基于DNC通信的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

摘 要：文章提出了基于DNC通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)DNC通訊的數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)方案，提供了便捷的數(shù)控加工程序的傳輸工具，用案例展現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)制造的過程，并介紹了系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)制造；DNC；數(shù)控機床；串口通信

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)在先進(jìn)制造技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，引領(lǐng)著現(xiàn)代制造業(yè)不斷向“全球制造”這個理念不斷完善，使企業(yè)在全球網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)實現(xiàn)信息資源共享，將設(shè)計、制造和經(jīng)營管理有效地結(jié)合起來，提升企業(yè)的競爭力。DNC是一個為按要求向各臺機床分配數(shù)據(jù)，并將一組數(shù)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(tǒng)[1]。基于DNC通信的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)就是將自動化車間的最底層設(shè)備數(shù)控機床融入整個制造網(wǎng)絡(luò)[2]，從而使產(chǎn)品的設(shè)計與制造無縫結(jié)合，提高企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，與先進(jìn)的管理技術(shù)相結(jié)合，適應(yīng)現(xiàn)代制造企業(yè)的發(fā)展需要。

1 數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)框架

零件數(shù)控加工的全過程是從零件的設(shè)計圖紙出發(fā)，分析加工工藝、制定加工工藝路線，依據(jù)編程規(guī)則編制數(shù)控加工程序，經(jīng)過仿真加工后輸入到數(shù)控機床上進(jìn)行校驗和試切削，最終加工出的零件[3]?；贒NC通信的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)構(gòu)建的軟硬件平臺將數(shù)控機床端與客戶端（操作者）間聯(lián)系起來，方便、快捷、可靠地將編制的加工程序通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付〝?shù)控機床上完成零件的加工，并可對整個過程進(jìn)行有效地監(jiān)控，圖1所示的是基于DNC通信的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)框架。

圖1 基于DNC通信的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)框架

2 網(wǎng)絡(luò)DNC通訊系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)方案

目前我國制造企業(yè)采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床較多，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谝话憔鶠椤按凇钡默F(xiàn)狀，我們采用“單串口服務(wù)器”作為數(shù)控機床聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)DNC系統(tǒng)的媒介接入機床局域網(wǎng)，對于已具備網(wǎng)口的數(shù)控機床可以接入機床局域網(wǎng)或者直接接入以太網(wǎng)，與企業(yè)其他先進(jìn)制造技術(shù)網(wǎng)上共享，通過企業(yè)防火墻將企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)與因特網(wǎng)相連接，使企業(yè)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)制造。

基于DNC通訊的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2所示，A區(qū)域為企業(yè)內(nèi)部以設(shè)計及管理為主要內(nèi)涵的網(wǎng)絡(luò)制造管理系統(tǒng)；B區(qū)域為網(wǎng)絡(luò)DNC通訊系統(tǒng)，其中B1區(qū)域為有線網(wǎng)絡(luò)方式，穩(wěn)定性和可靠性上有較大優(yōu)勢，但安裝管理不便、施工工作量大，B2區(qū)域為無線網(wǎng)絡(luò)方式，通過無線路由器建立一個無線局域網(wǎng)，在每臺數(shù)控設(shè)備上安裝無線AP（或無線網(wǎng)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(wǎng)；C區(qū)域為空間范圍上企業(yè)外部的用戶端，使用遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)了更大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)制造。

2.2 系統(tǒng)的核心硬件及通信發(fā)生的機制

串口服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)DNC系統(tǒng)實現(xiàn)機床通信的核心硬件，安裝在數(shù)控機床上，通過RJ45接口連接以太網(wǎng)、通過RS-232C接口連接數(shù)控機床，無論是在本地還是遠(yuǎn)程均可以方便地在串口和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中存取相關(guān)數(shù)據(jù)。串口服務(wù)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(nèi)存控制器總線、中斷控制器總線、外設(shè)功能的總線等部分組成），通過管腳連接模塊控制外設(shè)器件連接來滿足應(yīng)用要求；外部存儲器包括FLASH存儲器（用于存儲系統(tǒng)包括基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的存儲、程序運行提供空間，掉電后數(shù)據(jù)丟失）兩部分；控制模塊主要包括晶體振蕩器（使系統(tǒng)容易起振、數(shù)據(jù)傳輸波特率更準(zhǔn)確）、復(fù)位電路（在系統(tǒng)啟動時提供且在電源穩(wěn)定后取消復(fù)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(fā)來源于機床的數(shù)據(jù)信息（提供硬件和軟件握手協(xié)議實現(xiàn)異步串行通信）；網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于收發(fā)來源于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息，可以使用通用的RTL8039AS或RTL8139等以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)[4]。

數(shù)控加工程序從DNC服務(wù)器傳遞與數(shù)控機床間通過串口服務(wù)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(wù)器與DNC服務(wù)器間的傳遞速度匹配，根據(jù)數(shù)控加工程序的大小和實時性的要求，保證合理的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，當(dāng)緩沖區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)小于設(shè)定值時發(fā)送請求信息，將數(shù)控加工程序文件讀入緩沖區(qū)；其二為數(shù)控機床與串口服務(wù)器間的傳遞速度匹配，根據(jù)兩者間串行傳輸?shù)奈帐謪f(xié)議，保障數(shù)控機床可以正確地收發(fā)數(shù)控加工程序文件。在數(shù)控機床上傳遞數(shù)控加工程序?qū)嵸|(zhì)上是通過串口服務(wù)器緩沖區(qū)不斷地調(diào)用DNC服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，通過TCP/IP可以實現(xiàn)DNC服務(wù)器同時與多個串口服務(wù)器連接，通過串口通信可以將數(shù)控加工程序?qū)崟r準(zhǔn)確地傳遞到某臺數(shù)控機床上。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

