网络技术特别是Internet Intranet Extranet技术的迅速发展 ,正在给制造业带来新的变革和重大影响 ,数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向。从另一角度来看 ,目前企业的MIS和ERP对于制造业来说 ,仅仅局限于通常的管理部门 (人、财、物、产、供、销 )或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的 ,工厂、车间的最底层加工设备—数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈。所以 ,对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说 ,第一是要大大提高机床的数控化率 ,即数控机床必须达到起码的数量或比例 ;第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能 ,以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。本文旨在探讨如何充分利用Internet技术改造DNC网络结构 ,实现底层数控加工设备与CAD CAE CAM系统和企业MIS ERP的集成 ,达到产品远程设计制造和信息化生产的目的。1 DNC系统及网络结构DNC (直接数控DirectNumericalControl)系统是指数台或多台数控机床由一台计算机统一分配控制程序和进行管理<1> 。现在的DNC系统从内容和意义上来讲已发展成为分布式数字控制 (DNCDistributedNumericalControl)系统。从数控技术的发展来看 ,分布式数控系统是由直接数控系统发展而来的 ,是针对当时数控设备内存小、处理能力弱而产生的。以后出现的计算机数控(CNCComputerNumericalControl)设备使DNC系统增加了程序编制和编辑功能 ,并且有一定的通讯能力。随着局域网、数据库、工作站的发展以及零件加工系统发展的需要 ,出现了分布式数控系统 ,它是针对车间的生产计划 ,技术准备 ,加工操作等基本作业的集中监控与分散控制相结合的车间生产控制系统。系统的目标任务通过局域网分配给各子系统 ,子系统之间信息相互交换以协调完成总任务。这种系统的优点是易于扩充、灵活、可靠性高 ,具有良好的开放性。近几年国内外对DNC系统的研究非常活跃<2 > 。一般DNC系统通常具有两级计算机分级结构形式 ,即主控计算机加CNC系统群组成 (图 1)。对于通信距离短、组成DNC系统的数控加工设备数量少的小型系统可采用这种方式联接。该联接方式结构简单 ,但连线多、易出故障、通信距离短 (RS2 32通讯距离一般为 15m以内) ,不适宜较大范围的DNC系统。图 1 DNC传统通信拓扑结构为延长通信距离 ,使较分散的数控加工设备也能联网 ,90年代开始 ,我国部分企业采用一台数控机床与一台工控微机相连<3> (即点对点式 ) ,所有工控微机再通过局域网络与DNC主控计算机相连的通信模式。这种DNC通信模式存在以下问题 :(1)工控微机置于生产现场 ,环境粉尘与温度变化造成DNC系统故障率高、可靠性差 ;(2 )对操作工人要求较高 ,管理与维护工作量大 ;(3)操作工人需双侧操作工控微机与机床面板 ,操作复杂、效率低。鉴于以上通信方式存在的缺陷 ,一些研究机构提出了基于现场总线技术 (主要有BitBus和CAN总线 )的改进型DNC通信系统 ,可实现远距离通信 ,具有操作方便、开放性好的特点 ,其网络拓扑结构如图 2所示。每台数控加工设备配备一台通信前端单元 ,各通信前端单元与DNC主控计算机间采用现场总线进行连接。通信前端单元与数控系统集成在一起 ,可靠性高。系统具有良好的扩展性 ,增加设备灵活。这种改进型DNC通信系统改变了原来的双侧操作方式 ,实现数控系统单侧操作 ,操作工人只需根据生产计划和数控作业指导书操作数控系统面板直接申请NC程序 ,系统即可分配NC程序到相应的数控系统。图 2 改进型DNC结构2 网络拓扑方案的转变1993年SME推出第三版的CIMS功能结构图<4 > ,强调了“用户及用户需求”的概念 ,从而使企业信息集成的概念从企业内部集成扩展到制造业企业内外两个范围 ,网络系统方案从基于C S结构体系结构转移到C NS体系结构<5> ,C NS结构见图 3。而随着Internet的发展 ,异地设计 ,电子商务越来越得到普遍应用 ,数控机床作为网络制造的最底层 ,要实现与企业CIMS的真正集成 ,也应该采用基于Internet的DNC技术。这样才能较好地与企业现有的ERP和MIS系统融合到一起 ,实现真正意义的集成制造系统。