數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳亮，周倫

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院智能機(jī)電研究所，四川成都610031)

CAD/CAM 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，使得企業(yè)生產(chǎn)和管理等方面的效率顯著提高，然而目前在很多機(jī)加工企業(yè)中，與機(jī)加工密切相關(guān)的數(shù)控機(jī)床卻仍被作為孤立的單元，單純地作為加工工具來使用，生產(chǎn)加工記錄仍采用手工記錄的原始方式。這無疑制約著生產(chǎn)效率和管理水平的提高［1－2］。然而將CAD/CAM 與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于機(jī)床管理和生產(chǎn)，將機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)如加工程序統(tǒng)一管理、在線加工與調(diào)試、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)記錄管理等功能，必將顯著提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，使生產(chǎn)計(jì)劃安排更為合理。

以以太網(wǎng)通信為基礎(chǔ)，通過功能模塊與網(wǎng)絡(luò)層次的劃分，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種通用的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)解決方案。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體方案

目前車間里大部分機(jī)床都有RS232 接口，只有少數(shù)機(jī)床有RJ45 接口并且內(nèi)部有網(wǎng)卡。RS232 串口通信標(biāo)準(zhǔn)雖然對(duì)硬件要求簡單，但并不適合較大規(guī)模組網(wǎng)和長距離傳輸，并且抗干擾性能差［3］。所以采用以太網(wǎng)為車間主干網(wǎng)絡(luò)，可以方便地與企業(yè)內(nèi)辦公網(wǎng)絡(luò)相連，在機(jī)床側(cè)針對(duì)不同型號(hào)機(jī)床設(shè)計(jì)不同的硬件終端與機(jī)床通信，同時(shí)接入以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、文件服務(wù)器等，賦予不同用戶不同的訪問權(quán)限，使工作人員在辦公室即可以在線管理機(jī)床。

總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)床網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體方案

上部通信使用以太網(wǎng)通信，下部與機(jī)床通信針對(duì)機(jī)床本身設(shè)計(jì)專用硬件和軟件。同時(shí)上部通信協(xié)議與數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，方便程序調(diào)用和管理;而下部與機(jī)床通信需針對(duì)機(jī)床轉(zhuǎn)換為其能識(shí)別的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。同時(shí)硬件和軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，以方便硬件統(tǒng)一配置和保證軟件程序代碼的復(fù)用性。這樣可在最大程度上兼容不同機(jī)床，并且可以快速為新加入的不同型號(hào)機(jī)床配置網(wǎng)絡(luò)終端。

2 機(jī)床側(cè)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)床側(cè)硬件的主要功能有采集相關(guān)機(jī)床信號(hào)、與機(jī)床進(jìn)行通信、進(jìn)行以太網(wǎng)通信，所以機(jī)床側(cè)硬件需采用可靈活編程的硬件作為核心，如嵌入式計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等。

2.1 機(jī)床側(cè)硬件方案選擇

2.1.1 機(jī)床信息獲取方案

雖然機(jī)床種類眾多，但從機(jī)床獲取有用信息的途徑可分為兩類:一類是通過機(jī)床本身提供的接口或者加裝機(jī)床專用網(wǎng)卡等硬件獲取，如RJ45 網(wǎng)口和RS232 串口，有些機(jī)床的系統(tǒng)可以通過這些接口反饋一些代碼，甚至某些機(jī)床系統(tǒng)供應(yīng)商提供應(yīng)用程序接口(API)，可以購買相應(yīng)軟件包進(jìn)行自主編程，可以監(jiān)控機(jī)床的狀態(tài)以及在線調(diào)試、加工等，如FANUC 的FOCAS (FANUC Open CNC API Specifications 1/2);另一類是通過加裝其他數(shù)據(jù)采集板、傳感器等，通過硬件電路的方式來獲取機(jī)床相關(guān)信息，如采集機(jī)床開關(guān)機(jī)信號(hào)、三色燈信號(hào)、主軸轉(zhuǎn)速、xyz 軸的位置等，這是一種通用的方式，對(duì)任何機(jī)床都適用。

2.1.2 機(jī)床加工程序傳輸方案

可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工程序傳輸?shù)臄?shù)控機(jī)床，一般具有RS232 串口或者RJ45 網(wǎng)口等通用接口。對(duì)于有RJ45 網(wǎng)口的機(jī)床或者可以安裝網(wǎng)卡的機(jī)床，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸加工程序是最好的選擇，通過機(jī)床系統(tǒng)供應(yīng)商提供的API，可以實(shí)現(xiàn)很全面的功能。并且部分帶網(wǎng)口的機(jī)床有FTP 功能，無需使用API 編程就可以實(shí)現(xiàn)加工程序的網(wǎng)絡(luò)傳輸。對(duì)于RS232 串口傳輸加工程序的機(jī)床，需要根據(jù)具體機(jī)床的系統(tǒng)來確定其傳輸方式，如FANUC 的數(shù)控加工中心，其串口傳輸是在機(jī)床準(zhǔn)備好接收后，發(fā)出準(zhǔn)備就緒指令，計(jì)算機(jī)才能開始發(fā)送，在機(jī)床接收完成后，同樣會(huì)給計(jì)算機(jī)反饋信號(hào)［8］。這樣就可以用RS232 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)RJ45 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。若機(jī)床沒有應(yīng)答信號(hào)，則需要人工手動(dòng)操作，或者通過獲取其他信號(hào)來確定機(jī)床是否準(zhǔn)備好，如此就需要在機(jī)床旁配置可以暫存加工程序以及檢測信號(hào)、甚至可以操作的網(wǎng)絡(luò)終端。

