 機床聯(lián)網(wǎng)的需求分析132.5.2 機床聯(lián)網(wǎng)方案的構建142.6 本章小結14第三章網(wǎng)絡DNC 通訊系統(tǒng)硬件結構設計與應用153.1 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)主要硬件技術概述153.2 串行通信153.2.1 基本概念153.2.2 系統(tǒng)硬件條件與選擇173.2.3 硬件的連接、參數(shù)設置及傳輸機制193.3 網(wǎng)絡通信223.3.1 無線局域網(wǎng)的構建223.3.2 無線局域網(wǎng)的設備及安裝233.3.3 無線局域網(wǎng)的設備參數(shù)的設置233.4 網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)的硬件連接及測試27第四章網(wǎng)絡DNC 通訊系統(tǒng)軟件模塊的設計與應用284.1

14、網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)軟件功能模塊設計284.2 軟件開發(fā)平臺的選擇294.3 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)294.3.1 DNC 系統(tǒng)配置模塊294.3.2 數(shù)控加工程序（文件）管理模塊304.3.3 DNC 系統(tǒng)通信模塊30第五章 基于網(wǎng)絡 DNC 通信的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的設計及實例345.1 基于網(wǎng)絡DNC 通信的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的框架345.2 運用基于網(wǎng)絡DNC 通信的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)完成零件制造的實例.355.2.1 數(shù)控車床的網(wǎng)絡制造實例355.2.2 快速成型網(wǎng)絡制造實例39第六章小結與展望42參 考 文 獻44致謝46第一章緒論制造業(yè)是國民經濟發(fā)展的重要支柱，是一個國家工業(yè)發(fā)展的基礎

15、與核心， 也是一個國家工業(yè)化水平和國際競爭力的重要體現(xiàn)1。制造業(yè)誕生于 18 世紀后期，經歷二百余年的發(fā)展，極大地促進了生產力的提高和經濟的發(fā)展，有著堅實的技術基礎、也積累了寶貴的經驗，并且已經具有相當大的規(guī)模，但現(xiàn)代社會發(fā)展之間的矛盾也日益顯現(xiàn)：首先，傳統(tǒng)制造行業(yè)產業(yè)結構形式較低，“兩高”（高能耗、高污染）和“兩低”（低技術含量、低產品附加值）的制造模式，不能滿足經濟社會發(fā)展的需要；其次，制造企業(yè)面對現(xiàn)代社會靈活多變的市場需求，在硬件條件、人才和資金等諸多方面經受著比以往更加嚴峻的挑戰(zhàn)； 另外，制造業(yè)需要不斷地消化和吸收以信息化為代表的先進制造技術、摒棄落后的制造技術，使其在市場經濟條件下獲

16、得更大的競爭優(yōu)勢。先進制造技術引領著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向，其發(fā)展的水準很大程度上反映出一個國家現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的水平。1.1 先進制造技術與網(wǎng)絡制造1.1.1 先進制造技術先進制造技術起源于 20 世紀 80 年代末，將傳統(tǒng)的制造技術融合機械、自動化、材料、信息與現(xiàn)代管理技術為一體，滲透到產品的整個生命周期（包括研究、生產、市場、售后等），從而取得顯著社會和經濟效益的綜合技術2。先進制造技術的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在集成化、柔性化、全球化、網(wǎng)絡化、綠色化等幾個方面3。先進制造技術初步形成了以提高競爭能力為目標、以高新技術為主要內容的三個層次體系結構，如圖 1-1 所示，其內涵與特征，如表 1-1 所示。

17、76圖 1-1先進制造技術三層次體系結構表 1-1 先進制造技術三層次體系結構的內涵與特征層次內涵特征層次一基礎制造技術層次二新型的制造單元技術層次三先進制造集成技術在生產實踐中經濟實用的技術如機械加工、成型加工等，經過工藝優(yōu)化和技術創(chuàng)新而形成的優(yōu)質、高效、低耗、清潔的制造技術。融合基礎技術和信息技術、新能源等相結合形成的新 的制造單元技術，如質量與可靠性、并行工程、制造 資源規(guī)劃、柔性與可靠性等。運用信息技術（網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫等）手段實現(xiàn)管理科學 與制造技術集成，形成 CIMS 等，滿足現(xiàn)代社會的需求的。1.1.2 網(wǎng)絡制造隨著信息技術與網(wǎng)絡技術發(fā)展，特別是 Internet 應用的普及，在網(wǎng)絡

18、經濟這個時代的消費者可以在全球范圍內快速地得到個性化和多樣化的消費產品，諸如網(wǎng)絡購物、網(wǎng)上培訓等逐步改變了人們的生活，制造行業(yè)的外部環(huán)境則發(fā)生了本質的變化，企業(yè)直接面對全球性的技術、市場、人力等多方面的競爭，傳統(tǒng)的以產品為特征、區(qū)域經濟為主導的資源相對集中的組織結構雖然仍具有性價比的優(yōu)勢，但是面對快速多變（諸如多品種、小批量、快速生產等）的個性化市場需求，跨區(qū)域的生產與經營活動越來越多，迫切地需求具有快速響應機制的網(wǎng)絡制造模式進行制造和再制造的過程，通過不斷更新產品提升技術與服務的含金量45。網(wǎng)絡制造從廣義上看是企業(yè)利用計算機網(wǎng)絡深入生產經營活動的各個環(huán)節(jié)，諸如充分挖掘市場信息、尋求合作伙伴進

