基于DNC通信的網絡制造系統的設計與應用

摘 要：文章提出了基于DNC通訊系統的網絡制造系統，設計了基于網絡DNC通訊的數控機床的聯網方案，提供了便捷的數控加工程序的傳輸工具，用案例展現了網絡制造的過程，并介紹了系統的實際應用情況。

關鍵詞：網絡制造；DNC；數控機床；串口通信

隨著計算機網絡技術的不斷發展，信息技術在先進制造技術中得到了廣泛的應用，引領著現代制造業不斷向“全球制造”這個理念不斷完善，使企業在全球網絡范圍內實現信息資源共享，將設計、制造和經營管理有效地結合起來，提升企業的競爭力。DNC是一個為按要求向各臺機床分配數據，并將一組數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統[1]?；贒NC通信的網絡制造系統就是將自動化車間的最底層設備數控機床融入整個制造網絡[2]，從而使產品的設計與制造無縫結合，提高企業產品的生產效率和質量，與先進的管理技術相結合，適應現代制造企業的發展需要。

1 數控機床網絡制造系統框架

零件數控加工的全過程是從零件的設計圖紙出發，分析加工工藝、制定加工工藝路線，依據編程規則編制數控加工程序，經過仿真加工后輸入到數控機床上進行校驗和試切削，最終加工出的零件[3]?；贒NC通信的數控機床網絡制造系統構建的軟硬件平臺將數控機床端與客戶端（操作者）間聯系起來，方便、快捷、可靠地將編制的加工程序通過網絡傳輸到指定數控機床上完成零件的加工，并可對整個過程進行有效地監控，圖1所示的是基于DNC通信的網絡制造系統框架。

圖1 基于DNC通信的網絡制造系統框架

2 網絡DNC通訊系統的設計方案

2.1 總體結構方案

目前我國制造企業采用經濟型數控機床較多，其數據傳輸的接口一般均為“串口”的現狀，我們采用“單串口服務器”作為數控機床聯入網絡DNC系統的媒介接入機床局域網，對于已具備網口的數控機床可以接入機床局域網或者直接接入以太網，與企業其他先進制造技術網上共享，通過企業防火墻將企業內聯網與因特網相連接，使企業實現網絡制造。

基于DNC通訊的網絡制造系統總體設計方案如圖2所示，A區域為企業內部以設計及管理為主要內涵的網絡制造管理系統；B區域為網絡DNC通訊系統，其中B1區域為有線網絡方式，穩定性和可靠性上有較大優勢，但安裝管理不便、施工工作量大，B2區域為無線網絡方式，通過無線路由器建立一個無線局域網，在每臺數控設備上安裝無線AP（或無線網卡、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，特別適用于車間快速組網；C區域為空間范圍上企業外部的用戶端，使用遠程控制，實現了更大范圍內的網絡制造。

2.2 系統的核心硬件及通信發生的機制

串口服務器是網絡DNC系統實現機床通信的核心硬件，安裝在數控機床上，通過RJ45接口連接以太網、通過RS-232C接口連接數控機床，無論是在本地還是遠程均可以方便地在串口和網絡設備中存取相關數據。串口服務器由微控制器、存儲器、控制模塊、通信模塊等幾個部分組成，核心部分是單片機（包括ARM7微處理器，內存控制器總線、中斷控制器總線、外設功能的總線等部分組成），通過管腳連接模塊控制外設器件連接來滿足應用要求；外部存儲器包括FLASH存儲器（用于存儲系統包括基礎配置數據等重要信息，可以在線修改且掉電不丟失）和SDRAM存儲器（用于給數據的存儲、程序運行提供空間，掉電后數據丟失）兩部分；控制模塊主要包括晶體振蕩器（使系統容易起振、數據傳輸波特率更準確）、復位電路（在系統啟動時提供且在電源穩定后取消復位信號）和電源（提供為I/O供電的3.3V和為核心供電的1.8V兩組電源）三部分組成；串口通信模塊用于收發來源于機床的數據信息（提供硬件和軟件握手協議實現異步串行通信）；網絡通信模塊用于收發來源于網絡的數據信息，可以使用通用的RTL8039AS或RTL8139等以太網控制器實現[4]。

數控加工程序從DNC服務器傳遞與數控機床間通過串口服務器傳輸工作的機制，如圖3所示，其主要目的就是匹配傳輸速度，其工作機制由兩個部分組成：其一為串口服務器與DNC服務器間的傳遞速度匹配，根據數控加工程序的大小和實時性的要求，保證合理的數據緩沖區域，當緩沖區域內的數據小于設定值時發送請求信息，將數控加工程序文件讀入緩沖區；其二為數控機床與串口服務器間的傳遞速度匹配，根據兩者間串行傳輸的握手協議，保障數控機床可以正確地收發數控加工程序文件。在數控機床上傳遞數控加工程序實質上是通過串口服務器緩沖區不斷地調用DNC服務器上的數據，通過TCP/IP可以實現DNC服務器同時與多個串口服務器連接，通過串口通信可以將數控加工程序實時準確地傳遞到某臺數控機床上。

