網(wǎng)絡(luò )DNC集成數控加工網(wǎng)絡(luò )化淺析

1.DNC系統概述

　　DNC意思是直接數字控制或分布數字控制，是Distributed Numerical Control或Direct Numerical Control的簡(jiǎn)稱(chēng)。DNC最早是指分布式數控系統，它的含義是用一臺大型計算機同時(shí)控制多臺數控機床，由該計算機負責NC程序管理和傳送。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和CNC技術(shù)的發(fā)展，數控系統存儲容量得到很大的提高，其計算速度也大為提高。DNC由簡(jiǎn)單的直接數字控制轉向分布式數字控制，它不僅有直接數字控制的功能，還有系統信息管理、系統狀態(tài)監視和系統控制的功能。

　　DNC目前著(zhù)眼于車(chē)間的信息集成，針對車(chē)間的生產(chǎn)計劃，技術(shù)準備，加工操作等基本作業(yè)進(jìn)行集中監控和分散控制，把生產(chǎn)任務(wù)通過(guò)局域網(wǎng)分配給各個(gè)加工單元，并使之信息相互交換。DNC集成模式可根據車(chē)間規模大小不同，構成不同的結構層次，有單層、雙層和多層DNC系統。一個(gè)DNC集成系統的最高層次可以是單元級甚至是車(chē)間級、工廠(chǎng)級，至于DNC主機則處在工作站層。設備層中，可以包括DNC接口計算機，也可以不需要DNC接口機，DNC集成系統中是否需要DNC接口計算機要根據實(shí)際需求情況而定。如圖1(a、b、c)：

　　根據DNC結構層次的不同，其構成往往也不同，但其基本組成是一樣的，圖2是典型的DNC系統，

　　其重要組成部有：DNC主計算機；數據通信線(xiàn)；DNC接口；NC或CNC裝置；軟件系統。

　　由于DNC系統的多種構成形式，系統的大小和復雜程度也各不相同。具體的DNC系統選擇要根據其要求達到的目標和具體的實(shí)際條件來(lái)決定。影響DNC系統配置的因素很多，如圖3所示，但首先應考慮實(shí)際的具體需求。

　　DNC控制系統方案的選擇原則是：可靠性；經(jīng)濟性；靈活性。

　　DNC系統具有兩個(gè)方面的功能：一是基本功能；二是擴展功能，如圖4所示?；竟δ苤饕∟C程序的管理和實(shí)現DNC主機和數控系統之間程序傳輸。擴展功能則是在基本功能的基礎上添加通信控制功能、生產(chǎn)計劃及管理、工裝刀具管理、數控工藝管理、毛坯物料流程控制和庫存等功能。

2.DNC系統中的通訊網(wǎng)絡(luò )

　　DNC系統是實(shí)施FMS和CIMS的必要基礎，它利用一臺計算機處理多臺數控機床，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )完成加工信息、加工參數和NC代碼的傳送與處理，因此通訊網(wǎng)絡(luò )在DNC系統中是至關(guān)重要的。通訊網(wǎng)絡(luò )主要包括控制計算機、數控設備，I/O接口通信單元等?，F有很多種具有良好性能的通信網(wǎng)絡(luò )可供選擇，在實(shí)際選擇時(shí)，需要考慮計算機與數控系統的兼容程度，實(shí)際的生產(chǎn)流程情況等因素的影響。

　　網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是DNC技術(shù)中很重要的一部分，在DNC系統中，網(wǎng)絡(luò )是根據用戶(hù)需求而實(shí)現的，而支持制造自動(dòng)化系統功能目標的專(zhuān)用工業(yè)計算機局域網(wǎng)系統，具有以下特點(diǎn)：

　　制造自動(dòng)化系統中網(wǎng)絡(luò )覆蓋面廣，包括車(chē)間、單元、工作站和設備層，這些層次上信息的特征、交換形式和要求各不相同，因而選用的通信聯(lián)網(wǎng)形式和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)也不相同。此外，為滿(mǎn)足整體系統信息集成的要求，還要考慮制造自動(dòng)化系統同計算機集成制造系統上層系統的通信要求，因此制造自動(dòng)化系統的網(wǎng)絡(luò )是嵌入到一個(gè)由若干應用服務(wù)類(lèi)型不同的局域子網(wǎng)互連集成環(huán)境中的計算機網(wǎng)絡(luò )。

　　同時(shí)由于近年來(lái)局域網(wǎng)產(chǎn)品發(fā)展迅速，制造自動(dòng)化系統子網(wǎng)內部，在通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、訪(fǎng)問(wèn)存儲控制方法及通信介質(zhì)等方面都有差異，特別是在底層設備的通信方面，標準化程度并不一樣，這阻礙了不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )的互連性。解決不同供應廠(chǎng)商的通信及聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的互連問(wèn)題，是DNC網(wǎng)絡(luò )需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　DNC系統從信息需求看可分為四個(gè)方面，即：網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)與系統支撐、信息格式與共享、底層通信支撐、加工設備(如機床)的監控。

