離散制造業(yè)DNC系統(tǒng)應(yīng)用研究

何 船，陳 威，陳興燕，潘克強

（1.貴州理工學院機械工程學院，貴州 貴陽 550000；2.貴州黎陽航空動力有限公司，貴州 貴陽 550000））

1 引言

隨著“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、“智能制造2025”、“兩化融合”等概念的提出，現(xiàn)在制造業(yè)越來越注重利用現(xiàn)代設(shè)備提升企業(yè)的制造水平，其中數(shù)控設(shè)備的增加是一個顯著的標志，而數(shù)控加工在整個生產(chǎn)加工過程中占有率也越來越高，在傳統(tǒng)普通機床上需要加工幾道甚至十幾道工序的零件轉(zhuǎn)移到數(shù)控機床上可能只需一兩道工序就能完成，數(shù)控加工雖然在一定程度上提高產(chǎn)品加工效率，縮短產(chǎn)品加工時間[1]，但在數(shù)控程序傳輸和管理方面存在以下問題：

（1）數(shù)控程序通常在筆記本或單機臺式機上進行編制，然后在編程電腦和機床之間大量的利用U盤和存儲卡進行傳遞，很可能造成一些病毒的傳播，不僅會導致編程電腦中毒，而且一旦病毒感染到機床系統(tǒng)，可能造成機床系統(tǒng)崩潰，嚴重影響生產(chǎn)進度。如果加工的是重要零件，造成的損失就難以估量。

另外，針對一些單位，設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)和辦公局域網(wǎng)是完全物理隔離的，數(shù)控程序在辦公局域網(wǎng)內(nèi)進行編制，不能直接向機床進行傳輸，這樣數(shù)控程序的傳遞就更加麻煩，具體流程，如圖1所示。不管采用哪種方式，不僅過程繁瑣，而且大量時間浪費在數(shù)據(jù)導出導入之間。（2）由于數(shù)控程序傳輸困難，一方面導致部分技術(shù)人員或工人直接在機床上編制數(shù)控程序，尚未進行校對和審核就直接進行加工，造成程序不可控；另一方面，在機床上存儲大量的數(shù)控程序，需要時直接調(diào)用，不僅存在程序調(diào)錯的風險，而且不同的機床數(shù)控程序版本可能不一致，無法形成統(tǒng)一有效的管理，造成零件加工超差甚至報廢。（3）車間現(xiàn)有系統(tǒng)種類繁多，包括SIEMENS、FANUC、FIDIA、HAAS、HEIDENHAIN、MITUSUB-ISH等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)間的通信軟件和傳輸協(xié)議都不一樣，相互之間無法兼容，針對同一工序在不同的機床上加工需要編寫不同版本的加工程序，大大限制了零件的轉(zhuǎn)移加工能力。

圖1 數(shù)控程序管理流程Fig.1 NC Program Management Process

在設(shè)備管理方面，同樣存在一些問題：

（1）設(shè)備的利用率無法有效統(tǒng)計：設(shè)備的開機、關(guān)機、報警狀態(tài)只能通過人為的方式進行記錄和反饋，不僅信息傳遞不及時，而且存在管理上的漏洞，比如某臺機床可能整天都未開工，但人工記錄是正常開機運行，造成資源的浪費。

（2）設(shè)備運行效率采集和分析不準確；由于設(shè)備的主軸運轉(zhuǎn)率、進給倍率、負載率等信息無法有效的采集和統(tǒng)計，設(shè)備的運行狀態(tài)無法有效進行掌控，導致無法合理安排生產(chǎn)任務(wù)。

（3）針對整個企業(yè)所有的數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)過程中的信息無法全面的掌握和分析，到底數(shù)控設(shè)備對生產(chǎn)水平的提升起到多大的作用無法提供數(shù)據(jù)支撐。

在這種情況下，通過搭建DNC系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控程序和機床之間的快速傳輸，改變傳統(tǒng)人為的管理模式，不僅達到數(shù)控程序有效管理的目的，而且減少病毒傳播的概率；另外通過與PDM集成，實現(xiàn)數(shù)控程序數(shù)據(jù)源頭唯一，可以實現(xiàn)版本的有效控制，減少數(shù)控程序選錯的概率。

