1、數控機床DNC通信和管理系統(tǒng)的研究與設計摘要近年來，隨著計算機等方面的相關核心技術以及互聯(lián)網高新技術的飛速變化，當前制造系統(tǒng)的網絡化以及集成化時其發(fā)展的大趨勢。制造系統(tǒng)的網絡化、集成化對于提高企業(yè)競爭力起到非常重要的作用。其中投資成本較低，信息高度集中，以及效果明顯等是數控機床群的顯著特點，這對于企業(yè)來說很有意義，能夠完成CAD/CAM一體化的建設。所以，DNC技術已經被越來越多的企業(yè)所采用，DNC技術對于企業(yè)數控車間的信息集成和數控設備的信息集成具有重要的作用和意義。在本文中，主要針對研究了當前國內企業(yè)的實際生產情況，其中的局域網設置為企業(yè)的通信基層，通過運用串口服務器以及軟插件等等技術完成

2、數控儀器的相關聯(lián)網，數控機床的DNC通信與管理系統(tǒng)從而被創(chuàng)建。系統(tǒng)可以實現對于數控機床的信息采集和管理，可以實現計算機與數控機床之間的互相連接和信息的傳輸交換，此外還可以實現企業(yè)辦公管理信息與車間生產加工信息的互相連接。關鍵詞：數控機床；DNC技術；通信和管理系統(tǒng)Abstract 隨著計算機等方面的相關核心技術以及互聯(lián)網高新技術的飛速變化，當前制造系統(tǒng)的網絡化以及集成化時其發(fā)展的大趨勢。目前網絡化集成技術是數控機床群最顯著的特點，是企業(yè)提高自身競爭力的關鍵。其中，它主要注重投資小、集成信息流、見效快等特點，所以CAD/CAM一體化是企業(yè)非常關鍵的過程，同時也是解決制造業(yè)信息化需求的重中之重。D

3、NC技術得到越來越廣泛的應用,目前能夠實現設備集成與數控車間信息集成和集的最主要的方式為DNC，因此得到很多的名企的使用。在本文中，主要針對研究了當前國內企業(yè)的實際生產情況，其中的局域網設置為企業(yè)的通信基層，通過運用串口服務器以及軟插件等等技術完成數控儀器的相關聯(lián)網，數控機床的DNC通信與管理系統(tǒng)從而被創(chuàng)建。系統(tǒng)可以實現對于數控機床的信息采集和管理，可以實現計算機與數控機床之間的互相連接和信息的傳輸交換，此外還可以實現企業(yè)辦公管理信息與車間生產加工信息的互相連接。In recent years, with the rapid development of computer technology

4、 and Internet technology, the development of manufacturing system has become more and more integrated and networked. The network and integration of the manufacturing system play a very important role in improving the competitiveness of enterprises. CNC machine tool group has the characteristics of h

5、igh degree of information concentration, low investment cost and remarkable effect, which is of great significance for enterprises to realize CAD / CAM integration. Therefore, DNC technology has been adopted by more and more enterprises, DNC technology for enterprise numerical control workshop infor

6、mation integration and numerical control equipment information integration has an important role and significance. The research of this paper is based on the actual production scale of Chinese enterprises, the enterprises local area network is set as the bottom of communication, the use of soft plug

7、-in technology, serial server and other technologies for CNC equipment networking work, on the basis of the creation of CNC machine tools DNC communication and Management system. The system can realize the information collection and management of the CNC machine tool, which can realize the interconn

8、ection between the computer and the CNC machine tool and the exchange of information. In addition, it can realize the interconnection between the enterprise office management information and the workshop production and processing information.Key words: CNC machine tools; DNC technology; communicatio

9、n and management system目錄數控機床DNC通信和管理系統(tǒng)的研究與設計1摘要1Abstract2目錄31.緒論51.1研究背景與意義51.2國內外研究現狀61.2.1國外研究現狀61.2.2國內研究現狀61.2.3發(fā)展趨勢61.3研究內容與方法71.3.1研究內容71.3.2研究方法71.4課題來源82.技術概念92.1DNC通信系統(tǒng)92.2多線程技術及應用注意事項92.2.1多線程技術92.2.2多線程的應用102.2.3線程優(yōu)先級與同步問題102.3串行通信技術112.4網絡編程技術112.5數據庫開發(fā)技術133.總體方案設計153.1應用的需求分析153.2DNC系統(tǒng)

10、功能分析153.3常見的通信網絡173.3.1串行通信網絡173.3.2現場總線通信網絡173.4DNC系統(tǒng)網絡結構設計183.5DNC系統(tǒng)的底層通信193.5.1常見的數控機床通信接口193.5.2數控機床的聯(lián)網設計204.串行通信設計與實現284.1串口服務器的選擇284.1.1動態(tài)連接庫技術284.1.2串口服務器硬件的選擇294.2串口服務器的任務設計294.3串口服務器的程序設計314.3.1工作線程314.3.2與機床當前狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信335.通信管理軟件的設計與實現345.1數控程序傳輸線路設計345.2DNC通信平臺設計355.2.1通信平臺設計思路355.2.2 DNC通信

11、平臺的程序設計355.3機床事件接收平臺設計375.4客戶端機床管理軟件設計385.4.1系統(tǒng)登錄模塊385.4.2.機床管理模塊396. 總結426.1 全文總結426.2 研究展望42參考文獻43致 謝47附錄A：48附錄B：481.緒論1.1研究背景與意義在零部件的加工生產過程中，實現對數控程序的集中化管理是非常困難的，此外實現計算機與數控設備的關聯(lián)和通信也非常困難，這導致數控機床的工作效率比較低。具體來講，現場零部件的加工存在以下問題1：(l)零部件的加工程序都是數控操作人員手工編輯輸入到數控機床的控制面板上的，輸入程序所需時間長，且存在輸入程序錯誤等問題，會在一定程度上影響相關機床的