3.網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統的結構

　　網(wǎng)絡(luò )化制造是一種新型的制造模式，它以數字化、柔性化和敏捷化為基本特征。柔性化與敏捷化是快速響應客戶(hù)需求的前提，表現為結構上的快速重組、性能上的快速響應、過(guò)程中的并行性與分布式?jīng)Q策。因此，網(wǎng)絡(luò )化制造模式下的數控加工系統應具有集成、分布和廣義的特征，同時(shí)必須獲得信息高速公路的充分支持，這是網(wǎng)絡(luò )化制造的根本要求，也是網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統的內在特性。網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統應具有下列功能：

　　(1)網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統是一個(gè)數控加工信息集成系統

　　網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統不僅僅是一個(gè)數控程序傳輸系統，而是包括制造數據傳輸、機床狀態(tài)采集、作業(yè)任務(wù)分配、機床信息管理、機床狀態(tài)數據分析等的集成化信息系統。

　　(2)支持基于網(wǎng)絡(luò )的制造數據共享功能

　　網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統能夠實(shí)現網(wǎng)絡(luò )聯(lián)盟企業(yè)計算中心與現場(chǎng)數控設備之間的信息共享。該功能主要表現為兩個(gè)方面：一方面實(shí)現數控設備可以共享聯(lián)盟企業(yè)計算中心的加工程序代碼，實(shí)現聯(lián)盟企業(yè)計算中心的計算能力通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的延伸;另一方面聯(lián)盟企業(yè)計算中心可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接收來(lái)自數控設備的制造數據，服務(wù)于其它數控設備。

　　(3)支持基于網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)監控功能

　　網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)發(fā)布機床的狀態(tài)信息，反映機床的運行歷史，統計機床的運行報告，同時(shí)通過(guò)Web攝像機實(shí)時(shí)發(fā)布現場(chǎng)的生產(chǎn)情況。這要求一方面采集機床狀態(tài)，另一方面把這些采集的信息實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )發(fā)布，同時(shí)記錄到機床的運行歷史數據庫，實(shí)現對機床全部生產(chǎn)時(shí)間的狀態(tài)記載。

　　(4)支持跨平臺的操作功能

　　由于盟友的計算機軟、硬件、數控加工設備、數據庫系統及應用等具有多樣性，因此，網(wǎng)絡(luò )化數控加工系統必須是開(kāi)放式的，能夠為盟友提供開(kāi)放、公共的界面，支持跨平臺操作，支持不同地域的多用戶(hù)同時(shí)操作和信息共享。這就要求網(wǎng)絡(luò )化數控加工中的信息共享平臺必須支持跨平臺操作。

　　DNC集成的模式可根據車(chē)間規模大小和生產(chǎn)設備的不同，采用一般控制結構和多級控制結構。一般控制結構具有兩級計算機分級結構，其DNC運行模式的控制結構只有工作站和設備層如圖1(a)，結構簡(jiǎn)單、功能集中、投資少、實(shí)現簡(jiǎn)單，適合于小規模的DNC控制。DNC主機對多臺數控機床進(jìn)行分時(shí)控制，從大容量?jì)却嬷姓{用零件程序指令，分配和發(fā)送給機床，實(shí)現操作指令下達和狀態(tài)信息反饋等功能，并隨時(shí)做出相應。

　　多級DNC樹(shù)型結構的頂部一般具有通用的能力，控制與協(xié)調整個(gè)系統，底部主要是面向應用，具有專(zhuān)用性，完成特定任務(wù)。其常用結構是二、三級結構，以三級居多。
　　
　　上層計算機主要由數據庫服務(wù)器和DNC主控制機構成，用來(lái)完成CAD/CAM/CAPP等數據的管理和傳送功能，往往承擔著(zhù)系統的管理、生產(chǎn)計劃和物料需求計劃等功能。中間DNC控制系統直接接收上一級系統的信息，也可根據下一級的設備狀態(tài)，進(jìn)行任務(wù)調度，實(shí)時(shí)的分配加工任務(wù)及反饋一些統計信息和系統狀態(tài)信息。最底層的設備層主要由各種數控機床組成，通過(guò)RS-232接口與DNC主機實(shí)現通訊。它接收上一級的加工指令和控制信息，實(shí)現產(chǎn)品的加工操作，也可向上反饋工況信息。

4.網(wǎng)絡(luò )化的DNC集成數控加工系統的特點(diǎn)

