數(shù)控機床聯(lián)網的研究與應用

盛衛(wèi)鋒

（1.江南大學機械工程學院 江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室 江蘇 無錫 214122）

數(shù)控機床聯(lián)網的研究與應用

盛衛(wèi)鋒1，2

（1.江南大學機械工程學院 江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室 江蘇 無錫 214122）

針對企業(yè)網絡化制造的要求，作者提出了一種基于企業(yè)局域網的數(shù)控機床聯(lián)網方案。該方案采用TCP/IP協(xié)議的以太網系統(tǒng)結構，通過串口服務器與機床RS232串口建立通信和監(jiān)控，使管理與生產及時互通信息，實現(xiàn)了數(shù)控程序的傳輸、機床的遠程監(jiān)控、機床信息的查詢，管理人員無論在何時何地都可以有準備的來協(xié)調車間的生產和維修工作，提高作業(yè)效率。實踐證明：系統(tǒng)能夠實現(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)控機床；RS-232串口；串口服務器；局域網

網絡化制造是企業(yè)為面對制造全球化挑戰(zhàn)，快速響應市場需要，提高企業(yè)競爭力而提出的一種先進制造模式。通過網絡信息化技術，構建滿足企業(yè)特定需求的網絡制造系統(tǒng)，提高企業(yè)的生產效率，增強新品研發(fā)能力，縮短新產品上市周期；提高企業(yè)內部協(xié)同和資源共享能力，提高設備利用率［1］。

數(shù)控機床是網絡化制造的最終執(zhí)行者，如何將散亂的數(shù)控機床歸納在一個可控的網絡內，是網絡化制造的關鍵。數(shù)控系統(tǒng)作為制造系統(tǒng)自動化的基礎裝備，通過網絡對其進行遠程監(jiān)控、遠程培訓和遠程故障診斷等，對于網絡化制造的具體實施有著重要意義，同時也為數(shù)控加工的無人化奠定基礎［2］。

通過監(jiān)控數(shù)控機床的運行狀態(tài)，準確了解數(shù)控機床的報警信息，故障歷史檔案及排除方法，可以快速定位并排除故障，恢復機床正常運行，極大提高設備使用效率。通過數(shù)據(jù)采集，還可以對數(shù)控機床的加工狀態(tài)進行實時顯示和分析，具有備案、查詢、統(tǒng)計功能。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度，提高了效率，也避免失誤［3-6］。

本課題來源于我校與某知名壓縮機生產企業(yè)合作的一個工程項目。該廠某車間目前擁有FANUC、SIMENS等各種型號的數(shù)控機床20余臺。車間數(shù)控機床數(shù)量多，數(shù)控程序多、管理分散，因而存在數(shù)控設備管理、數(shù)控程序的管理和傳輸方面的問題。為充分利用現(xiàn)有的數(shù)控設備，更好地發(fā)揮其作用，需要對數(shù)控機床實施DNC聯(lián)網，設計開發(fā)數(shù)控機床信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控機床的聯(lián)網及集中控制管理，提供數(shù)控機床與上層控制計算機間的信息交換，以提高車間的生產及管理效率，為企業(yè)信息化提供技術支撐。

2 系統(tǒng)構成

根據(jù)機床DNC技術及數(shù)控加工網絡化的發(fā)展需求，本文研究的主要內容包括：

1）利用數(shù)控設備提供的外部接口及中繼接口設備，實現(xiàn)車間數(shù)控機床的聯(lián)網及集中控制管理；

2）通過數(shù)控機床聯(lián)網，實現(xiàn)對數(shù)控程序的集中管理和傳輸；

3）通過數(shù)控機床聯(lián)網，使其與公司內部局域網連接，形成具有一定開放程度的網絡系統(tǒng)，管理和技術人員在辦公室即可實現(xiàn)對數(shù)控機床工作狀態(tài)的監(jiān)控和機床信息的統(tǒng)計；

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，實現(xiàn)對機床數(shù)控程序、機床信息等的分類管理。