12、使用效率以及零部件的合格率。(2) 一般數控機床裝載的內存非常小，當替換上新的加工的零部件后，需要對原有的加工程序進行刪除，同時輸入新的加工程序。這就使得如果是在不同的時期加工生產同樣的零部件產品，還必須重新輸入程序，這就導致了時間的浪費，同時這樣的情況也會對機床的加工效率和性能造成不利的影響。(3) 零部件的加工程序是由數控操作人員現場控制的，而企業(yè)技術中心的工程師等人員難以實現對加工程序的管理。當更換加工零部件或者更換加工設備、更換數控操作人員時，需要重新進行加工程序的編制或調試。(4) 加工程序、工藝卡片、刀具清單等信息是單獨存放的，時間一長，就很難知道兩者之間的關聯(lián)。當下次使用時，還要

13、完成核對多次，以便了解加工程序的實際運行情況。為了提高加工系統(tǒng)的信息化、集成度，提高生產加工效率，實現對加工程序的管理，這就需要設置數控機床通信與管理系統(tǒng)，從而提高加工生產的效率和質量。DNC聯(lián)網系統(tǒng)可以實現零部件的在線加工，與之對應的DNC服務器內存空間大，可以用來存放加工程序2。通常，當數控機床完成與DNC系統(tǒng)之間的關聯(lián)后，從而可以實現在線加工功能，非常大的提高了數控機床的加工生產效率。同時，數據信息的傳輸更加方便、快捷，數控操作人員通過控制面板就可以實現與技術中心工程師的相互交流，隨時進行加工程序的上傳、下載。這樣就可以大大提高數控機床的生產加工效率和加工質量，加工程序的傳輸直接通過網絡

14、實現，對于推進企業(yè)的無紙化生產、聯(lián)網設計等具有重要意義。1.2國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀國外對于DNC系統(tǒng)的研究起步較早，目前為止，相關產品已經實現了商品化。同時有些DNC軟件產品具有很強大的功能，可以實現數據信息等內容的高速、多線程的傳輸，同時可以將DNC工作站與多臺CNC進行相互連接。DNC軟件大部分均設置有專用的數控程序編輯器，數控操作人員可以實現監(jiān)控信息的提交。而其中的數據庫管理程序主要是進行數據信息的組織和維護，此外還具有信息更新、查詢，生成報表、顯示圖形、管理日志、讀取文件等功能3。1.2.2國內研究現狀國內對于DNC系統(tǒng)的研究工作起步較晚，大概始于70年代。但是后來由于

15、FMS技術傳入到中國，使得大部分研究學者轉向FMS技術，對DNC系統(tǒng)的研究起了很大的作用4。然而，隨著FMS技術研究的不斷深入，發(fā)現其具有投資風險大、可靠性差等缺點，所以很多研究FMS技術的研究學者又轉向了對于DNC系統(tǒng)的研究。近年來，中國已成功開發(fā)出強大功能和更好的DNC系統(tǒng)，但大多數都是針對特定用戶的發(fā)展，同時DNC軟件商品化程度仍然很小。1.2.3發(fā)展趨勢（1）數控機床遠程控制能力實現DNC通信功能后，就可以借助服務器實現對數控機床的遠程控制，即可以向數控機床發(fā)送啟動、更換夾具、停止等控制指令。方便遠程加工操作，對于異地加工具有非常明顯的優(yōu)勢。（2）數控機床狀態(tài)采集數控機床的DNC通信可

16、以實時監(jiān)控各機床狀態(tài)信息，包括機床整機的運行狀態(tài)、故障信息、運行時間等，并且可以將上述信息進行及時存儲，方便后期對運行狀態(tài)進行綜合分析，找出故障原因等，提升整體的加工效率5。（3）數控機床通信系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的無縫連接未來各種數控機床系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)將發(fā)展非常迅速，并且之間將會產生千絲萬縷的聯(lián)系，因此為了能夠更好地處理各方面的關系，需要能夠保證數控機床通信系統(tǒng)能夠跟其它系統(tǒng)合理的對接。（4）未來數控機床的發(fā)展趨勢為使用物聯(lián)網或者局域網的方式，將所有的機床連接成為一個系統(tǒng)，統(tǒng)一操控，便于管理。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本文的主要研究內容可以歸納為：（1）在充分查閱了現階段數控機床現狀和

17、相關資料，分析了數控機床的聯(lián)網方案后，充分利用現有資源，完成了DNC網絡通信和管理系統(tǒng)的設計與研究。（2）根據實際車間情況，對聯(lián)網方式以及硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、布線方式等進行充分的調研與實踐，找到最合適的方式。（3）根據文獻資料和實際情況，通過對硬件設備、軟件設備等的實施，實現數控機床的DNC系統(tǒng)，并且分析在實際的調試過程中出現的各種問題，提出必要的解決方式。本文首先介紹了數控加工網絡化對于加工制造業(yè)的重要作用，詳細闡述了DNC系統(tǒng)的研究現狀和發(fā)展趨勢；對DNC系統(tǒng)所采用的通信技術的功能特點作了分析和對比，在此基礎上，確定出本系統(tǒng)采用的通信技術；對數控機床的聯(lián)網問題所遇到的困難作了分析，并提出了

