数控机床DNC通信和管理系统的研究与设计概述.doc

数控机床DNC通信和管理系统的研究与设计概述(doc 42页)数控机床DNC通信和管理系统的研究与设计摘要近年来，随着计算机等方面的相关核心技术以及互联网高新技术的飞速变化，当前制造系统的网络化以及集成化时其发展的大趋势。制造系统的网络化、集成化对于提高企业竞争力起到非常重要的作用。其中投资成本较低，信息高度集中，以及效果明显等是数控机床群的显著特点，这对于企业来说很有意义，能够完成CAD/CAM一体化的建设。所以，DNC技术已经被越来越多的企业所采用，DNC技术对于企业数控车间的信息集成和数控设备的信息集成具有重要的作用和意义。在本文中，主要针对研究了当前国内企业的实际生产情况，其中的局域网设置为企业的通信基层，通过运用串口服务器以及软插件等等技术完成数控仪器的相关联网，数控机床的DNC通信与管理系统从而被创建。系统可以实现对于数控机床的信息采集和管理，可以实现计算机与数控机床之间的互相连接和信息的传输交换，此外还可以实现企业办公管理信息与车间生产加工信息的互相连接。关键词：数控机床；DNC技术；通信和管理系统1.绪论1.1研究背景与意义在零部件的加工生产过程中，实现对数控程序的集中化管理是非常困难的，此外实现计算机与数控设备的关联和通信也非常困难，这导致数控机床的工作效率比较低。具体来讲，现场零部件的加工存在以下问题1：(l)零部件的加工程序都是数控操作人员手工编辑输入到数控机床的控制面板上的，输入程序所需时间长，且存在输入程序错误等问题，会在一定程度上影响相关机床的使用效率以及零部件的合格率。(2) 一般数控机床装载的内存非常小，当替换上新的加工的零部件后，需要对原有的加工程序进行删除，同时输入新的加工程序。这就使得如果是在不同的时期加工生产同样的零部件产品，还必须重新输入程序，这就导致了时间的浪费，同时这样的情况也会对机床的加工效率和性能造成不利的影响。(3) 零部件的加工程序是由数控操作人员现场控制的，而企业技术中心的工程师等人员难以实现对加工程序的管理。当更换加工零部件或者更换加工设备、更换数控操作人员时，需要重新进行加工程序的编制或调试。(4) 加工程序、工艺卡片、刀具清单等信息是单独存放的，时间一长，就很难知道两者之间的关联。当下次使用时，还要完成核对多次，以便了解加工程序的实际运行情况。为了提高加工系统的信息化、集成度，提高生产加工效率，实现对加工程序的管理，这就需要设置数控机床通信与管理系统，从而提高加工生产的效率和质量。DNC联网系统可以实现零部件的在线加工，与之对应的DNC服务器内存空间大，可以用来存放加工程序2。通常，当数控机床完成与DNC系统之间的关联后，从而可以实现在线加工功能，非常大的提高了数控机床的加工生产效率。同时，数据信息的传输更加方便、快捷，数控操作人员通过控制面板就可以实现与技术中心工程师的相互交流，随时进行加工程序的上传、下载。这样就可以大大提高数控机床的生产加工效率和加工质量，加工程序的传输直接通过网络实现，对于推进企业的无纸化生产、联网设计等具有重要意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外对于DNC系统的研究起步较早，目前为止，相关产品已经实现了商品化。同时有些DNC软件产品具有很强大的功能，可以实现数据信息等内容的高速、多线程的传输，同时可以将DNC工作站与多台CNC进行相互连接。DNC软件大部分均设置有专用的数控程序编辑器，数控操作人员可以实现监控信息的提交。而其中的数据库管理程序主要是进行数据信息的组织和维护，此外还具有信息更新、查询，生成报表、显示图形、管理日志、读取文件等功能3。1.2.2国内研究现状国内对于DNC系统的研究工作起步较晚，大概始于70年代。但是后来由于FMS技术传入到中国，使得大部分研究学者转向FMS技术，对DNC系统的研究起了很大的作用4。然而，随着FMS技术研究的不断深入，发现其具有投资风险大、可靠性差等缺点，所以很多研究FMS技术的研究学者又转向了对于DNC系统的研究。近年来，中国已成功开发出强大功能和更好的DNC系统，但大多数都是针对特定用户的发展，同时DNC软件商品化程度仍然很小。