數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用

盛衛(wèi)鋒

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 無(wú)錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 無(wú)錫 214122）

數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用

盛衛(wèi)鋒1，2

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 無(wú)錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 無(wú)錫 214122）

針對(duì)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化制造的要求，作者提出了一種基于企業(yè)局域網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案。該方案采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)串口服務(wù)器與機(jī)床RS232串口建立通信和監(jiān)控，使管理與生產(chǎn)及時(shí)互通信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控程序的傳輸、機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控、機(jī)床信息的查詢，管理人員無(wú)論在何時(shí)何地都可以有準(zhǔn)備的來(lái)協(xié)調(diào)車間的生產(chǎn)和維修工作，提高作業(yè)效率。實(shí)踐證明：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控車間信息化管理要求，工作穩(wěn)定，整體性能良好。

數(shù)控機(jī)床；RS-232串口；串口服務(wù)器；局域網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)化制造是企業(yè)為面對(duì)制造全球化挑戰(zhàn)，快速響應(yīng)市場(chǎng)需要，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力而提出的一種先進(jìn)制造模式。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)，構(gòu)建滿足企業(yè)特定需求的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)新品研發(fā)能力，縮短新產(chǎn)品上市周期；提高企業(yè)內(nèi)部協(xié)同和資源共享能力，提高設(shè)備利用率［1］。

數(shù)控機(jī)床是網(wǎng)絡(luò)化制造的最終執(zhí)行者，如何將散亂的數(shù)控機(jī)床歸納在一個(gè)可控的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，是網(wǎng)絡(luò)化制造的關(guān)鍵。數(shù)控系統(tǒng)作為制造系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)裝備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程培訓(xùn)和遠(yuǎn)程故障診斷等，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化制造的具體實(shí)施有著重要意義，同時(shí)也為數(shù)控加工的無(wú)人化奠定基礎(chǔ)［2］。

通過(guò)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確了解數(shù)控機(jī)床的報(bào)警信息，故障歷史檔案及排除方法，可以快速定位并排除故障，恢復(fù)機(jī)床正常運(yùn)行，極大提高設(shè)備使用效率。通過(guò)數(shù)據(jù)采集，還可以對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和分析，具有備案、查詢、統(tǒng)計(jì)功能。這樣可以提高企業(yè)的工藝管理的數(shù)字化和信息化水平。管理系統(tǒng)的通訊管理功能也降低了操作工人和工藝員的工作強(qiáng)度，提高了效率，也避免失誤［3-6］。

本課題來(lái)源于我校與某知名壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)合作的一個(gè)工程項(xiàng)目。該廠某車間目前擁有FANUC、SIMENS等各種型號(hào)的數(shù)控機(jī)床20余臺(tái)。車間數(shù)控機(jī)床數(shù)量多，數(shù)控程序多、管理分散，因而存在數(shù)控設(shè)備管理、數(shù)控程序的管理和傳輸方面的問(wèn)題。為充分利用現(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備，更好地發(fā)揮其作用，需要對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)施DNC聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)及集中控制管理，提供數(shù)控機(jī)床與上層控制計(jì)算機(jī)間的信息交換，以提高車間的生產(chǎn)及管理效率，為企業(yè)信息化提供技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)機(jī)床DNC技術(shù)及數(shù)控加工網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需求，本文研究的主要內(nèi)容包括：

1）利用數(shù)控設(shè)備提供的外部接口及中繼接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車間數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)及集中控制管理；

2）通過(guò)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控程序的集中管理和傳輸；

3）通過(guò)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，使其與公司內(nèi)部局域網(wǎng)連接，形成具有一定開(kāi)放程度的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，管理和技術(shù)人員在辦公室即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床工作狀態(tài)的監(jiān)控和機(jī)床信息的統(tǒng)計(jì)；

4）系統(tǒng)安全性管理，保證企業(yè)資源不丟失；

5）建立管理數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床數(shù)控程序、機(jī)床信息等的分類管理。

