近年來，隨著計算機和網(wǎng)絡通訊為代表的信息技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應用，制造業(yè)無論是觀念，還是技術(shù)都發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)的以相對固定的機器和生產(chǎn)場所為中心，由上至下進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（設備、知識、人力）來制造市場所需產(chǎn)品，從而加工單元的遠程監(jiān)控技術(shù)就成為它的重要組成部分。要實現(xiàn)加工單元的遠程監(jiān)控，首要解決的問題是數(shù)控機床的網(wǎng)絡通訊和控制技術(shù)問題。 

    本項目就是解決傳統(tǒng)經(jīng)濟型的數(shù)控機床的網(wǎng)絡通訊和控制技術(shù)問題，通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)NC程序的中央服務器集中管理及網(wǎng)絡通訊。從而適應現(xiàn)代先進制造技術(shù)的發(fā)展。 

1、需求分析 

1.1 傳統(tǒng)經(jīng)濟型數(shù)控機床存在的問題 

    傳統(tǒng)經(jīng)濟型的數(shù)控加工設備按數(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8/5單位并行口，三類同時包括前兩類接口。這三類機床同時還存在同樣的問題就是：內(nèi)存容量較小，不適應復雜、大型面、高精度、長程序零件的加工：它們的對外接口能力差，沒有DNC功能，不能實現(xiàn)在線加工以及網(wǎng)絡控制等問題。 

1.2 希望的解決方案 

    本著滿足最基本的應用需求、且留有一定的可擴充性及性能提高的潛力的前提，來改善數(shù)控加工技術(shù)應用環(huán)境。就此提出了以下解決方案：機床通訊接口的硬件改造，針對各類機床設計相應的通訊接口板卡：通訊控制軟件的開發(fā)，以實現(xiàn)各機床的單機通訊功能：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、長程序的在線加工等），彌補和增強原數(shù)控系統(tǒng)功能：網(wǎng)絡體系的選擇與通訊協(xié)議的定義及網(wǎng)絡系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)控程序的中央服務器集中管理和網(wǎng)絡通訊。 

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

　　2.1 網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)成及功能 

    整個網(wǎng)絡系統(tǒng)是由中央服務器、網(wǎng)絡接口、雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場服務器、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)濟型數(shù)控機床等組成。
 
    中央服務器是整個網(wǎng)絡的中樞部分，它主要完成的是對各級服務器的整體控制。它采用后臺中斷工作模式，不需要人的干預，而且其前臺還可以進行其他工作。

    現(xiàn)場服務器是客戶端，既擔任起數(shù)控服務器的功能，又具有強大的網(wǎng)絡通訊功能，它接受中央服務器下達的各項任務：從網(wǎng)絡上獲取由中央服務器傳來的數(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：將已加工過的數(shù)控程序反饋到中央服務器。能從系統(tǒng)的NC文件庫中提取相應的數(shù)控代碼，并從中提取有關的加工零件數(shù)據(jù)和信息，對其進行處理，實現(xiàn)NC程序的圖形模擬等工作。另外，對需用長程序的零件加工，現(xiàn)場服務器還完成長程序的在線加工任務。 

    現(xiàn)場服務器可同時服務于多臺數(shù)控設備，根據(jù)需要在車間一定的空間范圍內(nèi)（比如：一個小的工作間，一個小的局部區(qū)域）設置網(wǎng)絡節(jié)點，放置一臺PC機作為現(xiàn)場服務器，一臺服務器根據(jù)實際需要靠選用1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器來服務于多臺數(shù)控設備。 

    2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(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網(wǎng)絡來傳輸?shù)?。在計算機網(wǎng)絡發(fā)展上，影響較大的網(wǎng)絡體系主要有：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國際標準。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是當前流行的Internet網(wǎng)絡所使用的體系結(jié)構(gòu)，盡管它不是國際標準，但在計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中卻占有非常重要的地位。這是因為雖然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，但事實上，完全符合OSI各層協(xié)議的商用產(chǎn)品卻極少進入市場，遠遠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，幾乎所有的工作站都配有TCP/IP協(xié)議，并已成為計算機網(wǎng)絡事實上的標準，通稱“工業(yè)標準”。為此，我們在數(shù)控機床的網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)中，采用的是TCP/IP的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，該體系把計算機網(wǎng)絡分為四層，即應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和網(wǎng)絡接口層。 

    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為用戶提供進程無連接的數(shù)據(jù)報協(xié)議，數(shù)據(jù)包以獨立包的形式傳送，服務不提供無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失、重復或失序：數(shù)據(jù)包的長度也受一次處理最大長度的限制（默認值為8192字節(jié)，最大值為32768字節(jié)），不進行包的拆分和重組操作：而TCP協(xié)議是一個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)無差錯、無重復，可按發(fā)送順序接收，數(shù)據(jù)為字節(jié)流，其長度不受限制，為用戶提供虛電路服務，并為數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供檢驗。根據(jù)數(shù)控加工的特點，盡管數(shù)據(jù)包在傳輸量小于2048個字節(jié)時UDP可靠性更好，但數(shù)據(jù)包服務是單包、無序傳送，而系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信顯然不能保證所有傳輸?shù)男畔⒍夹∮?048個字節(jié)，因此，只能選用TCP作為系統(tǒng)的傳輸層協(xié)議。 