18、基于端口設備聯(lián)網服務器的網絡控制總體方案和技術路線，從而解決了聯(lián)網困難的問題；對現階段采用的聯(lián)網方案作了分析研究，確定出合適的聯(lián)網方案，完成DNC系統(tǒng)的硬件連接工作。1.3.2研究方法(1)理論研究法：通過查閱相關文獻了解數控機床的相關理論，分析現有研究的特點和不足，形成自己的研究框架和指標體系。 (2)參考方法：參照相關網站研究課題。 (3)實踐研究法：以模塊化為指導，按照模塊化軟件開發(fā)過程進行系統(tǒng)開發(fā)。 1.4課題來源本文通過查閱相關資料，探究了目前此方面的研究現狀，然后結合企業(yè)實際情況，確定了課題。本文主要是對數控機床DNC通信以及管理的設計與研究，通過研究DNC主機與數控系統(tǒng)之間最合理

19、的通信方式，實現數據信息的上傳、下載等；對DNC系統(tǒng)所采用的通信技術的功能特點作了分析和對比，在此基礎上，確定出本系統(tǒng)采用的通信技術；對數控機床的聯(lián)網問題所遇到的困難作了分析，并提出了基于端口設備聯(lián)網服務器的網絡控制總體方案和技術路線，從而解決了聯(lián)網困難的問題；對現階段采用的聯(lián)網方案作了分析研究，確定出合適的聯(lián)網方案，完成DNC系統(tǒng)的硬件連接工作。2.技術概念2.1DNC通信系統(tǒng)DNC最初指的是直接數字控制技術，是英文Direct Numerical Control的縮寫。DNC技術的研究開始于本世紀60年代，數控設備的程序信息的管理和發(fā)送等工作都是依靠中央計算機完成6。當時主要是為了解決紙帶

20、輸入加工程序的繁瑣及計算成本過高等問題。70年代以后，七十年代以后，DNC技術得到了快速發(fā)展，數控機床對于程序內容的存儲量更大且計算運行速度也更快。由最初的直接式的轉變到分布式的數字控制技術（Distributed Numerical Control）7。相比于直接數字控制技術，分布式數字控制技術添加了信息收集、狀態(tài)監(jiān)視和控制等最新功能。80年代以后，在計算機技術飛速發(fā)展的背景下，DNC技術的功能不斷擴大，相比于以往的DNC技術，已經慢慢地注重了車間的相關信息高度的集成化，展開對零部件的加工過程中的研究，分別對生產技術準備、計劃以及加工流程等等數據信息完成集中監(jiān)控或者分散的控制工作，并將數據信

21、息與局域網相互關聯(lián)，實現信息的相互交換8。目前，DNC技術已經開始向物流等系統(tǒng)擴充，未來的DNC技術功能將更為強大。2.2多線程技術及應用注意事項2.2.1多線程技術主線程（即第一個線程）是由系統(tǒng)自動創(chuàng)建的。創(chuàng)建完主線程后，主線程本身還會有很多的額外線程生成，這些額外線程進一步還可以生成其它的線程。當多線程程序運行時，大多數人認為這些線程同時運行，事實上，情況并非如此，操作系統(tǒng)為各個線程都設置了CPU時間來保證這些線程的正常運行9。操作系統(tǒng)給各個線程提供時間片的方式是采用的輪轉方式，各個線程在完成時間片使用之后，將其釋放出來，因此該操作系統(tǒng)一般會接著把時間片傳遞給后面的線程，以此類推。由于各個

22、時間片的時間間隔極其短暫，所以會產生一種錯覺，當這些線程的運行是同時。更多地額外線程的生成的目的是為了盡量利用CPU的相關時間。2.2.2多線程的應用因此在MFC使用中，線程一般由用戶界面線程和工作線程兩種模式存在。假如只是執(zhí)行后臺的相關計算而不和用戶交流，通過運行工作線程就夠了；此外，如果是進行要處理一個用戶界面的相關線程，用戶界面線程此時需要運行。其中，這兩個線程之間的最大區(qū)別在于用戶界面線程中會額外有一個消息循環(huán)，從而就可以實現對消息的處理功能10。進程和線程的概念不同，進程可以對程序進行定義。在32位系統(tǒng)中，進程會占用應用程序所得到的存儲位置。其中在運行過程中，進程通常至少會有一個線程

23、被占用，進程中的相關空間代碼通常是由這個線程掌控的。一般來說，一個進程通常由多個線程所組成，這些線程控制進程地址當中空間的相關運行代碼。2.2.3線程優(yōu)先級與同步問題采用多線程進行編程會使程序操作人員的工作更具靈活性，同時對于解決問題變得更加容易。但是，程序不應該以碎片的形式寫入，因為這不是正確開發(fā)應用程序的方法。當線程在運行時，老的問題解決了新的問題又出現的現象。因此，知道何時創(chuàng)建多個線程以及何時不創(chuàng)建多個線程是非常重要的。在系統(tǒng)在運行多個進程的過程時，此時要對線程運行的順序進行優(yōu)先級別劃分11。因此操作系統(tǒng)對應優(yōu)先級別的順序排列線程，需要保證各個線程都處在優(yōu)先的級別，通常從0到31的順序完

24、成優(yōu)先級的排列。當系統(tǒng)在執(zhí)行過程中，優(yōu)先給優(yōu)先級為31的線程賠給時間片，操作系統(tǒng)接著會給下一個優(yōu)先級為31的線程進行分配。當線程中全部優(yōu)先級為31的運行完之后，才會執(zhí)行優(yōu)先級為30的線程，后面的以此類推。一般操作系統(tǒng)以及程序操作員的改動都會更改線程的優(yōu)先級以保證操作系統(tǒng)對終端的響應性。另外，在使用多線程編程的過程中，要保證線程的步調一致。所謂的線程同步就是要盡可能的減少線程間數據在通信時的損壞。一般在32位系統(tǒng)中，同步問題出現的較多，這主要是由于分配時間片的過程中出現了問題。但是在MFC中，臨界區(qū)模塊、事件模塊、信號量模塊、互斥模塊可以保證多線程的同時運行12。其中臨界區(qū)模塊的使用最為簡便，但