　　“集成”是網(wǎng)絡(luò )化的DNC集成數控加工系統區別于傳統DNC系統最主要的特征。DNC系統的“集成”主要體現在:DNC系統的集成不僅是設備的集成，也是功能的集成，信息的集成，控制與管理的集成，是一種“廣義的集成”。其次，DNC系統的集成可以是車(chē)間內不同品牌、不同協(xié)議的智能設備之間的集成，也可以是不同車(chē)間、不同系統之間的集成，甚至是廠(chǎng)內與廠(chǎng)外或遠程設備之間的集成，是一種“開(kāi)放式的集成”。最后，DNC系統的集成是一種“分級集成”，即這種集成，可以是設備級的、工作站級的、單元級的，也可以是車(chē)間級的，甚至是跨車(chē)間級的。因此，集成環(huán)境下的DNC必須滿(mǎn)足集成通訊、兼容性、開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

　　DNC集成模式可根據車(chē)間規模大小的不同，構成不同的結構層次，主要有以下幾種：

　　(1)工作站層運行模式

　　工作站層模式包括工作站層和設備層。該模式是用一臺中央計算機集中控制管理一組機床。該集成DNC除了具有基本的DNC功能外，還具有CAD/CAPP/CAM以及MRPⅡ等系統的接口，甚至可以將這些系統集成在DNC主機內。該模式結構簡(jiǎn)單、功能集中、投入少，適合車(chē)間局部進(jìn)行DNC控制。
　　
　　(2)單元層運行模式

　　單元層模式采用包括單元層、工作站層和設備層。DNC主機負責制造數據的管理、傳送和設備狀態(tài)信息的采集；單元控制器負責產(chǎn)品及工藝的設計、NC程序的生成、成產(chǎn)計劃和生產(chǎn)調度等工作。此運行模式還可以對輔助設備單元進(jìn)行控制管理。
　　
　　(3)車(chē)間層運行模式

　　車(chē)間層模式包括設備層、單兀層和車(chē)間層，這一模式覆蓋了整個(gè)車(chē)間?？梢钥闯?，集成DNC主機通過(guò)單元控制器從車(chē)間層獲取產(chǎn)品制造信息，單元控制器的主要功能是進(jìn)行生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)調度，與車(chē)間主控計算機通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現企業(yè)內部網(wǎng)絡(luò )管理;集成DNC主機負責NC程序的傳送、設備狀態(tài)的采集等，在制造單元和工作站數目不多的情況下，可以將單元控制器和工作站直接掛在車(chē)間局域網(wǎng)上，在網(wǎng)上進(jìn)行單元的邏輯構造，這種網(wǎng)絡(luò )結構反而更有利于單元重構，當以前的單元結構不適應新的生產(chǎn)要求時(shí)，不變動(dòng)工作站和設備的空間位置就可以在網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行單元的邏輯重構。該運行模式適合于有單元層設置的車(chē)間。
　　
　　(4)跨車(chē)間運行模式

　　前面三種運行模式構成的DNC集成系統沒(méi)有與工廠(chǎng)層信息交換的通道，已越來(lái)越不能滿(mǎn)足社會(huì )發(fā)展的需要。為適應未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的需要，車(chē)間還應建立與Internet的接口，以便車(chē)間作為制造單元加入虛擬企業(yè)。信息技術(shù)的發(fā)展，使跨車(chē)間、跨工廠(chǎng)、跨地域甚至跨國域的制造信息的交換已經(jīng)可以實(shí)現，跨車(chē)間運行模式結構如圖6(d)，實(shí)際上是一種面向敏捷制造的車(chē)間運行模式，可實(shí)現敏捷制造企業(yè)的車(chē)間重組和動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，這種新的車(chē)間運行模式對于改造國有大中型企業(yè)、充分發(fā)揮和利用國企的優(yōu)勢、增強企業(yè)的競爭能力，具有十分重要的意義。

5.數控機床網(wǎng)絡(luò )化的現存問(wèn)題

　　由于歷史原因，制造車(chē)間往往同時(shí)擁有多種類(lèi)型的數控機床，這些數控機床的數控系統由于生產(chǎn)年代和生產(chǎn)國家、廠(chǎng)家的不同，存在著(zhù)多種檔次和型號，從而造成了聯(lián)網(wǎng)的復雜性，主要表現在以下幾個(gè)方面：
　　
　　(1)因為數控系統不同造成的通訊接口繁雜，通訊功能不一。目前，數控機床常見(jiàn)的通訊接口有:標準串行數據通訊接口、DNC接口等。同時(shí)，還可能具有不同的通訊協(xié)議，數控系統通訊協(xié)議主要有XON/XOFF辦議和自動(dòng)重復請求的ARQ協(xié)議兩大類(lèi)。因此，要解決DNC主機與這些通訊接口的轉換問(wèn)題。

　　(2)加工車(chē)間內環(huán)境差、動(dòng)力設備多，產(chǎn)生的干擾強，而且頻帶也比較寬，因而通訊系統應具有很強的抗干擾能力。

　　(3)DNC集成的功能可分為下傳NC程序、雙向傳輸NC程序，以及系統狀態(tài)采集和遠程控制等功能。不同單位對DNC功能需求差異較大，用戶(hù)要根據實(shí)際情況選擇，以充分發(fā)揮機床的潛力。