数控机床联网DNC现实与展望

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一、概 述
随着计算机技术的发展，以往使用PRP(纸带阅读穿孔机)与CNC系统进行NC程序输入/输出的技术，由于纸带的保存，管理，容量，可靠性等，存在着不足之处，正逐渐被淘汰。 许多CNC系统生产厂家目前都能提供计算机NC程序服务功能，但仅限于自己的CNC系统，互相之间并不通用。同时，随着市场经济和企业信息化的发展，企业数控机床的数量越来越多，而传统的单机管理模式因技术手段落后、生产效率低、管理与维护费用高昂等弊端已不能适应企业发展的需要，再加上用户使用了多种信息管理系统，如ERP，PDM，CRM，CAD/CAPP/CAM等，各种系统之间还必须考虑信息共享，以避免信息化孤岛，因此，使用集成式DNC技术对数控设备群进行管理势在必行。
目前，广大数控机床用户对实行数控机床网络DNC的管理已经达成了共识，但在真正实施过程中应该做到什么程度，取得何种效果还是不明确，在目前国内数控机床网络DNC领域还存在着一些鱼目混珠的现象，而且DNC又处在一个高速发展的阶段，各种新的网络结构、高新技术不断涌现，更容易让广大数控机床用户眼花缭乱，本文试图在此作一个简明的介绍。
二、数控机床网络DNC的几种模式
/ E* _- h$ G2 {1 s+ E' }7 C目前，数控机床网络DNC一般采用三种网络接口，即：基于串行通讯RS-232C模式，以太网络模式和现场总线模式，以下分别做一简要说明。
$ F# p& r" c/ M1．串行通讯RS-232C模式
目前，在DNC市场上通过RS-232C口通讯产品存在着两种类型(包括三种结构)的产品，即带机床操作盒和不带机床操作盒两种，其结构分别说明如下：
- d7 A( `$ p: Z, f(1) 带机床操作盒模式，如图1所示：
* s* U# L7 _' N/ g3 ^# T
图1  DNC网络结构图形式一
& j4 V; ^! {) p' y! T这种连接方式是九十年代中期出现的模式，在当时大家还普遍使用单机传输的年代此方式是一种创新，可以说它代表了当时我国DNC产品的最高水平。MOXA  C320Turbo 卡（或其它多路串行通讯卡）是通过ISA（或PCI）插卡的方式与计算机连接，再通过一根带屏蔽的10芯电缆线接通讯模块，每个通讯模块带8个通讯口，可以多个通讯模块级联，最多可以8个，每个计算机又可以扩展4个ISA（或PCI）插卡，这样一台计算机最多可以扩展256个RS-232口。通讯模块与计算机之间距离不能太长，一般在十几米左右。程序的上传和下载是通过操作机床操作盒来实现的（当然，数控端也还要进行相关的上传下载操作）。
: e4 M# y/ X' a6 @5 l: Q(2)新型带机床操作盒模式，如图2所示：
% `- Q- a& p( p$ J- x0 ~/ q" T8 T3 P
图2  DNC网络结构图形式二
# ^( d, C* y+ V. [/ o! ?注意,此图与上一图的一个最大的区别是：MOXA的多路串口服务器变为CN2516（或其它多路串口服务器），它是一个局域网络上的一个节点，通过HUB或交换机来与NC程序管理计算机相连的，这样，它可以放在车间的任一固定位置上，大大减少了车间到计算机室之间的布线，只需一根网线即可，另外，CN2516还可以多台计算机上安装其驱动程序，多台计算机同时监视控制，给用户的维护工作也带来方便。
2 V$ L  @9 o; O: \2 N, p6 v/ F(3) 现代模式（不带机床操作盒），如图3所示：
' L1 B( `' G. P6 T& }8 }
图3  DNC网络结构图形式三
此类型是在上一类型的基础上变化而来,它去掉了机床操作盒,连接更简单,其它通讯功能完全一样，甚至可以做得更强，更方便。目前市场上大部分DNC厂商提供的产品均是基于此模式下的。
