DNC的发展和在数控中的应用.docx

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DNC的发展和在数控中的应用

摘要

数控是先进制造技术的基础技术.数控加工在现代化生产中显示出很大的优越性.

网络在数控中的广乏应用必定带来制造技术的飞跃发展，尤其是在航空、军事、民用、航天中带了质的变化.我国在上面的研究还处于开始阶段.

本文主要讲述了DNC的发展和在数控中的应用，简述了它的概念，定义.介绍了远程终端在数控中的起的作用，主要还是介绍的关于DNC在制造中的一些应用.

关键词：

数控技术、DNC、CAM、CAD、无线通信、NC数据

目录

前言1

第1章数控技术概述2

1.1数控及数控技术的基本概念2

1.1.1数字控制（数控）及数控技术2

1.1.2数控系统2

1.1.3数控系统的分类2

1.2数控加工技术的发展历程3

第2章常用CAD/CAM软件简介5

2.1MasterCAM5

2.2CimatronE5

2.3Pro/ENGINEER5

2.4UG6

第3章概述7

第4章什么是DNC9

第5章DNC系统简介10

5.1控制系统体系的结构10

5.2DNC系统的地位及功能11

5.3DNC系统软件体系结构12

5.4DNC系统软件的数据模型12

5.5DNC系统的物理配置基本结构14

第6章数控机床网络DNC的几种模式15

6.1串行通讯RS-232C模式15

6.2现场总线模式18

6.3局域网模式20

第7章数控机床网络DNC基本功能22

7.1通讯功能22

7.2控制功能23

第8章数控机床网络DNC发展方向25

8.1新型网络通讯技术25

8.2无线通信技术25

8.3信息的高度集成25

第9章总结及创新探讨27

9.1研究市场 开拓创新27

9.2资源创新28

9.3开发手段创新28

9.4开发组织形式的创新28

9.5保护和利用知识产权29

9.6试验方法和手段的创新29

参考文献31

前言

在大学三年里我学到了很多东西，也失去了太多.总的来说，我的大学生活是美好的，在这里我学到了以前从没有想过的、见过的.在这的三年，也让我有了走入社会的资本.

在下面的论文里介绍了我学到的和我自己步入社会后又接触到的，学校里学习的那些设计软件让我有比别人多的筹码，但是，在工作以后也认识到了自己在学习中的不足，所以为了以后能够站住脚跟，拥有自己的一片天地，我还要学习多接触一下关于数控方面的先进技术和理论.在论文里面主要介绍了数控网络方面的内容，让我明白以后该努力的方向，了解了数控远程控制的一些基本内容，一些柔性单元的应用，在二零零七年初去汇金铸造厂实习，让我见到了较先进的数控设备，感到了自己的渺小和无知，也学到了一些东西，同时为自己祖国在数控系统方面的落后而感到悲哀，我们会努力的.

在学校里老师们的淳淳教导让我们明白了许多做人的道理，在学习上的传授更让我们受益.

第1章数控技术概述

1.1数控及数控技术的基本概念

1.1.1数字控制（数控）及数控技术

机床中的数字控制专指用数字化信号对机床的工作过进行的可编程自动控制，简称为数控（NC）.这种用数字化信息进行自动控制的技术就叫数控技术.

1.1.2数控系统

数控系统是实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统，是数控技术的载体.能自动阅读程序，译码，使机床按指令运动并加工零件

1.1.3数控系统的分类

计算机数控系统：

计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程逻辑控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，习惯上又称为CNC系统

开放式CNC系统

定义：

一个开放式CNC系统，应保证使开发的应用软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平台上运行，且能与其他应用软件系统协调工作

开放式CNC系统的五个特征：

（1）对使用者是开放的：

可采用先进的图形交互方式支持下的简易编程方法，使得数控机床的操作更加容易

（2）对机床制造商是开放的：

应允许机床制造商在开放式CNC系统软件的基础上开发专用的功能模块及用户操作界面.

（3）对硬件的选择是开放的：

即一个开放式CNC系统应能在不同的硬件平台上运行.

（4）对主轴及进给驱动系统是开放的：

即能控制不同厂商提供的主轴及进给驱动系统.