通過對機床信息的采集，包括主軸轉(zhuǎn)速、F/S倍率、開機/關(guān)機時間、報警次數(shù)等指標，可以有效分析設(shè)備的利用率，通過與MES系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)任務(wù)的合理分配，達到最大限度利用機床來提升生產(chǎn)加工效率。

2 DNC系統(tǒng)建設(shè)

DNC系統(tǒng)建設(shè)主要分為機床通訊、程序管理、機床數(shù)據(jù)采集三個方面。其中通訊模塊主要負責從DNC系統(tǒng)到機床之間的網(wǎng)絡(luò)通訊，管理模塊負責數(shù)控程序的管理、下發(fā)、回傳等功能，采集模塊負責機床運轉(zhuǎn)、報警等各項數(shù)據(jù)的采集分析，具體，如圖2所示。

圖2 DNC系統(tǒng)管理模塊Fig.2 DNC System Management Module

通過DNC系統(tǒng)的建設(shè)，可以達到以下目標：（1）實現(xiàn)數(shù)控程序的有效管理，程序可以快速向機床傳遞，改變傳統(tǒng)利用U盤或筆記本和機床直連的方式，降低機床感染病毒的幾率，提高機床的安全性。（2）通過采集機床的主軸轉(zhuǎn)速、進給倍率、報警等信息，可以實時監(jiān)控機床的運行狀態(tài)，并對生產(chǎn)任務(wù)進行合理安排，提升機床的利用率，從而達到均衡生產(chǎn)的目的。（3）通過與PDM、MES系統(tǒng)集成，打造數(shù)據(jù)源頭，統(tǒng)一業(yè)務(wù)管理模式，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)任務(wù)、設(shè)備運行等協(xié)同管理模式，實現(xiàn)工廠的數(shù)字化管理。（4）針對某些制造企業(yè)，工作局域網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)是分開的，利用網(wǎng)閘技術(shù)，實現(xiàn)局域網(wǎng)與設(shè)備網(wǎng)數(shù)據(jù)的定時同步，從而提升數(shù)控程序傳遞效率。

2.1 機床通訊

機床通訊主要分為網(wǎng)卡通訊和串口通訊（如圖3），對需要進行串口傳輸?shù)臋C床，通過在機床內(nèi)部安裝串口傳輸模塊，同時在安裝電源及空開保護模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，利用傳輸模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備之間的通信[7]。

對有網(wǎng)卡機床，采用網(wǎng)卡通訊，網(wǎng)線直接接入設(shè)備RJ45口即可，如圖3所示。

圖3 DNC系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 DNC System Communication Structure Diagram

機床聯(lián)網(wǎng)通訊包括網(wǎng)絡(luò)通訊、在線加工、遠程操作和傳輸管理，采用DNC-MAX功能模塊進行管理，主要實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)與遠程通訊等功能，可以實時監(jiān)控系統(tǒng)與機床的通訊狀態(tài)及數(shù)據(jù)，并通過通訊時間的收集、分析，統(tǒng)計機床的通訊狀態(tài)是否良好。功能，如圖4所示。

圖4 DNC-Max使用界面Fig.4 DNC-Max Interface

通過該功能模塊可以滿足任何標準的RS232、RS422、485、TCP/IP等系列通訊硬件，支持除Fanuc、Siemens、Heidenhain這類典型的控制系統(tǒng)外，還支持國內(nèi)的華中、華興、廣泰、大森等各種控制系統(tǒng)。

2.2 數(shù)控程序管理

為實現(xiàn)數(shù)控程序的規(guī)范管理，必須保證數(shù)據(jù)的唯一源來自PDM，通過DNC系統(tǒng)的管理模式來向PDM提出具體的管理要求[2]，具體，如圖5所示。通過DNC系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)控程序的規(guī)范管理，包括對數(shù)控程序的所屬分廠、件號、工序號以及在哪臺機床上加工，保證數(shù)控程序名稱的直觀性、可查詢和方便程序的閱讀。制定數(shù)控程序格式和命名規(guī)范[8-9]，參考，如圖6所示。