該加工車間的數(shù)控設(shè)備是多次分批購(gòu)進(jìn)的，品牌和型號(hào)不一，數(shù)控系統(tǒng)也各不相同，這給聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)很大的麻煩。但每臺(tái)數(shù)控機(jī)床都配有RS-232C接口，支持串行通信，充分利用這一條件，通過(guò)此接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、采集。

該車間的面積很大，而且機(jī)器較為分散，這就決定了布線要分散且距離較遠(yuǎn)。另外再加上車間內(nèi)噪聲、油污較嚴(yán)重，這些都會(huì)導(dǎo)致RS-232C線路通信的不穩(wěn)定，唯一的方法就是將RS-232C線路縮短到最小。我們?cè)诮涌诟浇蛯⑵滢D(zhuǎn)換成以太網(wǎng)，并入企業(yè)局域網(wǎng)，大大減少了通信線路受到干擾的機(jī)會(huì)，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性得到保證。

如圖1所示，聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)就是基于TCP/IP的以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選該方案使用的核心部件是MOXA公司生產(chǎn)的NPort5110串口服務(wù)器，它能將以太網(wǎng)和RS-232C連接，形成工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)。分配給每個(gè)NPort獨(dú)立的IP地址，上位機(jī)只需具備一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口即可輕松訪問(wèn)各機(jī)床，方便可靠。其中交換機(jī)采用MOXA工業(yè)級(jí)交換機(jī)EDS-205，抗干擾能力強(qiáng)，有5個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。

Internet采用客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)，這是分布式網(wǎng)絡(luò)普通采用的技術(shù)。它可以提供端到端的連接，即允許網(wǎng)絡(luò)上的任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信。在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，應(yīng)用程序分為服務(wù)器程序和客戶端程序。這里我們也采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，將機(jī)床設(shè)為客戶機(jī)，將數(shù)據(jù)管理及監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)為服務(wù)器。利用Intranet/Internet的連接，公司內(nèi)任意一臺(tái)具有瀏覽功能的PC都可按各自權(quán)限遠(yuǎn)程訪問(wèn)聯(lián)網(wǎng)DNC服務(wù)器及所連接的數(shù)控設(shè)備，既可直接來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，也可以給現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備發(fā)送控制信息。

圖1 基于TCP/IP的以太網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ethernet system based on TCP/IP

3 管理系統(tǒng)

根據(jù)廠里出現(xiàn)的問(wèn)題和提出的要求，結(jié)合實(shí)際情況，本管理系統(tǒng)應(yīng)具備有以下幾個(gè)功能模塊：機(jī)床信息管理，數(shù)控程序傳輸，機(jī)床在線監(jiān)控和用戶管理等。

3.1 機(jī)床信息管理模塊

機(jī)床信息管理模塊包括機(jī)床和零件基礎(chǔ)信息兩個(gè)部分。機(jī)床基礎(chǔ)信息功能的設(shè)置是為了便于數(shù)控機(jī)床的管理，管理者可以通過(guò)該功能查詢到機(jī)床的基本信息，如串口服務(wù)器IP地址、機(jī)床操作系統(tǒng)、設(shè)備型號(hào)和機(jī)床外觀圖等，使它們一一對(duì)應(yīng)，在后續(xù)的管理維護(hù)中起到作用。機(jī)床基礎(chǔ)信息功能還可以添加新設(shè)備，修改、刪除選中的設(shè)備。

零件基礎(chǔ)信息的設(shè)置是為了便于零件管理，管理者可以通過(guò)該功能查詢到零件的基本信息，如零件編碼、零件號(hào)、名稱和外觀圖等。零件基礎(chǔ)信息還可以通過(guò)對(duì)選中的零件進(jìn)行修改、刪除操作，添加新零件等，其信息都可以存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 機(jī)床監(jiān)控模塊

機(jī)床監(jiān)控模塊分為機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)兩個(gè)模塊。這兩個(gè)模塊的功能在于：通過(guò)管理系統(tǒng)，管理層可以隨時(shí)了解機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)或者調(diào)閱機(jī)床的歷史數(shù)據(jù)，用來(lái)得到設(shè)備利用率、機(jī)床故障率等重要數(shù)據(jù)，從而調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

