（机械电子工程专业论文）制造车间数控机床集成联网技术的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 数控机床的集成联网能明显改善车间的生产组织与管理，提高数控机床利用 率，拓展数控机床的加工能力。它更侧重于信息流的集成，具有投资小，见效快 的特点。是企业实现c a d c a m 一体化最关键的环节，也是制造业信息化需解决的 关键问题之一。d n c 已被看作是现代化制造车间自动化的一种简易的、切实可行的 一种运行模式。本课题根据从镇江蓝宝石电子实业有限公司的实际情况和公司要 求出发，成功地实现了其制造车间数控机床的集成联网。 论文首先从d n c 系统结构和d n c 控制软件两个方面介绍了数控机床集成联网 的研究现状，介绍了d n c 联网的通讯基础。接着，全面探讨了国内外的各种数控 机床的联网模式：点一点的控制方式、多串口卡的控制方式、基于现场总线的控 制方式、基于以太网转串口服务器型的控制方式，并且分析了其各自的优缺点和 应用的场合，在此基础上根据蓝宝石电子实业有限公司的实际具体情况给出了该 公司的制造车间数控机床集成联网方案。然后，根据蓝宝石电子实业有限公司的 要求，首先深入研究了西门子8 4 0 d 数控系统的文件和文件传输格式，搭建其计算 机控制的硬件线路，成功开发了个单机控制软件。最后，建立了基于以太网转 串口服务器型的制造车间数控机床集成控制方案的具体类型，通过串口调试和串 口监听技术准确获取了每台数控机床的通讯协议，详细介绍了集成控制方案中硬 件的连接成功开发出了d n c 控制软件，在本d n c 系统中d n c 主机和制造车间 的数控机床之间的通信模块主要是以t c p i p 协议为基础并结合了服务器客户机 模型，采用m i c r o s o f t 的w i n s o c k e t 来实现。本课题的编程工作是在v i s u a lc 十+ 6 0 的环境完成。 关键词：数控机床，制造车间，d n c 联网，串行通信，以太网，串口服务器 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en cm a c h i n et o o l s si n t e g r a t i v en e t w o r kc a ni m p r o v eg r e a t l yw o r k s h o p sp r o d u c t i o na n d m a n a g e m e n t ，a n de n h a n c et h eu t i l i z a t i o nr a t i o no f t h en cm a c h i n et o o l s ，a n de n l a r g et h em a c h i n i n g c a p a b i l i t y i t se m p h a s i si si n t e g r a t i o no ft h ei n f o r m a t i o ns t r e a m ，a n di t h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs m a l l i n r v e s t m e n ta n df a s t l yt a k ee f f e c t i ti st h em o s ti m p o r t a n ts t e pf o rac o m p a r et oc a r r y o u ti t s i n c o r p o r a t ec a d c a ma n do n eo f t h es i x t y - f o u r - d o l l a rq u e s t i o nt os o l v ef o ri n f o r m a t i o n i z a t i o ni n m a n u f a c t u r i n 龟t h e d n ch a sb e r e g a r d a s a s i m p l ef e a s i b l em o d ef o 。m o d e 。n m a n “h c l u 。 a u t o m a t i z a t i o n t h i si s s u eb a s e do nt h ef a c to fz h e n j i a n gl a n b a o s h ie l e c t r o ni n d u s t r i a l c o r p o r a t i o na n d i t sr e q u e s ta n ds u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e dt h em a c h i n e t o o l s s i n t e g r a t i v en e t w o r ki nm a n u f a c t u r i n gw o r k s h o p a tt h eb e g i n n i n g , t h et h e s i si n t r o d u c