圖5 數(shù)控程序管理流程Fig.5 NC Program Management Process

圖6 數(shù)控程序格式和命名規(guī)范Fig.6 NC Program Format and Naming Convention

目前隨著制造企業(yè)數(shù)控機床的普遍應(yīng)用，數(shù)控程序的數(shù)量也越來越多，有的企業(yè)數(shù)控程序的數(shù)量甚至達到十萬、百萬級別，如何對數(shù)控程序進行有效的管理成為一個難題。

系統(tǒng)采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的形式，可根據(jù)零件建立多級程序目錄，可以根據(jù)分廠、設(shè)備、型號等不同的管理需求劃分不同的管理模式。同時具備程序信息自動提取功能，可以對程序的圖號、編程員、機床以及設(shè)備對程序的調(diào)用情況等信息進行自動提取，并通過各類的報表的匯總分析，從而得出每臺機床的程序加工情況，從而可以合理分配機床的生產(chǎn)任務(wù)，達到均衡生產(chǎn)的目的。

另外通過DNC系統(tǒng)自帶的編輯仿真模塊，可以實現(xiàn)對零件的加工軌跡及走刀軌跡進行校驗，同時對三維模型進行仿真，通過對程序的反復調(diào)整，在虛擬世界中模擬出實際的加工需求，然后在物理世界進行加工，通過這種方式，首先不用通過多次的首件試加工來達到生產(chǎn)需求，一方面節(jié)約人力、時間，另一方面節(jié)約大量的成本；其次，通過編輯仿真模擬，可以計算出實際加工需要的工裝刀具等一些生產(chǎn)準備的信息，進行提前生產(chǎn)準備，節(jié)約大量的生產(chǎn)準備時間，這樣可以減少一些關(guān)鍵設(shè)備的空閑時間，盡可能的提升設(shè)備的利用率，從而提升生產(chǎn)效率，如圖7、圖8所示。如圖7所示，首先將編制完成的數(shù)控程序通過仿真軟件打開，可以清晰觀察走刀軌跡是否正確，通過設(shè)置實體仿真的坐標軸X/Y/Z的值，以及指派的刀具庫的刀具，可以模擬出零件的實際加工情況，減少產(chǎn)品首件加工調(diào)試時間及降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品合格率。

圖7 軌跡仿真Fig.7 Trajectory Simulation

圖8 實體仿真Fig.8 Entity Simulation

2.3 數(shù)據(jù)采集管理

其數(shù)據(jù)采集主要分為網(wǎng)卡機床采集、PLC采集、硬件采集三種模式，由于不同的機床所用的系統(tǒng)不同，有Simens、Fanuc、華中、Heidenhain等系統(tǒng)，采集協(xié)議也各不相同，采集方式，如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集方式圖Fig.9 Data Acquisition Mode

網(wǎng)卡采集直接將網(wǎng)線接入設(shè)備RJ45口通過設(shè)置IP地址，調(diào)試交換機即可進行采集，PLC采集和硬件采集是要在機床端采集模塊，并實現(xiàn)與進行網(wǎng)絡(luò)進行通訊，具體采集方，式如圖10、圖11所示。通過部署采集模塊來對機床信息進行采集，可以達到以下效果：（1）通過系統(tǒng)可以實時查看設(shè)備的運行狀態(tài)，并通過柱狀圖、折線圖、設(shè)備地圖看板不同的類型進行展示，管理人員可以遠程通過系統(tǒng)查看不同設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以便及時對報警等異常的設(shè)備進行處理。（2）由于采集方式不同，硬件采集、PLC采集能夠采集到機床的運轉(zhuǎn)信息較少，網(wǎng)卡采集機床的運轉(zhuǎn)信息較多，但不管采用哪種方式，都改變的傳統(tǒng)的“啞設(shè)備”的模式，實現(xiàn)設(shè)備各類數(shù)據(jù)的收集。（3）生成分析報表如開機率、主軸運轉(zhuǎn)率、主軸倍率、主軸負載率、NC運行率、故障率、故障間隔時間、設(shè)備生產(chǎn)率等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，供決策者進行查看，合理安排生產(chǎn)任務(wù)，提高機床的利用效率，從而提高生產(chǎn)效率[10]。

