異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)DNC技術(shù)應(yīng)用研究

金風(fēng)明，竇志平，楊前進(jìn)

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044；2.機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

0 引言

隨著企業(yè)的飛速發(fā)展、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控設(shè)備不斷增加，產(chǎn)品個(gè)性化和復(fù)雜度等的提升導(dǎo)致企業(yè)管理的難度不斷增大，作為加工單元的數(shù)控車間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化制造模式的改造已勢(shì)在必行[1]。當(dāng)前，數(shù)控設(shè)備管理的問題主要體現(xiàn)在：①多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控程序的傳輸還需要通過移動(dòng)介質(zhì)手工傳遞甚至是手工輸入，導(dǎo)致效率低下；②隨著產(chǎn)品種類的增加，數(shù)控程序和產(chǎn)品文檔的管理任務(wù)越發(fā)繁重，企業(yè)缺少相應(yīng)的管理系統(tǒng)來有效組織管理這些文檔；③數(shù)控程序及文檔還停留在傳統(tǒng)的手工方式，缺少電子化的流程管理、版本控制工具尚未形成全生命周期的管理；④無法及時(shí)對(duì)機(jī)床潛在的故障進(jìn)行分析、診斷，導(dǎo)致機(jī)床非計(jì)劃停機(jī)，大大降低機(jī)床的工作效率。

分布式數(shù)字控制（DNC）是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造系統(tǒng)的基本技術(shù)，是現(xiàn)代化機(jī)械加工車間的一種運(yùn)行模式，也是提高制造系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。它以數(shù)控技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，把與制造過程有關(guān)的設(shè)備（如數(shù)控機(jī)床等）集成起來，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間制造單元的優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM 一體化[2]。由于大部分企業(yè)數(shù)控系統(tǒng)多屬于異構(gòu)狀態(tài)，因此，研究與應(yīng)用支持異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的DNC 技術(shù)，建立遠(yuǎn)程機(jī)床可靠性分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)設(shè)備的集成分析，就顯得必不可少和十分重要，也具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 關(guān)鍵技術(shù)

DNC 集成系統(tǒng)使整個(gè)數(shù)字化制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃輸入、任務(wù)分配、數(shù)控程序管理、工藝信息文件處理等任務(wù)的集成控制與管理[2]。所涉及關(guān)鍵技術(shù)主要包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)控加工的通訊技術(shù)、DNC 數(shù)據(jù)信息監(jiān)控與采集、異構(gòu)數(shù)控機(jī)床的集成管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

1.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控加工的通訊技術(shù)

目前，DNC 的接入方式主要包括：多串口卡、多串口服務(wù)器、單串口服務(wù)器、網(wǎng)卡接入方式、無線通信接入方式[3]；其中最常用的為單串口服務(wù)器和網(wǎng)卡接入方式，未來無線通信接入方式會(huì)成為發(fā)展主流。表1 為網(wǎng)絡(luò)數(shù)控加工的通訊技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍。

表1 有網(wǎng)絡(luò)數(shù)控加工的通訊技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍

1.2 DNC 數(shù)據(jù)信息監(jiān)控與采集

車間設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測(cè)、分散控制”的模式，依據(jù)這一原則，將整個(gè)車間生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)分為三個(gè)層次，監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層。

計(jì)算機(jī)中央監(jiān)控系統(tǒng)位于系統(tǒng)的最上層：監(jiān)控層，主要功能是通過主PLC 將現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)采集上來，以畫面或文本方式顯示，為管理人員提供現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，并可將數(shù)據(jù)存檔記錄，供管理員分析生產(chǎn)工藝參數(shù)及確定現(xiàn)場(chǎng)故障的解決方案。DNC 數(shù)據(jù)信息監(jiān)控與采集實(shí)施方案如圖1 所示。