et h es t a t u so fm a c h i n et o o l s si n t e g r a t i v en e t w o r k i nt w oa s p e c t ：d n cs y s t e ms t r u c t u r ea n dd n cc o n t r o ls o t t w a t e t h e n ，i td e t a i l e d l yd i s c u s s t h em o d e lo fn cm a c h i n et o o l s si n t e g r a t i v en e t w o r ki nb r o a da n dh o m e ：p o i n tt op o i n t c o n t r o lm o d e ，m u l t i s e r i a lp o r t sb o a r dc o n t r o lm o d e ，c o n t r o lm o d eb a s e do nf i e l d b u s ，c o n t r o l m o d eb a s e do ne t h e m e tn e t w o r kt r a n s f e rs e r i a ls e r v e r , a n da n a l y s et h e i rm e r i ta n d s h o n c o m i n ga n da p p l i e dp l a c e b a s e do nt h i sa n dt h et h e a c t u a l c i r c u so fz h e n j i a n g l a n b a o s h ie l e c t r o ni n d u s t r i a lc o r p o r a t i o n ，t h eb l u ep r i n to fi n t e g r a t i v en e t w o r ko fe t h e m e t n e t w o r kt r a n s f e rs e r i a ls e r v e ri ss e r e du p t h e n ，b a s e do nt h ed e m a n do fz h e n j i a n g l a a b a o s h ie l e c t r o ni n d u s t r i a lc o r p o r a t i o n ，d e e p l yr e s e a r c ht h ef i l ea n dt h ef i l ef o r m a tf o r s i e m e n s8 4 0 dn cs y s t e m ，s e tu pt h eh a r d w a r eo fc o m p u t e rc o n t o l ，a n ds u c c e s s f u l l y e m p o l d e rac o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r e f i n a l l y , t h em o d e lt h a tb a s e do ne t h e m e tn e t w o r k t r a n s f e rs e r i a ls e r v e ro fn cm a c h i n et o o l s si n t e g r a t i v en e t w o r ki ss e t t e du p ，o b t a i n e da l lt h en c m a c h i n et o o l s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb ys e r i a l p o r td e b u g g i n ga n d s e r i a ls n i f f e r , h o wt h e h a r d w a r e sa r ec o n n e c t e di nt h ep r o j e c ti sp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e da n ds u c c e s s f u l l ye m p o l d e r r e dt h e d n cc o n t r o ls o f t w a r e i nt h i sd n cs y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd n ch o s tc o m p u t ea n dt h e n cm a c h i n et o o sh a sb e e ni m p l e m e n t e db a s e do nt c p f l pp r o t o c o la n dc sm e d e la n d u s e dm i c r o s o f t ss o c k e t st e c h n o l o g y a l lt h