近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊為代表的信息技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,，制造業(yè)無(wú)論是觀念,，還是技術(shù)都發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)的以相對(duì)固定的機(jī)器和生產(chǎn)場(chǎng)所為中心,，由上至下進(jìn)行管理控制的大批量制造生產(chǎn)模式正逐步向以人為中心,，基于技術(shù)的先進(jìn)制造生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。 全球制造的思想就是利用異地的資源(設(shè)備,、知識(shí),、人力)來(lái)制造市場(chǎng)所需產(chǎn)品，從而加工單元的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)就成為它的重要組成部分,。要實(shí)現(xiàn)加工單元的遠(yuǎn)程監(jiān)控,，首要解決的問(wèn)題是數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問(wèn)題。

　　本項(xiàng)目就是解決傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)問(wèn)題,，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)NC程序的中央服務(wù)器集中管理及網(wǎng)絡(luò)通訊,。從而適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。

　　1,、需求分析

　　1.1 傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床存在的問(wèn)題

　　傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控加工設(shè)備按數(shù)控系統(tǒng)分類主要有：FANUC系統(tǒng)(其中包括3T,、7M、HC-6,、6MB等),、AB公司系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)3B線切割系統(tǒng)等：按數(shù)控程序輸入/輸出通訊接口類型分有三類：一類為僅有RS232/RS422串行口,，二類為僅有紙帶閱讀機(jī)8/5單位并行口,，三類同時(shí)包括前兩類接口。這三類機(jī)床同時(shí)還存在同樣的問(wèn)題就是：內(nèi)存容量較小,，不適應(yīng)復(fù)雜,、大型面、高精度,、長(zhǎng)程序零件的加工：它們的對(duì)外接口能力差,，沒(méi)有DNC功能，不能實(shí)現(xiàn)在線加工以及網(wǎng)絡(luò)控制等問(wèn)題,。

　　1.2 希望的解決方案

　　本著滿足最基本的應(yīng)用需求,、且留有一定的可擴(kuò)充性及性能提高的潛力的前提，來(lái)改善數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用環(huán)境,。就此提出了以下解決方案：機(jī)床通訊接口的硬件改造,，針對(duì)各類機(jī)床設(shè)計(jì)相應(yīng)的通訊接口板卡：通訊控制軟件的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)各機(jī)床的單機(jī)通訊功能：開發(fā)其它輔助功能(如：數(shù)控程序中加工信息的提取,、數(shù)控程序圖形模擬,、長(zhǎng)程序的在線加工等),，彌補(bǔ)和增強(qiáng)原數(shù)控系統(tǒng)功能：網(wǎng)絡(luò)體系的選擇與通訊協(xié)議的定義及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的中央服務(wù)器集中管理和網(wǎng)絡(luò)通訊,。

　　2,、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成及功能

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由中央服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接口,、雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器、1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器,、數(shù)據(jù)接收器以及經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床等組成,。

　　中央服務(wù)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中樞部分，它主要完成的是對(duì)各級(jí)服務(wù)器的整體控制,。它采用后臺(tái)中斷工作模式,，不需要人的干預(yù)，而且其前臺(tái)還可以進(jìn)行其他工作,。

　　現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器是客戶端,，既擔(dān)任起數(shù)控服務(wù)器的功能，又具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能,，它接受中央服務(wù)器下達(dá)的各項(xiàng)任務(wù)：從網(wǎng)絡(luò)上獲取由中央服務(wù)器傳來(lái)的數(shù)控加工程序的數(shù)據(jù)信息,，并把這些數(shù)據(jù)信息傳送到NC文件庫(kù)：將已加工過(guò)的數(shù)控程序反饋到中央服務(wù)器。能從系統(tǒng)的NC文件庫(kù)中提取相應(yīng)的數(shù)控代碼,，并從中提取有關(guān)的加工零件數(shù)據(jù)和信息,，對(duì)其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)NC程序的圖形模擬等工作,。另外,，對(duì)需用長(zhǎng)程序的零件加工，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器還完成長(zhǎng)程序的在線加工任務(wù),。