: L1 @& u. |: U# P  n7 F; n由于去掉了机床操作盒，程序发送和接受程序的文件名称等通讯信息就需要由CNC来发送，一般的做法是：在CNC上编制一个特殊的程序（此程序并不真正执行，所以并不需要关注它是否符合语法规则），其中包含一些特征字符串来表达发送程序或接收程序，比如：
8 B) r) u) P0 J' N4 k* x4 t（A）程序请求
%
3 {  l# I6 K: B8 ~, v2 ~, }" Q- eO1000
（/GETXXXX）  （其中XXXX代表需要请求下传的文件名称）
3 `; M- D' g/ |3 H3 r& CM30
* C; P" W0 l0 y' ^, y%
编制好此文件后，先将此文件发送给计算机，计算机接收到此文件后就进行分析，如果是请求文件下载指令，就生成一个程序下载队列，等待机床发送开始下传指令后就将请求程序下传。
+ ?$ W" E3 u* @5 T  p（B）程序发送
7 q' A4 Y( Y1 m7 y( V程序发送时，只需在原程序中加入特征字符行即可，此代表你希望在计算机上保存的文件名称。例如：
+ L5 K+ v% K! R  R; u%
) R: L) c" `! u& V2 \& v9 mO1000
（/NAME XXXX）  （XXXX代表希望在计算机上保存的文件名称）
…
" t: U, F4 V/ O. n, Z5 s2 xM30
6 ~- N1 a7 L: ~5 `6 `0 n%
当前文件上传到计算机上后，计算机如果分析到特征字符/NAME（特征字符的型式应根据系统的特殊要求而定，在此仅作示意），就将当前文件保存到其后的字符串所代表的文件中，如果未找到特征字符则保存到“O1000.NC”中（即程序号前加字母O）。
$ T7 ?, X' W. w" L! p5 a2．现场总线模式
虽然目前在数控车间DNC系统中应用最为广泛的就是RS-232串行通讯接口，但是当DNC主机连接的CNC设备比较多时，就存在着连线多、通讯复杂的问题，而且串行接口可靠性差、速度低，基于这些问题，迫使人们去寻求更好的解决方案。
1 V% s" B2 n+ s4 |- ^1 W; r3 o现场总线（Field Bus）是应用在工业现场、在微机化控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是国际上20世纪90年代蓬勃发展起来的新技术。它的应用形成了新型的网络集成式分布控制系统。它能同时满足过程控制自动化和制造自动化的需要。由于现场总线是基于数字通信的，因此在现场与控制室之间能进行多变量双向通讯。为解决数据大量高速传输、实时性、通讯距离等问题，发展高速化数据通讯技术及大量使用现场总线（Field Bus）就成为必须。未来十年集成系统将是Field Bus时代。现场总线采用了三层网络结构——物理层、数据链路层和应用层，其体系结构如图4所示。目前现场总线已有好多种类，应用较多的有CAN(Controller Area Network)、LON（Local Operating Network）、Profibus等。?下面仅以CAN总线方式说明现场总线在DNC中的应用。

图4 现场总线的体系结构
作为工业现场控制的网络系统，可靠性和实时性是最主要的要求，CAN总线在这方面有很多独到的特点：首先为满足可靠性要求，CAN总线采用了循环冗余码校验、框架检测、确认信号出错检测、总线监控、位填充等几种错误检测和纠错措施，从而达到了很高的可靠性，平均误码率小于10-13；其次，CAN采用了独特的位仲裁技术，比CSMA/CD网（IEEE802.3）和令牌网(IEEEE802.4)具有更高的实时性；此外CAN总线传输速率可达1Mbps，远距离传输可达10km，接口简单，安装方便，系统成本低。传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN总线的拓扑结构如图5所示。