ep r o g r a m m i n gw o r ki sd o n ew i t hv i s u a l c + + 6 0 k e yw o r d s ：n cm a c h i n et o o l ，m a n u f a c t u r i n gw o r k s h o p ，d n cn e t w o r k ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，e t h e r n e t ，s e r i a ls e r v e r l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：乌p 品 - u , 0 3 年z 月je t 指导教师繇引幺钍 伊j r 年z 月厂日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乌p 如军 d 年月岁日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 数控机床集成联网是指用台或者多台( 中央) 计算机对一台或多台数控机 床实施综合数字控制，即d n c ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o lo rd i s t r i b u t e d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) “3 随着以信息技术为代表的高新技术在制造业的广泛应用， 制造企业面临的竞争日益加剧。企业必须经受着比以往更为严峻的挑战。1 。为提高 生产效率，增强企业竞争力，企业竞相使用数控机床。现在数控设备已经在相当 多的企业中得到普及和应用，如何管理和应用好数控设备，使其充分发挥效率， 是制造业必须面对的课题。在机床通讯方面，绝大多数单位都淘汰了早期的光 电阅读机，采用软盘驱动器( 或类似的磁盘阅读机等) 通过磁盘方式来传输加工 程序，或用笔记本电脑( 或台式电脑) 的方式来传输加工程序。但这样的传输方 式存在以下弊病： 1 因为每台数控机床的设定传输速率、校验位、停止位等传输参数不一致， 各种数控系统的文件传输格式也不一致，这使得程序的传输须频繁更改，操作很 不方便； 2 操作不简便，需要在机床和计算机两端同时操作； 3 每次对数控机床进行数据的传输都要对串口进行插拔操作，而且因为数控 机床的程序更换频率比较高，这样的频繁对串口插拔，容易造成串口硬件的损坏； 4 对每台数控机床的数据传输操作都是同样的重复操作，这样的工作费时费 工，效率低； 5 这种方式只是低层次的程序传输，谈不上对机床的管理： 作为以“效率”、“速度”为核心的现代制造企业，尤其是存在大量数控程序 ( 其中有部分大容量程序) 的多品种、小批量的企业，不仅需要c a m 技术辅助加 工，更需要实现数控机床的网络化管理，实现高效、高速、低衰减率、低误码率 的远程双向程序传输，简化工人操作程序，减少程序录入失误率，规范数控程序 的管理，使企业制造效率得到进一步提高”1 。以上情况使得制造企业纷纷提出建立 d n c 系统的要求0 1 。可见，对制造车间来讲，数控机床的集成联网是制造业发展的 趋势和必然。 1 2 本文课题的来源 本项目来源于江苏镇江蓝宝石电子实业有限公司和江苏大学甲乙双方联合申 报的镇江市科技攻关项目镇江蓝宝石电子实业有限公司e r p 工程，项目编号： 江苏大学硕士学位论文 g y 2 0 0 3 0 2 3 以及江苏省第四批科技发展计划( 制造业信息化) 项目镇江蓝宝石 电子实业有限公司e r p 工程，项目编号：b c 2 0 0 3 0 31 。本课题的主要目的就是针 对该制造车间的数控机床实现集成联网控制。 1 3 数控机床集成联网的研究现状 d n c 系统作为独立制造单元，是制造自动化的一种模式。与f m s 系统相比，d n c 没有过分强调物料流的集成与自动化，而是更多利用d n c 控制装置的人机界面， 以人机交互方式进行控制和调度，所以投资少，见效快，并且具有较好的柔性。 d n c 作为c i m s 车间层设备联网的重要方式，不但具有较强的系统监控能力， 较好的系统柔性，而且还具有另一个独特的优点：采用d n c 方式能够充分发挥分 布式控制结构的优势。d n c 单元的计划调度比f m s 更宏观一些。 d n c 系统控制原理也是f m s ，c i m s 系统的控制基础，d n c 视需要很容易成为f m s 或者c i m s 系统的基本组成部分。 d n c 的基本功能是下传n c 程序。随着技术的发展，现代d n c 还具有制造数据 传送( n c 程序上传、n c 程序校正文件下传、刀具指令下传、托盘零点值下传、机 器人程序下传、工作站操作指令下传等) 、状态数据采集( 机床状态、刀具信息和 托盘信息等) 、刀具管理、生产调度、生产监控、单元控制和c a d c a p p c a m 接e l 等功能。关于d n c 技术的研究，现阶段主要集中在以下几方面： 1 3 1 d n c 系统结构 近几年，随着计算机技术，通讯技术，控制技术以及数控技术自身的发展， 传统的d n c 已经不能完全满足制造自动化的需要，必须扩展d n c 的管理功能和加 强与上层设计、管理等系统的集成国内外对d n c 系统的研究都非常活跃”1 。 