該加工車間的數(shù)控設備是多次分批購進的，品牌和型號不一，數(shù)控系統(tǒng)也各不相同，這給聯(lián)網帶來很大的麻煩。但每臺數(shù)控機床都配有RS-232C接口，支持串行通信，充分利用這一條件，通過此接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、采集。

該車間的面積很大，而且機器較為分散，這就決定了布線要分散且距離較遠。另外再加上車間內噪聲、油污較嚴重，這些都會導致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。我們在接口附近就將其轉換成以太網，并入企業(yè)局域網，大大減少了通信線路受到干擾的機會，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)網結構就是基于TCP/IP的以太網系統(tǒng)結構，選該方案使用的核心部件是MOXA公司生產的NPort5110串口服務器，它能將以太網和RS-232C連接，形成工業(yè)以太網，傳輸距離遠，信號抗干擾能力強。分配給每個NPort獨立的IP地址，上位機只需具備一個網絡接口即可輕松訪問各機床，方便可靠。其中交換機采用MOXA工業(yè)級交換機EDS-205，抗干擾能力強，有5個網絡接口。

Internet采用客戶機/服務器系統(tǒng)，這是分布式網絡普通采用的技術。它可以提供端到端的連接，即允許網絡上的任意兩臺計算機之間進行通信。在這種網絡環(huán)境中，應用程序分為服務器程序和客戶端程序。這里我們也采用客戶機/服務器模式，將機床設為客戶機，將數(shù)據(jù)管理及監(jiān)控計算機設為服務器。利用Intranet/Internet的連接，公司內任意一臺具有瀏覽功能的PC都可按各自權限遠程訪問聯(lián)網DNC服務器及所連接的數(shù)控設備，既可直接來進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，也可以給現(xiàn)場的設備發(fā)送控制信息。

圖1 基于TCP/IP的以太網系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of ethernet system based on TCP/IP

3 管理系統(tǒng)

根據(jù)廠里出現(xiàn)的問題和提出的要求，結合實際情況，本管理系統(tǒng)應具備有以下幾個功能模塊：機床信息管理，數(shù)控程序傳輸，機床在線監(jiān)控和用戶管理等。

3.1 機床信息管理模塊

機床信息管理模塊包括機床和零件基礎信息兩個部分。機床基礎信息功能的設置是為了便于數(shù)控機床的管理，管理者可以通過該功能查詢到機床的基本信息，如串口服務器IP地址、機床操作系統(tǒng)、設備型號和機床外觀圖等，使它們一一對應，在后續(xù)的管理維護中起到作用。機床基礎信息功能還可以添加新設備，修改、刪除選中的設備。

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

3.2 機床監(jiān)控模塊

機床監(jiān)控模塊分為機床實時狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)兩個模塊。這兩個模塊的功能在于：通過管理系統(tǒng)，管理層可以隨時了解機床的運行狀態(tài)或者調閱機床的歷史數(shù)據(jù)，用來得到設備利用率、機床故障率等重要數(shù)據(jù)，從而調整產業(yè)結構，優(yōu)化產業(yè)鏈，達到提高生產效率的目的。

由于車間數(shù)控設備較多，設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，管理者不知道設備的運行狀態(tài)，無法得知機床的生產效率，因此管理起來比較麻煩。機床實時狀態(tài)顯示是對機床進行實時監(jiān)控的實現(xiàn)手段，可以起到良好的承上啟下作用，便于管理和維護。

由于數(shù)控機床的內部信息無法提取，所以如果要進行實時在線監(jiān)控機床運行狀態(tài)，就需要對其數(shù)控程序添加宏指令。因為宏指令可以返回對應的指令，根據(jù)指令可以判斷機床的運行狀態(tài)，包括主軸轉速、刀具號、進給速率、加工時間和結束時間等重要信息。機床監(jiān)控的實時性要求我們需要有較高的采樣時間，這樣就會造成大量的數(shù)據(jù)，因此這里建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫，存放動態(tài)數(shù)據(jù)，只保留關鍵的時間、程序編碼等重要信息以備歷史數(shù)據(jù)的查詢。