圖1 DNC 數(shù)據(jù)信息監(jiān)控與采集實(shí)施方案

1.3 異構(gòu)數(shù)控機(jī)床的集成管理

為了將普通意義上的數(shù)控系統(tǒng)從加工中心的“孤島”擴(kuò)展成為制造信息鏈上最為重要的一環(huán)，建立面向不同數(shù)控系統(tǒng)的通信協(xié)議庫(kù)，規(guī)范異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的通信接口，屏蔽車間數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控設(shè)備的差異，向制造調(diào)度層提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)開放接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的集成管理[2]。系統(tǒng)集成硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于異構(gòu)數(shù)控的數(shù)字化制造系統(tǒng)集成硬件結(jié)構(gòu)

1.4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理

為了實(shí)現(xiàn)制造過程的集成控制管理，需要建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，主要包括：NC 程序庫(kù)，工件庫(kù)，刀具信息庫(kù)，加工任務(wù)庫(kù)，設(shè)備信息庫(kù)等。

建立數(shù)字化的生產(chǎn)車間主要功能：實(shí)現(xiàn)加工代碼和加工數(shù)據(jù)的集中管理；實(shí)現(xiàn)加工程序的編制、校對(duì)、審簽和調(diào)用的流程化管理，以及加工程序的版本管理和數(shù)控加工代碼的自動(dòng)傳輸，提高工藝準(zhǔn)備的效率和工藝操作的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 軟件架構(gòu)

DNC 軟件部分由生產(chǎn)文檔管理模塊、數(shù)控設(shè)備通訊模塊組成。DNC 系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3 所示，分別完成NC 代碼及生產(chǎn)文檔管理、NC 加工代碼通訊。在生產(chǎn)文檔管理模塊中，有用戶管理、統(tǒng)計(jì)、檢索等不同模塊。分別完成用戶權(quán)限設(shè)置，項(xiàng)目進(jìn)度、按照零部件號(hào)、NC 代碼、工序、生產(chǎn)指令等進(jìn)行查詢工作。

圖3 DNC 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

架構(gòu)特點(diǎn)：①數(shù)據(jù)安全保護(hù)：數(shù)據(jù)完整性、版本的一致性、安全性；②程序代碼管理以及多種類型程序內(nèi)容管理：數(shù)據(jù)定位、重用；③工作流程管理及進(jìn)度管理：暢通的工程變更控制、操作可追溯、提高企業(yè)響應(yīng)速度；④企業(yè)知識(shí)管理：最大限度利用企業(yè)現(xiàn)有資源，避免手工重復(fù)錄入和人為錯(cuò)誤，提高生產(chǎn)力；⑤支持多服務(wù)器：采用分布式架構(gòu)，可以配置獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、用戶管理服務(wù)器、工作流服務(wù)器、電子倉(cāng)庫(kù)服務(wù)器等，均衡負(fù)載，提升系統(tǒng)性能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定是確保系統(tǒng)順利運(yùn)行的基礎(chǔ)，考慮到保密的要求網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，機(jī)床網(wǎng)（車間網(wǎng)）和園區(qū)網(wǎng)（企業(yè)網(wǎng)）通過防火墻隔離，保證機(jī)床內(nèi)網(wǎng)（車間網(wǎng)）的數(shù)據(jù)安全性。通過防火墻的安全設(shè)置、加密鎖及節(jié)點(diǎn)授權(quán)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)管理客戶端對(duì)機(jī)床特定數(shù)據(jù)的訪問，達(dá)到機(jī)床網(wǎng)（車間網(wǎng)）的二次加密功能。

圖4 DNC 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 機(jī)床可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)

在實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)和基本加工程序管理等模塊后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)（企業(yè)網(wǎng)）一級(jí)服務(wù)器和機(jī)床網(wǎng)（車間網(wǎng)）二級(jí)服務(wù)器間機(jī)床數(shù)據(jù)的同步傳輸和分析。