25、它只能同步線程在同一進程的。此外，還可以使用線性化方法，這種方法對數據信息的讀寫都是在同一個線程中進行的。這樣就避免了同時改寫數據信息的情況。2.3串行通信技術微軟通信控制（MCSomm）是由微軟公司開發(fā)的串行通信編程控制，MCSomm控件可以實現通過串行接口進行數據的接收和發(fā)射13。1 .常用的功能屬性MCSomm板塊的常用功能屬性組成為Settings、CommPort、PortOpen、Input、Output等。主要用于實現端口的打開或關閉、返回到通信端口的狀態(tài)、返回到數據位或停止位等功能。2. 處理通信問題的方法 驅動方式一般解決串行端口交互難點的有效方法為事件驅動方式。事件發(fā)生后需

26、要及時進行通知和處理。一般情況下，通過OnComm事件運行的板塊功能的控制對通信進行處理。一般程序響應及時以及可靠性高等等是事件驅動方式獨有特點，每一個控件對應有一個串行端口。但是，要完成對多個串行端口的運行，需要多個控件配合進行。查詢方式一般來說，其中查詢方式屬于事件驅動方式，但查詢方式在有些情況時更方便快捷。通過對CommEvent的屬性值進行檢查，可以對其中的問題進行判斷處理。其一般主要運用在程序較小的時候。2.4網絡編程技術在80年代初期，美國加利福尼亞大學伯克利分校成功開發(fā)出了Berkeley Socket接口。90年代初期，微軟公司以伯克利套接字接口為模板開發(fā)了一個網絡程序接口規(guī)范

27、，即Windows Sockets規(guī)范。Windows Sockets規(guī)范對原有的功能作了完善和擴充，主要是擴充了原有的異步函數，并增加了符合Windows系統(tǒng)的異步進行。因為Windows Sockets規(guī)范的特點包括支持多協(xié)議性以及開放性等等，使得Windows的方面提供了參考和標準?，F在TCP/IP網絡應用最為廣泛的API是套接字接口，同時套接字接口也普遍應用于互聯(lián)網運行、用戶開發(fā)等方面14。Socket接口實際上指的是一個通信端口，可以實現一個Socket應用程序與另一個Socket應用程序之間的相互通信。Socket同樣存在于通信域，通信域是一個抽象的概念。通常情況下，Socket只

28、能與處于同一個域中的另外的Socket完成數據的交流。其中接口的相關示意圖如下圖2-1所示。Socket的組成由：數據報、流式以及原始套接口三種模型15。通常，流式套接口屬于一種是面向連接的可靠的運行，可以保證數據傳輸沒有差錯以及無重復性的內容。數據報套接口采用的是無連接的服務，數據傳輸是通過密碼文來完成的，傳輸是沒有順序的，但是不能保證其完全正確。原始套接口進行對較低的層協(xié)議直接連接，一般用于新網絡協(xié)議的調試任務。流式套接口采用的是TCP協(xié)議，而TCP協(xié)議的使用必須建立起連接才可以進行互相交流，以便確保數據傳輸的真實性以及順序性。通常，Socket建立在客戶/服務器模型的基礎之上，其中服務器

29、端以及客戶端兩個進程在工作時被提供，服務器端一般先啟用。圖2-2是流式套接口系統(tǒng)的具體調用流程。圖2-1 Socket接口示意圖Windows Socket規(guī)范是針對微軟操作系統(tǒng)對Berkeley Socket接口的優(yōu)化和改進，它們的主要區(qū)別體現在Socket的啟動和終止、多線程、異步請求機制、異步數據傳輸機制、異步選擇機制、阻塞處理和錯誤處理等方面16。Windows Socket規(guī)范可用于單線程和多線程Windows版本。Socket接口在多線程條件下基本上是保持不變的。圖2-2流式套接口系統(tǒng)的調用過程2.5數據庫開發(fā)技術SQL Server2000是新一代微軟公司的數據庫產品，該產品是基

30、于SQLServer7.0開發(fā)和設計的。SQL Server2000數據庫管理系統(tǒng)是以高端硬件技術、最新互聯(lián)網技術和存儲技術作為支撐建立起來的具有一個大型關系的系統(tǒng)，可以將具有可擴展性的和可靠性的數據信息提供給Web站點和企業(yè)用戶。此外，SQL Server2000具有Web 功能、數據挖掘功能，同時支持擴展標記語言，極大的方便用戶快速創(chuàng)建解決方案。該數據庫管理系統(tǒng)主要具有以下特點17:（1）系統(tǒng)管理操作更為直觀方便是用于圖形用戶界面的相關管理工具，包括SQL Server服務器、數據管理等等方面的功能，此外還提供了SQL事件探查器、SQL查詢分析器。用戶使用操作方便快捷，具有很強的實用性。

31、（2）動態(tài)自動管理和優(yōu)化功能如果SQL Server的數據庫管理人員設置了系統(tǒng)的某些功能，SQL Server將自動配置使其性能達到最優(yōu)，減少數據庫管理人員的工作量。（3）充分的Internet技術支持其中SQL Server對Internet技術的具有很強的作用作用，在以前版本的Web出版工具的基礎上，又增加了XML技術和HTTP技術。這樣就能夠保證電子商務可以通過XML技術實現對SQL Server數據庫的訪問功能。（4）強大的編程接口工具編程接口工具的使用，使得應用程序的開發(fā)越加的方便，SQL Server提供了多種應用程序開發(fā)工具。完成了標準SQL語句與Transact SQL語句之間