19、行項目的研究和開發(fā)、產品的設計與制造，建立分銷網(wǎng)絡、在線客服等，充分利用資源共享平臺實現(xiàn)跨地域協(xié)同設計制造和遠程監(jiān)控與服務能力，從而提高企業(yè)的快速響應和應變能力。網(wǎng)絡制造狹義上是指企業(yè)內部的各部門如設計、生產、銷售等部門在網(wǎng)絡系統(tǒng)的支持下的信息化集成，形成若干技術群以解決信息交互機制6，其信息模型如圖 1-2 所示 。圖 1-2網(wǎng)絡制造模式的信息模型圖1.2 數(shù)控技術1.2.1 數(shù)控技術的概念數(shù)控即數(shù)值控制“用數(shù)值數(shù)據(jù)的控制裝置，在運行過程中，不斷地引入數(shù)值數(shù)據(jù)，從而對某一生產過程實現(xiàn)自動控制”(GB8129-1997)。數(shù)控技術在工控與測量、理化實驗和分析、物質和信息傳遞等領域都有廣泛應用，

20、而狹義的數(shù)控一般指機床數(shù)控技術，即“用數(shù)字化信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法”（GB8129-87）,就是用數(shù)字、字母、符號等數(shù)字信息對機床工作過程進行可編程自動控制的一門技術7。1.2.2 數(shù)控機床的組成數(shù)控機床即裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床，涉及的機床種類眾多，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控線切割機床、數(shù)控折彎機、快速成型機等，但其最基本的組成為計算機數(shù)控系統(tǒng)和機床本體兩大系統(tǒng)組成，如圖 1-3 所示。PLC主軸伺服單元主軸驅動裝置圖 1-3 數(shù)控機床的組成1.3 DNC 技術DNC 是一個為按要求向各臺機床分配數(shù)據(jù)，并將一組數(shù)控機床與存儲零件程序或機床程序的公用存儲器連接起來的系

21、統(tǒng)9。隨著網(wǎng)絡制造技術的不斷發(fā)展，DNC 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有：（1） 開放性，使 DNC 系統(tǒng)能夠盡量多的支持數(shù)控機床及其他相關設備， 使資源信息得到進一步的共享，開發(fā)方便；（2） 集成性，將制造設備與上層的制造資源集成起來，從設計到制造之間高度集成，實現(xiàn)制造設備的集中管理，是車間自動化的重要模式；（3） 網(wǎng)絡化，充分利用計算機網(wǎng)絡的優(yōu)勢，將網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的最基本單元數(shù)控機床連接起來，是實現(xiàn) CAD/CAPP/CAM 一體化的重要組成部分，也是實現(xiàn)現(xiàn)代化制造車間與信息化網(wǎng)絡間的紐帶，共享制造資源，實現(xiàn)全球化的網(wǎng)絡制造。1.4 本課題的研究背景與意義和主要研究內容1.4.1 本課題的研究背景與意

22、義隨著企業(yè)信息化建設的不斷深入發(fā)展， ERP、PDM 、CAD/CAPP/CAM 等多種先進制造及管理技術的綜合應用局限于等企業(yè)信息化的上層部分。數(shù)控機床作為最底層加工設備，其單機管理模式成為制約企業(yè)信息化的瓶頸。數(shù)控機床使用網(wǎng)絡式 DNC 技術對數(shù)控設備群進行管理，有效地解決數(shù)控加工信息的傳輸與管理問題，是完善企業(yè)信息化建設的重要環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)建立的目的就是利用計算機網(wǎng)絡將每臺數(shù)控裝備連接起來，與其他的技術集群結合起來構成完整的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)。1.4.2 本課題的主要研究內容本課題通過對先進制造技術與網(wǎng)絡制造、數(shù)控技術和 DNC 技術現(xiàn)狀和發(fā)展研究，提出構建一個基于網(wǎng)絡 DNC

23、通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)，針對安徽工業(yè)大學工程實踐與創(chuàng)新教育中心的數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)需求和分布的具體特點，通過軟硬件的整合設計了基于網(wǎng)絡DNC 通訊的數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)方案，為用戶提供了便捷的數(shù)控加工程序的數(shù)據(jù)傳輸工具，初步實現(xiàn)數(shù)控機床加工的網(wǎng)絡制造過程，為更大范圍的先進制造系統(tǒng)提供最基礎的保障。具體做了以下工作：（1） 在分析網(wǎng)絡制造在先進制造技術中的意義，探討了數(shù)控技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，剖析現(xiàn)有 DNC 系統(tǒng)的優(yōu)缺點的基礎上，結合中心的實際情況設計了網(wǎng)絡 DNC 通訊的數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)方案，完成中心數(shù)控機床網(wǎng)絡化建設，使數(shù)控機床能通過與 DNC 服務器的聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)通訊、再由 DNC 服務器與局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的客