（5）对数据传输及交换等是开放的

1.2数控加工技术的发展历程

1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“NumericalControl”.

1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言.

1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心.

1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS.

1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC（计算机数控系统）软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展.

1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程.利用CAD（计算机辅助设计）绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序.

DNC（直接数控）技术始于20世纪60年代末期.它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工.DNC群控技术是FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口.随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元.

20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS.其中，数控是其基本控制单元.

20世纪90年代，基于PC—NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易.充分利用现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现.

我国虽然早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果.20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差.1980年北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC—1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的DynapthLTDl0数控系统.在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统.

第2章常用CAD/CAM软件简介

2.1MasterCAM

MasterCAM是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件，由美国CNCSoftware公司开发，V5.0以上运行于Windows或WindowsNT.该软件三维造型功能稍差，但操作简便实用，容易学习.新的加工任选项使用户具有更大的灵活性，如多曲面径向切削和将刀具轨迹投影到数量不限的曲面上等功能.这个软件还包括新的C轴编程功能，可顺利将铣削和车削结合.其它功能，如直径和端面切削、自动C轴横向钻孔、自动切削与刀具平面设定等，有助于高效的零件生产.其后处理程序支持铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工.另外，MasterCAM提供多种图形文件接口，如SAT、IGES、VDA、DXF、CADL以及STL等.

2.2CimatronE

Cimatron是CimatronTechnologies公司开发的，可运行于DOS、Windows或NT，是早期的微机CAD/CAM软件.其CAD部分支持复杂曲线和复杂曲面造型设计，在中小型模具制造业有较大的市场.在确定工序所用的刀具后，其NC模块能够检查出应在何处保留材料不加工，对零件上符合一定几何或技术规则的区域进行加工.通过保存技术样板，可以指示系统如何进行切削，可以重新应用于其它加工件，即所谓基于知识的加工.该软件能够对含有实体和曲面的混合模型进行加工.它还具有IGES、DXF、STA、CADL等多种图形文件接口.

2.3Pro/ENGINEER　

Pro/ENGINEER是美国参数技术公司（PTC）开发的CAD/CAM软件，在我国也有较多用户.它采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的平台.其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件，当原始造型被修改后，具有自动更新的功能.其MOLDESIGN模块用于建立几何外形，产生模具的模芯和腔体，产生精加工零件和完善的模具装配文件.新近发布的20.0版本，提供最佳加工路径控制和智能化加工路径创建，允许NC编程人员控制整体的加工路径直到最细节的部分.该软件还支持高速加工和多轴加工，带有多种图形文件接口.

2.4UG　

Unigraphics（UG）是美国EDS公司发布的CAD/CAE/CAM一体化软件.广泛应用于航空航天、汽车、通用机械及模具等领域.国内外已有许多科研院所和厂家选择了UG作为企业的CAD/CAM系统.UG可运行于WindowsNT平台，无论装配图还是零件图设计，都从三维实体造型开始，可视化程度很高.三维实体生成后，可自动生成二维视图，如三视图、轴侧图、剖视图等.其三维CAD是参数化的，一个零件尺寸修改，可致使相关零件的变化.该软件还具有人机交互方式下的有限元解算程序，可以进行应变、应力及位移分析.UG的CAM模块提供了一种产生精确刀具路径的方法，该模块允许用户通过观察刀具运动来图形化地编辑刀轨，如延伸、修剪等，其所带的后处理程序支持多种数控机床.UG具有多种图形文件接口，可用于复杂形体的造型设计，特别适合大型企业和研究所使用.

第3章概述

数控机床网络DNC技术在我国经过二十多年的发展，也经历了从纸带到单机，再到简单网络，最后发展成为高级网络的艰苦历程.纸带方式已经基本完全抛弃；在机床数量较少时，有些用户还在使用单机通讯模式；当机床数量发展到一定数量时，机床用户一般都采用了网络DNC的方式，但是，通过大量的调查，我们发现，我国数控机床的网络DNC目前主要存在着两种结构，一种是采用单台计算机对应单台机床的方式，这些计算机再通过局域网联结，其结构如图1-1所示；另一种是采用单台计算机对应多台机床的方式，其结构如图1-2所示.（这里主要讨论RS232模式的网络通讯，不考虑机床以太网络和总线方式的通讯）.虽然这两种模式在技术层面上相差悬殊，但据我们所知，采用单对单模式的用户还是相当多的，“存在就是合理的”，为此，我们还是在下面就这两种结构的DNC作一详细的比较分析说明，以供广大机床用户参考.