我們以SQL Server 2000為后臺數(shù)據(jù)庫，采用Windows Server 2003和Visual C++平臺開發(fā)網(wǎng)絡(luò)DNC通訊系統(tǒng)軟件，包括：DNC系統(tǒng)配置、數(shù)控加工設(shè)備管理、數(shù)控加工程序（文件）管理、數(shù)控加工任務(wù)管理、數(shù)控加工仿真模塊、網(wǎng)絡(luò)DNC通信等6個子功能模塊，其中網(wǎng)路DNC通信模塊為核心，分為面向串口機床的通信、面向網(wǎng)口機床或客戶機兩種類型。

a） 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖 b） 接收數(shù)據(jù)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(shè)計

串口數(shù)據(jù)傳遞主要是指數(shù)控加工程序文件的發(fā)送和接收兩個基本過程，依據(jù)不同的過程，設(shè)計流程圖，如圖4所示。根據(jù)流程圖編制相應(yīng)程序，在DNC服務(wù)器上機床參數(shù)中需要設(shè)置“接收指令起始符”設(shè)置成“Q”、“接收指令結(jié)束字符”設(shè)置為“V”，在數(shù)控機床上通過數(shù)控系統(tǒng)向服務(wù)器發(fā)送請求指令后，實現(xiàn)數(shù)控加工程序的信息傳遞，以FANUC數(shù)控系統(tǒng)的交互過程為例說明如表1所示。

2.3.2 面向用戶和網(wǎng)口機床通訊軟件設(shè)計

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

3 網(wǎng)絡(luò)制造的實現(xiàn)

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(jìn)行仿真，通過網(wǎng)絡(luò)DNC通信網(wǎng)絡(luò)（串口方式），傳遞到數(shù)控車床（機床型號：CK6140，數(shù)控系統(tǒng)：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(jù)零件圖紙分析，該零件主要需要進(jìn)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?。?.5mm余量；（3）精車外圓和圓弧到達(dá)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(jù)數(shù)控系統(tǒng)的編程規(guī)則編制零件的數(shù)控加工程序，這里以西門子SINUMERIK 802C的數(shù)控系統(tǒng)為例，編制零件的數(shù)控加工程序。

圖7 車削零件仿真結(jié)果

3.3 數(shù)控加工仿真

我們選用宇龍加工仿真軟件對編制的數(shù)控加工程序進(jìn)行仿真，首先將編制的數(shù)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(shù)控機床類型為“數(shù)控車床”、數(shù)控系統(tǒng)選擇“西門子802C”，安裝工件、選擇并安裝刀具，調(diào)入“ASC1.CUT”程序，進(jìn)行仿真加工，仿真結(jié)果如圖7所示。

3.4 數(shù)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(fā)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(wù)器上，打開DNC通訊軟件，使lath14處于自動通訊狀態(tài)，在機床端，在程序目錄下打開機床上AA02程序，修改程序內(nèi)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(shù)控程序即從DNC服務(wù)器端下載，當(dāng)ASC1.CUT文件出現(xiàn)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(shù)控車床操作規(guī)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(jié)果，如圖9所示。經(jīng)測量檢驗，符合圖紙要求，完成零件的編制及加工過程。

4 應(yīng)用效果

依托安徽工業(yè)大學(xué)工程實踐與創(chuàng)新教育中心的軟硬件基礎(chǔ)，將40余臺數(shù)控機床（數(shù)控車床15臺、數(shù)控銑床7臺，加工中心3臺，車削中心1臺，數(shù)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(shù)控沖床1臺等），CAD/CAM設(shè)計中心1個（96臺計算機、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器1臺、網(wǎng)站服務(wù)器1臺）有機統(tǒng)一起來，設(shè)計優(yōu)化方案，建立安全、穩(wěn)定、高效的基于網(wǎng)絡(luò)DNC通訊系統(tǒng)的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，自開發(fā)運用四年來，成功傳輸數(shù)控加工程序3萬余條，為學(xué)校培養(yǎng)數(shù)控技能人才提供了一個很好的實踐的平臺，同時也為企業(yè)開展網(wǎng)絡(luò)化制造提供了很好的素材。

雖然本系統(tǒng)的已初步將數(shù)控機床與網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)聯(lián)系起來并成功應(yīng)用，但研究與實踐表明，建立適應(yīng)性強、功能完善、集成度高的系統(tǒng)還需要有大量的研究和開發(fā)工作，系統(tǒng)在與其它系統(tǒng)集成、制造資源信息共享、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等方面有進(jìn)一步的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：楊琦（1983，11-），男，江蘇無錫人，安徽工業(yè)大學(xué)工程實踐與創(chuàng)新教育中心實驗師，碩士，研究方向：工程訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。