24、戶機實現(xiàn)通訊。（2） 本文著重研究了以串口服務器、計算機網(wǎng)絡（有線/無線）為主要設備的網(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的硬件平臺，剖析了串口服務器的設計原理、工作過程和系統(tǒng)配置等，使其能與 DNC 服務器和串口數(shù)控機床相匹配，研究了網(wǎng)絡構架的硬件設備（網(wǎng)卡、交換機、無線 ap 等）和連接方法，使其能構建了一個可以適應靈活多變的數(shù)控機床網(wǎng)絡 DNC 的硬件平臺。（3） 本文著重研究了以 WINDOWS2003 為平臺、SQL sever2000 為數(shù)據(jù)庫、以 Visual C+為開發(fā)工具的網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)的軟件平臺，采用模塊化、集成化的理念，提出了基于網(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)的六個

25、功能模塊，并給出部分功能模塊的運行實例。第二章網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)的總體方案設計2.1 網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)的基本要求網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)是工業(yè)產品全數(shù)字化生產中重要組成部分，它直接針對最基礎的制造單元信息立足于現(xiàn)場的每臺數(shù)控設備，以網(wǎng)絡信息高速公路紐帶， 將不同的單元融合為一個整體，更強調了信息的協(xié)作共享和信息管理集成統(tǒng)一?；诰W(wǎng)絡制造系統(tǒng)對網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)的內在要求，即該系統(tǒng)應當具備的四個基本功能：（1） 數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)通信（數(shù)控加工程序的上傳與下載）；（2） 數(shù)控程序的存儲與管理18；（3） 數(shù)據(jù)共享和實時監(jiān)控19；（4） 支持跨平臺操作。企業(yè)網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)對外在要求

26、體現(xiàn)在三個方面要求20：（1） 可靠性高和穩(wěn)定性好：系統(tǒng)抗干擾能力好、查錯糾正水平高使數(shù)據(jù)信息傳遞能準確無誤，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好，能夠適應短時間內大量數(shù)據(jù)傳輸和長期使用的需求，系統(tǒng)故障率低、維護簡單方便；（2） 集成性高和兼容性好：由于系統(tǒng)內的設備種類多樣性且集成性要求高，系統(tǒng)必須是開放的且支持跨平臺的操作，允許多用戶同時操作，方便 DNC 設備的集中管理和信息共享；（3） 區(qū)域廣：DNC 與機床通訊的距離滿足車間的需要，并留有擴充的余地。2.2 數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)存在的問題綜合各方面因素，每個制造企業(yè)都同時擁有不同廠家在不同時期生產的各類不同類型和檔次的機床，存在多種型號機床共存的生產特點，由于機床

27、的數(shù)控系統(tǒng)大相徑庭，造成機床聯(lián)網(wǎng)的相對復雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1)通訊接口類型多、通信協(xié)議繁雜(2)機床布局與數(shù)據(jù)傳輸矛盾 (3）操作人性化2.3 幾種基本的 DNC 系統(tǒng)的通信方案常見的 DNC 系統(tǒng)通信技術主要有三種：點對點通信技術、現(xiàn)場總線通信技術、局域網(wǎng)通信技術21。2.3.1 點對點通信技術點對點通信方式是 DNC 系統(tǒng)拓撲結構中最簡單的方式，如圖 2-1 所示，即一臺計算機和一臺數(shù)控機床通過通信線纜直接相連并進行信息交換的方式。這種方式具有優(yōu)點主要有：簡單直接、技術要求低，各設備之間相對獨立互不影響、穩(wěn)定可靠，計算機與數(shù)控機床距離很近（由于 RS232 通信線纜限制，一般&

28、lt;15M），數(shù)控程序傳遞非常直觀（尤其在較大程序自動分段邊傳遞邊加工時）， 其不足主要是：各設備間沒有相互聯(lián)系，不能實現(xiàn)多設備的集中控制和信息共享（只能借助磁盤交換程序等數(shù)據(jù)信息），必須為每臺數(shù)控設備配備一臺計算機，投入成本高且不利于車間現(xiàn)場的管理22。點對點通信方式的一種變形形式是用一臺計算機和一條通信線攬分別于多臺數(shù)控機床連接進行數(shù)據(jù)傳輸間接實現(xiàn)“一對多”的方式,如圖 2-2 所示，這種方式不能從根本上解決點對點方式的缺點，當需要傳遞數(shù)據(jù)時就將通信線纜臨時連接到相應數(shù)控機床的通信接口上, 這種方式通信成本最低，對于偶爾需要用 DNC 交換信息的場合比較適宜，最大的缺陷是通信接口由于插拔