美国计算机集成制造公司副总裁d l f i r m 提出的“b r o a ds c o p ed n c ”( 宽目 标d n c ) ；“b r o a ds c o p ed n c ”是针对现有的d n c 与早期d n c 相比功能已经大为扩 展而提出的认为在c i m 推动下，d n c 已经不仅仅作为编程系统( d n c 主机) 和c n c 机床的一种连接方式，而且是可扩充到支持车间级数据的人工采集，半自动采集 和全自动采集“。 1 9 9 0 年，南京航空院方水良博士提出的“f d n c ”( 柔性d n c ) 等。而f d n c 的 提出是因为“随着d n c 的不断发展，d n c 系统与雕s 系统的界限越来越模糊，d n c 已经成为f m s 必不可少的一部分”。并将d n c 系统作为f m s 的通信和控制模块。认 为f d n c 是f m s 不可缺少的一部分“。 近几年，张旭梅刘飞等几位博士提出了“i d n c ”( 集成d n c ) 的概念”。出于集 成d n c 概念更能反映现代d n c 集成管理的特点而受到关注。集成d n c 是指以数控 2 江苏大学硕士学位论文 技术，控制技术，通讯技术和网络技术等为基础，把与制造过程有关的设备( 数 控机床等) 与上层控制计算机集成起来，从而实现制造设备的集中控制管理，实 现制造设备间，制造设备与上层控制计算机间的信息交换。中央集成计算机对多 台制造设备集中控制管理，除传送制造数据外，d n c 计算机还是设备过程监控的数 据采集节点和与车间计算机网络进行信息通讯的节点“”3 。 熊斌1 9 9 9 年提出“敏捷d n c ”概念。敏捷制造一种新的制造企业战略模式， 它是建立在“不可预测”的，“持续变化”的竞争环境中，要求企业能对客户需求 的产品作出“迅速响应”。它将敏捷的思想和方法溶入d n c 思想系统中，使之符合 敏捷制造企业的要求，以适应现代制造技术的发展趋势。企业可以借助网络媒介 与盟友进行信息交换，直接或者间接地对分散在各地的盟友的n c 设备进行远程控 制“。敏捷制造对制造车间的要求更高：要能够动态灵活地、集成地、快速地随 着产品的变化而变化“”“。 上海交通大学唐文虎提出的基于c o r b a 的d n c 标准着d n c 技术朝着分布式控 制技术的方向发展。基于c o r b a 的d n c 在时间和空间上都开发的车间控制系统， 并运行于不同的硬件环境的异构计算机系统中“”。 总之，d n c 技术的总的发展趋势是高柔性，智能化，高效率，易集成。 归纳d n c 技术的最新研究成果，主要有以下几点： 1 数控系统更多采用高性能微机以提高d n c 系统的丌放和集成能力 在过去的2 q 年中，p c 枫日益普及，由于它的成本低，可靠性离。技术人员对 其熟悉，所以，在数控系统体系结构上，提出以通用p c 机体系结构为基础设计开 放式数控系统平台，并在此基础上，与通用p c 机互连构成分布式数控系统。这样 可以充分利用通用p c 机的现有大量软，硬件资源。 2 柔性制造技术的移植 由于d n c 对系统的集中管理监控功能的加强，今后人们对d n c 系统的研究重点 一个是在通讯方面，另一个是在生产管理和调度软件方面。最近一些研究人员尝试 将多年来在f m s 生产管理方面的大量研究成果以及实用经验应用于异构数控机床 d n c 集成系统中。这种技术路线可以为那些过去长期从事f m s 研究的人们，利用d n c 系统实现自动化机械) m t 车间集成化生产管理，提供一条快捷有效的途径。 3 高速化数据通讯技术的发展以及现场总线的应用 1 3 2d n c 控制软件 1 3 1 2 1d n c 软件的功能 目前d n c 的通讯技术己得到充分发展，国内已经有了商品化的d n c 软件，而国 江苏大学硕士学位论文 技术，控制技术，通讯技术和网络技术等为基础把与制造过程有关的设备( 数 控机床等) 与上层控制计算机集成起来，从而实现制造设备的集中控制管理，实 现制造设备问，制造设备与上层控制计算机间的信息交换。中央集成计算机对多 台制造设备集中控制管理，除传送制造数据外，d n c 计算机还是设备过程监控的数 据聚集节点和与车间计算机网络进行信息通讯的节点“3 “。 熊斌1 9 9 9 年提出“敏捷d n c ”概念。敏捷制造一种新的制造企业战略模式， 它是建立在“不可预测”的，“持续变化”的竞争环境中，要求企业能对客户需求 的产品作出“迅速响应”。它将敏捷的思想和方法溶入d n c 思想系统中，使之符合 敏捷制造企业的要求，以适应现代制造技术的发展趋势。企业可以借助网络媒介 与盟友进行信息交换，直接或者间接地对分散在各地的盟友的n c 设备进行远程控 制”。敏捷制造对制造车问的要求更高：要能够动态灵活地、集成地、快速地随 着产品的变化而变化“”。“。 上海交通大学唐文虎提出的基于c o r b a 的d n c 标准着d n c 技术朝着分布式控 制技术的方向发展。基于c o r b a 的d n c 在时问和空间上都开发的车问控制系统， 并运行于不同的硬件环境的异构计算机系统中“。 