智能制造中數控機床接口方法分析

車希久

摘? ?要：受益于我國汽車、工程機械、航空航天、軌道交通等行業快速發展，機床等裝備制造業也得到了快速發展，數控機床提供的強大工藝能力很好地滿足了這些行業的巨大需求。隨著信息技術與傳統制造業深度融合，數控機床向高速、高精度、高可靠性、復合化等方向發展的同時，也朝著智能化方向發展。數控機床如何聯入智能化管理系統，使“啞機”轉化為可被實時感知、實時受控的“聰明機床”，則是實施智能制造過程中需要面對的問題。具體管理軟件開發不是文章關注重點，文章僅針對數控機床與管理系統間接口，介紹一些粗淺的方法。

關鍵詞：智能制造;數控機床;接口方法

國務院印發《中國制造2025》通知中以“一二三四五五十”為總體結構，“五五”中的第二個“五”是實行5大工程，包括制造業創新中心建設工程、智能制造工程和高端裝備創新等;“十”是10個領域，包括高檔數控機床和機器人、新一代信息技術產業等?？梢钥闯?，能滿足智能制造要求的高檔數控機床是未來發展的重點領域。高檔數控機床如何滿足智能制造要求、如何與新一代信息技術對接數據接口并深入融合，實現信息流打通、實現管理系統對數控機床實時感知和控制是需要關注的問題。

1? ? 賽博物理系統中數控機床

賽博物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）是包含計算、網絡和物理實體的復雜系統，通過信息技術有機融合與深度協作，通過各類傳感器、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）和視頻識別技術、紅外感應等設備，經約定協議實現互聯互通，進行信息交換，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。在CPS中，數控機床作為物理實體通過接口實現和信息系統交互，不受空間限制，以遠程、可靠、實時、安全和智能化方式管控機床，從而回歸物理本原。在CPS中機床僅是很小部分，但在目前零件加工工藝流程以數控機床為工具的智能制造中，數控機床卻是重要部分。

2? ? 合理規劃接口數據

數控機床作為可執行和可感知一類終端，可接收上層管理系統數據指令和反饋實時數據。既可接收制造企業生產過程執行系統（Manufacturing Execution System，MES）指令，又將生產、節拍等實時情況反饋給MES;既可接收刀具管理系統數據，又將刀具壽命等記錄，并在機床更換刀具時反饋給刀具管理系統。實現這些功能離不開機床與各系統間接口數據，常見接口數據如表1所示。

智能制造是一項復雜的系統性工程，它貫穿工藝、設計、生產、管理、服務等各環節。真正想提高企業效率、效益并減少浪費，企業實施智能制造前要立足自身產品全生產周期和價值鏈做整體規劃。數控機床方面，哪些機床需要接收、反饋哪些數據、哪些數據實時性高、哪些可間歇采集等都需規劃，以便數據能有效支持企業各軟件平臺運行。

3? ? 常見數控系統接口方法

國內外常見數控系統有西門子、發那科、海德漢、三菱、發格、廣素、華中、科德等，還有機床廠家進行了二次開發，如馬扎克、森精機、德瑪吉等。系統支持通信協議不同，采用的接口方法和可采集數據也不同，下面對幾種常用數控系統接口方法作簡要說明。

3.1? 西門子系統

840DSL是西門子一款高端數控系統，常用接口數據一般有兩大類，分別是NC和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）數據。

NC數據可用以太網實現，840DSL配PCU50，預裝Win XP，Win 7，Win 10，管理系統通過以太網與機床接口?？稍赑CU50上安裝客戶端軟件，也可用OPC UA協議實現數據接口，840DSL有豐富數據種類可供采集，但此法對系統配置要求較高，對老系統如810D等不適用。