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0 q! B% p8 Y8 b4 N- s1 Q4 t- p图5 CAN总线的拓补结构
3．局域网模式
2 r8 s4 G% K1 W$ S随着计算机应用技术和网络技术的迅速发展，数控系统的功能也得到了极大的提高，由此，在近几年中，在DNC领域又出现了一种新型的数控机床网络DNC型式---基于以太网络的DNC。
由于技术的不断发展，网络和开放概念的不断深入，技术的开放性被大家一致认同，世界上各著名数控系统制造商纷纷投资研制DNC通讯接口，提供符合MAP标准的DNC网络接口选件和通讯软件，如FANUC的0I（MB）以上的数控系统均具有DNC网络接口选件，并提供了开发接口库，第三方开发商可以在此基础上进行二次开发，由此可以形成功能强大的真正的DNC，可以对数控机床进行全面的控制。采用局域网通讯方式大大提高了NC程序管理的效率，同时，通过TCP/IP通讯协议进行网络通讯的局域网模式即将成为一种普及的方式，其系统连接如下图所示：

图6  局域网式DNC系统结构图
现场总线方式和局域网方式能够长距离连接多种现场设备，但是现场总线必须有自己的专用协议，必须采用相应的开发工具和开发平台，价格比较昂贵，且不同的厂商不同的设备间难以做到互操作。
三、数控机床网络DNC基本功能
' b# ?9 x3 o6 I* f其实，数控机床网络DNC采用什么网络结构并不是最重要的，关键是DNC系统能给用户提供什么样的服务，用户从中能获得多大的效益。由DNC本身的定义来看，其在生产现场所扮演的角色也是不断发展变化的，由对设备“直接数字控制”演变成“分布式数字控制”，DNC的基本功能主要归纳如下：
1． 通讯功能：
NC程序的双向传输：所有数控设备实施联网集中管理，利用网络进行NC程序（包括机床参数，刀补文件，宏程序等）的双向传输，从而实现NC程序的海量存储、集成化管理。
客户/服务器结构：将每台数控机床定义为客户端设备，利用数控系统自身的通讯端口（如RS－232，以太网络，现场总线等）、通讯功能，操作工可在数控机床端进行数据的双向传输以及访问管理服务器端数据的全部操作，服务器端对数控端的操作请求自动进行相关处理而无需人为干预。
6 q/ P4 ^- A1 G2 I' K% Q群控与距离：单台计算机管理数控机床群；通讯距离可达到几公里。
DNC网络的并发操作：保证所有入网数控设备可在同一时刻进行并发式的通讯传输。
/ Z1 o2 j5 d+ _4 k: V5 UDNC在线加工：全客户端方式的DNC在线加工，可保证诸如断点续传、子程序调用等功能均可由操作工在数控端实现。
7 n$ P# N$ j; |, p交互式事件响应机制：数控端的每一项操作都应有消息反馈，即无论操作是否正确，操作工在数控设备端都能够得到提示信息文件。
数据共享：让操作工可在本地数控设备访问其它数控设备或虚拟机床信息，方便零件的转移加工。
! M+ R) f) j3 `支持长文件名称：NC程序名称在WINDOWS平台上实现长文件名管理，并在程序传输时与程序号自动转换。
通讯日志：记录工作者所有通讯过程，并对记录的信息进行分类查询。
信息采集：通过机床的宏程序变量输出功能，实现机床加工信息的实时采集，并可以实时汇总机床使用效率、零件加工工时、刀具使用寿命等信息。
$ T/ W# w3 f) `9 [$ c! d0 M5 |网络通讯平台：利用DNC通讯网络发送加工任务、刀具信息、工艺信息和加工成绩汇报等，以实现生产信息的初步集成。
9 Q; U7 R( K# E# O& T2． 控制功能：
