基于網(wǎng)絡(luò)的智能制造教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)

于恩　李舟

本文對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的智能制造教學(xué)系統(tǒng)的分析，對(duì)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能及主要支撐技術(shù)進(jìn)行了說明，并對(duì)在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中的主要技術(shù)――數(shù)控系統(tǒng)的異構(gòu)組網(wǎng)方法進(jìn)行了分析、說明。

隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)和超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人與人工智能技術(shù)在工程上的普遍使用，網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)越來越受到世界范圍的重視。建立基于網(wǎng)絡(luò)的智能制造教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)與在教學(xué)中應(yīng)用，對(duì)于提高學(xué)校的辦學(xué)能力，優(yōu)化與融合校內(nèi)的各類資源，提高辦學(xué)水平具有實(shí)際意義。

一、網(wǎng)絡(luò)的智能制造教學(xué)系統(tǒng)的目的、意義

建立基于網(wǎng)絡(luò)的智能制造教學(xué)系統(tǒng)，一方面可讓學(xué)生所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、技術(shù)檢驗(yàn)知識(shí)相互聯(lián)系，了解工廠實(shí)際設(shè)計(jì)、加工中的生產(chǎn)環(huán)境，另一方面又可讓學(xué)生達(dá)到綜合應(yīng)用所學(xué)各個(gè)課程知識(shí)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

網(wǎng)絡(luò)的智能制造教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)：

將分散于CAD/CAM、數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐、公差配合與技術(shù)測(cè)量等課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來，實(shí)現(xiàn)可通過加工、檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題與改進(jìn)方法，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化加工工藝，使知識(shí)能得到綜合應(yīng)用的目的，同時(shí)使在線檢驗(yàn)的設(shè)備儀器要求高、成本高，學(xué)生不易掌握等問題通過配有電腦打印接口的測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行解決。形成加工、設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)系與傳送，同時(shí)為今后的加工狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等作技術(shù)準(zhǔn)備。如下：

產(chǎn)品設(shè)計(jì)=數(shù)控加工=產(chǎn)品檢驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)的智能制造教學(xué)系統(tǒng)建立后，學(xué)生實(shí)習(xí)的最直接效果是：

（1）提高了機(jī)床的利用率，改變了所有程序均在機(jī)床操作面板手工輸入與校驗(yàn)，單人占用建立較長時(shí)間。聯(lián)網(wǎng)后，實(shí)現(xiàn)了NC程序的遠(yuǎn)距離輸送，實(shí)習(xí)學(xué)生可在機(jī)房編程校驗(yàn)，編程校驗(yàn)完成后再到車間上機(jī)床操作，既提高了機(jī)床的利用率。

（2）可實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大時(shí)的程序傳輸與加工。避免了復(fù)雜程序輸入用U盤考入程序或用USB接口插拔方式讀入程序，保護(hù)了機(jī)床設(shè)備。

二、網(wǎng)絡(luò)智能制造教學(xué)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案

基于局域網(wǎng)的數(shù)控加工平臺(tái)的構(gòu)建是智能制造技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工平臺(tái)的建立和運(yùn)行需要大量技術(shù)的支持。相關(guān)的綜合技術(shù)主要包括：產(chǎn)品管理、基礎(chǔ)技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、產(chǎn)品建模技術(shù)和知識(shí)管理技術(shù)等、支撐技術(shù)（如計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）等。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等，是智能制造教學(xué)系統(tǒng)中的常用技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控加工平臺(tái)而言，關(guān)鍵的技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和機(jī)床聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

數(shù)控機(jī)床作為數(shù)控加工平臺(tái)中的最基礎(chǔ)硬件，對(duì)平臺(tái)建設(shè)起著非常關(guān)鍵的作用。學(xué)校建有機(jī)械制造綜合實(shí)驗(yàn)室與加工車間，其中有華中數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)的數(shù)控銑床3臺(tái)（HNC2IT）、華中數(shù)控世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床3臺(tái)、華中數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)的立式加工中心1臺(tái)、西門子數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控銑床、數(shù)控車床各3臺(tái)。電火花、線切割、3D打印機(jī)等機(jī)床。校園網(wǎng)下的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、CAD/CAM機(jī)房和數(shù)控機(jī)床組。數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)要達(dá)到的主要目的是：

通過與校園網(wǎng)聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與CAD/CAM學(xué)生機(jī)之間的通訊，完成加工程序的傳輸：

（1）支持從機(jī)床端自動(dòng)調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)的NC程序文件；可以遠(yuǎn)程將多個(gè)數(shù)控程序打包并調(diào)用。

（2）支持?jǐn)?shù)控機(jī)床的在線加工，并可實(shí)現(xiàn)多機(jī)床的同時(shí)在線加工，支持在線加工時(shí)的斷點(diǎn)續(xù)傳功能，支持DNC在線加工時(shí)子程序的在線調(diào)用。

（3）支持NC程序文件從機(jī)床端到計(jì)算機(jī)端的下載。

目前常見數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)方式有：

1.單串口設(shè)備服務(wù)器型：這種聯(lián)網(wǎng)方式的特點(diǎn)是：每臺(tái)串口數(shù)控設(shè)備上都分別裝有一臺(tái)單串口設(shè)備服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)任意設(shè)備與以太網(wǎng)直接相聯(lián)，達(dá)到在以太網(wǎng)上的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)，都可以直接控制任意一臺(tái)數(shù)控設(shè)備。這種連接方式是典型的星型連接，即便單串口設(shè)備服務(wù)器發(fā)生故障，只會(huì)影響一臺(tái)設(shè)備。