圖10 PLC采集Fig.10 PLC Acquisition

圖11 硬件采集Fig.11 Hardware Acquisition

3 系統(tǒng)集成

目前大部分制造企業(yè)上線應(yīng)用的主流系統(tǒng)主要有企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)ERP、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM、車間生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)DNC，每個系統(tǒng)的專注的業(yè)務(wù)范圍也各不相同，但針對企業(yè)來說不僅僅局限于通過單一的系統(tǒng)進行管理，而是通過整體的規(guī)劃，打破信息孤島，形成從設(shè)計、工藝、制造整個全生命周期的閉環(huán)管理，這就需要打通信息系統(tǒng)之間的壁壘，通過系統(tǒng)集成的模式來是實現(xiàn)車間的數(shù)字化管理[3-6]。DNC系統(tǒng)作為數(shù)控程序和設(shè)備狀態(tài)的管理系統(tǒng)是與生產(chǎn)制造過程的底層設(shè)備連接最緊密的系統(tǒng)，但由于數(shù)控程序的源頭是在PDM，生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)的源頭是在MES，所以DNC作為連接數(shù)控設(shè)備與上層PDM、MES系統(tǒng)的橋梁，通過集成實現(xiàn)數(shù)控程序的下載、回傳管理，集成流程，如圖12所示。首先MES根據(jù)生產(chǎn)要求將工序任務(wù)派工到對應(yīng)的設(shè)備上，同時向DNC提請工序準備；然后DNC系統(tǒng)依據(jù)設(shè)備編號、零件號、工序任務(wù)號等信息向PDM申請數(shù)控程序并將程序傳送到設(shè)備的發(fā)件箱；MES系統(tǒng)接收到DNC系統(tǒng)程序準備完成的指令，同時將數(shù)控程序傳輸?shù)綑C床上進行生產(chǎn)任務(wù)加工，如圖13所示。為保證網(wǎng)絡(luò)安全，在辦公網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)之間利用單向網(wǎng)閘技術(shù)確保傳輸數(shù)據(jù)的安全性。

圖12 DNC、PDM、MES集成流程Fig.12 DNC、PDM、MES Integration Process

圖13 數(shù)控程序下發(fā)流程Fig.13 CNC program delivery process

當在設(shè)備上對數(shù)控程序進行更改，對數(shù)控程序進行回傳，數(shù)控程序回傳后通過ID號識別是否是PDM傳遞的程序，便于進行版本比較和歸檔到PDM，如圖14所示。

圖14 數(shù)控程序回傳流程Fig.14 NC Program Return Process

通過集成將制造企業(yè)的各業(yè)務(wù)管理模塊進行整合，實現(xiàn)資源的有效利用和合理分配，打造企業(yè)統(tǒng)一的生產(chǎn)業(yè)務(wù)信息化管理平臺。

4 結(jié)束語

通過分析DNC系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容以及與PDM/MES系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)流程，主要達到以下效果：（1）實現(xiàn)數(shù)控程序的規(guī)范有效管理，改變傳統(tǒng)數(shù)控程序傳遞方式，有效提升工作效率。同時通過對機床運行數(shù)據(jù)的采集分析，統(tǒng)計歸納機床的任務(wù)負載信息及報警信息，實現(xiàn)任務(wù)的合理分配及建立機床故障的提前預警機制。（2）利用信息系統(tǒng)間的縱向集成，打通從設(shè)計、制造到底層設(shè)備的有效互聯(lián)，實現(xiàn)各項業(yè)務(wù)流程的貫通管理，形成統(tǒng)一的管理平臺，提升企業(yè)的生產(chǎn)信息化管理水平，最終提升企業(yè)的核心競爭力。