機床歷史狀態(tài)查詢是對實時監(jiān)控的完善，其可以對任意一臺數(shù)控設備的歷史狀態(tài)進行查詢，包括了設備開啟、關閉時間，設備加工時間，設備加工零件號、程序號等，用來作為機床使用率、生產效率的依據(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，可以分為如下幾個功能：程序傳輸、程序編輯、程序仿真等，基本上滿足了實際生產管理的需要。

1）程序傳輸功能。這是管理系統(tǒng)的基本功能之一。之前車間內數(shù)控程序的上傳和下載，都是由操作人員用機床專用CF卡進行存儲，這不僅對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)控機床的要求，將數(shù)控程序發(fā)送給指定的機床，或接收來自任意臺機床的數(shù)控程序進行存檔。在進行數(shù)控程序的上傳下載之前，需要先進行傳輸參數(shù)設置，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。以往技術人員編輯數(shù)控程序都習慣于在TXT文檔下編輯，編好之后直接給車間使用，這樣容易導致數(shù)控程序使用的混亂，因此需要對數(shù)控程序進行編號管理。通過管理系統(tǒng)技術人員在各自辦公室計算機上即可實現(xiàn)對程序的編制、編輯功能，并可實現(xiàn)多人操作。實行規(guī)范化得技術文件流程管理，如修改完成以后必須經過審核，才可以向數(shù)控機床傳輸或打印，同時生成數(shù)據(jù)文件存入本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，留有記錄。要對版本信息進行管理，所有技術文件均要實現(xiàn)備份。

3）程序仿真功能。在編制程序過程中有時難免會出現(xiàn)細微的錯誤，例如標點符號等，所以在上機調試前進行仿真運行是非常有必要的。系統(tǒng)提供的標準二維銑床程序仿真，數(shù)控程序每執(zhí)行一句，仿真區(qū)就繪制相應的圖形，生成加工零件輪廓，刀具坐標顯示對應的坐標值，與零件圖相對照，即可判斷程序的對錯。

3.4 用戶管理模塊

用戶管理功能是基于對改善公司管理結構，明確職責要求，便于監(jiān)管和對公司信息保密而設置的。其主要功能是驗證身份，根據(jù)登錄者不同的權限開啟不同的功能模塊，系統(tǒng)管理員可以對用戶管理進行設置。

用戶管理功能只對系統(tǒng)管理員進行開放，系統(tǒng)管理員可以對用戶進行查詢、修改、添加和刪除等操作。用戶的權限由系統(tǒng)管理員進行設置。這里根據(jù)管理系統(tǒng)和實際生產需要將用戶分為四大類，即管理級、車間級、技術級和普通級。管理級只設置一個成員，即管理員；車間級設置了操作員和負責人兩個成員；技術級設置了工藝員和工藝審核員兩個成員；普通級設置了一個普通用戶成員。

4 結 論

本文介紹的基于以太網的數(shù)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)控程序的傳輸、機床的遠程監(jiān)控、機床信息的查詢等功能。后期對于機床出現(xiàn)的故障不僅可以通過監(jiān)控系統(tǒng)到達安裝了管理軟件的電腦上，還可以通過短信發(fā)送模塊發(fā)送給管理人員，這樣使得管理人員無論在何時何地都可以有準備的來協(xié)調車間的生產和維修工作，提高作業(yè)效率。目前國內很多的機械生產企業(yè)都在采取信息化管理技術，項目推廣可為更多的企業(yè)提供便利，促進科研項目向實際轉化，帶動中國機械生產向信息化邁進。

［1］崔洪坤.數(shù)控機床DNC通信在車間級網絡化制造中的應用研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2008.

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

［3］張海防，邵澤波，劉興濤，等.面向網絡化制造的信息安全體系的研究與應用［J］.吉林化工學院學報，2006，23（4）: 52-55.

［4］夏緒輝.網絡化制造系統(tǒng)的體系結構及實施模式［J］.武漢科技大學學報:社會科學版，2005，7（3）:17-20.

［5］戴建華.面向網絡化制造的ASP服務平臺若干關鍵技術研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2005，11（1）:48-52.

［6］沈斌.面向產品生命周期的網絡化制造的研究［J］.機械與電子，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：201503170

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