　　現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器可同時(shí)服務(wù)于多臺(tái)數(shù)控設(shè)備,，根據(jù)需要在車間一定的空間范圍內(nèi)(比如：一個(gè)小的工作間，一個(gè)小的局部區(qū)域)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),，放置一臺(tái)PC機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器,，一臺(tái)服務(wù)器根據(jù)實(shí)際需要靠選用1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)服務(wù)于多臺(tái)數(shù)控設(shè)備。

　　2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議的選擇

　　系統(tǒng)中的各種信息都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸?shù)?。在?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展上,，影響較大的網(wǎng)絡(luò)體系主要有：OSI七層參考模型和TCP/IP體系結(jié)構(gòu)模型。OSI參考模型是ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前流行的Internet網(wǎng)絡(luò)所使用的體系結(jié)構(gòu),，盡管它不是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中卻占有非常重要的地位,。這是因?yàn)殡m然OSI的體系結(jié)構(gòu)從理論上講比較完整,，其各層協(xié)議也考慮得很周全,，但事實(shí)上，完全符合OSI各層協(xié)議的商用產(chǎn)品卻極少進(jìn)入市場(chǎng),，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各種用戶的需求。然而使用TCP/IP協(xié)議的產(chǎn)品卻大量涌入市場(chǎng),，幾乎所有的工作站都配有TCP/IP協(xié)議,，并已成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，通稱“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”,。為此,，我們?cè)跀?shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)中，采用的是TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),，該體系把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為四層,，即應(yīng)用層、傳輸層,、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層,。

　　TCP/IP體系結(jié)構(gòu)為傳輸層制定了兩種協(xié)議即：傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)，UDP為用戶提供進(jìn)程無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議,，數(shù)據(jù)包以獨(dú)立包的形式傳送,，服務(wù)不提供無(wú)錯(cuò)保證，數(shù)據(jù)可能丟失,、重復(fù)或失序：數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度也受一次處理最大長(zhǎng)度的限制(默認(rèn)值為8192字節(jié),，最大值為32768字節(jié))，不進(jìn)行包的拆分和重組操作：而TCP協(xié)議是一個(gè)可靠的全雙工的字節(jié)流的面向連接的協(xié)議,，TCP和UDP相比傳輸可靠,、數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù),，可按發(fā)送順序接收,，數(shù)據(jù)為字節(jié)流，其長(zhǎng)度不受限制,，為用戶提供虛電路服務(wù),，并為數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供檢驗(yàn)。根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn),，盡管數(shù)據(jù)包在傳輸量小于2048個(gè)字節(jié)時(shí)UDP可靠性更好,，但數(shù)據(jù)包服務(wù)是單包、無(wú)序傳送,，而系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信顯然不能保證所有傳輸?shù)男畔⒍夹∮?048個(gè)字節(jié),，因此，只能選用TCP作為系統(tǒng)的傳輸層協(xié)議,。

　　應(yīng)用層的通訊協(xié)議的選擇既要考慮到數(shù)控加工的特點(diǎn)又要具備實(shí)時(shí)性,、可靠性以及數(shù)據(jù)傳輸量大等特點(diǎn),。本系統(tǒng)另行開發(fā)了基于TCP/IP協(xié)議族的相應(yīng)協(xié)議，制定了應(yīng)用進(jìn)程之間傳輸?shù)男畔⒌奶厥夂x,。

　　2.3 通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)協(xié)議,，就是保證客戶端和服務(wù)器端的應(yīng)用線程之間能相互準(zhǔn)確、及時(shí),、有序地傳送信息,，并能彼此毫無(wú)差錯(cuò)地對(duì)信息進(jìn)行語(yǔ)法分析和解釋。

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),，其傳輸信息有自己獨(dú)特的含義,。在客戶端和中央服務(wù)器間傳遞的信息，主要有客戶端的請(qǐng)求信息,、數(shù)據(jù)信息和中央服務(wù)器端的狀態(tài)信息,。 　　客戶端的控制信息又分為兩種：網(wǎng)絡(luò)控制信息和加工控制信息：服務(wù)器端的狀態(tài)信息也分為兩種：連接狀態(tài)信息和客戶端的狀態(tài)信息。