32、的相互存在，除此以外，OLEDB、ADO以及ODBC等等模式都很適用。（5）很好的伸縮性和可靠性既能在服務器操作系統(tǒng)中運行，也能在Windows操作系統(tǒng)中運行。所以SQL Server2000能滿足各種不同層次、不同需求用戶的需要，具有很好的伸縮性和可靠性。（6）簡單的管理方式SQL Server2000和Microsoft Windows 2000兩者的成功結合具有重要的意義?？梢赃\用Windows 2000的集中管理功能簡潔化企業(yè)中的繁瑣系統(tǒng)的工具，通過運用操作系統(tǒng)所具有的的服務功能來增強SQLServer數據庫系統(tǒng)的功能并減小資源的占用。3.總體方案設計3.1應用的需求分析通常，在國內的

33、加工制造業(yè)領域當中，數控機床已實現了廣泛地運用，其中有些企業(yè)把數控機床與計算機之間建立聯(lián)系，已經實現了數控加工程序的及時反饋。然而，這類的單機系統(tǒng)在現實使用的過程中并不十分可靠，經常出問題18-20：每臺數控機床都需要連接一臺獨立的計算機才能進行程序的傳輸和控制，大大增加了設備的費用；操作數控設備的人員需要在計算機與機床的控制面板之間交替地操作完成程序的傳遞，這樣導致了人工費用的大幅增長；然而因為網絡共享式的數控加工系統(tǒng)，因而其數控程序的共享程度比較低。如何實現對數控機床零部件生產加工過程中的網絡化管理已經成為加工制造行業(yè)迫切需要的重要技術關鍵工藝，所以數控機床的管理以及通信系統(tǒng)的開發(fā)設計是很

34、有必要的，也是非常急需的21。一般數控機床的DNC管理、通信系統(tǒng)是建立在企業(yè)自有的局域網資源之上的，結合了多種的技術，比如網絡、數控、信息、計算機以及多媒體等等技術，通過TCP/IP協(xié)議完成了快速的加工程序的傳遞，各臺數控設備的管理和信息采集工作主要是依靠車間DNC主機來實現的，通過WEB技術能夠將有關的加工信息傳送到網絡平臺上，因此完成了車間加工監(jiān)測信息與辦公管理信息之間的相互傳輸22,23。3.2DNC系統(tǒng)功能分析圖3-1系統(tǒng)功能模型示意圖系統(tǒng)功能模式的示意圖如圖3-1所示24：（1）數控機床信息管理數控機床有關的信息管理主要是指數控機床的靜態(tài)信息管理方面，具體有：數控銑床、數控車床以及電

35、火花線切割等等有關的數控加工設備的屬性信息、數據信息的錄入、修改、刪除等。詳細的靜態(tài)信息具體為：機床的名稱、數控車床、所屬的車間以及操作設備的人員等等資料。操作數控的工人可以根據靜態(tài)信息來選擇合適的數控加工設備。（2）數控程序管理數控程序的管理具體有：數控加工程序的編輯、上傳、模擬以及查詢等等相關內容。操作數控的人員根據各臺數控機床控制系統(tǒng)的差異完成相關數控程序的編排。（3）加工任務管理數控操作人員對數控機床進行加工任務的管理，可以對數控機床的程序任務完成添加、刪除以及查詢，同時數控機床的各項加工任務可以生成任務單。（4）機床運行狀態(tài)信息采集通常，機床的運行狀態(tài)的記錄能夠經過串口服務器得到，具

36、體內容有：加工和空閑的時間、設置以及報警等等有關的機床運行信息。此外還可以通過串口服務器對運行狀態(tài)日志進行分析并得出報告，根據報告可以得到機床的使用效率高低。（5）加工過程視頻瀏覽為了能夠對操作機床的人員、機床使用的狀態(tài)及零部件的合格率等情況進行及時的掌控，可以在數控機床上的安裝網絡攝像機，并且可以查看以往的監(jiān)控視頻。（6）用戶管理系統(tǒng)的管理人員可以對企業(yè)內部人員、客戶及加盟商等成員的帳號信息和工作權限的設置和管理，從而保證用戶的權益。（7）在線加工采用在線加工功能可以實現與數控機床之間的數據傳輸，數據信息的傳輸能夠從斷刀點處開始。在線加工功能可以解決數控機床內存空間小且需要進行傳輸的數據信息

37、又非常大這一問題。3.3常見的通信網絡基于DNC技術的通信與管理系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢是實現將多個車間、多種數控設備聯(lián)入到企業(yè)的局域網中，使得企業(yè)管理信息與數控機床加工信息的之間實現了共享以及傳輸25。3.3.1串行通信網絡采用串行通信技術可以實現一臺計算機與多臺數控機床之間進行數據信息的傳輸。目前在企業(yè)車間中廣泛采用的通信方法是運用數控機床自身攜帶的RS-232C或RS-485接口，網絡拓撲結構采用點對點方式或星形方式來實現串行通信26。串行通信協(xié)議主要分為物理層、鏈路層和應用層三層，通信速率可以在1109600bit/s范圍內選擇。物理層可以看做是具體的實現了鏈路層以及應用層之間的相互關聯(lián)，使

38、得信息的傳遞變的更加的順暢，沒有相互的干擾。然而采用串行通信技術進行數據信息的傳輸存在著以下的缺點，具體包括：1.管理和維護的工作量較大，2.成本投資大，3.傳輸距離短4.抗干擾能力差5.傳輸速率低以及6.出錯頻繁等等27。3.3.2現場總線通信網絡現場總線技術是一種先進的工業(yè)控制技術，主要應用在與加工制造業(yè)等相關企業(yè)的現場數控設備中，可以實現雙向串行多節(jié)點的數字通信的系統(tǒng)?？偩€通信網絡技術的應用極大地促進了新的網絡集成式分布控制系統(tǒng)的出現和形成，此外網絡的集成化的控制體系可以完全達到過程控制以及加工制造自動化的相關要求。這是由于現場總線技術是通過數字通信的技術成立的，因此可以實現相互之間的功