PLC數據可用OPC UA通信協議實現，也可對系統內置S7-300進行遠程訪問，用S7通信協議對機床少部分數據進行處理。有些機床狀態可直接使用NC數據，有些狀態數據需通過PLC處理才能滿足要求，在處理這方面數據時，需注意S7-300數據格式，并定義好數據。下面以機床狀態字為例，來舉例說明。首先，西門子使用摩托羅拉風格作為“Words”或“DoubleWords”，較高部分位于較低字節，反之亦然，如圖1所示。其次，設備狀態字最好為連續地址，以便管理系統通過單個輪詢操作讀取，機床狀態字定義如圖2所示。機床PLC因與具體機床相關聯，要對機床PLC較熟悉，才能保證機床運轉不受影響。

配828DSL機床可用OPC UA通信協議實現數據接口，V4.8版本以上，支持遠程建立/刪除刀具數據、建立/刪除加工程序和執行一個選定程序，這使828DSL接口數據和功能更加豐富。

3.2? 發那科系統

發那科系統機床數據接口方法有兩種，接口數據也分NC，PLC數據兩大類。一種接口方法是系統配以太網功能，管理系統通過以太網訪問發那科FOCAS函數獲取數據，優點是快速方便，缺點是對機床配置要求較高，因早期發那科系統有些并不配以太網接口。常用發那科系統不能預裝Windows，需在固定頁面設網絡參數，如圖3所示，具體可參考FANUC說明書。需機床PLC處理后，方可使用數據定義，與西門子系統思路相同，只是地址和格式不同，不再贅述。另一種接口方法用串口實現，需在宏程序中加串口打印輸出指令，將數據從串口輸出。相對以太網缺點明顯：（1）輸出數據有限，報警信息等輸出困難。（2）要在程序中加調用指令。（3）非實時數據，機床狀態改變時不立即輸出，只在打印輸出指令執行時才輸出。此方法屬有限半自動式，數據有效性受影響。

3.3? 海德漢系統

常見的iTNC530系統可用以太網處理接口數據。系統有專用DNCRemoTools軟件包來處理數據。軟件包雖可處理大量數據，但缺點是機床DNC功能必須打開，NC軟件高版本系統需向廠家買授權，系統對主軸扭矩不能直接采集，且DNCRemoTools軟件包針對不同版本系統能處理的數據也有區別。

3.4? 其他數控系統

除以上介紹數控系統外，隨著智能制造方面需求越來越多，很多數控系統都開始配置一些類似管理系統的功能，并標配以太網口，支持通用協議如OPC UA，Modbus，Profibus及MQTT等來實現機床與管理系統間接口，如MAZAK 640和三菱M70支持CC-link，有些可用系統廠商提供軟件的處理數據。

3.5? 無通信接口數控系統

無以太網等通信接口，也不支持常用協議的設備，可通過增加PLC，HMI或通信模塊的方法，用I/O信號來處理簡單的接口數據。該方法優點是不受系統限制，缺點是能處理數據少，現場接線改動較大。

4? ? 注意事項

4.1? 生產工藝特點決定接口數據

企業有各自生產工藝特點，需處理的接口數據種類等也會有差異，單件/小批量生產工藝相對于批量生產要處理更多數據，不但要關注機床主軸、狀態、進給倍率等，還要根據任務處理零件加工程序等與生產管理相關數據。

4.2? 接口方法多樣性和接口數據的定制性

同一企業機床配置數控系統品牌種類通常不統一，不同系統需用不同通信協議和接口方法，具有多樣性特點。機床按工藝能力分有多種，為獲取所需數據，各類機床的接口數據可具有定制性，以體現設備在不同工藝流程中特性和管理需要，以實現效益最大化。

4.3? 接口數據的統一性

另一重要內容是接口數據統計口徑，機床在工藝流程中都需何種接口數據，用什么方法統計，什么格式，都需仔細統一規劃，以免出現最終總報表數據統計口徑不統一情況，損失整體系統的性能。

在企業管理系統總體規劃藍圖內，數控機床數據接口定義就有了明確的方向，讓數控機床插上“智慧的翅膀”，距離并不遙遠。