網絡化數控系統的研究和開發

張柏軍

摘要:網絡化的數控技術是實現制造自動化、智能化、集成化和全球化的基礎技術。本文分析了開發網絡系統的基本要求,提出了網絡化數控系統的體系結構,重點對網絡數控系統硬件平臺和軟件平臺的設計與實現進行了闡述分析, 并指出了基于Internet的網絡數控系統是數控系統的研究發展趨勢,有很強的實際應用意義。

關鍵詞:網絡數控系統;Internet;CAM/CAM;數字控制;數字化制造

CNC network of research and development

Abstract: Network of NC technology is the realization of manufacturing automation, intelligence, integration and globalization of technology-based. This paper analyzes the development of the network system of the basic requirements of the proposed network of digital systems architecture, with emphasis on the numerical control system network hardware platforms and software platform of Design and Implementation of the analysis described, and pointed out that the Internet-based network NC CNC is a system of research and development trends, there is a strong sense of practical application.

Key words: NC network system; Internet; CAM / CAM; digital control; digital manufacturing

1 引言

計算機網絡技術和信息技術的飛速發展帶來了制造業的不斷變革,數控技術作為未來先進制造技術的核心內容之一,正在朝著開放化,網絡化,柔性化和智能化方向發展,數控裝備產品的設計制造和應用開發都日益顯示出基于開放接口標準的模塊形態。網絡數控的基本思想是從系統角度出發,以集成為手段,以數控技術、計算機和網絡技術、通訊技術等先進技術為支撐,通過網絡將車間設備、資源加以集成,最終形成一個開放的、具有一定功能的網絡數控制造單元。

人們對數控技術的持續研究,深化信息技術的應用,促使其發揮更大的潛能和進一步提升其性能。因此,發展在信息技術支持下的先進數控技術來推進制造裝備及其控制運行過程自動化、網絡化和智能化的數字化技術,將是構成企業制造系統現代化的關鍵。它將提高企業在經濟全球化條件下,對不確定性市場環境的適應能力。所以,數控技術對機械制造企業重構和改造應起到重大作用。

2 發展網絡數控的意義

隨著計算機集成制造技術、敏捷制造、智能制造等新的概念和方法的研究與發展,作為各種先進制造環境中網絡制造的基本單元,網絡數控系統的研究與應用顯得尤為重要。網絡數控系統將為網絡制造、遠程制造、遠程診斷與維護及機床與各種網絡資源的相互共享等提供了最基本的支持。

2.1 可充分利用現有資源

隨著計算機輔助設計/制造系統越來越快地進入實際加工過程,越來越多的信息需要方便快捷地與數控系統進行通信和交換,這樣數控系統本身所使用的高可靠性、高價位、低容量的電子盤就很難滿足實際的需要。如果具備聯網功能,處于惡劣環境的數控機床就可以共享環境清潔的辦公用高容量硬盤,然后數控系統通過局域網讀取CAD/ACM 系統生成的加工代碼,并進行零件加工。

2.2 為遠程監控及網絡制造提供基礎

數控系統可以通過通訊網絡及時地向遠程監控點提供當前加工狀態信息,并接收遠程監控命令,為真正的全球制造提供最起碼的支持。甚至,我們可以把某個數控機床像辦公網絡中的共享打印機一樣共享到網絡上。當然,這些功能對數控系統的開放性及自診斷性都提出了更高的要求。

2.3 可減少維護的盲目性及相關費用

網絡數控系統不但大大加強工廠加工信息的傳遞與管理,提高機械加工自動化程度及遠程監控水平,而且當數控系統產生故障時,還可以為數控系統生產廠家提供遠程診斷與維護,減少維護的盲目性及相關費用。

3 開發網絡化數控系統的基本要求

網絡化制造是快速響應市場需求、提高市場競爭力的一種先進制造模式,它以數字化、柔性化和敏捷化為基本特征,充分利用網絡信息技術,實現全球制造資源的共享,支持跨地區跨平臺的全球制造。因而,在網絡化制造模式下,作為底層CNC自動控制系統應滿足如下的基本要求:

3.1 支持基于網絡的信息共享

若使CNC系統成為一種全球制造資源,其最基本要求就是支持跨平臺的系統操作,支持不同地域的多用戶信息共享:一方面要求CNC系統能夠充分利用企業信息網上層所擁有的各類管理和技術資源;另一方面要求上層企業層計算機能夠通過Intranet及時地獲取底層CNC系統的實時現場數據。

3.2 支持基于網絡的實時監控

網絡化CNC系統應能及時地向遠程客戶端發布實時狀態信息,并能在遠程客戶端對系統進行實時的操作和控制。

3.3 通過網絡提供遠程數字化服務

通過Internet/Intranet提供遠程數字化服務,包括遠程在線編程、遠程技術咨詢/技術培訓、特定控制功能的追加、交互式遠程故障診斷等服務內容。

4 網絡化數控系統的體系結構

為實現網絡化數控系統應有的功能,筆者構建了如圖2所示的系統體系結構。從圖示可以看出,這是一個由B/S與C/S相組合的系統結構,它充分利用B/S和C/S各自優勢,實現兩者之間的優勢互補,以滿足網絡化數控遠程服務和遠程監控的功能要求。

從B/S角度分析,這是一個3層結構:第一層為遠程客戶層,遠程客戶可通過瀏覽器實現數控系統的遠程監控和信息共享;第二層為系統服務層,用于存放遠程服務功能模塊和相關的應用程序;第三層是數據庫服務層,用于存儲加工工藝參數、機床設備參數、實時的系統狀態參數等。這種B/S系統結構形式易于實現跨平臺操作,降低了對客戶機的要求,提高了系統通用性。

從C/S角度看,該系統為兩層結構,即遠程客戶端和底層的Web-CNC,通過TCP/IP協議實現遠程客戶端與Web-CNC之間的雙向通信,通過遠程客戶端的虛擬控制面板實現基于Internet/In-tranet的系統遠程實時監控。這種C/S結構形式可由客戶機向服務器發布各種請求命令,由服務器將實時的系統狀態信息返回給客戶機,實現實時的點對點控制。

5 網絡化數控系統的開發

本文根據網絡化數控系統功能要求和體系結構,基于IPC和高速運動控制器硬件平臺開發了網絡化數控原型系統,下面具體介紹該系統的軟硬件構架和相關功能的實現技術。

5.1 硬件構成

Web-CNC原型系統是以IPC+多軸運動控制器(PMAC)為硬件平臺。PMAC是美國DeltaTau公司提供的一個控制單元,以高速數字信號處理器(DSP)為中央處理單元,具有插補、刀補、位置控制、速度處理、PLC控制、內務管理等基本的數控系統功能,支持用戶的開發和擴展,與IPC配合具有上下兩級的開放性。這種硬件結構具有結構簡單、構建方便、開放性好的特點,可共享IPC微機豐富的軟硬件資源,便于系統開發,可方便地與網絡連接,利于遠程服務、遠程監控和制造系統的集成。

5.2 軟件環境

a.在WindowsXP環境下,用VisualC++6.0開發Web-CNC原型系統的控制、管理和網絡通信等軟件功能模塊。

b.選用WindowsNT和Microsoft公司IIS5.0作為Web服務器,用以管理和發布信息。采用IIS所支持的ASP(Active Server Page)以及ADO(Ac-tive Data Objects)技術實現動態網頁的設計和對SQLServer2000數據庫的訪問。

c.采用MicrosoftSQLServer2000作為數據庫服務器,存儲和管理數控程序、加工工藝參數、機床設備基本參數、機床實時狀態信息和用戶信息等。

6 網絡化數控系統的技術實現

6.1 數據采集與處理技術

數控系統運行狀態的實時采集是Web-CNC原型系統的基本要求,也是實現信息共享的關鍵技術之一。由DeltaTau公司提供的PComm32通信驅動軟件可方便地實現PMAC與上層Windows應用程序的通信,其通信驅動關系如圖3所示。由圖示可知,PComm32通信驅動軟件由PMAC.DLL、PMAC.SYS、PMAC.VXD3個文件組成,共包含250多個函數。可通過其中的Device

GetRe-sponse()函數實現系統的參數采集,該函數原型為:

DeviceGetResponse(DWORDdw

Device,PCHARresponse,UNITmaxchar,

PCHARcommand)其中:dwDevice-設備號;response-字符串緩沖區的指針;maxchar-可傳送的最大字符串;command-傳送字符串命令。