通過接收客戶端的請(qǐng)求向指定的設(shè)備添加命令文件，已備其它設(shè)備使用。在應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換是數(shù)據(jù)通信的重要問題，在TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用程序通過Socket 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)和其它客戶機(jī)/服務(wù)器模式通信應(yīng)用程序設(shè)計(jì)過程一樣，客戶端程序發(fā)送請(qǐng)求給服務(wù)器端，服務(wù)器端對(duì)客戶的請(qǐng)求作出響應(yīng)，并產(chǎn)生結(jié)果。用戶在客戶端可以隨時(shí)的發(fā)送指令來監(jiān)視機(jī)床的各部件的狀態(tài)，從而能夠及時(shí)的監(jiān)測(cè)到機(jī)床的工作狀態(tài)，減少故障的發(fā)生。Socket 客戶/服務(wù)器收發(fā)數(shù)據(jù)模式如圖5 所示。

圖5 Socket 客戶/服務(wù)器收發(fā)數(shù)據(jù)模式

通過Socket 技術(shù)，建立遠(yuǎn)程客戶端數(shù)據(jù)庫(kù)同步策略，確定發(fā)布訂閱機(jī)制。接收客戶自WEB 頁(yè)面的請(qǐng)求，向遠(yuǎn)程客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，如圖6 所示。待遠(yuǎn)程客戶端采集完成后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)同步機(jī)制，將數(shù)據(jù)復(fù)制到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。利用JAVA 和SQL Server 開發(fā)工具，采用SSH 架構(gòu)，開發(fā)基于WEB的機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)可靠性分析平臺(tái)，通過機(jī)床信息管理和數(shù)據(jù)采集功能，幫助工程師能夠及時(shí)了解機(jī)床的工作狀況，發(fā)現(xiàn)機(jī)床潛在的故障，如圖7 所示。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

圖7 歷史數(shù)據(jù)查詢分析

3 最終達(dá)到的目標(biāo)

（1）所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)（包括網(wǎng)絡(luò)布線）、遠(yuǎn)程通訊、集中管理與控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的完全網(wǎng)絡(luò)化管理，徹底改變以前機(jī)床的單機(jī)通信方式，全面實(shí)現(xiàn)機(jī)床的集中管理與控制，實(shí)現(xiàn)車間的信息化智能化管理[5]。

（2）建立數(shù)控程序庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控程序的統(tǒng)一管理，通過完善程序簽署流程、權(quán)限管理、版本管理、可追溯性管理，滿足NC程序全生命周期的跟蹤管理。

（3）DNC 系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)訂單選擇下載相應(yīng)的數(shù)控程序到數(shù)控設(shè)備上，提高機(jī)床利用率[5]，減少機(jī)床輔助時(shí)間，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作舒適性，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某绦蚬芾?，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）實(shí)現(xiàn)車間機(jī)床數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障的預(yù)測(cè)診斷，降低故障發(fā)生概率和解決故障的時(shí)間，提高機(jī)床的使用效率。

4 結(jié)束語

DNC 系統(tǒng)的使用，大大提升車間的信息化水平，實(shí)現(xiàn)車間的規(guī)范化、流程化、集中化的管理，為實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化、智能化搭建基礎(chǔ)平臺(tái)。機(jī)床可靠性分析平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)車間數(shù)據(jù)的共享，不僅降低了生產(chǎn)成本，還為企業(yè)管理決策提供輔助，進(jìn)而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率與決策準(zhǔn)確性。

[1]尚德波.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)控車間DNC 信息管理系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].青島理工大學(xué)，2006．

[2]李益芝.網(wǎng)絡(luò)DNC 集成環(huán)境下的數(shù)控加工技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)，2009．

[3]李波.基于串口的DNC 信息采集系統(tǒng)的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2007．

[4]黎向榮.利用CAXA 軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床DNC 通信的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2014，5．

[5]白萍，周春，張良德.分布式數(shù)控系統(tǒng)DNC 在離散制造業(yè)的應(yīng)用[J].CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2010．