1.2.3发展趋势（1）数控机床远程控制能力实现DNC通信功能后，就可以借助服务器实现对数控机床的远程控制，即可以向数控机床发送启动、更换夹具、停止等控制指令。方便远程加工操作，对于异地加工具有非常明显的优势。（2）数控机床状态采集数控机床的DNC通信可以实时监控各机床状态信息，包括机床整机的运行状态、故障信息、运行时间等，并且可以将上述信息进行及时存储，方便后期对运行状态进行综合分析，找出故障原因等，提升整体的加工效率5。（3）数控机床通信系统与其它系统的无缝连接未来各种数控机床系统、计算机系统将发展非常迅速，并且之间将会产生千丝万缕的联系，因此为了能够更好地处理各方面的关系，需要能够保证数控机床通信系统能够跟其它系统合理的对接。（4）未来数控机床的发展趋势为使用物联网或者局域网的方式，将所有的机床连接成为一个系统，统一操控，便于管理。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文的主要研究内容可以归纳为：（1）在充分查阅了现阶段数控机床现状和相关资料，分析了数控机床的联网方案后，充分利用现有资源，完成了DNC网络通信和管理系统的设计与研究。（2）根据实际车间情况，对联网方式以及硬件系统、软件系统、布线方式等进行充分的调研与实践，找到最合适的方式。（3）根据文献资料和实际情况，通过对硬件设备、软件设备等的实施，实现数控机床的DNC系统，并且分析在实际的调试过程中出现的各种问题，提出必要的解决方式。本文首先介绍了数控加工网络化对于加工制造业的重要作用，详细阐述了DNC系统的研究现状和发展趋势；对DNC系统所采用的通信技术的功能特点作了分析和对比，在此基础上，确定出本系统采用的通信技术；对数控机床的联网问题所遇到的困难作了分析，并提出了基于端口设备联网服务器的网络控制总体方案和技术路线，从而解决了联网困难的问题；对现阶段采用的联网方案作了分析研究，确定出合适的联网方案，完成DNC系统的硬件连接工作。1.3.2研究方法(1)理论研究法：通过查阅相关文献了解数控机床的相关理论，分析现有研究的特点和不足，形成自己的研究框架和指标体系。 (2)参考方法：参照相关网站研究课题。 (3)实践研究法：以模块化为指导，按照模块化软件开发过程进行系统开发。 1.4课题来源本文通过查阅相关资料，探究了目前此方面的研究现状，然后结合企业实际情况，确定了课题。本文主要是对数控机床DNC通信以及管理的设计与研究，通过研究DNC主机与数控系统之间最合理的通信方式，实现数据信息的上传、下载等；对DNC系统所采用的通信技术的功能特点作了分析和对比，在此基础上，确定出本系统采用的通信技术；对数控机床的联网问题所遇到的困难作了分析，并提出了基于端口设备联网服务器的网络控制总体方案和技术路线，从而解决了联网困难的问题；对现阶段采用的联网方案作了分析研究，确定出合适的联网方案，完成DNC系统的硬件连接工作。2.技术概念2.1DNC通信系统DNC最初指的是直接数字控制技术，是英文Direct Numerical Control的缩写。DNC技术的研究开始于本世纪60年代，数控设备的程序信息的管理和发送等工作都是依靠中央计算机完成6。当时主要是为了解决纸带输入加工程序的繁琐及计算成本过高等问题。70年代以后，七十年代以后，DNC技术得到了快速发展，数控机床对于程序内容的存储量更大且计算运行速度也更快。由最初的直接式的转变到分布式的数字控制技术（Distributed Numerical Control）7。相比于直接数字控制技术，分布式数字控制技术添加了信息收集、状态监视和控制等最新功能。  80年代以后，在计算机技术飞速发展的背景下，DNC技术的功能不断扩大，相比于以往的DNC技术，已经慢慢地注重了车间的相关信息高度的集成化，展开对零部件的加工过程中的研究，分别对生产技术准备、计划以及加工流程等等数据信息完成集中监控或者分散的控制工作，并将数据信息与局域网相互关联，实现信息的相互交换8。目前，DNC技术已经开始向物流等系统扩充，未来的DNC技术功能将更为强大。2.2多线程技术及应用注意事项2.2.1多线程技术主线程（即第一个线程）是由系统自动创建的。创建完主线程后，主线程本身还会有很多的额外线程生成，这些额外线程进一步还可以生成其它的线程。