利用上述函數開發相關軟件模塊,可按如下步驟對數控系統狀態參數進行采集和處理:

a.采集前準備

用SQLServer2000創建數據庫,用以存儲所采集的數據,并將所開發的軟件模塊與數據庫連接,設置定時器,對系統進行定時數據采集。

b.通過DeviceGetResponse函數向PMAC發送數據采集命令。

c.PMAC定時對各運動軸的位置、速度,以及系統變量、I/O端口等各狀態參數進行采集。

d.將所采集數據進行轉換處理后存放至所建數據庫,供其他應用程序調用。

6.2網絡通信與接口技術

本原型系統采用面向連接的流式套接字技術用VC++6.0分別為Web-CNC和遠程客戶端開發了基于以太網卡10M/100M的網絡通信接口程序模塊,建立兩者之間穩定的雙向通道。圖4所示為遠程客戶端與Web-CNC進行信息傳遞的流程。由圖可知,流式套接字數據傳輸過程是典型的客戶/服務器(C/S)模式。啟動Web-CNC服務器,并調用Listen()函數等待遠程客戶的訪問,當查獲遠程客戶開始向Web-CNC發出請求時,調用Receive()函數接受請求,建立穩定可靠的連接。這種數據傳輸方法按發送的順序接受數據,適用于大量的數據傳輸,具有可靠性好和實時性高的特點。

6.3遠程監控技術

遠程監控是Web-CNC的重要內容,其關鍵在于遠程客戶端虛擬控制面板的實現。在本系統中,采用ASP技術制作了動態網頁,并在網頁中嵌入用ActiveX控件開發的虛擬控制面板,可供遠程客戶的訪問。

虛擬控制面板內主要包含兩類信息:一類是Web-CNC系統實時狀態數據,包括各運動軸狀態、當前操作方式、報警信息、操作按鈕狀態等,這類信息源自于網絡數據庫,即通過ADO技術把采集存放在網絡數據庫的數據在虛擬控制面板上顯示,并定時地刷新;另一類是操作控制按鈕,包括控制方式、倍率調節、程序選擇以及啟動和急停等按鈕,系統控制命令可通過虛擬控制面板上的按鈕經過網絡通信通道下傳到Web-CNC,再通過Device Get Response()函數的調用將命令下載給PMAC執行,以控制機床運動。

7 結束語

網絡數控以Internet技術、通訊技術、數控技術和計算機技術為技術,遠程設計、數控編程和數控加工集成在一起,實現了數控系統等數控設備的網絡化和集成化,已成為數控系統發展的必然趨勢。它具有十分廣泛的技術內涵。文中涉及了國內外對網絡數控系統的研究現狀,對關鍵技術的探討僅僅是網絡數控系統在利用網絡資源進行生產應用的一個方面,有關利用網絡技術對數控系統大范圍內的資源優化課題有待于進一步探索。針對網絡數控的研究也將向以下方面發展。

①今后對網絡數控操作平臺的研究重點將轉向對生產管理軟件的進一步集成技術,其開放性和可擴展性成為主要考慮的因素。

②軟插件技術為基礎研究異構數控系統的集成將成為今后網絡數控發展的一個趨勢。

③基于現場總線和高速數據通信技術的發展將在網絡數控中得到大量的應用。

④基于網絡的多媒體技術將在網絡數控中進一步得到應用,將虛擬實現技術集成入網絡數控操作平臺,將使遠程身處異地的操作人員在本機上,身臨其境的操作遠程數控機床。

參考文獻

1.高榮,基于Web服務的移動網絡數控系統研究,計算機集成制造系統,2007/09

2.黃榮杰,DNC通訊接口模式在網絡數控系統中的應用分析,組合機床與自動化加工技術,2007/05

3.馬鋼,一種開放式網絡數控系統的開發,遼寧省交通高等?？茖W校學報,2006/03

4.梁志鋒,基于工業以太網的網絡數控系統設計及實現,現代制造工程,2006/01

5.張翠軒,基于校園網的網絡數控系統研究,機電產品開發與創新,2005/01

6.吳新佳,網絡數控系統研究,鄭州鐵路職業技術學院學報,2005/01