39、能轉變?，F場總線技術作為制造業(yè)現場控制的先進網絡系統(tǒng)，其中對總線技術要求最高的就是要具有可靠性和實時性的功能特點，而CAN總線在這方面最為突出28：在可靠性方面，CAN總線采用了多種錯誤檢測和糾錯措施來保證具備非常高的可靠性；此外，CAN總線采用了新穎獨特的位仲裁技術，比其他同類產品具有更高的實時性；CAN總線的傳輸速率可以達到1Mbs，由于接口的構造簡單，因此其安裝、拆卸較方便，導致系統(tǒng)的費用較低。CAN總線非常多的優(yōu)點，能夠實現等傳輸介質進行數據信息的傳輸。但是隨著信息技術的發(fā)展，總線技術還存在較多的問題，具體來說主要有以下幾個問題29：（1）各個開發(fā)廠商都有自己的專利總線技術，這就限制了

40、它們總線技術之間很難實現相互間的兼容，導致它們的費用不斷提高；（2）如果所開發(fā)建造的總線協(xié)議與內部的局域網的條款不同。這樣很難使得完成企業(yè)加工生產制造過程中的集成一體化的相關目標；（3）其線程總線的傳播速度很慢，目前使用較多的CAN總線的傳速，最高也只有IMbs，但是DNC總線需要對生產現場的加工狀況進行全程的監(jiān)控，這樣就會產生大量的音頻、視頻等等數據的相關傳輸，這樣很難滿足相關的要求。最近幾年，隨著工業(yè)技術的不斷革新，通信網絡在正在發(fā)展朝著以太網的方向發(fā)展。同時科研院所也熱衷于對工業(yè)以太網技術和TCP/IP技術的應用研究，現在以太網的速度已經可以達到1000Mbps，當高新技術等技術的使用完

41、成了對以太網的不可靠問題的解決；而且，由于以太網端口的每個網絡節(jié)點都設置了獨立的帶寬，這樣就避免了使用同一交換機的不同設備不會存在資源的相互爭奪利用現象，可以看作是每個設備獨立占用一個網段30。所以說企業(yè)中的DNC系統(tǒng)已經開始使用基于以太網的工業(yè)通信網絡。3.4DNC系統(tǒng)網絡結構設計企業(yè)DNC系統(tǒng)采用以太網技術，可以減少企業(yè)的投資成本、維護成本和管理成本。由于以太網技術的通用性，企業(yè)對于以太網技術的維護和管理更為方便、快捷。同時企業(yè)可以利用原有的設備資源，并且可以實現企業(yè)的辦公網絡與車間數控設備網絡之間的相互連接31。所以，DNC系統(tǒng)使用最多的就是企業(yè)內部的相關局域網系統(tǒng)。數控加工程序以及其他

42、程序的發(fā)送和接收32都是通過Windows的相關的網絡的接口Socket完成的工作。通常Socket是針對具體的服務器模型所開發(fā)研制的，從而確保服務器端的問題。這里將DNC系統(tǒng)的接收平臺作為Socket的客戶端，而串口服務器端作為Socket的服務器端。3.5DNC系統(tǒng)的底層通信DNC系統(tǒng)的底層通信指的是數控機床系統(tǒng)與DNC系統(tǒng)接口之間的相互通信，其目的是完成加工制造業(yè)中的信息傳遞以及加工狀況信息的反饋。3.5.1常見的數控機床通信接口在國內大多數地加工制造業(yè)當中，數控設備的種類非常的豐富，有效的解決了不同的數控設備之間的關聯(lián)問題，具體如下33：（1）穿孔機輸入接口這種結構將穿孔機的輸入接口與

43、計算機的打印接口進行連接并把紙帶穿出來。通過使用這種結構模型不用對任何硬件以及電路進行改造，只需要編寫出一個驅動程序供穿孔機使用。因為采用這種結構不能消除相關的問題，因此也使用的較少。（2）紙帶閱讀機輸入接口這種模型結構借鑒了數控系統(tǒng)的紙帶閱讀機輸入端的接口模式，也制造了一個外接的讀寫卡，設具體的紙帶閱的相關內容的功能，可以實現與RS-232接口的串行通信，還可以將DNC程序輸入到其它的地方，因此也及其少的使用。（3） RS-232接口這種結構是把數控系統(tǒng)的串行通信口與RS-232串行通信接口進行相互連接，這樣就可以實現程序的下傳和上傳。目前在加工制造類企業(yè)中部分數控設備就是采用的使用這種接口

44、。RS-232接口廣泛應用于PC和通信行業(yè)。RS-232接口的傳輸方式是不平衡的，即單端通信方式。RS-232的兩種常用端口引腳如表3-1所示。表3-1 RS-232端口引腳說明表9 針端口（DB9)25 針端口（D25)針號功能說明所寫針號功能說明所寫1數據載波檢DCD8數據載波檢DCD2接收數據RxD3接收數據RxD3發(fā)送數據TxD2發(fā)送數據TxD4數據終端準DTR20數據終端準DTR5信號地GND7信號地GND6數據設備準備好DSR6數據設備準備好DSR7請求發(fā)送RTS4請求發(fā)送RTS8清楚發(fā)送CTS5清楚發(fā)送CTS9振鈴指示DELL22振鈴指示DELL（4）DNC接口這種DNC結構可以

