基于Windows網絡數控系統的設計與實現

顏國霖

(黎明職業大學 機電及自動化學院，福建 泉州 362000)

基于Windows網絡數控系統的設計與實現

顏國霖

(黎明職業大學 機電及自動化學院，福建 泉州 362000)

為了實現實訓車間數控機床的聯網，采用CE-232B轉換模塊構建一個工業以太網絡。基于以太網和TCP/IP技術，采用多線程編程方法，開發出基于Windows網絡數控系統軟件，實現了一臺DNC服務器管理多臺數控機床。該系統使用方便，適合學校實訓車間使用，具有一定的實用價值。

網絡數控系統;以太網;多線程;TCP/IP技術

0 前言

隨著計算機技術、數控技術的日益發展，新一代數控系統呈現出高速化、高精度、智能化、多功能的特點。由分散的數控機床與計算機結合而成的DNC系統已成為現代加工企業重要管理模式之一。目前基于Windows網絡數控機床通訊的研究，已成為當前研究熱點之一［1］。這種數控系統可以實現對零件程序的上傳或下傳，機床狀態采集和遠程控制，可以提高企業車間的管理水平及柔性自動化加工。

隨著學校數控實訓車間規模的擴大，設備的利用率逐漸增大，車間人員和設備安全管理主要還是依賴于現場監督和定期職責巡視來實現。為了進一步完善實訓車間的數字化、信息化水平，提升學校信息化以及管理水平，結合學校數控實訓車間的實際情況，筆者設計出一種滿足該車間需求的數控機床管理的網絡結構。通過DNC服務器、CAD/CAM客戶端、網絡交換機與多臺數控機床采用星形拓撲結構聯成網絡，并以VC++為軟件平臺，設計開發了網絡數控系統軟件。在數控車間里，建立有線以太網絡，加工程序可以通過老師審核后進行上傳、下載及在線加工，在加工過程中能對數控機床進行實時監控、NC程序傳輸等功能。這樣既減少學校硬件成本投入和管理成本，又提高了數控實訓車間的教學效果和實訓的質量，實現所有數控機床的網絡化管理。

1 系統網絡構建

隨著網絡技術的發展，以太網技術已取得了本質的飛躍，基于以太網技術工業控制網絡正日趨成熟。DNC技術已有明顯的傾向趨勢［2］。但是目前的工業設備中仍存在大量只具備串口通訊的設備，這種串口不具有聯網能力，要采用以太網組網面臨接口轉換問題。不少公司開發出接口轉換模塊，使串口通訊設備成為局域網中的一個節點，支持TCP/IP協議。

目前，將學校數控車間只具有串口通訊的FANUC 0i系統的數控車床和加工中心，嵌入CE-232B轉化模塊，使其具備以太網接口RJ45S，可直接連入網絡。CE-232B轉化模塊實現了RS232C協議與TCP/IP網絡協議之間的數據交換。FANUC數控機床通過CE-232B模塊提供的10/100Mb/s以太網接口與工業交換機連接。

系統結構設計如圖1所示。DNC服務器放在教師辦公室中，仿真實驗室中有50臺客戶端供學生上機編程使用，數控實訓室中有多臺數控機床。每臺數控機床安裝CE-232B轉化模塊，作為一個獨立終端與網絡交換機相連。DNC服務器、CAD/CAM客戶端及數控機床之間用以太網交換機相連，組成一個管理維護容易，系統配置靈活，環境適應性強等優點的以網絡系統。

2 系統軟件設計

圖1 系統網絡結構圖

筆者結合數控加工過程中的特點和實際需要，研究了一種基于以太網技術，采用TCP/IP協議及多線程技術的網絡通訊方法，使得數控機床能達到快速響應及實時性網絡通訊。系統功能結構圖如圖2所示，主要包括管理模塊，通訊模塊，NC程序仿真模塊三大模塊。

圖2 系統功能結構圖

管理模塊:實現用戶組的創建、登入密碼的設置，機床管理、NC程序管理等功能。

通訊模塊:通訊是網絡數控系統的核心部分。可實現NC程序的發送、接收及數控機床狀態監控功能等。

仿真模塊:該模塊包括NC程序的讀取和存儲，程序結構的分析和提取，編譯，運行程序后，將一些有用的數據存儲在數組中，并且將當前狀態用畫圖函數顯示到桌面等功能。

2.1 網絡通訊

傳統的DNC系統采用標準RS232串行通信，它是單端通信，無可靠的上層協議保證傳輸的準確性，傳輸的距離不能超過15米，無法實現數控系統信息數據資源的共享。在實訓車間，用串行通訊傳輸模具加工數控代碼在準確性、傳輸的速度已不能滿足實際需要，這也制約著車間網絡化、柔性化的發展。基于Windows網絡數控系統對實時性要求非常強。要求遠程控制數控機床開機、停機、自動走刀命令，監控機床正在加工、正在等待、故障等狀態;采集當前刀具坐標點數值等。因此采用以太網作為傳輸介質，傳輸層采用TCP/IP協議。基于TCP/IP協議的以太網是一種開放式通信網絡，所需設備兼容性好，易組網，接口方便，傳輸速率高，傳輸距離不受限制，可實現多臺設備的并行通訊傳輸。

基于Windows網絡數控系統的通訊程序是在Windows環境下直接用面向連接的Windows Sockets［3］在Visual C++上開發的。DNC服務器與下位機進行實時通訊，又可以與下位機進行文件互傳。DNC服務器端完成文件的接收和發放的流程圖如圖3所示。

