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

1.DNC系統(tǒng)概述

　　DNC意思是直接數(shù)字控制或分布數(shù)字控制，是Distributed Numerical Control或Direct Numerical Control的簡稱。DNC最早是指分布式數(shù)控系統(tǒng)，它的含義是用一臺大型計算機(jī)同時控制多臺數(shù)控機(jī)床，由該計算機(jī)負(fù)責(zé)NC程序管理和傳送。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和CNC技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)存儲容量得到很大的提高，其計算速度也大為提高。DNC由簡單的直接數(shù)字控制轉(zhuǎn)向分布式數(shù)字控制，它不僅有直接數(shù)字控制的功能，還有系統(tǒng)信息管理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視和系統(tǒng)控制的功能。

　　DNC目前著眼于車間的信息集成，針對車間的生產(chǎn)計劃，技術(shù)準(zhǔn)備，加工操作等基本作業(yè)進(jìn)行集中監(jiān)控和分散控制，把生產(chǎn)任務(wù)通過局域網(wǎng)分配給各個加工單元，并使之信息相互交換。DNC集成模式可根據(jù)車間規(guī)模大小不同，構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)層次，有單層、雙層和多層DNC系統(tǒng)。一個DNC集成系統(tǒng)的最高層次可以是單元級甚至是車間級、工廠級，至于DNC主機(jī)則處在工作站層。設(shè)備層中，可以包括DNC接口計算機(jī)，也可以不需要DNC接口機(jī)，DNC集成系統(tǒng)中是否需要DNC接口計算機(jī)要根據(jù)實(shí)際需求情況而定。如圖1(a、b、c)：

　　根據(jù)DNC結(jié)構(gòu)層次的不同，其構(gòu)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(tǒng)，

　　其重要組成部有：DNC主計算機(jī)；數(shù)據(jù)通信線；DNC接口；NC或CNC裝置；軟件系統(tǒng)。

　　由于DNC系統(tǒng)的多種構(gòu)成形式，系統(tǒng)的大小和復(fù)雜程度也各不相同。具體的DNC系統(tǒng)選擇要根據(jù)其要求達(dá)到的目標(biāo)和具體的實(shí)際條件來決定。影響DNC系統(tǒng)配置的因素很多，如圖3所示，但首先應(yīng)考慮實(shí)際的具體需求。

　　DNC控制系統(tǒng)方案的選擇原則是：可靠性；經(jīng)濟(jì)性；靈活性。

　　DNC系統(tǒng)具有兩個方面的功能：一是基本功能；二是擴(kuò)展功能，如圖4所示。基本功能主要包括NC程序的管理和實(shí)現(xiàn)DNC主機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)之間程序傳輸。擴(kuò)展功能則是在基本功能的基礎(chǔ)上添加通信控制功能、生產(chǎn)計劃及管理、工裝刀具管理、數(shù)控工藝管理、毛坯物料流程控制和庫存等功能。

2.DNC系統(tǒng)中的通訊網(wǎng)絡(luò)

　　DNC系統(tǒng)是實(shí)施FMS和CIMS的必要基礎(chǔ)，它利用一臺計算機(jī)處理多臺數(shù)控機(jī)床，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成加工信息、加工參數(shù)和NC代碼的傳送與處理，因此通訊網(wǎng)絡(luò)在DNC系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。通訊網(wǎng)絡(luò)主要包括控制計算機(jī)、數(shù)控設(shè)備，I/O接口通信單元等?，F(xiàn)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，需要考慮計算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)用戶需求而實(shí)現(xiàn)的，而支持制造自動化系統(tǒng)功能目標(biāo)的專用工業(yè)計算機(jī)局域網(wǎng)系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：

　　制造自動化系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，包括車間、單元、工作站和設(shè)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，為滿足整體系統(tǒng)信息集成的要求，還要考慮制造自動化系統(tǒng)同計算機(jī)集成制造系統(tǒng)上層系統(tǒng)的通信要求，因此制造自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是嵌入到一個由若干應(yīng)用服務(wù)類型不同的局域子網(wǎng)互連集成環(huán)境中的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

　　同時由于近年來局域網(wǎng)產(chǎn)品發(fā)展迅速，制造自動化系統(tǒng)子網(wǎng)內(nèi)部，在通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、訪問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(shè)備的通信方面，標(biāo)準(zhǔn)化程度并不一樣，這阻礙了不同類型網(wǎng)絡(luò)的互連性。解決不同供應(yīng)廠商的通信及聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的互連問題，是DNC網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　DNC系統(tǒng)從信息需求看可分為四個方面，即：網(wǎng)絡(luò)訪問與系統(tǒng)支撐、信息格式與共享、底層通信支撐、加工設(shè)備(如機(jī)床)的監(jiān)控。