45、實現數控系統(tǒng)中所帶的各種功能，具體的實現過程需要依靠插在DNC工作站和數控系統(tǒng)中的DNC接口卡并借助于專業(yè)軟件，現在僅僅在少數進口的高檔數控系統(tǒng)中有采用DNC接口技術的。（5）網絡接口這種結構對于實現數控機床與車間局域網的相互連接較為容易，可以對企業(yè)中的分布式加工設備層進行合理有效的管理。這種接口技術只有在少數的進口高檔數控機床上出現過。（6）計算機直接數控計算機直接數控方式采用的是PC嵌入CNC模式實現的，可以用一臺計算機實現對多臺數控機床的控制17。3.5.2數控機床的聯(lián)網設計數控機床的聯(lián)網設計主要運用在高檔數控機床上，帶有DNC接口或以太網接口，通常這類機床與車間的局域網是可以直接進行連

46、接的34。串口服務器實現了把數控設備中的全部數據以及信息正確的傳輸到了局域網之中，反之也能夠把局域網中的數據信息傳輸給數控設備，可靠性高；其中串口服務器的作用就類似于網關的作用一樣。通過更改串口服務器的IP地址以及其設置的內容，因此數控設備就成為了局域網中的一個節(jié)點，這樣就可以實現數據信息的傳輸功能35。4.串行通信設計與實現4.1串口服務器的選擇DNC主機與機床控制器之間的通信連接是DNC系統(tǒng)最為關鍵的技術，由于數控機床的通信接口存在著非常大的差異，并且所采用的協(xié)議種類也很多，這樣就給DNC技術的應用和發(fā)展帶來較大的困難。為了實現異構數控系統(tǒng)的集成化管理，數控系統(tǒng)的生產制造企業(yè)和相關研究人員

47、都在積極探索和尋找解決通信協(xié)議標準化問題的最佳途徑。在實現數控系統(tǒng)通信協(xié)議標準化之前，加工制造業(yè)中的大部分機械加工車間采用特殊設計的DNC裝置來進行數控設備的控制和管理。根據相關的研究資料，目前開發(fā)設計智能硬件設備是以研究DNC裝置為工作的核心和重點，同時智能硬件設備可以實現接口標準和通信協(xié)議的轉換和統(tǒng)一36。近年來，數控通信協(xié)議也逐漸從智能硬件設備轉向軟插件系統(tǒng)。目前，我國的相關科研院所已經開始對這種DNC軟插件系統(tǒng)進行科研立項和研究工作，這必將對數控設備的集成管理產生積極推動作用37。現階段我國的許多研究機構也開始嘗試解決通信接口的兼容性問題，軟插件系統(tǒng)可以針對不同的數控設備和不同的通信協(xié)

48、議。因此，軟插件系統(tǒng)可以給用戶提供一個統(tǒng)一的、標準的平臺。用戶在進行特定系統(tǒng)的開發(fā)設計時，只需要輸入通信協(xié)議中的參數，就可以完成對應DNC系統(tǒng)的開發(fā)設計。4.1.1動態(tài)連接庫技術動態(tài)連接庫可以調用的一組服務或函數用于主應用程序的執(zhí)行，這些服務或函數相對于主應用程序是相互獨立的。這些服務或函數與靜態(tài)庫中的DLL服務或函數不同，因為DLL函數無法通過連接器與可執(zhí)行文件相連，而是在檢索可執(zhí)行文件中的信息后才可以進行使用的，并且在程序運行時庫中的代碼才可以加載顯示。所以可以實現多個不同進程的應用程序在內存中共存，從而可以大大減少對于內存容量的需求?；谇拔闹袑τ贒NC開發(fā)的平臺和軟插件系統(tǒng)的應用，選用

49、動態(tài)連接庫技術38。針對不同種類的數控設備，開發(fā)設計相互獨立的動態(tài)連接庫。這些相互獨立的動態(tài)連接庫都對數控協(xié)議進行了細節(jié)封裝處理，所以它們的狀態(tài)都是透明的。而對于主應用程序來說，只需按照相同的方式對接口函數進行調用即可，所以說每臺數控設備看起來好象都是相同的。這樣，就非常成功的解決了系統(tǒng)對于異構數控系統(tǒng)的集成問題。同時保證了系統(tǒng)與數控設備之間的無關性，易維護性和易擴展性等特點。4.1.2串口服務器硬件的選擇選定合適的串口服務器是構建局域網式結構的DNC通信系統(tǒng)最為關鍵的問題。具體來講，對串口服務器應滿足以下要求：串口服務器應同時具有以太網接口和串行通信接口，此外還應該有數字和模擬信號的輸入端口

50、；同時需要滿足車間現場的電磁環(huán)境要求，即具有抵抗一定強度電磁場的能力39。在串口服務器內部應設置有較大的動態(tài)存儲器和較強的CPU來滿足傳輸大文件的需要。另外，串口服務器還需要具有網絡服務器的功能，方便管理人員或技術人員能夠及時訪問到串口服務器所采集到的數控機床信號，也就是說串口服務器應該采用嵌入式的WEB服務器40。結合以上要求并對不同的串口服務器進行對比分析，最終我們選用的串口服務器是Moxa公司生產的Nport Express DE-211。 該串口服務器支持快速以太網或標準以太網技術，且所有端口都可以提供內嵌15千伏的ESD保護。如圖4-1為Nport Express DE-211的實物