2.3 系統的軟件設計

我們以SQL Server 2000為后臺數據庫，采用Windows Server 2003和Visual C++平臺開發網絡DNC通訊系統軟件，包括：DNC系統配置、數控加工設備管理、數控加工程序（文件）管理、數控加工任務管理、數控加工仿真模塊、網絡DNC通信等6個子功能模塊，其中網路DNC通信模塊為核心，分為面向串口機床的通信、面向網口機床或客戶機兩種類型。

a） 發送數據流程圖 b） 接收數據流程圖

圖4 通訊模塊程序流程圖

2.3.1 面向串口機床的通訊軟件設計

串口數據傳遞主要是指數控加工程序文件的發送和接收兩個基本過程，依據不同的過程，設計流程圖，如圖4所示。根據流程圖編制相應程序，在DNC服務器上機床參數中需要設置“接收指令起始符”設置成“Q”、“接收指令結束字符”設置為“V”，在數控機床上通過數控系統向服務器發送請求指令后，實現數控加工程序的信息傳遞，以FANUC數控系統的交互過程為例說明如表1所示。

2.3.2 面向用戶和網口機床通訊軟件設計

面向用戶和網口機床的通信軟件可直接使用現有的遵循網絡通信協議（如FTP）的軟件，來完成數控加工程序的數據傳遞過程。在DNC服務器上安裝FTP軟件服務器端，在客戶機或網口機床上安裝FTP軟件的客戶端，通過客戶端與服務器端的相互數據交換來實現。將在客戶機上編制好的數控加工程序通過FTP的客戶端上傳到DNC服務器的FTP的服務器端，在機床上使用FTP的客戶端將數控加工程序從DNC服務器的FTP的服務器端上下載使用，反之亦然，如圖5所示。

3 網絡制造的實現

我們以一個車削零件為例，如圖6所示，利用手工編程編制零件加工程序，利用宇龍加工仿真軟件對程序進行仿真，通過網絡DNC通信網絡（串口方式），傳遞到數控車床（機床型號：CK6140，數控系統：西門子SINUMERIK 802CBL中，最終完成零件的加工過程。

圖6 車削零件案例圖紙

3.1 分析零件加工工藝

根據零件圖紙分析，該零件主要需要進行加工的部分有車端面、車外圓、車圓弧、車螺紋和切槽等幾個部分，制定合理的加工工藝路線、選擇合適的工夾量刀具，完成零件加工工藝編制，該零件的基本加工工序為：（1）車端面；（2）粗車輪廓（外圓和圓?。?，留0.5mm余量；（3）精車外圓和圓弧到達尺寸；（4）車退刀槽；（5）車削螺紋；（6）切下工件。

3.2 編制加工程序

按照編制的加工工藝路線，根據數控系統的編程規則編制零件的數控加工程序，這里以西門子SINUMERIK 802C的數控系統為例，編制零件的數控加工程序。

圖7 車削零件仿真結果

3.3 數控加工仿真

我們選用宇龍加工仿真軟件對編制的數控加工程序進行仿真，首先將編制的數控加工程序文件以“ASC1.CUT”為文件名保存在客戶機中，打開仿真軟件、選擇數控機床類型為“數控車床”、數控系統選擇“西門子802C”，安裝工件、選擇并安裝刀具，調入“ASC1.CUT”程序，進行仿真加工，仿真結果如圖7所示。

3.4 數控加工程序的傳輸

在客戶機上打開8UFTP軟件，將客戶機上的“ASC1.CUT”文件發送到指定機床（如14號車床，lath14）的“SEND”文件夾下，如圖8a所示，該文件即上傳到DNC服務器上，打開DNC通訊軟件，使lath14處于自動通訊狀態，在機床端，在程序目錄下打開機床上AA02程序，修改程序內容為：“Q2 ASC1.CUTV”，在通訊目錄下，選擇AA02程序點擊“程序輸出”、再點擊“程序輸入”，數控程序即從DNC服務器端下載，當ASC1.CUT文件出現在程序目錄后即完成程序的傳輸過程，如圖8b所示。

3.5 零件的加工

按數控車床操作規程操作機床，安裝加工工件毛坯，安裝刀具，回機床參考點，在手動方式下對刀，在自動方式下，選擇“ASC1”程序，開始加工，零件加工結果，如圖9所示。經測量檢驗，符合圖紙要求，完成零件的編制及加工過程。

4 應用效果

依托安徽工業大學工程實踐與創新教育中心的軟硬件基礎，將40余臺數控機床（數控車床15臺、數控銑床7臺，加工中心3臺，車削中心1臺，數控線切割機4臺、快速成型機5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、數控沖床1臺等），CAD/CAM設計中心1個（96臺計算機、數據中心服務器1臺、網站服務器1臺）有機統一起來，設計優化方案，建立安全、穩定、高效的基于網絡DNC通訊系統的數控機床網絡制造系統，自開發運用四年來，成功傳輸數控加工程序3萬余條，為學校培養數控技能人才提供了一個很好的實踐的平臺，同時也為企業開展網絡化制造提供了很好的素材。

雖然本系統的已初步將數控機床與網絡制造系統聯系起來并成功應用，但研究與實踐表明，建立適應性強、功能完善、集成度高的系統還需要有大量的研究和開發工作，系統在與其它系統集成、制造資源信息共享、網絡監控等方面有進一步的開發。

參考文獻

[1]林勝.DNCBTR通訊接口板的研制[J].航空工藝技術，1989（4）：9-12.

[2]梁志鋒.基于工業以太網的網絡數控系統設計及實現[J].現代制造工程，2006（1）：39-40.

[3]王吉林.現代數控加工基礎實習教程[M].北京：機械工業出版社，2009：14-26.

[4]曲寶軍.DNC系統嵌入式串口服務器的研發與應用[D].南京航空航天大學，2007：20-23.

作者簡介：楊琦（1983，11-），男，江蘇無錫人，安徽工業大學工程實踐與創新教育中心實驗師，碩士，研究方向：工程訓練、創新創業教育。