总之，d n c 技术的总的发展趋势是高柔性，智能化，高效率，易集成。 归纳d n c 技术的最新研究成果，主要有以下几点： 1 数控系统更多采用高性能微机i 三 提高d n c 系统的开放和集成能力 在过去的2 0 年中，p c 机日益普及，由丁它的成本低，可靠性高，技术人员对 其熟悉，所以，在数控系统体系结构上，提出以通用p c 机体系结构为基础设计开 放式数控系统平台，并在此基础上，与通用p c 机互连构成分布式数控系统。这样 可以充分利用通用p c 机的现有大量软，硬件资源。 2 柔性制造技术的移植 由于d n c 对系统的集中管理蠊控功能的加强，今后人们对d n c 系统的研究重点 一个是在通讯方面，另一个是在生产管理和调度软件方面。最近一些研究人员尝试 将多年来在f m s 生产管理方面的人量研究成果以及实用经验应用于异构数控机床 d n c 集成系统中。这种技术路线可以为那些过去长期从事f m s 研究的人们，利用d n c 系统实现自动化机械加工车洲集成化生产管理，提供一条快捷有效的途径。 3 高速化数据通讯技术的发展以及现场总线的应用 13 2d n c 控制软件 1 3 2 ，1d n c 软件的功能 目前d n c 的通讯技术已得到充分发展，国内已经有了商品化的d c 软件，而国 目前d n c 的通讯技术已得到充分发展，国内已经自了商品化的d n c 软件，而国 江苏大学硕士学位论文 外的商品化d n c 软件则功能更为强大。现有的d n c 软件一般具有如下功能： 1 编辑功能，具有对数控程序的修改、插入、删除功能。 2 对比功能，可以比较两个数控程序的不同点，这用于对比经过数控机床修改 过的程序和源程序的区别，并用标志标识这些差异点，以便于编程员评价这些改 变。 3 重新启动功能，在加工过程中，机床中途停止后，再此启动后能从程序断点 继续加工，这用于机床发生故障如刀具损坏后的重启动。 4 事件日志功能，为每台机床设置跟踪日志，记录每台机床通讯、加工配置等 信息，并能够对这些信息进行分析，得到机床的利用率、加工耗时等。 5 文件管理功能，提供密码保护，登录管理。为了管理数控程序，一般为每台数 控机床设定一个子目录，存放着用于该台机床的数控程序，对于每个数控程序可定 义其属性，如编程员代号、零件名称、生成日期、工艺单号。 6 文件格式转换功能，如果d n c 系统中包含有不同的数控系统，由于不同数控 系统对文件格式的要求不同，因此d n c 软件需提供同数控程序被不忍数控系统使 用时的格式自动转换功能。 7 机床监测和实时信息反馈功能，提供当前机床的工作状态，如是否加工、加 工零件和数控程序的名称等，对于加工中心可提供刀具库中刀具的定义，另外还应 有机床故障报警功能。 1 3 _ 2 2 国内外商品化d n c 软件的介绍 1 n e t d n c 北京华洋宏软件开发有限公司开发，它以r s 2 3 2 一c 串口协议为基础，实现设 计、工艺和制造的一体化。 2 n u s t a m ld n c 远程控制系统由南京理工大学研制开发，具有数控机床远程控制、n c 程序传 送及管理等功能。 3 w i n d n c 北京东方亚太高科技有限公司开发。 4 e x t r e m e d n c 美国加州r e f r e s hy o u rm e m o r yl t d 开发。它广泛她用于各种不同类型数控 机床的数据文件的编辑、发送、接收、d n c 、远程控制以及数控程序的轨迹校验。 5 m u l t i - d n cf o rw i n d o w s 9 5 n t ” 这是美国加s p e c t r u mc n ct e c h n o l o g i e s ，i n c 开发的，真正的3 2 位，多线程 江苏大学硕士学位论文 的通讯和管理软件。 6 a d v a n c e dd n cf o rw i n d o w s 美国加州a d v a n c e dd i g i t a lr e s e a r c hi n c 开发。 7 n e t w o r k e dd n c 英国h i t a c h is e i k is y s t e m s 公司开发的d n c 软件。在n e t w o r d e dd n c 中， 所有的文件都存放在一个服务器上，系统提供在服务器和c n c 之间的n c 文件和刀 具偏置文件的双向传输服务，此外，系统还提供目录浏览功能和一个四级登陆密 码保护功能。 8 d n cp r o f e s s i o n a l & f 0 1 dl it e 美国宾州c i m n e ti n c 开发。 9 v i s u a ld n c 美国华盛顿州c i m w o r k sg a g e t a l k e r 开发。 i 0 p r e d a t e rd n c 2 2 3 它最大的特点它的操作简单。 