29、頻繁易造成接觸不良等損壞。圖 2-1 計算機與數(shù)控機床點對點連接圖 2-2 計算機與多臺數(shù)控機床點對點連接為了解決上述點對點方式的拓撲結構的缺點，發(fā)展了點對點方式的拓撲結構，主要有以下三種方式：（1）在工控計算機上增加多串口通信卡23，使計算機實現(xiàn)提供的串口數(shù)量倍增，每臺數(shù)控機床直接與多串口通信卡提供的串口圖 2-3 基于多串口卡的點對點連接圖 2-4 基于采集通信卡的點對點連接相連接，如圖 2-3 所示，這種結構方式容易實現(xiàn)，但由于數(shù)控機床連接的數(shù)量受接在計算機上的串口數(shù)的限制不能接入太多（一般<8 臺）和受 RS232 通信線纜傳遞信息能力的影響傳遞距離不大（一般<15m)的雙

30、重限制，這種方式擴展性能不佳、并未解決較遠距離的傳輸問題；（2）在工控計算機上安裝采集通信卡，在機床與計算機之間安裝 RS485/RS232 轉換器24，從而實現(xiàn)多臺數(shù)控機床的連接（<32 臺）和解決較遠距離數(shù)據(jù)的傳輸問題，但是計算機與機床接口協(xié)議轉換較為困難，擴展性能有限，且限制了這種方式的應用；（3）利用多串口通信服務器（串口集線器、串口 HUB）來實現(xiàn)，其結構如圖 2-5 所示，串口通信服務器一方面通過 RJ45 網(wǎng)絡接口與 DNC 主機連接，另一方面通過每個串行接口與每臺數(shù)控機床連接，通過計算機軟件和串口通信服務器的信息交換實現(xiàn)對每臺數(shù)控設備的通信，這種方式適合規(guī)模較小的 DNC

31、 系統(tǒng)。市場上出現(xiàn)相關產品， 如 MOXA 公司的型號為 NPort 5610 產品可讓 16 個 RS232 串口設備聯(lián)網(wǎng)，Can Higher 公司型號為 NC632 產品提供了多達 32 個 RS232/RS422/RS485 接口。圖 2-5 基于多串口服務器的點對點連接2.3.2 現(xiàn)場總線通信技術現(xiàn)場總線(Field Bus)是在控制室中的計算機與制造現(xiàn)場設備之間建立的一種智能化遠程 I/O 控制系統(tǒng)25，該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡拓撲結構為總線形，即用現(xiàn)場總線將所有擬控制設備連接在一起，如圖 2-6 所示。圖 2-6 基于 CAN 總線的連接的 DNC 技術2.3.3 局域網(wǎng)通信技術局域網(wǎng)通信

32、技術是指利用局域網(wǎng)技術通過通用的通信介質（如雙絞線等）， 將分散的數(shù)控機床和計算機作為整個網(wǎng)絡的每個節(jié)點通過星型或樹型的拓撲結構相互聯(lián)接起來，構成整個 DNC 局域網(wǎng)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)各節(jié)點間遠距離通信（傳輸距離>100m）,同時可以通過增加網(wǎng)絡交換器無線量地擴展傳遞距離。目前 DNC 系統(tǒng)中常見的局域網(wǎng)主要是標準工業(yè)局域網(wǎng)絡的協(xié)議 MAP 和因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議TCP/IP 兩種方式：（1） MAP 協(xié)議將總線技術、寬帶技術和無源工作站融為一體，將在制造現(xiàn)場環(huán)境下將各種數(shù)控化設備（實現(xiàn)機床數(shù)控系統(tǒng)、可編程控制器、工業(yè)機器人等）有機管理起來,滿足自動化生產的需要28。由于采用開放系統(tǒng)完整網(wǎng)絡互聯(lián)的

33、 IS0 七層模型，實現(xiàn)數(shù)控設備通過 DNC 系統(tǒng)與控制計算機之間的通信，但網(wǎng)絡存取困難、傳輸效率低、實時性較差，不太適宜數(shù)控加工時較大數(shù)控程序的實時傳輸，此外需提供專門的 MAP 接口，開發(fā)復雜成本較高，僅有少數(shù)機床此接口如 FUNAC 18I，使得在老舊機床實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)應用此技術實現(xiàn) DNC 可能性較小， 這種技術在數(shù)控機床的網(wǎng)路 DNC 應用較少。（2） TCP/IP 協(xié)議即因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，電子設備需要連入互聯(lián)網(wǎng)必須得到該協(xié)議的支持，通過以太網(wǎng)接口即可使數(shù)控機床成功接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，隨著以太網(wǎng)技術的日益發(fā)展成熟，其性能已十分完善，數(shù)據(jù)傳輸速度從 10M 發(fā)展到了萬兆，無線網(wǎng)絡（WLAN）技