3.網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)化制造是一種新型的制造模式，它以數(shù)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(yīng)客戶需求的前提，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)上的快速重組、性能上的快速響應(yīng)、過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(shù)控加工系統(tǒng)應(yīng)具有集成、分布和廣義的特征，同時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(shù)控加工系統(tǒng)的內(nèi)在特性。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)應(yīng)具有下列功能：

　　(1)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)是一個數(shù)控加工信息集成系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)不僅僅是一個數(shù)控程序傳輸系統(tǒng)，而是包括制造數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)床狀態(tài)采集、作業(yè)任務(wù)分配、機(jī)床信息管理、機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)分析等的集成化信息系統(tǒng)。

　　(2)支持基于網(wǎng)絡(luò)的制造數(shù)據(jù)共享功能

　　網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟企業(yè)計算中心與現(xiàn)場數(shù)控設(shè)備之間的信息共享。該功能主要表現(xiàn)為兩個方面：一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)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(xiàn)聯(lián)盟企業(yè)計算中心的計算能力通過網(wǎng)絡(luò)的延伸;另一方面聯(lián)盟企業(yè)計算中心可以通過網(wǎng)絡(luò)接收來自數(shù)控設(shè)備的制造數(shù)據(jù)，服務(wù)于其它數(shù)控設(shè)備。

　　(3)支持基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時監(jiān)控功能

　　網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時發(fā)布機(jī)床的狀態(tài)信息，反映機(jī)床的運(yùn)行歷史，統(tǒng)計機(jī)床的運(yùn)行報告，同時通過Web攝像機(jī)實(shí)時發(fā)布現(xiàn)場的生產(chǎn)情況。這要求一方面采集機(jī)床狀態(tài)，另一方面把這些采集的信息實(shí)時網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，同時記錄到機(jī)床的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床全部生產(chǎn)時間的狀態(tài)記載。

　　(4)支持跨平臺的操作功能

　　由于盟友的計算機(jī)軟、硬件、數(shù)控加工設(shè)備、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及應(yīng)用等具有多樣性，因此，網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控加工系統(tǒng)必須是開放式的，能夠?yàn)槊擞烟峁╅_放、公共的界面，支持跨平臺操作，支持不同地域的多用戶同時操作和信息共享。這就要求網(wǎng)絡(luò)化數(shù)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(jù)車間規(guī)模大小和生產(chǎn)設(shè)備的不同，采用一般控制結(jié)構(gòu)和多級控制結(jié)構(gòu)。一般控制結(jié)構(gòu)具有兩級計算機(jī)分級結(jié)構(gòu)，其DNC運(yùn)行模式的控制結(jié)構(gòu)只有工作站和設(shè)備層如圖1(a)，結(jié)構(gòu)簡單、功能集中、投資少、實(shí)現(xiàn)簡單，適合于小規(guī)模的DNC控制。DNC主機(jī)對多臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行分時控制，從大容量內(nèi)存中調(diào)用零件程序指令，分配和發(fā)送給機(jī)床，實(shí)現(xiàn)操作指令下達(dá)和狀態(tài)信息反饋等功能，并隨時做出相應(yīng)。

　　多級DNC樹型結(jié)構(gòu)的頂部一般具有通用的能力，控制與協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)，底部主要是面向應(yīng)用，具有專用性，完成特定任務(wù)。其常用結(jié)構(gòu)是二、三級結(jié)構(gòu)，以三級居多。
　　
　　上層計算機(jī)主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和DNC主控制機(jī)構(gòu)成，用來完成CAD/CAM/CAPP等數(shù)據(jù)的管理和傳送功能，往往承擔(dān)著系統(tǒng)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(tǒng)直接接收上一級系統(tǒng)的信息，也可根據(jù)下一級的設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，實(shí)時的分配加工任務(wù)及反饋一些統(tǒng)計信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息。最底層的設(shè)備層主要由各種數(shù)控機(jī)床組成，通過RS-232接口與DNC主機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。它接收上一級的加工指令和控制信息，實(shí)現(xiàn)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(shù)控加工系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　“集成”是網(wǎng)絡(luò)化的DNC集成數(shù)控加工系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)DNC系統(tǒng)最主要的特征。DNC系統(tǒng)的“集成”主要體現(xiàn)在:DNC系統(tǒng)的集成不僅是設(shè)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(tǒng)的集成可以是車間內(nèi)不同品牌、不同協(xié)議的智能設(shè)備之間的集成，也可以是不同車間、不同系統(tǒng)之間的集成，甚至是廠內(nèi)與廠外或遠(yuǎn)程設(shè)備之間的集成，是一種“開放式的集成”。最后，DNC系統(tǒng)的集成是一種“分級集成”，即這種集成，可以是設(shè)備級的、工作站級的、單元級的，也可以是車間級的，甚至是跨車間級的。因此，集成環(huán)境下的DNC必須滿足集成通訊、兼容性、開放性、實(shí)時性和可靠性的要求。

