網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)

張柏軍

摘要:網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控技術(shù)是實現(xiàn)制造自動化、智能化、集成化和全球化的基礎(chǔ)技術(shù)。本文分析了開發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本要求,提出了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),重點對網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺和軟件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)進行了闡述分析, 并指出了基于Internet的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展趨勢,有很強的實際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng);Internet;CAM/CAM;數(shù)字控制;數(shù)字化制造

CNC network of research and development

Abstract: Network of NC technology is the realization of manufacturing automation, intelligence, integration and globalization of technology-based. This paper analyzes the development of the network system of the basic requirements of the proposed network of digital systems architecture, with emphasis on the numerical control system network hardware platforms and software platform of Design and Implementation of the analysis described, and pointed out that the Internet-based network NC CNC is a system of research and development trends, there is a strong sense of practical application.

Key words: NC network system; Internet; CAM / CAM; digital control; digital manufacturing

1 引言

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展帶來了制造業(yè)的不斷變革,數(shù)控技術(shù)作為未來先進制造技術(shù)的核心內(nèi)容之一,正在朝著開放化,網(wǎng)絡(luò)化,柔性化和智能化方向發(fā)展,數(shù)控裝備產(chǎn)品的設(shè)計制造和應(yīng)用開發(fā)都日益顯示出基于開放接口標(biāo)準的模塊形態(tài)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)控的基本思想是從系統(tǒng)角度出發(fā),以集成為手段,以數(shù)控技術(shù)、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)等先進技術(shù)為支撐,通過網(wǎng)絡(luò)將車間設(shè)備、資源加以集成,最終形成一個開放的、具有一定功能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控制造單元。

人們對數(shù)控技術(shù)的持續(xù)研究,深化信息技術(shù)的應(yīng)用,促使其發(fā)揮更大的潛能和進一步提升其性能。因此,發(fā)展在信息技術(shù)支持下的先進數(shù)控技術(shù)來推進制造裝備及其控制運行過程自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的數(shù)字化技術(shù),將是構(gòu)成企業(yè)制造系統(tǒng)現(xiàn)代化的關(guān)鍵。它將提高企業(yè)在經(jīng)濟全球化條件下,對不確定性市場環(huán)境的適應(yīng)能力。所以,數(shù)控技術(shù)對機械制造企業(yè)重構(gòu)和改造應(yīng)起到重大作用。

2 發(fā)展網(wǎng)絡(luò)數(shù)控的意義

隨著計算機集成制造技術(shù)、敏捷制造、智能制造等新的概念和方法的研究與發(fā)展,作為各種先進制造環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)制造的基本單元,網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用顯得尤為重要。網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)將為網(wǎng)絡(luò)制造、遠程制造、遠程診斷與維護及機床與各種網(wǎng)絡(luò)資源的相互共享等提供了最基本的支持。

2.1 可充分利用現(xiàn)有資源

隨著計算機輔助設(shè)計/制造系統(tǒng)越來越快地進入實際加工過程,越來越多的信息需要方便快捷地與數(shù)控系統(tǒng)進行通信和交換,這樣數(shù)控系統(tǒng)本身所使用的高可靠性、高價位、低容量的電子盤就很難滿足實際的需要。如果具備聯(lián)網(wǎng)功能,處于惡劣環(huán)境的數(shù)控機床就可以共享環(huán)境清潔的辦公用高容量硬盤,然后數(shù)控系統(tǒng)通過局域網(wǎng)讀取CAD/ACM 系統(tǒng)生成的加工代碼,并進行零件加工。

2.2 為遠程監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)制造提供基礎(chǔ)

數(shù)控系統(tǒng)可以通過通訊網(wǎng)絡(luò)及時地向遠程監(jiān)控點提供當(dāng)前加工狀態(tài)信息,并接收遠程監(jiān)控命令,為真正的全球制造提供最起碼的支持。甚至,我們可以把某個數(shù)控機床像辦公網(wǎng)絡(luò)中的共享打印機一樣共享到網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)然,這些功能對數(shù)控系統(tǒng)的開放性及自診斷性都提出了更高的要求。

2.3 可減少維護的盲目性及相關(guān)費用

網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)不但大大加強工廠加工信息的傳遞與管理,提高機械加工自動化程度及遠程監(jiān)控水平,而且當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生故障時,還可以為數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家提供遠程診斷與維護,減少維護的盲目性及相關(guān)費用。

3 開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的基本要求

網(wǎng)絡(luò)化制造是快速響應(yīng)市場需求、提高市場競爭力的一種先進制造模式,它以數(shù)字化、柔性化和敏捷化為基本特征,充分利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù),實現(xiàn)全球制造資源的共享,支持跨地區(qū)跨平臺的全球制造。因而,在網(wǎng)絡(luò)化制造模式下,作為底層CNC自動控制系統(tǒng)應(yīng)滿足如下的基本要求:

3.1 支持基于網(wǎng)絡(luò)的信息共享

若使CNC系統(tǒng)成為一種全球制造資源,其最基本要求就是支持跨平臺的系統(tǒng)操作,支持不同地域的多用戶信息共享:一方面要求CNC系統(tǒng)能夠充分利用企業(yè)信息網(wǎng)上層所擁有的各類管理和技術(shù)資源;另一方面要求上層企業(yè)層計算機能夠通過Intranet及時地獲取底層CNC系統(tǒng)的實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

3.2 支持基于網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)化CNC系統(tǒng)應(yīng)能及時地向遠程客戶端發(fā)布實時狀態(tài)信息,并能在遠程客戶端對系統(tǒng)進行實時的操作和控制。

3.3 通過網(wǎng)絡(luò)提供遠程數(shù)字化服務(wù)

通過Internet/Intranet提供遠程數(shù)字化服務(wù),包括遠程在線編程、遠程技術(shù)咨詢/技術(shù)培訓(xùn)、特定控制功能的追加、交互式遠程故障診斷等服務(wù)內(nèi)容。

4 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)有的功能,筆者構(gòu)建了如圖2所示的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。從圖示可以看出,這是一個由B/S與C/S相組合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),它充分利用B/S和C/S各自優(yōu)勢,實現(xiàn)兩者之間的優(yōu)勢互補,以滿足網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控遠程服務(wù)和遠程監(jiān)控的功能要求。

從B/S角度分析,這是一個3層結(jié)構(gòu):第一層為遠程客戶層,遠程客戶可通過瀏覽器實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和信息共享;第二層為系統(tǒng)服務(wù)層,用于存放遠程服務(wù)功能模塊和相關(guān)的應(yīng)用程序;第三層是數(shù)據(jù)庫服務(wù)層,用于存儲加工工藝參數(shù)、機床設(shè)備參數(shù)、實時的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)等。這種B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式易于實現(xiàn)跨平臺操作,降低了對客戶機的要求,提高了系統(tǒng)通用性。

從C/S角度看,該系統(tǒng)為兩層結(jié)構(gòu),即遠程客戶端和底層的Web-CNC,通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)遠程客戶端與Web-CNC之間的雙向通信,通過遠程客戶端的虛擬控制面板實現(xiàn)基于Internet/In-tranet的系統(tǒng)遠程實時監(jiān)控。這種C/S結(jié)構(gòu)形式可由客戶機向服務(wù)器發(fā)布各種請求命令,由服務(wù)器將實時的系統(tǒng)狀態(tài)信息返回給客戶機,實現(xiàn)實時的點對點控制。

5 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)

本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)功能要求和體系結(jié)構(gòu),基于IPC和高速運動控制器硬件平臺開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控原型系統(tǒng),下面具體介紹該系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)架和相關(guān)功能的實現(xiàn)技術(shù)。

5.1 硬件構(gòu)成

Web-CNC原型系統(tǒng)是以IPC+多軸運動控制器(PMAC)為硬件平臺。PMAC是美國DeltaTau公司提供的一個控制單元,以高速數(shù)字信號處理器(DSP)為中央處理單元,具有插補、刀補、位置控制、速度處理、PLC控制、內(nèi)務(wù)管理等基本的數(shù)控系統(tǒng)功能,支持用戶的開發(fā)和擴展,與IPC配合具有上下兩級的開放性。這種硬件結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)建方便、開放性好的特點,可共享IPC微機豐富的軟硬件資源,便于系統(tǒng)開發(fā),可方便地與網(wǎng)絡(luò)連接,利于遠程服務(wù)、遠程監(jiān)控和制造系統(tǒng)的集成。

5.2 軟件環(huán)境

a.在WindowsXP環(huán)境下,用VisualC++6.0開發(fā)Web-CNC原型系統(tǒng)的控制、管理和網(wǎng)絡(luò)通信等軟件功能模塊。

b.選用WindowsNT和Microsoft公司IIS5.0作為Web服務(wù)器,用以管理和發(fā)布信息。采用IIS所支持的ASP(Active Server Page)以及ADO(Ac-tive Data Objects)技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計和對SQLServer2000數(shù)據(jù)庫的訪問。

c.采用MicrosoftSQLServer2000作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,存儲和管理數(shù)控程序、加工工藝參數(shù)、機床設(shè)備基本參數(shù)、機床實時狀態(tài)信息和用戶信息等。

6 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

6.1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

數(shù)控系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時采集是Web-CNC原型系統(tǒng)的基本要求,也是實現(xiàn)信息共享的關(guān)鍵技術(shù)之一。由DeltaTau公司提供的PComm32通信驅(qū)動軟件可方便地實現(xiàn)PMAC與上層Windows應(yīng)用程序的通信,其通信驅(qū)動關(guān)系如圖3所示。由圖示可知,PComm32通信驅(qū)動軟件由PMAC.DLL、PMAC.SYS、PMAC.VXD3個文件組成,共包含250多個函數(shù)。可通過其中的Device