34、術出現(xiàn)和發(fā)展更是拓展了應用空間，利用該協(xié)議實現(xiàn)數(shù)控加工文件傳輸速度快、穩(wěn)定性好、實時性好，特別是開放性的網(wǎng)絡可以輕松實現(xiàn)與 CAD/CAM/CAPP 的集成，進而可以與上游的車間自動化和辦公自動化無縫對接，形成完整的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)，這是目前發(fā)展的主流方向。圖 2-7 基于局域網(wǎng)技術的 DNC 技術鑒于在我國企業(yè)正在使用的數(shù)控機床絕大所數(shù)只具備串口通信的能力且接口標準不一、部分機床具備 RJ45 機床網(wǎng)口的現(xiàn)實情況，本文提出了一種更具有通用性、透明性且成本較低易于實現(xiàn)的網(wǎng)絡 DNC 通信技術，即采用以串口服務器將串口機床連入車間局域網(wǎng)、網(wǎng)口機床直接接入車間局域網(wǎng)，通過網(wǎng)絡 DNC 服務器企業(yè)局域網(wǎng)

35、相聯(lián)系，直接或間接連入 INTENET，如圖 2-7 所示，與其他各種先進制造技術相融合組成網(wǎng)絡制造系統(tǒng)。2.4 網(wǎng)絡DNC 通訊系統(tǒng)的總體結構方案我國數(shù)控機床大多具備串口的主要現(xiàn)狀，我們采用單串口服務器作為數(shù)控機床聯(lián)入網(wǎng)絡 DNC 系統(tǒng)的媒介，實現(xiàn)理論上任意多臺數(shù)控設備與以太網(wǎng)的聯(lián)接（實際上受網(wǎng)關、協(xié)議、帶寬等多方面因素的限制），已具備網(wǎng)口的數(shù)控機床可以接入機床局域網(wǎng)或者直接接入以太網(wǎng)，實現(xiàn)與企業(yè)其他先進制造技術網(wǎng)上共享，在企業(yè)整個內部局域網(wǎng)的每臺計算機都可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡中某臺數(shù)控機床（群）的控制，通過企業(yè)防火墻將企業(yè)內聯(lián)網(wǎng)（Intranet）與因特網(wǎng)（Internet） 相連接，將企業(yè)的網(wǎng)絡

36、制造空間范圍衍生到可以上網(wǎng)的每個角落?；诰W(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)總體設計方案，如圖 2-8 所示，其中，A 區(qū)域為企業(yè)內部以設計及管理為主要內涵的網(wǎng)絡制造管理系統(tǒng)，B 區(qū)域為網(wǎng)絡DNC 通訊系統(tǒng)，C 區(qū)域為空間范圍上企業(yè)外部的用戶端（有管理權限的員工，使用遠程控制，實現(xiàn)了更大范圍內的網(wǎng)絡制造）。圖 2-8 基于網(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造模式總體設計方案網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)中，我們分類列舉了兩種網(wǎng)絡通信方式：B1 即有線網(wǎng)絡方式，即每臺數(shù)控設備均用網(wǎng)絡線與交換機相連接，選擇這種方式在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性上有較大的優(yōu)勢，但是需單獨布置網(wǎng)絡線（1 根/臺）、標記好端口與機床的對應關系以

37、便檢驗，但是對于未設計網(wǎng)絡布線的已建成廠房施工工作量大、安裝管理不便；B2 即無線網(wǎng)絡方式，通過無線路由器（或無線 AP）建立一個無線局域網(wǎng)，在每臺數(shù)控設備上安裝無線 AP（或無線網(wǎng)卡、嵌入式 AP 等）用來與無線路由器建立信息傳遞通道，這種方式安裝最為簡單、穩(wěn)定性和表 2-1數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)方式序號類型機床接口使用設備輔材1有線RS232-C 串口專用串口服務器網(wǎng)線+RS232 線2方式RS422/485 串口專用串口服務器網(wǎng)線+ RS422/485 線3RJ45 網(wǎng)口無網(wǎng)線直連機床45無線RJ45 網(wǎng)口無線 AP連接機床網(wǎng)線RJ45 網(wǎng)口（window 系統(tǒng)）無線網(wǎng)卡無帶 AP 模塊的RS23

38、2-C（RS422/485）串口方式6RS232-C（RS422/485）串口專用串口服務器無線 AP專用串口服務器RS232（RS422/485）線RS232（RS422/485）線可靠性具有良好地保障，特別適用于車間快速組網(wǎng)。這兩種方式可以在網(wǎng)絡中并存，并且可以繼續(xù)拓展，即整個系統(tǒng)中可以有若干了有限網(wǎng)絡通信和無線網(wǎng)絡通信數(shù)控機床群，根據(jù)每個數(shù)控機床的接口不同信息點的接入也不完全相同， 其主要的聯(lián)接方式構建方法主要有以下幾種，如表 2-1 所示。圖 2-9 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)的分層管理網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)由設備層、通信層、服務層和用戶層等四個層次組成， 如圖 2-9 所示，其對應的作用