　　DNC集成模式可根據(jù)車間規(guī)模大小的不同，構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)層次，主要有以下幾種：

　　(1)工作站層運(yùn)行模式

　　工作站層模式包括工作站層和設(shè)備層。該模式是用一臺中央計算機(jī)集中控制管理一組機(jī)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(tǒng)的接口，甚至可以將這些系統(tǒng)集成在DNC主機(jī)內(nèi)。該模式結(jié)構(gòu)簡單、功能集中、投入少，適合車間局部進(jìn)行DNC控制。
　　
　　(2)單元層運(yùn)行模式

　　單元層模式采用包括單元層、工作站層和設(shè)備層。DNC主機(jī)負(fù)責(zé)制造數(shù)據(jù)的管理、傳送和設(shè)備狀態(tài)信息的采集；單元控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)品及工藝的設(shè)計、NC程序的生成、成產(chǎn)計劃和生產(chǎn)調(diào)度等工作。此運(yùn)行模式還可以對輔助設(shè)備單元進(jìn)行控制管理。
　　
　　(3)車間層運(yùn)行模式

　　車間層模式包括設(shè)備層、單兀層和車間層，這一模式覆蓋了整個車間?？梢钥闯?，集成DNC主機(jī)通過單元控制器從車間層獲取產(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(diào)度，與車間主控計算機(jī)通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理;集成DNC主機(jī)負(fù)責(zé)NC程序的傳送、設(shè)備狀態(tài)的采集等，在制造單元和工作站數(shù)目不多的情況下，可以將單元控制器和工作站直接掛在車間局域網(wǎng)上，在網(wǎng)上進(jìn)行單元的邏輯構(gòu)造，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)反而更有利于單元重構(gòu)，當(dāng)以前的單元結(jié)構(gòu)不適應(yīng)新的生產(chǎn)要求時，不變動工作站和設(shè)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(gòu)。該運(yùn)行模式適合于有單元層設(shè)置的車間。
　　
　　(4)跨車間運(yùn)行模式

　　前面三種運(yùn)行模式構(gòu)成的DNC集成系統(tǒng)沒有與工廠層信息交換的通道，已越來越不能滿足社會發(fā)展的需要。為適應(yīng)未來制造業(yè)發(fā)展的需要，車間還應(yīng)建立與Internet的接口，以便車間作為制造單元加入虛擬企業(yè)。信息技術(shù)的發(fā)展，使跨車間、跨工廠、跨地域甚至跨國域的制造信息的交換已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，跨車間運(yùn)行模式結(jié)構(gòu)如圖6(d)，實(shí)際上是一種面向敏捷制造的車間運(yùn)行模式，可實(shí)現(xiàn)敏捷制造企業(yè)的車間重組和動態(tài)聯(lián)盟，這種新的車間運(yùn)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(qiáng)企業(yè)的競爭能力，具有十分重要的意義。

5.數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)存問題

　　由于歷史原因，制造車間往往同時擁有多種類型的數(shù)控機(jī)床，這些數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)由于生產(chǎn)年代和生產(chǎn)國家、廠家的不同，存在著多種檔次和型號，從而造成了聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
　　
　　(1)因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)不同造成的通訊接口繁雜，通訊功能不一。目前，數(shù)控機(jī)床常見的通訊接口有:標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通訊接口、DNC接口等。同時，還可能具有不同的通訊協(xié)議，數(shù)控系統(tǒng)通訊協(xié)議主要有XON/XOFF辦議和自動重復(fù)請求的ARQ協(xié)議兩大類。因此，要解決DNC主機(jī)與這些通訊接口的轉(zhuǎn)換問題。

　　(2)加工車間內(nèi)環(huán)境差、動力設(shè)備多，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)，而且頻帶也比較寬，因而通訊系統(tǒng)應(yīng)具有很強(qiáng)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(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等功能。不同單位對DNC功能需求差異較大，用戶要根據(jù)實(shí)際情況選擇，以充分發(fā)揮機(jī)床的潛力。