1 3 2 3 国外知名商品化d n c 软件性能的比较 表i - id n c 软件性能比较 a d v a n c e dd n cf o rd cp r e f e s s i o n a i v i s u a ld n ce x t r e m ed n c w i n d o w sf o l dl i t e 美国加卅l 的a d v a n c e d 美国华盛顿州美国加卅i 的 美国宾州 厂家c i mw o r k sg a g et a l k e rr e f r e s hy o u rm e m o r y d i a g i t a lr e s e a r c hi n c c i m n r ti n c ， 公司l t d 可以从文件的任何位置 c n c 上创建或编辑的数控i q 时控制数：i 2 8 作为挖制的微机既可以 通讯程序可以上传给文件服 良好的扩展性；断点续 联网，也可以不联：可配 发送；终端模式； 置的安全性；良好的扩展 务器而不覆盖源文件传；支持r s 2 3 2 和r s 4 2 2 ： 性 文件 w i n d o w s 文件系统：密码 自带a d m i n i s t r a t o r ：为 类w i n d o w s 的文件管理 自带功能完善的文件管 保护；登陆管理；自动转器：支持文件自动命名： 管理 每台机床建一个文件夹：理器； 换e 】 和i s o 文件；自动备份； 帮助上下文相关帮助上下史相关帮助上下文相关帮助上下文相关帮助 专业命令；支持数控程序自带编辑器和文件比较 管理编辑，比较自带编辑器 的比较； 器 图形用户界面：支持文件 界面 拖放，动态显示文件传输图形化显示车间布局图形用户界面图形用户界面 状态： 操作w i n d o w s 系统；有d o s 版 w i n d o w s 系统 w i n d o w s 系统 w 1 i d o w s 系统 系统 本。 所有的c n c 可以同时和主可通过串口连接8 个3 2 位，多线程： 其他3 2 位，多线程； 机通讯 c n c ： 支持多处理器主机； 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 4 国内d n c 系统软件研究的不足 1 d n c 系统软件的适应能力不是很强，针对不同车间类型和具体的数据设备有 不同的集成办法，但是集成做好之后，比较难适应设备的增减。d n c 系统软件开发 的效率低，系统维护困难。 2 系统软件在对异构的不同接口上存在局限。 3 e t h e r n e t 技术和现场总线技术在d n c 系统软件中的应用的研究不是很深入， 有待进一步的研究 4 d n c 系统软件和c a d c a m c a p p 系统以及e r p 系统之间的集成还很有限。 1 4 本课题的目的和意义 蓝宝石电子实业有限公司机加工车间的加工设备主要是以国外引进的数控机 床、加工中心为主。这些机床有力地适应了市场竞争环境下，产品更新换代加快、 多品种、小批量、高质量的发展要求，有效解决了中、小批量生产条件下提高生 产的自动化程度和产品质量稳定性问题，并为提高自身产品在国内外市场上的竞 争力打下了良好的基础。然而，当前这些数控机床、加工中心仍处于单机为单元 的运行方式，这种方式主要存在以下缺点： 1 c 矾自动编程系统的n c 程序不能快速、方便地传递给数控机床的数控系统。 当前一般数控机床采用磁盘的方式来传递数控程序不仅效率低而且不可靠，而采 用笔记本通过r s 2 3 2 串口传递数控程序的方式，这种方式传输距离只能在1 5 米以 内，而且经常在机床和计算机通信串口上插拔接口，容易造成通信口的损坏。 2 现有五台数控机床内存较小，导致n c 程序传输任务频繁，特别是不能满足 复杂产品实时加工过程控制和实时过程数据处理的要求，即复杂产品n c 程序的传 送需满足边加工边传送的要求，即机床加工能力受内存制约： 3 同种零件，用不同种类数控机床加工时，必须准备不同格式的n c 代码，单 机运行方式下这个过程也很费时间； 4 无法对n c 代码进行有效管理，用过的n c 代码经常丢失，当需要时往往需 重新编制与输入。另外，n c 程序文件保密性差； 5 只能进行n c 程序传输，不能传输刀具参数、生产管理等信息。难以对加工 数据进行统一管理。 总之，单机运行方式下，造成数控机床利用率不足，难以拓展数控机床的加 工能力、提高制造部的运行效益与效率且生产管理与工艺管理效率低下，c a d c a m 信息不能共享与快速传递。d n c 以数控技术、通讯技术、控制技术、计算机技术和 网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备( 数控机床、加工中心、 自动检测设备等) 与上层控制计算机集成起来，从而实现制造车间制造设备的集 6 江苏大学硕士学位论文 中控制管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算机之间的信息交换。具体的 说就是数控程序在计算机上编辑输入或由c a d c a m 系统生成，通过通讯网络完成 加工数据、数控代码的双向传送，并对加工数据和数控程序进行统一管理。这种 联网集成方式明显改善车间的生产组织与管理，提高数控机床利用率，拓展数控 机床的加工能力。它更侧重于信息流的集成，具有投资小，见效快，可大量介入 人机交互并具有较好柔性的特点。是企业实现c a d c a m 一体化最关键的环节，也 是制造业信息化需解决的关键问题之一。