2.2 機(jī)床側(cè)硬件構(gòu)成

綜上所述，作者選擇了如圖2 的硬件結(jié)構(gòu)，選擇了以研華Mini-ITX 工業(yè)級(jí)主板AIMB-212 為核心的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為機(jī)床側(cè)終端計(jì)算機(jī)(也可以選擇嵌入式平臺(tái))，以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，24 V 光電隔離開關(guān)量輸入，構(gòu)成下位機(jī);數(shù)據(jù)采集板通過RS232 串口與計(jì)算機(jī)上位機(jī)通信，采集一些機(jī)床的開關(guān)量信號(hào);計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，同時(shí)對(duì)于通過RS232 串口傳輸加工程序的機(jī)床，作為程序暫存機(jī)或人員操作機(jī)等。虛線框部分并不是所有機(jī)床都同時(shí)具備。

圖2 機(jī)床側(cè)硬件構(gòu)成

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)甲方要求，程序以C/S 模式(客戶端/服務(wù)器模式)編寫，機(jī)床端計(jì)算機(jī)程序作為TCP、UDP 通信的服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫以及FTP 服務(wù)器放在企業(yè)內(nèi)部以太網(wǎng)的服務(wù)器上，這也是考慮未來向B/S 模式(瀏覽器/服務(wù)器模式)以及遠(yuǎn)程管理的方向上發(fā)展。客戶端、服務(wù)器和機(jī)床側(cè)網(wǎng)絡(luò)終端都使用Windows 平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)工作原理圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

3.1 信號(hào)采集程序

信號(hào)采集板以單片機(jī)為核心，運(yùn)行速度較快，選擇了循環(huán)掃描查詢的方式檢測各端口狀態(tài)，每循環(huán)一次通過串口向上位機(jī)發(fā)送一次檢測結(jié)果，其中包括機(jī)床燈信號(hào)等。工作流程圖見圖4。

圖4 信號(hào)采集板工作流程

3.2 機(jī)床側(cè)終端計(jì)算機(jī)程序

機(jī)床側(cè)終端使用Windows 平臺(tái)，使用C#語言編程，程序與數(shù)據(jù)采集板以及機(jī)床進(jìn)行串口通信，并且同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，這里使用了TCP 和UDP 通信;同時(shí)程序還需將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，使用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫在企業(yè)內(nèi)部以太網(wǎng)的服務(wù)器上，如圖1 所示。

程序同時(shí)進(jìn)行著多種端口監(jiān)聽和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎猿绦蛑惺褂昧舜罅康亩嗑€程和委托技術(shù)。其啟動(dòng)函數(shù)流程見圖5。TCP 聯(lián)接負(fù)責(zé)發(fā)送機(jī)床狀態(tài)信號(hào)等信息，UDP 組播負(fù)責(zé)發(fā)送程序“心跳包”，以便服務(wù)器和客戶端程序確定機(jī)床是否在線。串口監(jiān)聽負(fù)責(zé)監(jiān)聽串口接收到的信息。程序使用. NET 提供的Serialport 控件來進(jìn)行串口通信的相關(guān)處理，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)Serialport 控件的DataReceived 事件被觸發(fā)，在該事件函數(shù)中讀取接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)處理，處理過程包括向客戶端發(fā)送和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)等。DataReceived 事件函數(shù)在程序自動(dòng)建立的輔助線程上執(zhí)行，所以并不影響主線程中其他函數(shù)的執(zhí)行。

圖5 啟動(dòng)函數(shù)流程圖

3.3 客戶端程序

客戶端程序同樣使用C#語言開發(fā)，能圖形化地顯示機(jī)床自身相關(guān)信息和它在車間所處的位置以及其工作狀態(tài)等。見圖6，點(diǎn)擊相應(yīng)機(jī)床圖標(biāo)可以進(jìn)入詳細(xì)的機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控界面，因做測試的機(jī)床具有FTP功能(不同型號(hào)機(jī)床的FTP 功能所擁有的權(quán)限不一樣)，所以詳細(xì)界面中顯示了機(jī)床工作目錄，實(shí)際為FTP 服務(wù)器上加工程序文件暫存目錄，見圖7。

圖6 客戶端主界面

圖7 機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控界面

客戶端還具有查詢加工記錄和工作日志的功能，并且可以圖形化地顯示并生成報(bào)表，見圖8。

圖8 機(jī)床工作日志查詢

除此之外，客戶端還包括用戶身份驗(yàn)證、記錄管理的功能。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在一定程度上兼容不同型號(hào)的機(jī)床，且成本低廉。在測試工程中保證了7 ×24 h 內(nèi)穩(wěn)定工作，具有監(jiān)控機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)、記錄查詢機(jī)床加工記錄和工作日志等功能，滿足用戶的需求，并且受到了用戶的好評(píng)。車間的自動(dòng)化、智能化管理能顯著提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。機(jī)床聯(lián)網(wǎng)必將成為機(jī)加工企業(yè)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)。

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