当多线程程序运行时，大多数人认为这些线程同时运行，事实上，情况并非如此，操作系统为各个线程都设置了CPU时间来保证这些线程的正常运行9。操作系统给各个线程提供时间片的方式是采用的轮转方式，各个线程在完成时间片使用之后，将其释放出来，因此该操作系统一般会接着把时间片传递给后面的线程，以此类推。由于各个时间片的时间间隔极其短暂，所以会产生一种错觉，当这些线程的运行是同时。更多地额外线程的生成的目的是为了尽量利用CPU的相关时间。2.2.2多线程的应用因此在MFC使用中，线程一般由用户界面线程和工作线程两种模式存在。假如只是执行后台的相关计算而不和用户交流，通过运行工作线程就够了；此外，如果是进行要处理一个用户界面的相关线程，用户界面线程此时需要运行。其中，这两个线程之间的最大区别在于用户界面线程中会额外有一个消息循环，从而就可以实现对消息的处理功能10。进程和线程的概念不同，进程可以对程序进行定义。在32位系统中，进程会占用应用程序所得到的存储位置。其中在运行过程中，进程通常至少会有一个线程被占用，进程中的相关空间代码通常是由这个线程掌控的。一般来说，一个进程通常由多个线程所组成，这些线程控制进程地址当中空间的相关运行代码。2.2.3线程优先级与同步问题采用多线程进行编程会使程序操作人员的工作更具灵活性，同时对于解决问题变得更加容易。但是，程序不应该以碎片的形式写入，因为这不是正确开发应用程序的方法。当线程在运行时，老的问题解决了新的问题又出现的现象。因此，知道何时创建多个线程以及何时不创建多个线程是非常重要的。在系统在运行多个进程的过程时，此时要对线程运行的顺序进行优先级别划分11。因此操作系统对应优先级别的顺序排列线程，需要保证各个线程都处在优先的级别，通常从0到31的顺序完成优先级的排列。当系统在执行过程中，优先给优先级为31的线程赔给时间片，操作系统接着会给下一个优先级为31的线程进行分配。当线程中全部优先级为31的运行完之后，才会执行优先级为30的线程，后面的以此类推。一般操作系统以及程序操作员的改动都会更改线程的优先级以保证操作系统对终端的响应性。另外，在使用多线程编程的过程中，要保证线程的步调一致。所谓的线程同步就是要尽可能的减少线程间数据在通信时的损坏。一般在32位系统中，同步问题出现的较多，这主要是由于分配时间片的过程中出现了问题。但是在MFC中，临界区模块、事件模块、信号量模块、互斥模块可以保证多线程的同时运行12。其中临界区模块的使用最为简便，但它只能同步线程在同一进程的。此外，还可以使用线性化方法，这种方法对数据信息的读写都是在同一个线程中进行的。这样就避免了同时改写数据信息的情况。2.3串行通信技术微软通信控制（MCSomm）是由微软公司开发的串行通信编程控制，MCSomm控件可以实现通过串行接口进行数据的接收和发射13。1 .常用的功能属性MCSomm板块的常用功能属性组成为Settings、CommPort、PortOpen、Input、Output等。主要用于实现端口的打开或关闭、返回到通信端口的状态、返回到数据位或停止位等功能。2. 处理通信问题的方法 驱动方式一般解决串行端口交互难点的有效方法为事件驱动方式。事件发生后需要及时进行通知和处理。一般情况下，通过OnComm事件运行的板块功能的控制对通信进行处理。一般程序响应及时以及可靠性高等等是事件驱动方式独有特点，每一个控件对应有一个串行端口。但是，要完成对多个串行端口的运行，需要多个控件配合进行。查询方式一般来说，其中查询方式属于事件驱动方式，但查询方式在有些情况时更方便快捷。通过对CommEvent的属性值进行检查，可以对其中的问题进行判断处理。其一般主要运用在程序较小的时候。2.4网络编程技术在80年代初期，美国加利福尼亚大学伯克利分校成功开发出了Berkeley Socket接口。90年代初期，微软公司以伯克利套接字接口为模板开发了一个网络程序接口规范，即Windows Sockets规范。Windows Sockets规范对原有的功能作了完善和扩充，主要是扩充了原有的异步函数，并增加了符合Windows系统的异步进行。因为Windows Sockets规范的特点包括支持多协议性以及开放性等等，使得Windows的方面提供了参考和标准。