d n c 已被看作是现代化制造车间自动化的 一种简易的、切实可行的一种运行模式。 1 5 本课题研究的主要内容 本文主要研究内容： 第一章：绪论。首先，阐述了选题的背景和本文课题的背景和来源，然后介 绍了数控机床集成联网技术的研究现状，着重从d n c 系统结构、d n c 控制软件两个 方面进行了阐述。最后讲述了本课题的目的，意义和研究的主要内容。 第二章：数控机床集成联网的通讯基础。首先介绍了数控机床集成联网的发 展，接着阐述了集成联网中的通讯协议。然后针对国内外的大多数控机床的通讯 接口作了物理层的描述；并且对数控机床集成联网中的通讯和握手协议作了深入 的研究。最后介绍d n c 软件设计的基础。 第三章：制造车间数控机床集成控制方案的建立。首先介绍了d n c 系统的分 类，接着介绍了先进制造的基本模式和先进制造模式的功能目标。接着对制造车 间的d n c 集成控制模式进行介绍然后着重对国内外的各种o n c 系统进行分析， 介绍其应用场合，并找出有缺点。最后针对蓝宝石电子有限公司该公司的制造车 间的数控机床的分布情况和各数控机床的数控系统的具体情况，选择其合适的d n c 控制结构。 第四章：蓝宝石电子实业有限公司数控机床集成联网的研发。首先介绍了蓝 宝石电子实业有限公司数控机床集成联网的功能目标。接着阐述了其实现过程： 根据该公司要求先对其中的一台( 西门子8 4 0 d ) 进行计算机控制。然后详细介绍 了如何采用以太网转串口服务器的通讯结构实现了该公司的数控机床集成联网。 最后介绍了其中的控制软件的开发思路和其实现的些主要界面。 第五章：结论与展望。对本文整体内容和研究结果进行了综合概括，阐述自 己研究工作的价值及今后需要进一步深入研究的工作。 江苏大学硕士学位论文 第二章数控机床集成联网的通讯基础 2 1数控机床集成联网的发展 d n c 是实现c i m s 的一种有效途径，是实现机械制造自动化的较好形式“。在 d n c 系统中保留原来的各数控机床c n c 系统，并与d n c 系统的中央计算机组成计算 机网络，实现分级控制管理。中央计算机并不取代各数控机床的插补运算等常规 工作，而是主要执行计划调度，数据分配，远程监控等控制管理功能。 d n c 的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，从直接数控系统到分布式数控系统，d n c 的发展经历了很大的变化。在早期的开发阶段，d n c 系统的含义是直接数字控制， 采用一台中央计算机来控制几台仅配置机床控制器的数控机床，中央计算机负责 n c 程序的管理和传送，它解决了早期数控设备因使用纸带而产生的许多问题1 。 2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算机数控系统( c n c ) 的发展，给d n c 系统带来 新的方向和活力。“。c n c 系统的硬件电路由小型或者微型计算机加上通用或者专业 的大规模集成电路组成，主要功能几乎全部由系统软件实现，功能强且具有较高 的灵活性。i ) n c 系统以c n c 机床为组成对象，中央计算机主要功能不仅是负责n c 程序管理和传输，而且还具有机床状态采集和系统监控等功能。 近年来，d n c 系统无论是作为独立的自动化制造模式，还是作为整个c i m s 系统 中车间层运行控制模式，都得到了极大的重视和发展。由于计算机网络技术，自 动控制技术的发展以及制造自动化的需要，数控机床等车间底层设备的联网运行， 及其与上层管理网络的联网要求越 来越迫切。以星型、总线型网络、 e t h e r n e t 将d n c 中央计算机与工厂 现场设备连接，构成工厂信息网络 集成系统的底层，这是目前常采用 的方法”“。由此d n c 系统的内涵和 功能也不断得到扩展并发生变化， 发展成为现代的分布式控制( 如图2 1 ) 。d n c 中央计算机转向以综合管 理、集中监控、计划调度、分配数 据等多项功能为主。另外，d n c 中央 图2 1 分布式控制示意图 计算机还是与车间控制级网络进行信息通讯的节点。并且，随着控制规模的扩大 8 江苏大学硕士学位论文 为保证设备控制的实时性和系统运行的可靠性，在底层增加了设备层控制装置和 接口，构成一种分布式控制系统。 2 2 网络协议 目前，工业中应用最多的几种网络协议标准分别为i s o o s i 、t c p i p 、m a p t o p 、 现场总线等。其网络协议结构如图2 1 。”。 图2 2 常见网络结构 i s o o s i 是国际标准化组织制定的开放系统互联参考模型( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) ，该模型把网络分成七层。 t c p i p 是通讯领域事实上的标准，是计算机网络连接中应用最广泛和最成熟 的网络协议，它主要有网络链路层，网络层( i p ) ，传输层( t c p ) ，应用层共四层 协议组成，网络链路层主要完成对i p 数据的m a c 封装，以及姒c 数据的解帧，数 据的传输和数据的校验等功能，i p 层主要是完成向t c p 层传输t c p 包，以及将t c p 包打成i p 包传输给数据网络链路层，i p 层还完成网络的路由功能。