39、及功能如表 2-2 所示，可見服務層和通信層是實現(xiàn)用戶與數(shù)控機床設備間進行人機交互的重要橋梁，是構建安全、穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡 DNC 通信系統(tǒng)設計的關鍵所在。表 2-2 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)分層管理的功能序號名稱主要功能1 用戶層技術人員等通過計算機訪問服務層，查詢機床設備、程序等信息， 并發(fā)布相應的指令2 服務層3 通信層數(shù)控信息集成管理平臺，接受指令用戶指令發(fā)送給通信層，接受 通信層的反饋回的數(shù)控機床實時信息數(shù)控機床通信的平臺，是服務層和設備層的紐帶，即接受服務層 指令數(shù)據(jù)傳遞到設備層，采集設備層數(shù)據(jù)發(fā)送給服務層，實現(xiàn)數(shù) 控機床與管理系統(tǒng)間的信息交互。4 設備層數(shù)控機床等數(shù)控設備的聯(lián)網(wǎng)信息

40、節(jié)點基于網(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)有以下幾個特點：（1） 在網(wǎng)絡化環(huán)境下克服了以往 DNC 的“局限性”；（2） 集成各種數(shù)控設備，減少了信息通信節(jié)點，大大降低系統(tǒng)的配置、運行和維護等成本；（3） 取代大量的人工操作，使得準確性和工作效率等方面都有了較大的提高；（4） 監(jiān)測并實時反饋現(xiàn)場的數(shù)控機床運行信息，有效地保障整個系統(tǒng)安全可靠；（5） 開放式的網(wǎng)絡信息管理，為遠程網(wǎng)絡制造提供技術支持與保障。2.5 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)的實施方案2.5.1 機床聯(lián)網(wǎng)的需求分析安工大工創(chuàng)中心現(xiàn)有數(shù)控機床 44 臺，通過改造后可聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機床 38 臺（有 3 臺機床因系統(tǒng)原因不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)），其中數(shù)控

41、車床 15 臺、數(shù)控銑床 7 臺（含雕銑機 1 臺）、加工中心 3 臺（含雕銑中心 1 臺）、車削中心 1 臺、數(shù)控線切機 6 臺、快速成型機 4 臺、三維掃描儀 1 臺、激光雕刻機 1 臺、線路板雕刻機 1 臺、平面雕刻機 1 臺、數(shù)控沖床 1 臺，數(shù)控機床信息統(tǒng)計(機床的數(shù)控系統(tǒng)、接口、軟件平臺和分布)如表 2-3 所示；表 2-3 數(shù)控機床信息統(tǒng)計一覽表序號機床類型數(shù)控系統(tǒng)接口類型數(shù)量分布1西門子 SINUMERIK 802SBLRS232-C32數(shù)控車床西門子 SINUMERIK 802CBLRS232-C7A 車間 a 區(qū)域3SKY2003N（window2000 平臺）網(wǎng)口54西門

42、子 SINUMERIK 802SBLRS232-C15數(shù)控銑床西門子 SINUMERIK 802CBLRS232-C5A 車間 b 區(qū)域6SKY2003N（window2000 平臺）網(wǎng)口178 加工中心西門子 SINUMERIK 802DRS232-C1SKY2003N（window2000 平臺）網(wǎng)口1A 車間 b 區(qū)域9 FUNAC OIRS232-C1A 車間 d 區(qū)域線切割機A 車間c 區(qū)域11YH（改造為 win98 平臺）網(wǎng)口112車削中心FUNAC OIRS232/網(wǎng)口1A 車間 d 區(qū)域13快速成型機（window XP 平臺）網(wǎng)口414三維掃描機（window XP 平臺）

43、網(wǎng)口B 車間110 HF(WINDOW98 平臺)網(wǎng)口515線路板雕刻機（window XP 平臺）網(wǎng)口116平面雕刻機（windowXP 平臺）網(wǎng)口1C 車間17激光雕刻機（windowXP 平臺）網(wǎng)口118數(shù)控沖床（windowXP 平臺）網(wǎng)口1D 車間2.5.2 機床聯(lián)網(wǎng)方案的構建根據(jù)設備接口和環(huán)境分布的實際情況，結合其他制造資源的分布及上層網(wǎng)絡結構的特征，我們設計了機床聯(lián)網(wǎng)方案，如圖 2-10 所示。圖 2-10 安工大工創(chuàng)中心數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)方案2.6 本章小結本章通過分析機床通信聯(lián)網(wǎng)通信的基本要求、存在的問題及幾種主要的通信方案，在此基礎上提出了通用性好、成本低且易于實現(xiàn)的一種網(wǎng)絡 D

44、NC 通信技術，構建了企業(yè)基于網(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)總體設計方案，針對我中心的機床聯(lián)網(wǎng)的實際需求制定了機床的聯(lián)網(wǎng)方案。第三章網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)硬件結構設計與應用3.1 網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)主要硬件技術概述構建網(wǎng)絡 DNC 通訊的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)所需的硬件條件和基本要求主要有以下四個方面：（1） DNC 服務器是實現(xiàn) DNC 通訊模塊和管理模塊的基礎平臺，是整個系統(tǒng)中最核心的設備，需要選擇較高性能服務器來承擔，在實踐中我們選擇的服務器配置為：INTEL 至強 2.4G 處理器、4G 服務器內存、4*500G 硬盤、雙網(wǎng)卡等。（2） 用戶端計算機是運行管理和通訊模塊的客戶端軟件的運行平