GetRe-sponse()函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)采集,該函數(shù)原型為:

DeviceGetResponse(DWORDdw

Device,PCHARresponse,UNITmaxchar,

PCHARcommand)其中:dwDevice-設(shè)備號;response-字符串緩沖區(qū)的指針;maxchar-可傳送的最大字符串;command-傳送字符串命令。

利用上述函數(shù)開發(fā)相關(guān)軟件模塊,可按如下步驟對數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)進行采集和處理:

a.采集前準備

用SQLServer2000創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫,用以存儲所采集的數(shù)據(jù),并將所開發(fā)的軟件模塊與數(shù)據(jù)庫連接,設(shè)置定時器,對系統(tǒng)進行定時數(shù)據(jù)采集。

b.通過DeviceGetResponse函數(shù)向PMAC發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令。

c.PMAC定時對各運動軸的位置、速度,以及系統(tǒng)變量、I/O端口等各狀態(tài)參數(shù)進行采集。

d.將所采集數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理后存放至所建數(shù)據(jù)庫,供其他應(yīng)用程序調(diào)用。

6.2網(wǎng)絡(luò)通信與接口技術(shù)

本原型系統(tǒng)采用面向連接的流式套接字技術(shù)用VC++6.0分別為Web-CNC和遠程客戶端開發(fā)了基于以太網(wǎng)卡10M/100M的網(wǎng)絡(luò)通信接口程序模塊,建立兩者之間穩(wěn)定的雙向通道。圖4所示為遠程客戶端與Web-CNC進行信息傳遞的流程。由圖可知,流式套接字數(shù)據(jù)傳輸過程是典型的客戶/服務(wù)器(C/S)模式。啟動Web-CNC服務(wù)器,并調(diào)用Listen()函數(shù)等待遠程客戶的訪問,當(dāng)查獲遠程客戶開始向Web-CNC發(fā)出請求時,調(diào)用Receive()函數(shù)接受請求,建立穩(wěn)定可靠的連接。這種數(shù)據(jù)傳輸方法按發(fā)送的順序接受數(shù)據(jù),適用于大量的數(shù)據(jù)傳輸,具有可靠性好和實時性高的特點。

6.3遠程監(jiān)控技術(shù)

遠程監(jiān)控是Web-CNC的重要內(nèi)容,其關(guān)鍵在于遠程客戶端虛擬控制面板的實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中,采用ASP技術(shù)制作了動態(tài)網(wǎng)頁,并在網(wǎng)頁中嵌入用ActiveX控件開發(fā)的虛擬控制面板,可供遠程客戶的訪問。

虛擬控制面板內(nèi)主要包含兩類信息:一類是Web-CNC系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù),包括各運動軸狀態(tài)、當(dāng)前操作方式、報警信息、操作按鈕狀態(tài)等,這類信息源自于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,即通過ADO技術(shù)把采集存放在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)在虛擬控制面板上顯示,并定時地刷新;另一類是操作控制按鈕,包括控制方式、倍率調(diào)節(jié)、程序選擇以及啟動和急停等按鈕,系統(tǒng)控制命令可通過虛擬控制面板上的按鈕經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信通道下傳到Web-CNC,再通過Device Get Response()函數(shù)的調(diào)用將命令下載給PMAC執(zhí)行,以控制機床運動。

7 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)數(shù)控以Internet技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和計算機技術(shù)為技術(shù),遠程設(shè)計、數(shù)控編程和數(shù)控加工集成在一起,實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)等數(shù)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和集成化,已成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。它具有十分廣泛的技術(shù)內(nèi)涵。文中涉及了國內(nèi)外對網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,對關(guān)鍵技術(shù)的探討僅僅是網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)在利用網(wǎng)絡(luò)資源進行生產(chǎn)應(yīng)用的一個方面,有關(guān)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對數(shù)控系統(tǒng)大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化課題有待于進一步探索。針對網(wǎng)絡(luò)數(shù)控的研究也將向以下方面發(fā)展。

①今后對網(wǎng)絡(luò)數(shù)控操作平臺的研究重點將轉(zhuǎn)向?qū)ιa(chǎn)管理軟件的進一步集成技術(shù),其開放性和可擴展性成為主要考慮的因素。

②軟插件技術(shù)為基礎(chǔ)研究異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的集成將成為今后網(wǎng)絡(luò)數(shù)控發(fā)展的一個趨勢。

③基于現(xiàn)場總線和高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展將在網(wǎng)絡(luò)數(shù)控中得到大量的應(yīng)用。

④基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體技術(shù)將在網(wǎng)絡(luò)數(shù)控中進一步得到應(yīng)用,將虛擬實現(xiàn)技術(shù)集成入網(wǎng)絡(luò)數(shù)控操作平臺,將使遠程身處異地的操作人員在本機上,身臨其境的操作遠程數(shù)控機床。

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