2.多串口設(shè)備服務(wù)器型：這種聯(lián)網(wǎng)方式的特點(diǎn)是：采用一臺(tái)多串口設(shè)備服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)數(shù)控設(shè)備與以太網(wǎng)（Ethemet，IEEE的8023標(biāo)準(zhǔn)）的連接，這樣，在以太網(wǎng)上的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)，都可以直接控制該網(wǎng)絡(luò)的任意一臺(tái)機(jī)床。這種連接方式平均成本較低，靈活性好，因?yàn)槿魏我慌_(tái)計(jì)算機(jī)都可以控制任意臺(tái)數(shù)控設(shè)備，具有較高的靈活性。但受RS232傳輸距離的限制。同時(shí)當(dāng)多串口設(shè)備服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，會(huì)影響多臺(tái)設(shè)備。

3.使用機(jī)床自帶的網(wǎng)絡(luò)接口：本校中由于數(shù)控設(shè)備不一致，老式機(jī)床和新機(jī)床接口不一樣，有帶網(wǎng)絡(luò)接口，有帶RS232C、RS485接口的，存在著通信接口和通信協(xié)議不一致。而在不同實(shí)驗(yàn)室的電火花、線切割和測(cè)量平臺(tái)使用RS232進(jìn)行通訊，因此只能根據(jù)各個(gè)機(jī)床具體情況，采用不同接入方式的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

三、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工平臺(tái)異構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

針對(duì)目前數(shù)控設(shè)備的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)品牌較雜、型號(hào)較多，檔次差別大，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)困難等實(shí)際情況。國內(nèi)研究開發(fā)了多種機(jī)床通訊實(shí)現(xiàn)技術(shù)。如傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)上應(yīng)用PLC與RS232通訊接口相結(jié)合的技術(shù)，采用MOXA C320Turbo卡（或其它多路串行通訊卡）插卡的方式與計(jì)算機(jī)連接，采用CAN總線與DNC卡實(shí)現(xiàn)機(jī)床與計(jì)算機(jī)連接，重慶大學(xué)開發(fā)了基于軟插件技術(shù)的EC104DNC集成控制系統(tǒng)等。帶串口服務(wù)器的DNC通訊接口模式是這些實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一。

串口服務(wù)器的功能是將來TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包與串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行雙向解析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。串口服務(wù)器完成的是一個(gè)面向連接的RS232鏈路和面向無連接以太網(wǎng)之間的通訊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)控制，系統(tǒng)對(duì)來自串口設(shè)備的串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀，對(duì)來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送達(dá)響應(yīng)的串口設(shè)備。它可將多個(gè)串口設(shè)備連接并能對(duì)串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行選擇和處理，把RS232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化IP端口的數(shù)據(jù)，這樣就能夠?qū)鹘y(tǒng)的串行數(shù)據(jù)送上流行的IP通道，從而保留原有的不帶以太網(wǎng)模塊的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備，提高現(xiàn)有設(shè)備的利用率，簡化了布線。

實(shí)際應(yīng)用中，串口服務(wù)器將具有TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口映射為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，應(yīng)用程序可以像對(duì)普通串口一樣對(duì)其進(jìn)行收發(fā)和控制，因此，串口服務(wù)器在數(shù)控系統(tǒng)組網(wǎng)中的功能是把來自數(shù)控系統(tǒng)的信息與局域網(wǎng)上的任何一個(gè)計(jì)算機(jī)信息進(jìn)行雙向傳輸，相當(dāng)于局域網(wǎng)和串口設(shè)備的網(wǎng)關(guān)通過為串口服務(wù)器配置IP地址，使數(shù)控機(jī)床成為局域網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而擁有局域網(wǎng)的部分功能，實(shí)現(xiàn)資源共享。通過該組網(wǎng)方式能夠?qū)⒉煌臄?shù)控系統(tǒng)，不同形式的串口（如RS232、RS485和RS422），連接到以太網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的異構(gòu)組網(wǎng)。

對(duì)于某些具備以太網(wǎng)接口的先進(jìn)加工中心等數(shù)控設(shè)備和微機(jī)設(shè)備，可直接連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；使用串行接口的數(shù)控設(shè)備，通過串口服務(wù)器（如MOXA Nport5210）轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口，然后連接到交換機(jī)。DNC服務(wù)器通過以太網(wǎng)交換機(jī)與底層的數(shù)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息互通，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器對(duì)數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制管理。而且還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的傳輸，適應(yīng)了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)制造教學(xué)的需要。

通過使用串中服務(wù)器，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)化制造模式作為一種先進(jìn)制造模式，提供了制造企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王時(shí)龍.計(jì)算機(jī)數(shù)控集成技術(shù)的發(fā)展[J].計(jì)算機(jī)集成制造——CIMS，1998（3）.

[2]王信.基于網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境的現(xiàn)代制造技術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[D].昆明理工大學(xué)，2015.

[3]羅小川，車仁生，崔長彩.分布式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程，2002（10）1.

[4]鄧靜.網(wǎng)絡(luò)化制造及其教學(xué)集成系統(tǒng)[D].貴州大學(xué)，2007.

[5]范玉順.網(wǎng)絡(luò)化制造的內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)問題[J].計(jì)算機(jī)集成制造—CIMS，2003（9）.

基金項(xiàng)目：湖北民族學(xué)院科技學(xué)院院教學(xué)研究與改革項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：網(wǎng)絡(luò)制造的機(jī)加工實(shí)驗(yàn)室設(shè)備配置與優(yōu)化，項(xiàng)目編號(hào)KJY201405.