现在TCP/IP网络应用最为广泛的API是套接字接口，同时套接字接口也普遍应用于互联网运行、用户开发等方面14。Socket接口实际上指的是一个通信端口，可以实现一个Socket应用程序与另一个Socket应用程序之间的相互通信。Socket同样存在于通信域，通信域是一个抽象的概念。通常情况下，Socket只能与处于同一个域中的另外的Socket完成数据的交流。其中接口的相关示意图如下图2-1所示。Socket的组成由：数据报、流式以及原始套接口三种模型15。通常，流式套接口属于一种是面向连接的可靠的运行，可以保证数据传输没有差错以及无重复性的内容。数据报套接口采用的是无连接的服务，数据传输是通过密码文来完成的，传输是没有顺序的，但是不能保证其完全正确。原始套接口进行对较低的层协议直接连接，一般用于新网络协议的调试任务。流式套接口采用的是TCP协议，而TCP协议的使用必须建立起连接才可以进行互相交流，以便确保数据传输的真实性以及顺序性。通常，Socket建立在客户/服务器模型的基础之上，其中服务器端以及客户端两个进程在工作时被提供，服务器端一般先启用。图2-2是流式套接口系统的具体调用流程。图2-1 Socket接口示意图Windows Socket规范是针对微软操作系统对Berkeley Socket接口的优化和改进，它们的主要区别体现在Socket的启动和终止、多线程、异步请求机制、异步数据传输机制、异步选择机制、阻塞处理和错误处理等方面16。Windows Socket规范可用于单线程和多线程Windows版本。Socket接口在多线程条件下基本上是保持不变的。图2-2流式套接口系统的调用过程2.5数据库开发技术SQL Server2000是新一代微软公司的数据库产品，该产品是基于SQLServer7.0开发和设计的。SQL Server2000数据库管理系统是以高端硬件技术、最新互联网技术和存储技术作为支撑建立起来的具有一个大型关系的系统，可以将具有可扩展性的和可靠性的数据信息提供给Web站点和企业用户。此外，SQL Server2000具有Web 功能、数据挖掘功能，同时支持扩展标记语言，极大的方便用户快速创建解决方案。该数据库管理系统主要具有以下特点17:（1）系统管理操作更为直观方便是用于图形用户界面的相关管理工具，包括SQL Server服务器、数据管理等等方面的功能，此外还提供了SQL事件探查器、SQL查询分析器。用户使用操作方便快捷，具有很强的实用性。 （2）动态自动管理和优化功能如果SQL Server的数据库管理人员设置了系统的某些功能，SQL Server将自动配置使其性能达到最优，减少数据库管理人员的工作量。（3）充分的Internet技术支持其中SQL Server对Internet技术的具有很强的作用作用，在以前版本的Web出版工具的基础上，又增加了XML技术和HTTP技术。这样就能够保证电子商务可以通过XML技术实现对SQL Server数据库的访问功能。（4）强大的编程接口工具编程接口工具的使用，使得应用程序的开发越加的方便，SQL Server提供了多种应用程序开发工具。完成了标准SQL语句与Transact SQL语句之间的相互存在，除此以外，OLEDB、ADO以及ODBC等等模式都很适用。（5）很好的伸缩性和可靠性既能在服务器操作系统中运行，也能在Windows操作系统中运行。所以SQL Server2000能满足各种不同层次、不同需求用户的需要，具有很好的伸缩性和可靠性。（6）简单的管理方式SQL Server2000和Microsoft Windows 2000两者的成功结合具有重要的意义。可以运用Windows 2000的集中管理功能简洁化企业中的繁琐系统的工具，通过运用操作系统所具有的的服务功能来增强SQLServer数据库系统的功能并减小资源的占用。3.总体方案设计3.1应用的需求分析通常，在国内的加工制造业领域当中，数控机床已实现了广泛地运用，其中有些企业把数控机床与计算机之间建立联系，已经实现了数控加工程序的及时反馈。然而，这类的单机系统在现实使用的过程中并不十分可靠，经常出问题18-20：每台数控机床都需要连接一台独立的计算机才能进行程序的传输和控制，大大增加了设备的费用；操作数控设备的人员需要在计算机与机床的控制面板之间交替地操作完成程序的传递，这样导致了人工费用的大幅增长；然而因为网络共享式的数控加工系统，因而其数控程序的共享程度比较低。