45、臺，可以選擇滿足系統(tǒng)要求的基本配置：1.0G 以上處理器、256M 以上內存、32G 以上硬盤、網(wǎng)卡等。（3） 數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出接口主要有串口和網(wǎng)口兩種，其中具備串行通信接口如 RS232-C 的數(shù)控機床占多數(shù)，這類機床不能像網(wǎng)口機床一樣直接接入網(wǎng)絡，需要通過轉換裝置（串口服務器）進行轉換，這是網(wǎng)絡 DNC 通訊系統(tǒng)硬件構建的核心內容之一。（4） 組建局域網(wǎng)(有線、無線)的網(wǎng)絡交換設備是聯(lián)系用戶端、DNC 服務器和數(shù)控機床的信息交換工具，是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的紐帶。3.2 串行通信3.2.1 基本概念串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度30

46、。1、通信協(xié)議美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定并發(fā)布的應用于工業(yè)通信領域的 RS-232、RS-422 和 RS-485 等串行通信技術標準，如表 3-1 所示，其中 RS-232C 成為工業(yè)通信中應用最廣泛的一種串行接口，大多數(shù)控機床均具備該標準接口。2、數(shù)據(jù)同步方式串行通信的數(shù)據(jù)同步方式分為同步通信和異步通信兩類，其中同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，要求發(fā)送和接收時鐘保持嚴格的同步，通訊效率較高；異步通信的數(shù)據(jù)以字符幀傳送的方式傳輸，發(fā)送端和接收端均可由獨立的時鐘控制而不需要保持時鐘同步，是現(xiàn)行數(shù)控機床上應用的主要串行通信方式31。表 3-1 串行通信技術標準與通訊性能通訊協(xié)議連接

47、特性通訊性能一種在低速率串行通信中RS-232RS-422增加通信距離的單端通信標準，采取不平衡傳輸方式平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性傳 輸 距 離 <15 米 ， 最 高 速 度20000bps，連接單臺設備傳輸距離>1000 米，最高速度 10 Mbps，速度與距離成反比，可連接 10 個設備，單向通信傳輸距離>1000 米，最高速度 10RS-485高電壓差分平衡傳輸3、數(shù)據(jù)流控制方式Mbps，速度與距離成反比，可連接 32 個設備多點，雙向通信數(shù)據(jù)流控制解決數(shù)據(jù)的傳輸過程中由于發(fā)送端和接收端信息處理速度的不同造成數(shù)據(jù)求實的情況來設計的，用于確保串行通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_

48、性，主要有包括數(shù)據(jù)緩沖和開關控制兩部分組成，硬件流控制和軟件流控制兩種方式。（1） 硬件流控制硬件流控制主要有“請求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)”和“數(shù)據(jù)終端就緒/ 數(shù)據(jù)設置就緒(DTR/DSR)”兩種方式，其中“RTS/CTS”方式如圖 3-1 所示：在兩端（發(fā)送端和接收端）的通信線纜上將 RTS 線和 CTS 線交叉連接來控制兩端的數(shù)據(jù)流，其機理是：在接收端緩沖區(qū)設置一個高位標志（約占總容量的 85%）和一個低位標志（約占總容量的 15%），當數(shù)據(jù)量位于低位時，接收端將 RTS 線置為高電平（邏輯 1）請求發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)量達到了高位時， 接收端將 CTS 線置為低電平（邏輯 0

49、），發(fā)送端停止發(fā)送數(shù)據(jù)，當下次收到接收端發(fā)送的RTS 的高平信號后繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，交替反復，直到正確完成數(shù)據(jù)傳輸結束。（2） 軟件流控制圖 3-1 硬件流控制的數(shù)據(jù)通訊規(guī)則軟件流控制主要是通過“繼續(xù)/停止（XON/XOFF）”來實現(xiàn)控制，如圖 3-2 所示，接收端接收的數(shù)據(jù)量達到高位時（約占緩沖區(qū)總容量的 85%）觸發(fā)“XOFF” 開關（低電平，邏輯 0）,接收端立即停止數(shù)據(jù)發(fā)送，當接收端的數(shù)據(jù)量降到低位時（約占緩沖區(qū)總容量的 85%）觸發(fā)“XON”開關（高電平，邏輯 1）,發(fā)送端繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，交替反復，直到正確完成數(shù)據(jù)傳輸結束。圖 3-2 軟件流控制的數(shù)據(jù)通訊規(guī)則3.2.2 系統(tǒng)硬件條件與選擇