图 3 C NS结构我们在研制了专用数据通信单元的基础上 ,实现了基于Internet的数控制造网络 ,拓扑结构见图 4。每台数控加工设备配备一台专用通信单元 ,各通信单元直接与Internet上的DNC主控计算机间连接。系统具有良好的扩展性 ,增加一台数控加工设备 ,只需增加一台通信单元和一小段双绞线。专用通信单元主要起数据缓冲和协图 4 新型DNC通信拓扑结构议转换作用 ,它与Internet上的DNC主控计算机之间以TCP IP协议通信 ,与数控加工设备间以串行通讯协议通信。专用通信单元体积小 ,可集成在数控系统控制柜中 ,且本身能适应恶劣的粉尘生产环境和较高温度的工作现场 ,有很好的电磁兼容性 ,可靠性高。采用这种新型网络体系结构 ,使得各种数控加工设备和DNC系统可以方便地与CAD CAM CAE系统、数字化仿型测量系统、智能化故障诊断与误差补偿系统一体化 ,为各种先进制造环境下的进一步信息集成 (如ERP)提供良好的技术条件。3 Internet集成通信技术(1)底层设备通信技术数 控加工设备接入网络的通信方式取决于数控系统的通信接口和通信协议。数控系统提供的通信接口和通信协议有以下几种<3>:①录音接口 ,该接口为国产老式经济型数控系统的通信接口 ;②纸带阅读机输入接口和纸带穿孔机输出接口 ,早期引进的数控系统通常具备该接口 ,如FANUC 7M系统 ,新开发的数控系统已基本淘汰此接口 ,但我国企业中还有一定数量包含此接口的数控加工设备 ;③异步串行通信接口 ,如RS2 32、RS4 2 2、RS4 85等 ,这是应用最普遍的一种通信接口 ,新开发的数控系统几乎都包含此类接口 ,采用XON XOFF、396 4R、简化 396 4R等通信协议 ;④DNC接口 ,如FANUCDNC2接口 ,这种接口可实现远距离通信 ,具有出错反馈与在线实时修改功能 ,便于远程管理 ,但结构复杂 ,通信软件开发难度大 ,价格高 ,因此我国很少引进 ;⑤网络通信接口 ,主要有MAP接口、以太网接口、现场总线接口 ,这类接口通信速率高、可靠性高 ,新开发的开放式数控系统大多具有以太网接口选件 ,但我国引进的数控系统中很少配备网络通信接口 ,数控设备使用的多数为封闭式数控系统。由上分析可知 ,异步串行通信接口RS2 32是最常用的数控系统通信接口 ,几乎所有的数控系统都包含此接口 ,因此专用通信单元将主要针对RS2 32接口实现网络通信功能。(2 )数据通信缓冲区的优化在基于Internet的新型DNC通信系统中 ,当数控加工设备加工复杂零件时 ,由于NC程序庞大 ,数控系统的内存无法存放整个NC程序 ,只能采取DNC传输方式加工。由于Internet网络的不均衡和复杂多样 ,网络传输中有阻塞和断传的情况发生 ,这就有可能出现数控加工设备因暂时缺乏NC程序而加工停顿的现象 ,这在实际生产中往往是不允许的。引起加工停顿现象的因素大致有<2 > :①Internet网络的传输速率v、传输效率c、传输阻塞中断时间T ,传输效率指传输有效字节数占总传输字节的比例 ,In ternet采用IP帧传输 ,传输效率较低 ;②各数控加工设备的通信传输速率V ,传输效率E ,V通常为 96 0 0bps,但复杂曲面精加工则要求V达到 192 0 0bps以上 ;③数控系统程序消耗率P ,即数控系统每秒执行程序的位(bit)数 ,P波动较大 ,但每个系统都有一个较确定的最大P值 ;④数控系统通信数据缓冲区Buffer的大小Q ;⑤各数控设备专用通信单元数据缓冲区Buffer的大小S ,S是需要优化的量。解决加工停顿问题就是利用以上因素构建数学模型 ,优化S ,使S达到极大 ,达到极大可保证因通信传输中断而访问DNC主控计算机的次数少 ,工作效率高。建立的数学模型如下 :优化目标 :MaxSizeS约束条件 1: V·E>P (1)约束条件 2 : T<(S -Q) P (2 )约束条件 3: S (v·c)
0 (4 )式 (1)是保证数控系统的数据缓冲区中有加工程序 ,使加工不出现中间停顿。式 (2 )为数控加工设备相邻两次从DNC主控计算机获取NC程序的等待时间。式 (2 )、式 (3)是保证数控系统在执行完上一批从DNC主控计算机得到的加工程序前 ,DNC主控计算机已将下一批加工程序段送入专用通信单元 ,即始终保持专用通信单元和数控系统的数据缓冲区中都有NC加工程序 ,直至整个NC加工程序执行完毕。将以上数学模型的求解用于实际DNC通信 ,可保证不出现DNC通信竞争 ,因为模型求解时代入的P值为数控系统的最大加工程序消耗率 ,而数控系统实际工作时加工程序消耗率都低于最大值。上述数学模型最终可求得S和V。由式 (1)得 : V >P E由式 (2 )、式 (3)、式 (4 )可得 : 0
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