基于网络的DNC集成数控加工系统

【摘要】本文主要阐述了DNC 系统概述、DNC系统中的通讯网络、网络化数控加工系统的结构、网络化的DNC集成数控加工系统的特点以及数控机床网络化的现存问题。

【关键词】网络化；集成

1.DNC系统概述

DNC意思是直接数字控制或分布数字控制，是Distributed Numerical Control或Direct Numerical Control的简称。DNC最早是指分布式数控系统，它的含义是用一台大型计算机同时控制多台数控机床，由该计算机负责NC程序管理和传送。随着科学技术的进步和CNC技术的发展，数控系统存储容量得到很大的提高，其计算速度也大为提高。DNC由简单的直接数字控制转向分布式数字控制，它不仅有直接数字控制的功能，还有系统信息管理、系统状态监视和系统控制的功能。

DNC目前着眼于车间的信息集成，针对车间的生产计划，技术准备，加工操作等基本作业进行集中监控和分散控制，把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相互交换。DNC集成模式可根据车间规模大小不同，构成不同的结构层次，有单层、双层和多层DNC系统。一个DNC集成系统的最高层次可以是单元级甚至是车间级、工厂级，至于DNC主机则处在工作站层。设备层中，可以包括DNC接口计算机，也可以不需要DNC接口机，DNC集成系统中是否需要DNC接口计算机要根据实际需求情况而定。如图1(a、b、c)：

根据DNC结构层次的不同，其构成往往也不同，但其基本组成是一样的，图2是典型的DNC系统，

其重要组成部有：DNC主计算机；数据通信线；DNC接口；NC或CNC装置；软件系统。

由于DNC系统的多种构成形式，系统的大小和复杂程度也各不相同。具体的DNC系统选择要根据其要求达到的目标和具体的实际条件来决定。影响DNC系统配置的因素很多，如图3所示，但首先应考虑实际的具体需求。

DNC控制系统方案的选择原则是：可靠性；经济性；灵活性。

DNC系统具有两个方面的功能：一是基本功能；二是扩展功能，如图4所示。基本功能主要包括NC程序的管理和实现DNC主机和数控系统之间程序传输。扩展功能则是在基本功能的基础上添加通信控制功能、生产计划及管理、工装刀具管理、数控工艺管理、毛坯物料流程控制和库存等功能。

2.DNC系统中的通讯网络

DNC系统是实施FMS和CIMS的必要基础，它利用一台计算机处理多台数控机床，通过通信网络完成加工信息、加工参数和NC代码的传送与处理，因此通讯网络在DNC系统中是至关重要的。通讯网络主要包括控制计算机、数控设备，I/O接口通信单元等。现有很多种具有良好性能的通信网络可供选择，在实际选择时，需要考虑计算机与数控系统的兼容程度，实际的生产流程情况等因素的影响。

网络技术是DNC技术中很重要的一部分，在DNC系统中，网络是根据用户需求而实现的，而支持制造自动化系统功能目标的专用工业计算机局域网系统，具有以下特点：

制造自动化系统中网络覆盖面广，包括车间、单元、工作站和设备层，这些层次上信息的特征、交换形式和要求各不相同，因而选用的通信联网形式和网络技术也不相同。此外，为满足整体系统信息集成的要求，还要考虑制造自动化系统同计算机集成制造系统上层系统的通信要求，因此制造自动化系统的网络是嵌入到一个由若干应用服务类型不同的局域子网互连集成环境中的计算机网络。

同时由于近年来局域网产品发展迅速，制造自动化系统子网内部，在通信协议、网络拓扑结构、访问存储控制方法及通信介质等方面都有差异，特别是在底层设备的通信方面，标准化程度并不一样，这阻碍了不同类型网络的互连性。解决不同供应厂商的通信及联网产品的互连问题，是DNC网络需要解决的关键技术之一。

DNC系统从信息需求看可分为四个方面，即：网络访问与系统支撑、信息格式与共享、底层通信支撑、加工设备(如机床)的监控。

3.网络化数控加工系统的结构

网络化制造是一种新型的制造模式，它以数字化、柔性化和敏捷化为基本特征。柔性化与敏捷化是快速响应客户需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速响应、过程中的并行性与分布式决策。因此，网络化制造模式下的数控加工系统应具有集成、分布和广义的特征，同时必须获得信息高速公路的充分支持，这是网络化制造的根本要求，也是网络化数控加工系统的内在特性。网络化数控加工系统应具有下列功能：

(1)网络化数控加工系统是一个数控加工信息集成系统

网络化数控加工系统不仅仅是一个数控程序传输系统，而是包括制造数据传输、机床状态采集、作业任务分配、机床信息管理、机床状态数据分析等的集成化信息系统。

(2)支持基于网络的制造数据共享功能

网络化数控加工系统能够实现网络联盟企业计算中心与现场数控设备之间的信息共享。该功能主要表现为两个方面：一方面实现数控设备可以共享联盟企业计算中心的加工程序代码，实现联盟企业计算中心的计算能力通过网络的延伸;另一方面联盟企业计算中心可以通过网络接收来自数控设备的制造数据，服务于其它数控设备。

(3)支持基于网络的实时监控功能

网络化数控加工系统能够通过网络实时发布机床的状态信息，反映机床的运行历史，统计机床的运行报告，同时通过Web摄像机实时发布现场的生产情况。这要求一方面采集机床状态，另一方面把这些采集的信息实时网络发布，同时记录到机床的运行历史数据库，实现对机床全部生产时间的状态记载。