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

    2.3 通訊協(xié)議的實現(xiàn) 

    系統(tǒng)協(xié)議，就是保證客戶端和服務器端的應用線程之間能相互準確、及時、有序地傳送信息，并能彼此毫無差錯地對信息進行語法分析和解釋。 

    對于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，其傳輸信息有自己獨特的含義。在客戶端和中央服務器間傳遞的信息，主要有客戶端的請求信息、數(shù)據(jù)信息和中央服務器端的狀態(tài)信息。 

    客戶端的控制信息又分為兩種：網(wǎng)絡控制信息和加工控制信息：服務器端的狀態(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)定了相應的格式規(guī)范，客戶端的網(wǎng)絡控制信息主要用于與服務器連接的建立、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)絡通訊協(xié)議格式為：“cmd，1byte命令代碼，1byte命令長度，命令參數(shù)，4字節(jié)的校驗碼（XC）”?！甤md’為命令引導碼，用以標識命令的開始：‘命令長度’只包括命令參數(shù)及校驗碼的長度。若無命令參數(shù)，則為4，校驗碼將無意義也不被檢驗，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)送過程中有數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，則第4字節(jié)的校驗碼一定不正確。因此，靠監(jiān)測第4字節(jié)校驗碼來保證通訊數(shù)據(jù)的可靠性。 

3、硬件設計原理 

    系統(tǒng)在服務器端使用2/4/8口RS422A接口卡進行轉(zhuǎn)接，進入現(xiàn)場后采用RS-422/RS-485雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接至現(xiàn)場服務器。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)控制標準接口板卡。 

    當現(xiàn)場服務器服務于多臺數(shù)控機床時，采用“1分N口并行數(shù)據(jù)收發(fā)器”分接于多臺機床。“數(shù)據(jù)接收器”是專門針對僅有紙帶閱讀機8/5單位并行口的機床（如線切割機）而設計的。它完成機床與PC機的通訊以及實現(xiàn)數(shù)控程序的在線加工。

    使用數(shù)據(jù)接收器時，在機床接線上要作相應改動，即：在原紙帶閱讀機的輸出信號線上通過三態(tài)門并入相應的3B代碼數(shù)據(jù)信號，將原系統(tǒng)發(fā)送給紙帶閱讀機的步進信號作為控制系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)的定時信號。系統(tǒng)設計時，設置了控制開關，用于選擇使用原紙帶閱讀機還是使用數(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)絡控制系統(tǒng)的控制軟件，再一個就是現(xiàn)場服務器與各類機床的通訊軟件。 

    網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)原理 

    網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的控制軟件安裝于中央服務器中，其設計原理是：中央服務器不停地接收并分析從各端口送來的請求、命令、信息等數(shù)據(jù)包。當一個數(shù)據(jù)包接收完畢后，它將首先通過包中的校驗碼進行驗證該包在傳送過程中是否出錯。若出錯，它將發(fā)出“重發(fā)”命令給原發(fā)客戶端：若正確則進行相應的處理。 

    現(xiàn)場服務器與各類機床的通訊軟件開發(fā)原理 

    針對各類機床與現(xiàn)場服務器的通訊，軟件開發(fā)的基本原理是：要將數(shù)控程序傳入數(shù)控機床，首先將數(shù)控程序轉(zhuǎn)換為機床能識別的代碼EIA碼或ISO碼，然后以數(shù)據(jù)包的方式讀入現(xiàn)場服務器內(nèi)存，再逐字節(jié)地向數(shù)控機床控制系統(tǒng)發(fā)送，同時計算機不停地監(jiān)測機床接口的狀態(tài)寄存器的狀態(tài)。從機床傳出數(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)。 

5、結(jié)論 

    此項研究解決了經(jīng)濟型數(shù)控機床的網(wǎng)絡通訊和控制技術(shù)問題，實現(xiàn)了數(shù)控加工程序的中央服務器集中存儲、管理，網(wǎng)絡查詢及下載功能。解決了不具備直接通訊接口功能的數(shù)控機床的數(shù)控程序輸入難題和在線加工問題。實踐證明：該系統(tǒng)具有操作簡單、使用方便、運行穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)良等特點。它的投入使用，大大地改善了數(shù)控加工程序的存儲、管理和傳輸條件，從而有效地提高了實際生產(chǎn)效率。對于類似的、不具備遠程監(jiān)控和上線能力的數(shù)控機床的改造，具有重要的意義和參考借鑒價值。