由于車間數(shù)控設(shè)備較多，設(shè)備操作者和管理者很難形成良好的溝通，主要表現(xiàn)在操作者不知道何種零件的加工更為緊急，管理者不知道設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法得知機(jī)床的生產(chǎn)效率，因此管理起來(lái)比較麻煩。機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示是對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)手段，可以起到良好的承上啟下作用，便于管理和維護(hù)。

由于數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部信息無(wú)法提取，所以如果要進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，就需要對(duì)其數(shù)控程序添加宏指令。因?yàn)楹曛噶羁梢苑祷貙?duì)應(yīng)的指令，根據(jù)指令可以判斷機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，包括主軸轉(zhuǎn)速、刀具號(hào)、進(jìn)給速率、加工時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等重要信息。機(jī)床監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求我們需要有較高的采樣時(shí)間，這樣就會(huì)造成大量的數(shù)據(jù)，因此這里建立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，存放動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，只保留關(guān)鍵的時(shí)間、程序編碼等重要信息以備歷史數(shù)據(jù)的查詢。

機(jī)床歷史狀態(tài)查詢是對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的完善，其可以對(duì)任意一臺(tái)數(shù)控設(shè)備的歷史狀態(tài)進(jìn)行查詢，包括了設(shè)備開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間，設(shè)備加工時(shí)間，設(shè)備加工零件號(hào)、程序號(hào)等，用來(lái)作為機(jī)床使用率、生產(chǎn)效率的依據(jù)。

3.3 程序管理模塊

程序管理模塊是系統(tǒng)要求的重要功能之一，可以分為如下幾個(gè)功能：程序傳輸、程序編輯、程序仿真等，基本上滿足了實(shí)際生產(chǎn)管理的需要。

1）程序傳輸功能。這是管理系統(tǒng)的基本功能之一。之前車間內(nèi)數(shù)控程序的上傳和下載，都是由操作人員用機(jī)床專用CF卡進(jìn)行存儲(chǔ)，這不僅對(duì)程序的保密管理不利，而且影響了加工效率。模塊可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，將數(shù)控程序發(fā)送給指定的機(jī)床，或接收來(lái)自任意臺(tái)機(jī)床的數(shù)控程序進(jìn)行存檔。在進(jìn)行數(shù)控程序的上傳下載之前，需要先進(jìn)行傳輸參數(shù)設(shè)置，參數(shù)包括波特率、停止位、流控制、數(shù)據(jù)位數(shù)和奇偶校驗(yàn)等，這些參數(shù)是傳輸協(xié)議所必須的，如果軟件傳輸參數(shù)和機(jī)床通信參數(shù)不一致，則可能造成傳輸數(shù)據(jù)的缺漏和亂碼現(xiàn)象。

2）程序編輯功能。以往技術(shù)人員編輯數(shù)控程序都習(xí)慣于在TXT文檔下編輯，編好之后直接給車間使用，這樣容易導(dǎo)致數(shù)控程序使用的混亂，因此需要對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行編號(hào)管理。通過(guò)管理系統(tǒng)技術(shù)人員在各自辦公室計(jì)算機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的編制、編輯功能，并可實(shí)現(xiàn)多人操作。實(shí)行規(guī)范化得技術(shù)文件流程管理，如修改完成以后必須經(jīng)過(guò)審核，才可以向數(shù)控機(jī)床傳輸或打印，同時(shí)生成數(shù)據(jù)文件存入本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，留有記錄。要對(duì)版本信息進(jìn)行管理，所有技術(shù)文件均要實(shí)現(xiàn)備份。

3）程序仿真功能。在編制程序過(guò)程中有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的錯(cuò)誤，例如標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等，所以在上機(jī)調(diào)試前進(jìn)行仿真運(yùn)行是非常有必要的。系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)二維銑床程序仿真，數(shù)控程序每執(zhí)行一句，仿真區(qū)就繪制相應(yīng)的圖形，生成加工零件輪廓，刀具坐標(biāo)顯示對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，與零件圖相對(duì)照，即可判斷程序的對(duì)錯(cuò)。