如何实现对数控机床零部件生产加工过程中的网络化管理已经成为加工制造行业迫切需要的重要技术关键工艺，所以数控机床的管理以及通信系统的开发设计是很有必要的，也是非常急需的21。一般数控机床的DNC管理、通信系统是建立在企业自有的局域网资源之上的，结合了多种的技术，比如网络、数控、信息、计算机以及多媒体等等技术，通过TCP/IP协议完成了快速的加工程序的传递，各台数控设备的管理和信息采集工作主要是依靠车间DNC主机来实现的，通过WEB技术能够将有关的加工信息传送到网络平台上，因此完成了车间加工监测信息与办公管理信息之间的相互传输22,23。3.2DNC系统功能分析图3-1系统功能模型示意图系统功能模式的示意图如图3-1所示24：（1）数控机床信息管理数控机床有关的信息管理主要是指数控机床的静态信息管理方面，具体有：数控铣床、数控车床以及电火花线切割等等有关的数控加工设备的属性信息、数据信息的录入、修改、删除等。详细的静态信息具体为：机床的名称、数控车床、所属的车间以及操作设备的人员等等资料。操作数控的工人可以根据静态信息来选择合适的数控加工设备。（2）数控程序管理数控程序的管理具体有：数控加工程序的编辑、上传、模拟以及查询等等相关内容。操作数控的人员根据各台数控机床控制系统的差异完成相关数控程序的编排。（3）加工任务管理数控操作人员对数控机床进行加工任务的管理，可以对数控机床的程序任务完成添加、删除以及查询，同时数控机床的各项加工任务可以生成任务单。（4）机床运行状态信息采集通常，机床的运行状态的记录能够经过串口服务器得到，具体内容有：加工和空闲的时间、设置以及报警等等有关的机床运行信息。此外还可以通过串口服务器对运行状态日志进行分析并得出报告，根据报告可以得到机床的使用效率高低。（5）加工过程视频浏览为了能够对操作机床的人员、机床使用的状态及零部件的合格率等情况进行及时的掌控，可以在数控机床上的安装网络摄像机，并且可以查看以往的监控视频。（6）用户管理系统的管理人员可以对企业内部人员、客户及加盟商等成员的帐号信息和工作权限的设置和管理，从而保证用户的权益。（7）在线加工采用在线加工功能可以实现与数控机床之间的数据传输，数据信息的传输能够从断刀点处开始。在线加工功能可以解决数控机床内存空间小且需要进行传输的数据信息又非常大这一问题。3.3常见的通信网络基于DNC技术的通信与管理系统的未来发展趋势是实现将多个车间、多种数控设备联入到企业的局域网中，使得企业管理信息与数控机床加工信息的之间实现了共享以及传输25。3.3.1串行通信网络采用串行通信技术可以实现一台计算机与多台数控机床之间进行数据信息的传输。目前在企业车间中广泛采用的通信方法是运用数控机床自身携带的RS-232C或RS-485接口，网络拓扑结构采用点对点方式或星形方式来实现串行通信26。串行通信协议主要分为物理层、链路层和应用层三层，通信速率可以在1109600bit/s范围内选择。物理层可以看做是具体的实现了链路层以及应用层之间的相互关联，使得信息的传递变的更加的顺畅，没有相互的干扰。然而采用串行通信技术进行数据信息的传输存在着以下的缺点，具体包括：1.管理和维护的工作量较大，2.成本投资大，3.传输距离短4.抗干扰能力差5.传输速率低以及6.出错频繁等等27。3.3.2现场总线通信网络现场总线技术是一种先进的工业控制技术，主要应用在与加工制造业等相关企业的现场数控设备中，可以实现双向串行多节点的数字通信的系统。总线通信网络技术的应用极大地促进了新的网络集成式分布控制系统的出现和形成，此外网络的集成化的控制体系可以完全达到过程控制以及加工制造自动化的相关要求。这是由于现场总线技术是通过数字通信的技术成立的，因此可以实现相互之间的功能转变。现场总线技术作为制造业现场控制的先进网络系统，其中对总线技术要求最高的就是要具有可靠性和实时性的功能特点，而CAN总线在这方面最为突出28：在可靠性方面，CAN总线采用了多种错误检测和纠错措施来保证具备非常高的可靠性；此外，CAN总线采用了新颖独特的位仲裁技术，比其他同类产品具有更高的实时性；CAN总线的传输速率可以达到1Mbs，由于接口的构造简单，因此其安装、拆卸较方便，导致系统的费用较低。