基于以太网的数控机床控制系统核心深入

一、概述

　　随着计算机应用技术和网络技术的迅速发展，数控系统的功能极大地提高。由于以太网的前景普遍被看好，各大数控生产商纷纷推出了具有以太网功能的数控系统。在DNC(Distributed Numerical Control)领域也出现了一种新型的数控机床网络型式――基于以太网络的DNC。以太网联接是指将具有以太网功能的加工中心等数控机床以以太网的方式组网，实现单台微机对多台CNC的集中控制，其网络构成结构如图1所示。在这种方式下，DNC软件开发商通常要根据数控生产商提供的开发软件包进行二次开 发，具体针对不同的数控系统开发出各自的通讯接口软件。本文介绍的基于以太网的数控机床网络控制系统JCSDNC(Ethernet)是针对FANUC系 统开发的，适用于配有FANUC 0iB/15i/16i/18i/21i，Power Mate i-D/H系统的机床组网。

　　图1 以太网联接网络构成

二、构建以太网监控网络对数控系统的要求

　　机床以太网监控网络要求数控系统在硬件上具有以太网功能，即具有以太网卡或快速以太网卡，在“软件”方面则要求CNC具有内置的以太网函数。其内部通讯处 理机制如图2所示。对于内置以太网卡，通讯过程的处理是通过CNC的CPU。这就意味着CNC的运行条件会影响内置以太网卡的通讯，相应地，内置以太网卡的通讯状况也会影响CNC的处理过程。

　　图2 基于以太网方式的内部通讯机制

　　内置以太网函数的处理优先级低于如下操作：自动循环或手动方式下每个主轴的运动控制。因此，在自动运行期间，通讯速度将会降低。另一方面，由于内置以太网函数的优先级高于CNC的屏幕显示操作、C语言执行器(除高级任务)、宏命令执行器(除执行宏)。在执行内置以太网的通讯时，这些操作将会被延时处理。

　　由以太网方式联接的网络传输速度明显地较串口高，每秒传输速率可以达到10M、100M。并且，由于加工中心的CNC系统内置了一些函数接口，使以太网联 接可以实现控制计算机和数控系统的直接通讯。也就是说，在这种方式下不但可以实现通讯数据的快速传输，而且可以在主控计算机端自动获得完全的设备信息、生产信息、远程控制加工中心，为自动化生产创造更完备的条件。

　　数控机床网络控制系统要更好的适应生产的需要，在传统DNC软件的功能基础上还需具备四个功能模块：NC程序管理模块、现场监控模块、远程监控模块以及基 于Internet进行远程访问的数据通信部分。

三、功能模块

　　1. NC程序管理模块

　　NC程序作为加工过程中重要资源之一，对其进行高效的数据化管理已经成为DNC软件不可缺少的一部分。NC程序的管理根据管理目标对象，分为对程序进行生 命周期内的管理和NC程序内部信息管理。

　　在本模块中对NC程序的整个生命周期进行了严格的管理，从NC程序的生成到消亡都提供一套严格的管理手段。在不同时期，对NC程序的状态可设置为编辑、审 核、定型三种，其工作过程如图3所示。程序的最初状态是可以自由编辑的，经过审核後可以开始进行试加工。而程序一旦经试切验证完成后就到达定型状态，不能再进行编辑，直至消亡。

　　图3 NC程序的生命周期

　　对NC程序的内部属性进行管理主要包括程序号、程序注释、零件图号、所加工的零件号、加工工序号、加工范围、机床、用户信息等进行管理。在本系统中可对程序根据图号、零件名称、工序、机床等进行多种条件的复合查寻，同时对加工程序编辑历程、所用刀具清单、工艺卡片等进行管理。

　　2. 现场监控模块

　　现场监控模块是实现远程监控系统的基础。通过五类线或超五类线与具有以太网功能的数控机床直接联接，可以实现控制、监测和对数控机床的诊断。此外，目前市场上有一些软件生产商把只具有串口通讯功能的加工中心以以太网方式甚至是无线方式联接。这两种方式在本质上是区别于以太网联接的，它们只是通过转接口变换 了联接方式，将串行数据转变成以太网方式传输，其通讯的瓶颈依然存在于串口通讯。但这种做法可以克服工厂施工条件恶劣、布线不便等问题。[page]

　　本模块与CNC进行通讯，可以实时采集数控机床的加工状态、联网状态、刀具信息、操作履历，以及对刀具寿命进行管理。并且通过一定的权限确认，可以在线修改各种设备参数和运行参数，从而实现底层设备的完全监控。通过对采集到的工况数据进行处理，可以及时获取加工业绩、机床利用率等生产管理所需要的数据，如 图4所示。

　　图4 效率统计

　　3. 远程监控模块

　　远程监控模块是利用计算机技术和网络技术，提供广域范围内共享资源的平台，并为实时监测监控、故障诊断提供支持。用户可以随时通过网络查询设备运行状态以及设备现场的工况，对生产过程进行实时的远程监控，如图5所示。甚至可以将机床的梯形图传送至远程的控制主机，用梯形图实施机床故障的远程诊断。为保证生产的安全性，梯形图必须用密码保护，以防无关人员修改。

　　图5 生产状态远程监控计

　　4. 基于Internet的数据通讯模块

　　由于生产状况的千变万化，生产过程中会出现很多随机的情况，因此不同地点、不同部门的专业人员要对同一设备进行工作，就需要有一个自由交流的平台，通过网络实现信息交互、经验交流，最终实现设备的远程监控。本模块在基于网络技术的基础上，为客户提供了文字交流的平台，如图6所示。

　　图6 远程交互平台

四、系统的初始化

　　FANUC系统的以太网功能是通过以太网卡或FANUC快速以太网卡遵循TCP/IP协议实现的。网络控制软件要与数控机床进行正常通讯，需进行以下设 置：

　　·设置控制计算机侧的TCP/IP协议;

　　·设置CNC侧的以太网卡和内置以太网函数;

　　·物理连接个人计算机和CNC。

五、JCSDNC(Ethernet)的应用

　　以太网联接的最大难点就是对数控系统提出了较高的要求，即数控系统必须具有以太网功能，这只有在较高配置的数控系统中才能实现。并且由于各数控生产商在以太网功能方面提供的开发包各不相同，系统集成商必须针对不同的数控系统做相对独立的开发工作。在存在多种数控系统的加工环境下，各子系统的兼容就显得尤为 重要。

　　基于以太网方式的远程监控系统在传输速度上、以及对底层设备的控制方面都有传统网络模式无法相比的优越性，在硬件联接方面也更加方便快捷，基本可以满足中小企业在加工、制造过程中对生产状况控制的需要。