50、1、串口服務器工作原理串口服務器作為一個外設可以安裝在數(shù)控機床上，用于對上通過 RJ45 接口連接以太網(wǎng)，對下通過 RS-232C 接口連接數(shù)控機床，無論是在本地還是遠程均可以方便地在串口和網(wǎng)絡設備中存取相關數(shù)據(jù)，其基本原理如圖 3-5 所示。可以使用通用的 RTL8039AS 或 RTL8139 等以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)32。圖 3-5 串口服務器通信的基本原理框圖圖 3-6串口服務器硬件結構示意圖2、串口服務器的選用（1） NC600 系列串口通訊服務器的基本情況NC600 系列串口通訊服務器按接口不同分為單串口服務器 NC601、通用性 2 串口服務器 NC602、4/8 口桌面型串口服務器

51、NC604/608、16/32 口機架型串口服務器 NC616/NC632，可以根據(jù)不同的網(wǎng)絡 DNC 系統(tǒng)的需求，選擇相應的規(guī)格型號。（2） 串口服務器的選擇在滿足基本需要的基礎上，為了保證整個 DNC 系統(tǒng)的結構簡單、安裝調試維護方便，我們選擇使用統(tǒng)一設備，即選擇 NC601 型“單串口服務器”作為數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)的信息單元。NC601 在串口、網(wǎng)口、軟件、電源、環(huán)境條件等多方面作了規(guī)定，如表 3-3 所示。表 3-3 NC601 型串口服務器的基本參數(shù)產品型號NC601處理器100M 32 位 ARM7內存8M串口串口類型RS232串口數(shù)接口類型1 個DB9 針波特率110 - 460800

52、bps通訊參數(shù)數(shù)據(jù)位：5/6/7/8校驗：None/Even/Odd/Space/Mark停止位：1，1.5，2流量控制RTS/CTS，XON/XOFF串口保護15KV ESD 保護網(wǎng)絡接口接口形式速率1 個 RJ45 口10/100M網(wǎng)口保護2KV 電磁隔離保護協(xié)議DHCP、Telnet，TCP、UDP、IP，ARP，ICMP操作模式Realport，socket操作系統(tǒng)Windows 98/ME/NT/2000/XP/2003配置方式Web browser、telnet console、串行 CONSOLE 口輸入電壓5V DC 2A電源電源功耗310mA5V接線形式接線端子環(huán)境條件工作溫

53、度存儲溫度工作濕度-2060-2085 5 - 95%RH存儲濕度5 - 95%RH材料鋁合金金屬外殼認證CE、FCC、3C軟件3.2.3 硬件的連接、參數(shù)設置及傳輸機制1、串口服務器的連接NC601 提供的 RJ45 接口與網(wǎng)絡交換機通過雙絞線連接（8 芯屏蔽線），提供的 RS-232C 接口與數(shù)控系統(tǒng)的 RS-232 口通過通信線纜連接（9 芯屏蔽線）， 示意如圖 3-7 所示，機床連接圖如圖 3-8 所示。圖 3-7 串口服務器連接示意圖圖 3-8 串口服務器連接圖2、參數(shù)設置為保障數(shù)據(jù)通信的有效性和可靠性，需要將數(shù)控機床的通訊參數(shù)、串口服務器的通訊參數(shù)以及 DNC 服務器串口服務的參數(shù)

54、三者相統(tǒng)一，參數(shù)的選擇過程： 先依據(jù)數(shù)控機床實際可提供的通訊參數(shù)，設定串口服務器的參數(shù)值，最后設定DNC 服務器串口服務軟件的參數(shù)值。本節(jié)以西門子 SINUMERIK 802CBL 數(shù)控系統(tǒng)為例說明串口服務器的串口端的設置。圖 3-9機床通信參數(shù)設置（1） 數(shù)控機床通訊參數(shù)的設置西門子 SINUMERIK 802CBL 機床通信參數(shù)設置界面如圖 3-9 所示，主要參數(shù)設置有：設備通訊參數(shù)為硬件握手 RTS/CTS 方式、數(shù)據(jù)傳輸速度“波特率”9600bps、1 位數(shù)據(jù)停止位、奇偶校驗為 N、8 為數(shù)據(jù)位、CRLF 為段結束 Y（回車換行為段結束）、遇 EOF 停止 Y（遇到錯誤停止）。（2） 串口服務器參數(shù)設置設定串口服務器的參數(shù)設置主要體現(xiàn)在三個方面：一是網(wǎng)口參數(shù)設定：根據(jù)組網(wǎng)要求設定 IP 等網(wǎng)絡信息參數(shù)；二是串口參數(shù)設定：根據(jù)機床數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設置串口參數(shù)；三是系統(tǒng)安全設置：通過設置串口服務器的密碼使得非管理員不能擅自調整系統(tǒng)參數(shù)，從而保證系統(tǒng)的安全性。以西門子 SINUMERIK 802CBL 為數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控銑床為例，串口服務器的主要參數(shù)設置過程，如圖 3-10 所示：運行 telnet 指令，如圖 3-10a 所示，進入a) 串口服務器 telnet 通訊指令b)登陸串口服務器c)串口服務器網(wǎng)口設置d）串口服務器串口設置圖 3-10 串口服務器的參