图1-1单机对单机模式

图1-2 单机对多机模式

目前，广大数控机床用户对实行数控机床网络DNC的管理已经达成了共识，但在真正实施过程中应该做到什么程度，取得何种效果还是不明确，在目前国内数控机床网络DNC领域还存在着一些鱼目混珠的现象，而且DNC又处在一个高速发展的阶段，各种新的网络结构、高新技术不断涌现，更容易让广大数控机床用户眼花缭乱，本文试图在此作一个简明的介绍.

第4章什么是DNC

用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统.

DNC功能是什么意义？

1980年国际标准ISO2806对于DNC定义为“directnumericalcontrol（直接数控）”.其概念为：

“此系统使一群数控机床与公用零件程序或加工程序存储器发生联系.一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床”.有时也称为“群控’”.这种技术在70年代到80年代的研制及应用表明，由于系统复杂，可靠性差，因此得不到发展.在1994年颁布的ISO2806定义DNC为“distributednumericalcontrol（分布式数控）”.因此DNC（DistributedNumericalControl）是实现CAD/CAM和计算机辅助生产管理系统集成的纽带，是机械加工自动化的又一种形式.

目前，DNC系统的研究尚存在以下有待解决的技术问题有：

①DNC系统体系结构的开放性不强.国内大部分DNC系统局限于单一供应商的制造设备，平台之间可移植性差，不同应用程序互操作能力有待提高，不利于系统集成；②DNC系统通信结构多为点对点式，或采用局域网加点对点式，不能很好地解决通信竞争问题；③DND系统与NCP和CAD的接口功能还很弱；④DNC系统控制软件可重用性不强，需要进行面向对象设计和实现.本文提出了基于CORBA（通用对象请求代理结构）的车间层控制系统中DNC系统，给上述问题以很好的解答，并实现了软件的编制及联机调式.

第5章DNC系统简介

5.1控制系统体系的结构

DNC系统是基于CORBA车间层控制系统的一个功能单元，现在的企业面对的是一个多变的需求环境，因而车间层控制系统面对的加工任务也是多变的.这种变化包括生产零件的品种、类型、规格、产量和交货期等多个因素的变化以及加工工艺路线随生产任务的不同而变化等.这就需要一个在时间和空间上都开放的车间层控制系统体系结构，以运行于不同硬件环境的异构计算机系统中，同时又能适应新技术的发展，容纳新设备的增加.

在基于CORBA的车间层控制系统中，构造车间信息集成和共享的公共平台是核心问题之一，我们采用基于客户/服务器结构的分布式控制平台（如Orbix），既可以将传统的递阶控制结构变换成更适合信息集成的分布或控制结构，又可适应不同产品制造过程（离散制造或连续制造）中统一的生产管理和组织要求.

车间层控制系统总体结构分为三层：

底层为系统支持层，由分布式计算环境和异构网络集成系统两个子层构成，提供底层的计算机系统、网络系统和数据系统等系统级功能；中间层为开放式分布处理层，提供统一的集成通信服务，由开放式分布处理平台和应用程序接口组成，最上层为信息集成层，支持多客户/服务器的分布式多数据库集成系统，将现有的应用和数据信息集成到系统中.为实现控制结构的分布、数据库的分布以及系统功能的分布，提出的车间层控制系统软件采用基于CORBA规范的分布式对象体系结构.

CORBA规范主要特点是实现软件总线结构.所谓软件总线的功能，就是起到类似于计算机系统硬件总线的作用，只要将应用模块按总线规范作成软插件，插入总线即可实现集成运行.实现软件总线的核心系统称为ORB（对象请求代理器），它不仅支持标准的OMG对象模型，还具有分布进程管理和通信管理功能.此外，CORBA定义了IDL（InterfaceDefinitionLanguage）语言，以描述软件总线上的插销.IDL提供了对成员系统的封装和成员系统之间隔离，任何成员系统作为一个对象，通过IDL对其接口参数进行定义和说明，就可接到ORB上，为其它系统提供服务或向其它系统提出请求，达到即插即用效果.