　　在系統(tǒng)的協(xié)議中,，這些信息都規(guī)定了相應(yīng)的格式規(guī)范,，客戶端的網(wǎng)絡(luò)控制信息主要用于與服務(wù)器連接的建立、維持和釋放,。加工控制信息由控制命令字,、控制參數(shù)組成。網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議格式為：“cmd,，1byte命令代碼,，1byte命令長(zhǎng)度，命令參數(shù),，4字節(jié)的校驗(yàn)碼(XC)”,。‘cmd’為命令引導(dǎo)碼,，用以標(biāo)識(shí)命令的開始：‘命令長(zhǎng)度’只包括命令參數(shù)及校驗(yàn)碼的長(zhǎng)度,。若無(wú)命令參數(shù)，則為4,，校驗(yàn)碼將無(wú)意義也不被檢驗(yàn),，但還是必須發(fā)送。

　　傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的末尾4字節(jié)為校驗(yàn)碼,。前3字節(jié)為該包的所有字節(jié)的和,，第4字節(jié)為所有字節(jié)的異或值。若發(fā)送過(guò)程中有數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤,，則第4字節(jié)的校驗(yàn)碼一定不正確,。因此，靠監(jiān)測(cè)第4字節(jié)校驗(yàn)碼來(lái)保證通訊數(shù)據(jù)的可靠性,。

　　3,、硬件設(shè)計(jì)原理

　　系統(tǒng)在服務(wù)器端使用2/4/8口RS422A接口卡進(jìn)行轉(zhuǎn)接,，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后采用RS-422/RS-485雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接至現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器。2/4/8口RS422A接口卡與RS-422/RS-485雙向轉(zhuǎn)換器均采用工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)接口板卡,。

　　當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器服務(wù)于多臺(tái)數(shù)控機(jī)床時(shí),，采用“1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器”分接于多臺(tái)機(jī)床?！皵?shù)據(jù)接收器”是專門針對(duì)僅有紙帶閱讀機(jī)8/5單位并行口的機(jī)床(如線切割機(jī))而設(shè)計(jì)的,。它完成機(jī)床與PC機(jī)的通訊以及實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的在線加工。使用數(shù)據(jù)接收器時(shí),，在機(jī)床接線上要作相應(yīng)改動(dòng)，即：在原紙帶閱讀機(jī)的輸出信號(hào)線上通過(guò)三態(tài)門并入相應(yīng)的3B代碼數(shù)據(jù)信號(hào),，將原系統(tǒng)發(fā)送給紙帶閱讀機(jī)的步進(jìn)信號(hào)作為控制系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)的定時(shí)信號(hào),。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置了控制開關(guān),，用于選擇使用原紙帶閱讀機(jī)還是使用數(shù)據(jù)接收器,。

　　4、軟件開發(fā)原理

　　系統(tǒng)的軟件由兩部分組成,，一是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制軟件,，再一個(gè)就是現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器與各類機(jī)床的通訊軟件。

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)原理

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制軟件安裝于中央服務(wù)器中,，其設(shè)計(jì)原理是：中央服務(wù)器不停地接收并分析從各端口送來(lái)的請(qǐng)求,、命令、信息等數(shù)據(jù)包,。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包接收完畢后,，它將首先通過(guò)包中的校驗(yàn)碼進(jìn)行驗(yàn)證該包在傳送過(guò)程中是否出錯(cuò)。若出錯(cuò),，它將發(fā)出“重發(fā)”命令給原發(fā)客戶端：若正確則進(jìn)行相應(yīng)的處理,。

　　現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器與各類機(jī)床的通訊軟件開發(fā)原理

　　針對(duì)各類機(jī)床與現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器的通訊，軟件開發(fā)的基本原理是：要將數(shù)控程序傳入數(shù)控機(jī)床,，首先將數(shù)控程序轉(zhuǎn)換為機(jī)床能識(shí)別的代碼EIA碼或ISO碼,，然后以數(shù)據(jù)包的方式讀入現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器內(nèi)存，再逐字節(jié)地向數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)發(fā)送,，同時(shí)計(jì)算機(jī)不停地監(jiān)測(cè)機(jī)床接口的狀態(tài)寄存器的狀態(tài),。從機(jī)床傳出數(shù)據(jù)，通訊控制軟件總是從其程序代碼的末端開始至常規(guī)內(nèi)存的頂端(0A0000H)作為接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),。