圖3 DNC服務器接收和發送流程圖

在Visual C++平臺下，使用多線程技術來管理多臺機床的同時連接。為了能使DNC服務器與多臺數控機床同時進行接收和處理連接請求，把線程分為用戶界面線程(UI線程)和工作者線程［4］。UI線程負責處理用戶界面，開辟新的工作線程來完成發送和接收任務。而工作者線程通常在后臺工作，不能直接接收用戶的命令。工作線程通過CE-232B模塊提供的連接管理程序C2000 Manager獲得機床的信息，包括機床IP地址、機床IP端口號等。工作線程還負責偵聽數控機床發來的傳輸請求，建立與數控機床的套接字連接;接收數控機床傳來的數據和信息;發送數據和信息給數控機床。在線程間的同步及工作線程間的通信實現的核心代碼如下:

2.2 NC仿真

NC程序是編程人員根據零件圖，用規定的代碼和格式編寫加工文件，可以隨時修改。對加工程序作詞法分析、語法檢查、編譯和圖形仿真，可以避免程序語法錯誤、刀路軌跡的錯誤，保證產品的合格，減少廢品的出現，提高生產效率。

打開文件后，讀取NC文件的內容并在主界面左下方窗口中顯示NC文件內容，刪除程序中的空白行和注釋行，然后分析校驗代碼的正確性。分析校驗代碼主要是按照NC代碼的語法規則識別出各類單詞符號，并產生用于語法分析的符號序列，然后從源程序的第一個字符開始，順序讀字符，一次讀一個，根據所讀進的字符識別各類單詞，同時去掉源程序中的空白和注釋，并挑出程序中出現的非法字符號［5］。對NC程序的讀取和處理是利用ReadString函數來實現的。在逐行讀取NC程序的同時把X、Y、Z、I、J、K等關鍵字及其數值保存成字符串到StringTEMP文件中。一程度段對應文件中的一段，最后通過atof函數將字符串變量轉換成double型變量，得到NC代碼中關鍵字的相應數值，為后續的插補模塊提供數據來源。

對于G指令，因為G指令的格式有限而且個數有限。在程序中首先把可能出現的所有G指令保存在一個數組里，然后在每一行NC代碼文件中遍歷該數組，當與數組中保存的數據比對結果一致時保存該數據。若某行NC代碼中未指定某個關鍵字(X、Y、Z、與G00同組的模態G等)的數值，則以上一行所填充的數值填充本行。最后視圖顯示代碼，在OnDraw中實現繪圖。NC文件G代碼的編譯過程流程圖如圖4所示。

圖4 編譯過程流程圖

3 系統軟件運行

基于以上原理，開發了一套基于Windows網絡數控系統軟件，其主界面如圖5所示。界面左上方為數據區，實時顯示當前加工時刀具的X，Y，Z坐標。界面左下方為NC代碼區，滾動顯示當前正在加工的NC代碼。界面右下方為NC程序仿真區，顯示靜態仿真的結果或進行動態仿真。界面右上方為狀態區，顯示當前加工狀態。當某臺數控機床正在加工NC程序時，DNC服務器可以臨視到當前該臺機床的工作狀態，NC程序代碼，當前刀具的坐標及走刀軌跡。如圖5所示。該系統在學生開展生產性實訓時能夠做到實時監控，對NC程序仿真正確，減少撞刀和廢品的出現，為實訓的學生提供一個現代制造技術模式的氛圍。

圖5 網絡數控系統的主界面

4 結語

針對我校數控車間的實際情況，將現有串行通訊機床通過嵌入CE-232B模塊，實現數控機床與DNC主機連接。基于以太網和TCP/IP技術，設計和開發了基于Windows的網絡數控系統，實現了一臺服務器管理多臺數控機床。探討了系統硬件的構建和軟件系統實現中一些關鍵技術，如以太網組網、網絡通訊技術、NC仿真等。該系統在我校數控機床實訓車間運行良好，使用方便，但某些功能需要進一步改進。

［1］吳濤.基于以太網技術的數控系統數字通訊協議研究與實現［D］.武漢:華中科技大學，2007.

［2］黃榮杰，吳波.DNC通訊接口模式在網絡數控系統中的應用分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2007(5):43-49.

［3］王華，葉愛亮.Visual C++6.0編程實例與技巧［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［4］潘愛民，王國印.Visual C++技術內幕［M］.4版.北京:清華大學出版社，2001.

［5］孫悅紅，編譯原理及實現［M］.北京:清華大學出版社，2005.

Design and Reality of Windows-based Network Numerical Control System

YAN Guo-lin
(College of Electromechanical and Automatic Engineering，Liming Vocational University，Quanzhou 362000，China)

In order to achieve the networking between CNC lathes in training workshop，an industrial Ethernet is built by CE-232B conversion module.Based on Ethernet and TCP/IP，this paper develops a Windows-based network numerical control software，which realizes the aim of managing lots of CNC machine tools by one DNC server.The system is easy to use，suitable for using in NC training workshop of school，having certain practical value.

network numerical control system;Ethernet;multi-threading;TCP/IP technology

TP311.1

A

1009-3907(2013)12-1541-05

2013-10-09

顏國霖(1980-)，男，福建永春人，講師，主要從事數控技術，CAD/CAM方面研究。

責任編輯:

吳旭云