CAN总线非常多的优点，能够实现等传输介质进行数据信息的传输。但是随着信息技术的发展，总线技术还存在较多的问题，具体来说主要有以下几个问题29：（1）各个开发厂商都有自己的专利总线技术，这就限制了它们总线技术之间很难实现相互间的兼容，导致它们的费用不断提高；（2）如果所开发建造的总线协议与内部的局域网的条款不同。这样很难使得完成企业加工生产制造过程中的集成一体化的相关目标；（3）其线程总线的传播速度很慢，目前使用较多的CAN总线的传速，最高也只有IMbs，但是DNC总线需要对生产现场的加工状况进行全程的监控，这样就会产生大量的音频、视频等等数据的相关传输，这样很难满足相关的要求。最近几年，随着工业技术的不断革新，通信网络在正在发展朝着以太网的方向发展。同时科研院所也热衷于对工业以太网技术和TCP/IP技术的应用研究，现在以太网的速度已经可以达到1000Mbps，当高新技术等技术的使用完成了对以太网的不可靠问题的解决；而且，由于以太网端口的每个网络节点都设置了独立的带宽，这样就避免了使用同一交换机的不同设备不会存在资源的相互争夺利用现象，可以看作是每个设备独立占用一个网段30。所以说企业中的DNC系统已经开始使用基于以太网的工业通信网络。3.4DNC系统网络结构设计企业DNC系统采用以太网技术，可以减少企业的投资成本、维护成本和管理成本。由于以太网技术的通用性，企业对于以太网技术的维护和管理更为方便、快捷。同时企业可以利用原有的设备资源，并且可以实现企业的办公网络与车间数控设备网络之间的相互连接31。所以，DNC系统使用最多的就是企业内部的相关局域网系统。数控加工程序以及其他程序的发送和接收32都是通过Windows的相关的网络的接口Socket完成的工作。通常Socket是针对具体的服务器模型所开发研制的，从而确保服务器端的问题。这里将DNC系统的接收平台作为Socket的客户端，而串口服务器端作为Socket的服务器端。3.5DNC系统的底层通信DNC系统的底层通信指的是数控机床系统与DNC系统接口之间的相互通信，其目的是完成加工制造业中的信息传递以及加工状况信息的反馈。3.5.1常见的数控机床通信接口在国内大多数地加工制造业当中，数控设备的种类非常的丰富，有效的解决了不同的数控设备之间的关联问题，具体如下33：（1）穿孔机输入接口这种结构将穿孔机的输入接口与计算机的打印接口进行连接并把纸带穿出来。通过使用这种结构模型不用对任何硬件以及电路进行改造，只需要编写出一个驱动程序供穿孔机使用。因为采用这种结构不能消除相关的问题，因此也使用的较少。（2）纸带阅读机输入接口这种模型结构借鉴了数控系统的纸带阅读机输入端的接口模式，也制造了一个外接的读写卡，设具体的纸带阅的相关内容的功能，可以实现与RS-232接口的串行通信，还可以将DNC程序输入到其它的地方，因此也及其少的使用。（3） RS-232接口这种结构是把数控系统的串行通信口与RS-232串行通信接口进行相互连接，这样就可以实现程序的下传和上传。目前在加工制造类企业中部分数控设备就是采用的使用这种接口。RS-232接口广泛应用于PC和通信行业。RS-232接口的传输方式是不平衡的，即单端通信方式。RS-232的两种常用端口引脚如表3-1所示。表3-1 RS-232端口引脚说明表9 针端口（DB9)25 针端口（D25)针号功能说明所写针号功能说明所写1数据载波检DCD8数据载波检DCD2接收数据RxD3接收数据RxD3发送数据TxD2发送数据TxD4数据终端准DTR20数据终端准DTR5信号地GND7信号地GND6数据设备准备好DSR6数据设备准备好DSR7请求发送RTS4请求发送RTS8清楚发送CTS5清楚发送CTS9振铃指示DELL22振铃指示DELL（4）DNC接口这种DNC结构可以实现数控系统中所带的各种功能，具体的实现过程需要依靠插在DNC工作站和数控系统中的DNC接口卡并借助于专业软件，现在仅仅在少数进口的高档数控系统中有采用DNC接口技术的。（5）网络接口这种结构对于实现数控机床与车间局域网的相互连接较为容易，可以对企业中的分布式加工设备层进行合理有效的管理。