t c p i p 是一 个协议族。他们每层之间可以进行通信或者在对等层之间进行通信。 m a p t o p 的目的是提高制造业的数据通讯标准。 现场总线是工厂底层信息和数据传递的主体，在整个工厂的信息网络中，现 场总线处于重要的基础地位。 目前，在车间对加工设备的控制层上，一般是以太网，m a p t o p 以及现场总线。 其中m a p t o p 网采用宽带系统通讯，系统的费用比较高，而且不适合在实时性要 求很高的领域。 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 通讯功能模型的建立 参照i s o o s i 模型，d n cd n c 网络模型一般可以表示成以下几个层次 应用层 d n c 控制软件 表示层会话层传输层 d n c 协议 网络层x o n x o f f 软握手协议或者 数据链路层r t s c t s 硬握手协议 物理层 r s 2 3 2 规范 2 4 物理层描述 2 4 1 串口连接器介绍 本d n c 系统物理层采用的都是r s 2 3 2 规范，这也是串行通讯中最常用最成熟 的通讯规范。r s - - 2 3 2 主要有d b 一2 5 和d b 一9 两种连接器1 。 d b 一2 5 连接器和d b b 连接器的外形和信号线分配如图2 3 和图2 4 。 f i r e 糖久式2 甘 d l l i 孔式衢斜 图2 3d b 2 5 1 j i 脚分部 d t 是插a 豌9 毒 d g 嚣内孔式9 许 图2 4d b 一9 引脚分布 r s 2 3 2 是一个完整的标准，它通过规定以下几点来保证和其他设备的兼容性： 规定了普通电压和信号电平。 规定了引脚的描述。 在主机和外设之间最少的控制信息。 r 5 2 3 2 定义了2 5 根线：n 根控制线，4 根数据线，3 根定时线，7 根备用和未 定义线。 i o 雕噼盯博坤辑钉丝嚣“抟 ，霉垂辱薯盎盎婚n悖蠊 h捧搏n蹲渖曲甜嚣嚣槐篮 江苏大学硕士学位论文 2 4 2r s 一2 3 2 的机械特性 r s 一2 3 2 的2 5 脚信号定义表如下 引脚符号 信号名功能说明 1 卑a t , g n d保护地 2 车b at x d 发送数据 3 丰b br x d 接收数据 4 c a r t s请求发送 5 幸c bc t s 允许发送 6 c c d s r数据设备d c e 就绪 7 木 a b s g n d信号地( 公共回路) 8 术c fd c d 接收线路信号检测 9 未用，为测试保留 1 0 未用，为测试保留 1 1空 1 2s c fs d c d 次级载波检测线辅助接收线路信号检测 1 3s c bs c t s 次级允许发送线辅助道允许发送 1 4s b as t ) ( d 辅助信道发送数据次级数据发送线 1 5 d b 发送信号码元定时( d c e 为源) 1 6 s b bs r x d 次级接收数据线辅助信道接收数据 1 7 8 d d接收信号码元定时 1 8空 1 9s c a s r t s辅助信道请求发送次级请求发送线 2 0 *c dd t r 数据终端d t e 就绪 2 i 丰c g 信号质量检测线 2 2 * c e r i 振铃指示线 2 3 木 c h c i数据信号速度选择线 2 4 *d a 发送信号码元( d t e 为源) 线 2 5空 r s 2 3 2 定义了2 0 根线，其中1 5 根斗c 信号线为主通讯道，其他的用于辅助道或 未定义。以a 开头的为地线，其中从，a b 无方向，a b 为所有信号提供一个公共的 地线，而且一定要将通讯设备中的所有参考电平相连。以c 开头的为控制线，用 于d t e 和d c e 之间的握手信号。s 开头的为信号线”。”1 。 2 5 根线中常用的只有9 根： 1 联络控制信号线 数据装置准备好( d a t as e tr e a d y d s r ) ：有效时( 0 n ) 状态，表明m o d e m l i 江苏大学硕士学位论文 处于可以使用的状态。 数据终端准备好( d a t as e tr e a d y - - d t r ) ：有效时( o n ) 状态，表明数据 终端可以使用。 这两个信号一上电立即有效。设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并 不说明通讯链路可以开始通讯了，能否开始进行通讯要由下面的控制信号决定。 请求发送( r e q u e s tt os e n d r t s ) ：用来表示d t e 请求d c e 发送数据，它 用来控制m o d e m 是否要进入发送状态。 允许发送( c l e a rt os e n d c t s ) ：用来表示一d c e 准备好接收d t e 的数据， 是对请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 已经准备好接收终端传来的数据， 并向前发送时，使得该信号有效，通知终端丌始沿发送数据线t x d 发送数据。 r t s c t s 请求应答联络信号用于半双工的系统中发送方式和接收方式之间的 切换。在全双工系统中作发送