车间层控制系统划分为许多独立的功能单元，每个功能单元对应于一个包含功能接口定义和实体的抽象对象，每类对象的接口由属性和操作组成，由IDL定义的其它功能单元可以透明访问的服务以调用该对象的私有数据，具体功能的实现被封装在实体里.我们将每类对象按照功能划分成若干个子对象，将其设计成为可以直接插在CORBA软件总线上的对象插件.这些对象插件按照各层客户/服务器结构组成整个平台系统.这种结构可以带来长远的利益，既能迅速增加对新的DBMS的应用、增加新的用户界面，又能升级支持各种新功能.

5.2DNC系统的地位及功能

DNC系统作为车间层控制系统的一个功能单元.

DNC系统功能包括①NC程序及数据的传递，以某种通信协议（如Philip532等）实现通信功能；②机床状态采集和上报；③根据工序计划，自动分配NC程序及数据到相应机床；④刀具数据的分配与传递.

DNC系统软件的功能模型，其中NC数据管理的主要功能是对数控数据进行管理，主要有数控数据的显示、插入、修改、删除、更新、锁定（不允许更改）和打印等操作；NC数据执行的主要功能有：

数控数据在计算机和机床之间的传送、删除机床上的数控数据、启动机床上的数控程序、随时从机床设备获得工作状态信息并存入数据库，作为运行数据采集模块评价加工过程的根据；DNC通讯接口通过DNC协议和数据链路协议建立单元控制系统和CNC的连接.

5.3DNC系统软件体系结构

基于CORBA的DNC系统软件的实现平台建立在车间层控制系统平台的基础上.我们将DNC系统体系结构划分为三层的客户/服务器结构，以将表示逻辑、业务逻辑和数据处理逻辑明确划分开来.为此，表示层用来表示信息和收集数据，此处为由VB实现的可移植的DNC人机接口；业务层响应用户（或其它的业务服务）发来的请求，执行某种业务任务，此处为由VC＋＋来实现DNC应有程序及NC数据管理应用程序；数据层包括数据的定义、维修、访问和更新以及管理，并响应业务服务的数据请求，此处为经IDL功能接口定义封装的NC局部数据库（Access）服务器.这些层并不一定与网络上的具体物理位置相对应，它们只是概念上的层，借助这些概念可以开发出健壮的、基于组件的应用程序.

使用图3所示模型，可以把应用程序的需求分解成明确定义的服务.在定义了服务之后，需要进一步创建具体的物理组件来实现它们.根据性能和维护的需求、工作量、网络带宽以及其它因素，可以在网络上灵活地部署这些组件.

5.4DNC系统软件的数据模型

DNC系统软件中涉及到数据实体包含四类：

①与制造设备硬件相关的数据实体（如机床等）；②与人机通讯相关的数据实体（如通讯协议实体和串口通讯实体）；③数控数据实体（如NC程序号、刀具号、工序号）；④输入操作指令或派工单实体.采用面向对象方法将上述实体抽象成为类，可分为能力单元类、NC机床类、NC控制器类、通讯协议类、终端服务器类、串口通讯类、NC程序类等.

DNC应用程序中的对象从这些类中继承下来，每个对象的方法即该对象的成员函数根据相应的功能需求来定义.下面以NC机床类的定义为例：

∥ncmach.h-NCMachineClassdefinations

∥NCMachinesarepartprocessors.Forthisclass,apartisloaded,

∥aNCfileisdownloadedtothedevice,andthemachineisstarted.

classMACHINE－TOOL｛

char*  CurrentNCFile;∥currentlyloadedNCfile

int  FixtureStatus;∥fixturestatus

public:

MACHINE－TOOL（）;

char*getCurrentNCFile（）;

voidsetCurrentNCFile（charF）;