这种接口技术只有在少数的进口高档数控机床上出现过。（6）计算机直接数控计算机直接数控方式采用的是PC嵌入CNC模式实现的，可以用一台计算机实现对多台数控机床的控制17。3.5.2数控机床的联网设计数控机床的联网设计主要运用在高档数控机床上，带有DNC接口或以太网接口，通常这类机床与车间的局域网是可以直接进行连接的34。串口服务器实现了把数控设备中的全部数据以及信息正确的传输到了局域网之中，反之也能够把局域网中的数据信息传输给数控设备，可靠性高；其中串口服务器的作用就类似于网关的作用一样。通过更改串口服务器的IP地址以及其设置的内容，因此数控设备就成为了局域网中的一个节点，这样就可以实现数据信息的传输功能35。4.串行通信设计与实现4.1串口服务器的选择DNC主机与机床控制器之间的通信连接是DNC系统最为关键的技术，由于数控机床的通信接口存在着非常大的差异，并且所采用的协议种类也很多，这样就给DNC技术的应用和发展带来较大的困难。为了实现异构数控系统的集成化管理，数控系统的生产制造企业和相关研究人员都在积极探索和寻找解决通信协议标准化问题的最佳途径。在实现数控系统通信协议标准化之前，加工制造业中的大部分机械加工车间采用特殊设计的DNC装置来进行数控设备的控制和管理。根据相关的研究资料，目前开发设计智能硬件设备是以研究DNC装置为工作的核心和重点，同时智能硬件设备可以实现接口标准和通信协议的转换和统一36。近年来，数控通信协议也逐渐从智能硬件设备转向软插件系统。目前，我国的相关科研院所已经开始对这种DNC软插件系统进行科研立项和研究工作，这必将对数控设备的集成管理产生积极推动作用37。现阶段我国的许多研究机构也开始尝试解决通信接口的兼容性问题，软插件系统可以针对不同的数控设备和不同的通信协议。因此，软插件系统可以给用户提供一个统一的、标准的平台。用户在进行特定系统的开发设计时，只需要输入通信协议中的参数，就可以完成对应DNC系统的开发设计。4.1.1动态连接库技术动态连接库可以调用的一组服务或函数用于主应用程序的执行，这些服务或函数相对于主应用程序是相互独立的。这些服务或函数与静态库中的DLL服务或函数不同，因为DLL函数无法通过连接器与可执行文件相连，而是在检索可执行文件中的信息后才可以进行使用的，并且在程序运行时库中的代码才可以加载显示。所以可以实现多个不同进程的应用程序在内存中共存，从而可以大大减少对于内存容量的需求。基于前文中对于DNC开发的平台和软插件系统的应用，选用动态连接库技术38。针对不同种类的数控设备，开发设计相互独立的动态连接库。这些相互独立的动态连接库都对数控协议进行了细节封装处理，所以它们的状态都是透明的。而对于主应用程序来说，只需按照相同的方式对接口函数进行调用即可，所以说每台数控设备看起来好象都是相同的。这样，就非常成功的解决了系统对于异构数控系统的集成问题。同时保证了系统与数控设备之间的无关性，易维护性和易扩展性等特点。4.1.2串口服务器硬件的选择选定合适的串口服务器是构建局域网式结构的DNC通信系统最为关键的问题。具体来讲，对串口服务器应满足以下要求：串口服务器应同时具有以太网接口和串行通信接口，此外还应该有数字和模拟信号的输入端口；同时需要满足车间现场的电磁环境要求，即具有抵抗一定强度电磁场的能力39。在串口服务器内部应设置有较大的动态存储器和较强的CPU来满足传输大文件的需要。另外，串口服务器还需要具有网络服务器的功能，方便管理人员或技术人员能够及时访问到串口服务器所采集到的数控机床信号，也就是说串口服务器应该采用嵌入式的WEB服务器40。结合以上要求并对不同的串口服务器进行对比分析，最终我们选用的串口服务器是Moxa公司生产的Nport Express DE-211。 该串口服务器支持快速以太网或标准以太网技术，且所有端口都可以提供内嵌15千伏的ESD保护。如图4-1为Nport Express DE-211的实物图。图4-1 Nport Express DE-211的实物图4.2串口服务器的任务设计DNC串口服务器的通信程序需要进行两个方面的开发设计，一个是串口服务器的网络通信程序，即把串口服务器作为TCP/IP的服务器端来实现与车间服务器的网络连接；另一个是串口服务器的端口通信程序，即实现串口服务器与数控机床之间的相互通信功能41。