+ s+ W0 z8 M; D在普通的RS-232C串行通讯口的网络模式下，DNC无法做到对数控机床的实时控制，一般来说只有采用以太网式DNC或采用现场总线式DNC才可以达到此目的，其主要控制功能如下：
; g9 R4 G( ?5 Q$ f' i; WCNC网络设置
6 D+ W/ \* C9 f, |8 i, r设置联网CNC的IP地址、端口地址
. ^. m4 W/ {- |5 Y9 o  p4 E5 JCNC状态监视
加工状态：加工中、空闲、报警、故障信息
7 q6 i+ `% S2 w2 G联网状态：联机、脱机
. W4 c" F6 E5 q6 l& |位置信息：绝对位置、相对位置、机械位置、剩余移动量、进给速度
9 x& z! r& E; L0 ~/ v/ k7 W历史记录：报警历史记录、操作履历
# k0 [9 K( _1 b$ `5 v. V: HCNC远程控制
显示各种机床参数
1 \7 C1 ?' A7 u  }8 \1 [; J0 q- f设置各种机床参数
显示NC程序各种信息：如内存大小，程序数等
选择NC程序：选择当前加工程序、查找任意NC程序
编辑NC程序：编辑CNC系统中的NC程序
/ Y. h( @6 W* F删除NC程序：直接删除CNC系统中的NC程序
清除报警历史记录
$ B0 e# C; b/ Q- g( V清除操作履历
系统复位：通过远程CNC复位
远程启动：通过远程启动加工
远程暂停：通过远程暂停加工
四、数控机床网络 DNC发展方向
数控机床DNC网络技术将在单项技术的基础上，应用计算机网络通信技术，实现信息的高度集成，并向CIMS方向发展。DNC网络今后发展的要点如下：
1) 新型网络通讯技术：正如上面讨论的那样，新型网络通讯技术有两种，即以太网络和现场总线方式，对数控系统制造商来说，向开放式系统发展，即将PC微机技术融合到数控系统中，应用界面MS-WINDOWS化，充分利用PC微机主流操作系统MS-WINDOWS庞大的软件资源，使数控系统联网通信更加便捷。目前越来越多的CNC制造商为其CNC提供了以太网络接口和现场总线接口。开放式数控系统有两种方式：
$ i/ a1 s8 H+ }; G6 ], @PC-CNC：在PC微机的基础上融合CNC功能。
8 q7 ?& [' K+ o' ^CNC-PC：在CNC系统融合PC微机的功能。
2) 无线通信技术：采用无线通信技术，实现计算机与数控机床间通讯无线化，以减少现场施工，缩短工期。无线Modem技术指标如下所示：
带RS-232C接口
: {9 F7 w! r( d' i0 `2.4GHZ，无需办理频率申请。
: ]. K4 k/ @5 ?) {5 @高速（119Kbps）、高可靠性。
有效通信距离100～200m。
  T0 u+ Y2 X5 E$ K5 J( S3）信息的高度集成：
采集更完备的机床信息，为车间生产管理提供第一手信息。
智能分析采集的信息。
  {; [; n0 y( t对设备进行实时控制。
与ERP，PDM，MES等系统真正无缝联结。
五、总 结
6 Q5 I* ^2 M+ M8 S- C上面所介绍的几种DNC模式，近十年来笔者都曾进行了大量的实验、开发，有些模式已形成了成熟的产品。以上所述内容如有不当之处敬请批评指正。
  C, M; D/ p7 ?& `总之，在我国，数控机床网络DNC经过十多年来的发展，经历了艰难曲折的发展道路，如今在高新技术不断发展的年代取得了长足的进步，但是，目前除了基于RS-232C串口通讯的模式下出现了有限的几款优秀DNC产品外，在局域网络和现场总线方式下只是作了一些有限的探讨，还未出现成熟的产品，还需要广大同仁再接再励，为我国制造业作出更大的贡献！衷心祝愿数控机床网络DNC之花在广袤的制造业市场上灿烂地开放！
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