3.4 用戶管理模塊

用戶管理功能是基于對(duì)改善公司管理結(jié)構(gòu)，明確職責(zé)要求，便于監(jiān)管和對(duì)公司信息保密而設(shè)置的。其主要功能是驗(yàn)證身份，根據(jù)登錄者不同的權(quán)限開(kāi)啟不同的功能模塊，系統(tǒng)管理員可以對(duì)用戶管理進(jìn)行設(shè)置。

用戶管理功能只對(duì)系統(tǒng)管理員進(jìn)行開(kāi)放，系統(tǒng)管理員可以對(duì)用戶進(jìn)行查詢、修改、添加和刪除等操作。用戶的權(quán)限由系統(tǒng)管理員進(jìn)行設(shè)置。這里根據(jù)管理系統(tǒng)和實(shí)際生產(chǎn)需要將用戶分為四大類，即管理級(jí)、車間級(jí)、技術(shù)級(jí)和普通級(jí)。管理級(jí)只設(shè)置一個(gè)成員，即管理員；車間級(jí)設(shè)置了操作員和負(fù)責(zé)人兩個(gè)成員；技術(shù)級(jí)設(shè)置了工藝員和工藝審核員兩個(gè)成員；普通級(jí)設(shè)置了一個(gè)普通用戶成員。

4 結(jié) 論

本文介紹的基于以太網(wǎng)的數(shù)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控程序的傳輸、機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控、機(jī)床信息的查詢等功能。后期對(duì)于機(jī)床出現(xiàn)的故障不僅可以通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)到達(dá)安裝了管理軟件的電腦上，還可以通過(guò)短信發(fā)送模塊發(fā)送給管理人員，這樣使得管理人員無(wú)論在何時(shí)何地都可以有準(zhǔn)備的來(lái)協(xié)調(diào)車間的生產(chǎn)和維修工作，提高作業(yè)效率。目前國(guó)內(nèi)很多的機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)都在采取信息化管理技術(shù)，項(xiàng)目推廣可為更多的企業(yè)提供便利，促進(jìn)科研項(xiàng)目向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化，帶動(dòng)中國(guó)機(jī)械生產(chǎn)向信息化邁進(jìn)。

［1］崔洪坤.數(shù)控機(jī)床DNC通信在車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化制造中的應(yīng)用研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

［2］毛新華.基于DNC的數(shù)控機(jī)床通信和管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［D］.保定:華北電力大學(xué)，2007.

［3］張海防，邵澤波，劉興濤，等.面向網(wǎng)絡(luò)化制造的信息安全體系的研究與應(yīng)用［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23（4）: 52-55.

［4］夏緒輝.網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及實(shí)施模式［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2005，7（3）:17-20.

［5］戴建華.面向網(wǎng)絡(luò)化制造的ASP服務(wù)平臺(tái)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2005，11（1）:48-52.

［6］沈斌.面向產(chǎn)品生命周期的網(wǎng)絡(luò)化制造的研究［J］.機(jī)械與電子，2006，11（1）:48-50.

Research and application of CNC networking

SHENG Wei-feng1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；
2.Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology，Wuxi 214122，China）

According to the requirements of network manufacturing，a neworking scheme of CNC machines based on enterprise LAN was presented.This scheme uses TCP/IP protocol Ethernet system structure.Through the serial port servers and RS232 serial ports，communication and monitoring were be established，then managers and producers can exchang information timely.The transmission of NC program，remote monitoring of machines，queries of machine information are granted.Where or when，managers can be prepared to coordinate the production and repair work，then efficiency is improved.The application indicates that this system can meet the requests of workshop information management，which can work stably，and meet the actual needs of production.

CNC；RS232 serial；serial port server；LAN

TN91

A

1674－6236（2016）04-0108-03

2015-03-12 稿件編號(hào)：201503170

盛衛(wèi)鋒（1977—），男，江蘇張家港人，碩士，講師。研究方向：機(jī)電一體化。