51、圖。圖4-1 Nport Express DE-211的實物圖4.2串口服務器的任務設計DNC串口服務器的通信程序需要進行兩個方面的開發(fā)設計，一個是串口服務器的網絡通信程序，即把串口服務器作為TCP/IP的服務器端來實現與車間服務器的網絡連接；另一個是串口服務器的端口通信程序，即實現串口服務器與數控機床之間的相互通信功能41。雖然數控機床的種類有很多，但是對于串口服務器與數控機床之間的所采用的通信協(xié)議來說， 市場上絕大多數的數控機床都是采用的XON/XOFF或RTS/CTS通信協(xié)議，同時串口服務器也可以采用這兩種通信協(xié)議來實現通信。而對于那些比較特殊的通信協(xié)議，則需要開發(fā)設計專門的針對這些通信

52、協(xié)議的程序，借助于互聯(lián)網將程序下載到相關的串口服務器中，從而實現特殊通信協(xié)議的通信。實現DNC通信的關鍵是選擇合適的DNC串口服務器內核。由于需要同時實現數控程序、數據信息等的網絡接收和端口發(fā)送功能，這就要求該內核必須采用一個多任務的內核。為了滿足DNC串口服務器的通信要求，需要將串口服務器的功能合理分配到各個任務中才能實現，選用五個任務來保證DNC串口服務器通信功能的實現，如表4-1所示42。DNC的設計應以數控機床為中心進行，而對于任務等級的考慮主要是以滿足數控機床的各種加工要求為出發(fā)點。由于數控機床可以實現在數控程序進行傳輸的同時進行加工程序的運行，但是這種情況對于數控加工程序的實時性要

53、求非常嚴格。所以說將任務四作為最高級，而任務一次之。內核在進行數據信息的初始化時，只需要啟動任務一、任務三和任務四，而任務二和任務五的建立是在任務一的運行過程中完成的。表4-1 串口服務器任務設計表任務編號任務名稱任務描述任務間的互斥和通信情況任務一網絡數據接收任務接收來自網絡的數據并分析數據與任務四存在共享變量互斥與任務，存在不可重入函數互斥與任務二存在互斥任務二網絡數據輸出任務把數據傳輸給網絡與任務三共享變量互斥與任務一存在互斥任務三端口數據接收任務讀入來自端口的數據與任務一存在不可重入函數互斥與任務二存在變量互斥任務四端口數據輸出任務向端口輸出數據與任務一存在共享互斥向任務五發(fā)送通知信息

54、任務五請求消息發(fā)送任務向DNC控制平臺發(fā)送請求，繼續(xù)發(fā)送數控程序消息接收來自任務四通知信息4.3串口服務器的程序設計4.3.1工作線程由于串口服務器采用的是Windows操作系統(tǒng)，所以可以采用TCP/ IP協(xié)議來實現以太網的通信功能。如圖4-2所示為串口服務器處理軟件的主要流程。在串口服務器開始進入到工作狀態(tài)之前，首先需要先對以太網的連接情況進行檢查，具體的軟件處理函數詳見附錄A。當網絡成功連接后，串口服務器便開始執(zhí)行遠程調用程序，這樣就可以從車間服務器上下載數控機床的相關配置文件和通信協(xié)議。當串口服務器準備好初始化工作以后，就可以運用多線程來實現對各個端口的分別監(jiān)視，如果接收到其他的工作任務

55、信號，就按照相應的處理程序執(zhí)行。該系統(tǒng)采用3個串口服務器，用于與機床、機床主軸檢測系統(tǒng)、機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行通訊43。圖4-2智能終端的處理軟件主流程圖智能終端與機床之間的相互通信主要是進行NC程序的傳輸。串口服務器在接收到數控機床發(fā)送的相關申請信息之后，首先會對信息進行任務的分析判斷，然后根據分析判斷的結果再做出相應的處理。這里主要定義了四種傳輸方式，通信流程如圖4-3所示。上傳方式：把各個數控設備中的NC程序或數據信息上傳到車間服務器。下傳方式：把NC程序或數據信息從車間服務器下傳到各個數控設備上再進行加工。DNC方式：邊進行NC程序或數據信息的傳輸邊進行加工，主要用于解決數控設備內存空間

56、不足的問題。程序再開方式：從已經加工完畢的NC程序代碼中進行相關數據信息的提取，將提取到的數據信息合成新的NC程序頭文件進行傳輸，控制數控機床再繼續(xù)從斷點處進行加工44。圖4-3智能終端與機床通信流程圖數控機床的主軸檢測系統(tǒng)主要是檢測機床主軸工作時的轉速、轉向及冷卻液開停等參數，可以從數控機床的輸出信號點獲得這些參數的具體信息。主軸檢測系統(tǒng)每隔一段時間就會對信號點進行一次檢測，然后將檢測的參數信息實時發(fā)送到智能終端，智能終端對接收到的參數信息進行整理并寫到數控機床的日志文件中45。4.3.2與機床當前狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信數控機床的當前狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要用于檢測機床當前的工作狀態(tài)信息。如果數控機床直接

57、調用車間服務器上的現有程序文件，那么在調用通知上會將這些信息進行顯示；如果數控機床直接調用機床內存上的程序文件，那么就需要機床操作人員進行輸入操作。監(jiān)測系統(tǒng)接收到這些信息后，對信息進行整理并寫到數控機床的日志文件中。5.通信管理軟件的設計與實現5.1數控程序傳輸線路設計根據數控機床加工對于數據信息傳輸的功能要求，需要在基于局域網的DNC通信系統(tǒng)中實現數控程序的順利傳輸必須滿足一定的條件和要求。數控機床如果是邊進行數據的傳輸邊加工零部件，這就對實時性提出了嚴格的要求。實時性指的是在數控機床在對零部件進行加工時，數控機床在進行加工零部件的同時需要一直有數控程序發(fā)送給機床，這就需要串口服務器始終保持一定的數據緩沖空間。在基于局域網的DNC通信系統(tǒng)中，串口服務器向下與數控機床進行連接，通信速度是由用戶進行設置和選擇的；向上與車