(4)支持跨平台的操作功能

由于盟友的计算机软、硬件、数控加工设备、数据库系统及应用等具有多样性，因此，网络化数控加工系统必须是开放式的，能够为盟友提供开放、公共的界面，支持跨平台操作，支持不同地域的多用户同时操作和信息共享。这就要求网络化数控加工中的信息共享平台必须支持跨平台操作。

DNC集成的模式可根据车间规模大小和生产设备的不同，采用一般控制结构和多级控制结构。一般控制结构具有两级计算机分级结构，其DNC运行模式的控制结构只有工作站和设备层如图1(a)，结构简单、功能集中、投资少、实现简单，适合于小规模的DNC控制。DNC主机对多台数控机床进行分时控制，从大容量内存中调用零件程序指令，分配和发送给机床，实现操作指令下达和状态信息反馈等功能，并随时做出相应。

多级DNC树型结构的顶部一般具有通用的能力，控制与协调整个系统，底部主要是面向应用，具有专用性，完成特定任务。其常用结构是二、三级结构，以三级居多，其结构如图5：

上层计算机主要由数据库服务器和DNC主控制机构成，用来完成CAD/CAM/CAPP等数据的管理和传送功能，往往承担着系统的管理、生产计划和物料需求计划等功能。中间DNC控制系统直接接收上一级系统的信息，也可根据下一级的设备状态，进行任务调度，实时的分配加工任务及反馈一些统计信息和系统状态信息。最底层的设备层主要由各种数控机床组成，通过RS-232接口与DNC主机实现通讯。它接收上一级的加工指令和控制信息，实现产品的加工操作，也可向上反馈工况信息。

4.网络化的DNC集成数控加工系统的特点

“集成”是网络化的DNC集成数控加工系统区别于传统DNC系统最主要的特征。DNC系统的“集成”主要体现在:DNC系统的集成不仅是设备的集成，也是功能的集成，信息的集成，控制与管理的集成，是一种“广义的集成”。其次，DNC系统的集成可以是车间内不同品牌、不同协议的智能设备之间的集成，也可以是不同车间、不同系统之间的集成，甚至是厂内与厂外或远程设备之间的集成，是一种“开放式的集成”。最后，DNC系统的集成是一种“分级集成”，即这种集成，可以是设备级的、工作站级的、单元级的，也可以是车间级的，甚至是跨车间级的。因此，集成环境下的DNC必须满足集成通讯、兼容性、开放性、实时性和可靠性的要求。

DNC集成模式可根据车间规模大小的不同，构成不同的结构层次，主要有以下几种：

(1)工作站层运行模式

工作站层模式包括工作站层和设备层，如图6(a)。该模式是用一台中央计算机集中控制管理一组机床。该集成DNC除了具有基本的DNC功能外，还具有CAD/CAPP/CAM以及MRPⅡ等系统的接口，甚至可以将这些系统集成在DNC主机内。该模式结构简单、功能集中、投入少，适合车间局部进行DNC控制。

(2)单元层运行模式

单元层模式采用包括单元层、工作站层和设备层。DNC主机负责制造数据的管理、传送和设备状态信息的采集；单元控制器负责产品及工艺的设计、NC程序的生成、成产计划和生产调度等工作。此运行模式还可以对辅助设备单元进行控制管理，如图6(b)。

(3)车间层运行模式

车间层模式包括设备层、单兀层和车间层，这一模式覆盖了整个车间。其结构如图6 (c)，可以看出，集成DNC主机通过单元控制器从车间层获取产品制造信息，单元控制器的主要功能是进行生产计划和生产调度，与车间主控计算机通过局域网实现企业内部网络管理;集成DNC主机负责NC程序的传送、设备状态的采集等，在制造单元和工作站数目不多的情况下，可以将单元控制器和工作站直接挂在车间局域网上，在网上进行单元的逻辑构造，这种网络结构反而更有利于单元重构，当以前的单元结构不适应新的生产要求时，不变动工作站和设备的空间位置就可以在网络上进行单元的逻辑重构。该运行模式适合于有单元层设置的车间。

(4)跨车间运行模式

前面三种运行模式构成的DNC集成系统没有与工厂层信息交换的通道，已越来越不能满足社会发展的需要。为适应未来制造业发展的需要，车间还应建立与Internet的接口，以便车间作为制造单元加入虚拟企业。信息技术的发展，使跨车间、跨工厂、跨地域甚至跨国域的制造信息的交换已经可以实现，跨车间运行模式结构如图6(d)，实际上是一种面向敏捷制造的车间运行模式，可实现敏捷制造企业的车间重组和动态联盟，这种新的车间运行模式对于改造国有大中型企业、充分发挥和利用国企的优势、增强企业的竞争能力，具有十分重要的意义。

5.数控机床网络化的现存问题

由于历史原因，制造车间往往同时拥有多种类型的数控机床，这些数控机床的数控系统由于生产年代和生产国家、厂家的不同，存在着多种档次和型号，从而造成了联网的复杂性，主要表现在以下几个方面：

(1)因为数控系统不同造成的通讯接口繁杂，通讯功能不一。目前，数控机

床常见的通讯接口有:标准串行数据通讯接口、DNC接口等。同时，还可能具有不同的通讯协议，数控系统通讯协议主要有XON/XOFF办议和自动重复请求的ARQ协议两大类。因此，要解决DNC主机与这些通讯接口的转换问题。

(2)加工车间内环境差、动力设备多，产生的干扰强，而且频带也比较宽，因而通讯系统应具有很强的抗干扰能力。

(3)DNC集成的功能可分为下传NC程序、双向传输NC程序，以及系统状态采集和远程控制等功能。不同单位对DNC功能需求差异较大，用户要根据实际情况选择，以充分发挥机床的潜力。

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