IntgetFixtureStatus（）;

voidsetFixtureStatus（intS）;

virtualintprocessPart（charPartName）;

virtualintdownloadNCFile（charFile）;

virtualintstopMachine（）;

virtualingraspPart（）;

virtualintreleasePart（）;

｝；

5.5DNC系统的物理配置基本结构

基于CORBA的车间层控制系统需要两种层次的互连.第一层是利用计算机局域网技术和协议软件把由异构计算机组成的车间层控制器、设备控制器等互连起来，第二层是在这一互连的基础上，实现各节点、各被控的异构制造设备（如加工中心、机器人、PLC等）之间的信息交互，这种交互通过制造信息规范（MMS）实现.作为车间层控制系统的一个重要组成部分，本文DNC系统的物理配置基本结构如下图所示，主计算机通过网络介质（具有独立IP地址的终端服务器）分别连接多台CNC系统实现NC程序的装卸、刀具数据的传递、操作命令的下达和状态信息的反馈.这是一种通过局域网连接起来的通信结构，它具有包括物理层、数据链路层、传输层及应用层等的四层结构，其中数据链路层采用LSV2通讯协议，传输层采用DNC协议（如SINUMERIK或PHILIPS协议）.

第6章数控机床网络DNC的几种模式

目前，数控机床网络DNC一般采用三种网络接口，即：

基于串行通讯RS-232C模式，以太网络模式和现场总线模式，以下分别做一简要说明.

6.1串行通讯RS-232C模式

   目前，在DNC市场上通过RS-232C口通讯产品存在着两种类型（包括三种结构）的产品，即带机床操作盒和不带机床操作盒两种，其结构分别说明如下：

（1）带机床操作盒模式，如图2-1所示：

图5-1 DNC网络结构图形式一

   这种连接方式是九十年代中期出现的模式，在当时大家还普遍使用单机传输的年代此方式是一种创新，可以说它代表了当时我国DNC产品的最高水平.MOXA C320Turbo卡（或其它多路串行通讯卡）是通过ISA（或PCI）插卡的方式与计算机连接，再通过一根带屏蔽的10芯电缆线接通讯模块，每个通讯模块带8个通讯口，可以多个通讯模块级联，最多可以8个，每个计算机又可以扩展4个ISA（或PCI）插卡，这样一台计算机最多可以扩展256个RS-232口.通讯模块与计算机之间距离不能太长，一般在十几米左右.程序的上传和下载是通过操作机床操作盒来实现的（当然，数控端也还要进行相关的上传下载操作）.

（2）新型带机床操作盒模式，如图2-2所示：

图5-2 DNC网络结构图形式二

   注意,此图与上一图的一个最大的区别是：

MOXA的多路串口服务器变为CN2516（或其它多路串口服务器），它是一个局域网络上的一个节点，通过HUB或交换机来与NC程序管理计算机相连的，这样，它可以放在车间的任一固定位置上，大大减少了车间到计算机室之间的布线，只需一根网线即可，另外，CN2516还可以多台计算机上安装其驱动程序，多台计算机同时监视控制，给用户的维护工作也带来方便.

   （3）现代模式（不带机床操作盒），如图2-3所示：

图5-3 DNC网络结构图形式三

   此类型是在上一类型的基础上变化而来,它去掉了机床操作盒,连接更简单,其它通讯功能完全一样，甚至可以做得更强，更方便.目前市场上大部分DNC厂商提供的产品均是基于此模式下的.

   由于去掉了机床操作盒，程序发送和接受程序的文件名称等通讯信息就需要由CNC来发送，一般的做法是：

在CNC上编制一个特殊的程序（此程序并不真正执行，所以并不需要关注它是否符合语法规则），其中包含一些特征字符串来表达发送程序或接收程序，比如：

   （A）程序请求

        %

        O1000

        （/GETXXXX） （其中XXXX代表需要请求下传的文件名称）

        M30

        %

   编制好此文件后，先将此文件发送给计算机，计算机接收到此文件后就进行分析，如果是请求文件下载指令，就生成一个程序下载队列，等待机床发送开始下传指令后就将请求程序下传.

   （B）程序发送

   程序发送时，只需在原程序中加入特征字符行