虽然数控机床的种类有很多，但是对于串口服务器与数控机床之间的所采用的通信协议来说， 市场上绝大多数的数控机床都是采用的XON/XOFF或RTS/CTS通信协议，同时串口服务器也可以采用这两种通信协议来实现通信。而对于那些比较特殊的通信协议，则需要开发设计专门的针对这些通信协议的程序，借助于互联网将程序下载到相关的串口服务器中，从而实现特殊通信协议的通信。实现DNC通信的关键是选择合适的DNC串口服务器内核。由于需要同时实现数控程序、数据信息等的网络接收和端口发送功能，这就要求该内核必须采用一个多任务的内核。为了满足DNC串口服务器的通信要求，需要将串口服务器的功能合理分配到各个任务中才能实现，选用五个任务来保证DNC串口服务器通信功能的实现，如表4-1所示42。DNC的设计应以数控机床为中心进行，而对于任务等级的考虑主要是以满足数控机床的各种加工要求为出发点。由于数控机床可以实现在数控程序进行传输的同时进行加工程序的运行，但是这种情况对于数控加工程序的实时性要求非常严格。所以说将任务四作为最高级，而任务一次之。内核在进行数据信息的初始化时，只需要启动任务一、任务三和任务四，而任务二和任务五的建立是在任务一的运行过程中完成的。表4-1 串口服务器任务设计表任务编号任务名称任务描述任务间的互斥和通信情况任务一网络数据接收任务接收来自网络的数据并分析数据与任务四存在共享变量互斥与任务，存在不可重入函数互斥与任务二存在互斥任务二网络数据输出任务把数据传输给网络与任务三共享变量互斥与任务一存在互斥任务三端口数据接收任务读入来自端口的数据与任务一存在不可重入函数互斥与任务二存在变量互斥任务四端口数据输出任务向端口输出数据与任务一存在共享互斥向任务五发送通知信息任务五请求消息发送任务向DNC控制平台发送请求，继续发送数控程序消息接收来自任务四通知信息4.3串口服务器的程序设计4.3.1工作线程由于串口服务器采用的是Windows操作系统，所以可以采用TCP/ IP协议来实现以太网的通信功能。如图4-2所示为串口服务器处理软件的主要流程。在串口服务器开始进入到工作状态之前，首先需要先对以太网的连接情况进行检查，具体的软件处理函数详见附录A。当网络成功连接后，串口服务器便开始执行远程调用程序，这样就可以从车间服务器上下载数控机床的相关配置文件和通信协议。当串口服务器准备好初始化工作以后，就可以运用多线程来实现对各个端口的分别监视，如果接收到其他的工作任务信号，就按照相应的处理程序执行。该系统采用3个串口服务器，用于与机床、机床主轴检测系统、机床状态监测系统进行通讯43。图4-2智能终端的处理软件主流程图智能终端与机床之间的相互通信主要是进行NC程序的传输。串口服务器在接收到数控机床发送的相关申请信息之后，首先会对信息进行任务的分析判断，然后根据分析判断的结果再做出相应的处理。这里主要定义了四种传输方式，通信流程如图4-3所示。上传方式：把各个数控设备中的NC程序或数据信息上传到车间服务器。下传方式：把NC程序或数据信息从车间服务器下传到各个数控设备上再进行加工。DNC方式：边进行NC程序或数据信息的传输边进行加工，主要用于解决数控设备内存空间不足的问题。程序再开方式：从已经加工完毕的NC程序代码中进行相关数据信息的提取，将提取到的数据信息合成新的NC程序头文件进行传输，控制数控机床再继续从断点处进行加工44。图4-3智能终端与机床通信流程图数控机床的主轴检测系统主要是检测机床主轴工作时的转速、转向及冷却液开停等参数，可以从数控机床的输出信号点获得这些参数的具体信息。主轴检测系统每隔一段时间就会对信号点进行一次检测，然后将检测的参数信息实时发送到智能终端，智能终端对接收到的参数信息进行整理并写到数控机床的日志文件中45。4.3.2与机床当前状态监测系统通信数控机床的当前状态监测系统主要用于检测机床当前的工作状态信息。如果数控机床直接调用车间服务器上的现有程序文件，那么在调用通知上会将这些信息进行显示；如果数控机床直接调用机床内存上的程序文件，那么就需要机床操作人员进行输入操作。监测系统接收到这些信息后，对信息进行整理并写到数控机床的日志文件中。5.通信管理软件的设计与实现5.1数控程序传输线路设计根据数控机床