基于CAN智能模塊和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)DNC集成制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 、引言

過(guò)去的十幾年中，人們?cè)趯?duì)自動(dòng)化機(jī)械加工車間的研究中，將大量的精力投向FMS（Flexible Manufacture System）。由于FMS不僅注重信息流的集成，更強(qiáng)調(diào)物料流的集成與自動(dòng)化，10年來(lái)的實(shí)踐證明，F(xiàn)MS雖然具有運(yùn)行效率高和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但投資風(fēng)險(xiǎn)大、見(jiàn)效慢、可靠性較差。相對(duì)于FMS，DNC（Direct Numerical Control or Distributed Numerical Contro1）是投資小、見(jiàn)效快、并具有較好柔性的集成制造系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的發(fā)展，DNC的內(nèi)涵和功能也在不斷擴(kuò)大。目前的DNC系統(tǒng)已具備制造數(shù)據(jù)傳送（NC程序上傳、NC程序校正文件下傳、刀具指令下傳等）、狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理（機(jī)床狀態(tài)、刀具信息等）、刀具管理、生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)控、單元控制和CAD／CAPP／CAM接口等功能。在過(guò)去的研究中，DNC集成制造系統(tǒng)多采用串行或局域網(wǎng)的通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，串行通信方式簡(jiǎn)單但可靠性差、效率低，而局域網(wǎng)通信方式通信協(xié)議復(fù)雜很難滿足DNC系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，因而更適合于DNC系統(tǒng)與上層控制計(jì)算機(jī)之間的通信。

2、 基于CAN總線的DNC集成制造系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)與上層控制計(jì)算機(jī)的集成方法是DNC中最關(guān)鍵的技術(shù)，其通信方式取決于數(shù)控系統(tǒng)的通信接口和通信協(xié)議。因國(guó)外生產(chǎn)環(huán)境比較好，且數(shù)控系統(tǒng)大都采用帶DNC通信接口的高檔數(shù)控系統(tǒng)，所以國(guó)外已出現(xiàn)一些DNC集成制造軟件，如：Visual DNC等。但這些軟件并不能適應(yīng)我國(guó)企業(yè)的情況，因此，研究適合我國(guó)制造企業(yè)特色的DNC系統(tǒng)已成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。

針對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有機(jī)床接接口復(fù)雜、布局分散、下層通訊復(fù)雜的特點(diǎn)，鑒于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、局域網(wǎng)存在的問(wèn)題，本系統(tǒng)提出基于CAN總線通信標(biāo)準(zhǔn)，以軟插件技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的集成。CAN作為一種工業(yè)環(huán)境中的通訊標(biāo)準(zhǔn)，更適合于場(chǎng)地級(jí)設(shè)備的互連，是目前DNC底層與數(shù)控機(jī)床通訊連接的最佳選擇。目前，國(guó)內(nèi)很多CAN的模塊化產(chǎn)品的出現(xiàn)，為CAN總線的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。因此CAN總線方式是一個(gè)較理想的異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的DNC通信方式。

3 、DNC集成制造系統(tǒng)功能模型設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、DNC主機(jī)、CAN智能模塊等部分組成，系統(tǒng)硬件如圖1所示。其結(jié)構(gòu)為客戶機(jī)，服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，存放生產(chǎn)任務(wù)、數(shù)控程序、圖紙、工藝文件等信息，向上可與企業(yè)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)intemet聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)或企業(yè)間的資源共享，向下通過(guò)局域網(wǎng)與CAD／CAM／CAPP系統(tǒng)、DNC主機(jī)相連，方便的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換各種制造信息；DNC主機(jī)上帶有網(wǎng)絡(luò)接口卡、CAN接口卡，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要任務(wù)是通過(guò)CAN接口卡與CAN智能模塊通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的通訊控制和通訊管理，當(dāng)機(jī)床申請(qǐng)NC程序時(shí)，根據(jù)采集到的機(jī)床狀態(tài)信息進(jìn)行任務(wù)的排隊(duì)管理與分配，實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無(wú)申請(qǐng)時(shí)，可進(jìn)行通信Et志管理或NC程序及設(shè)備管理等。DNC主機(jī)的可視化的人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單，可以方便的對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的插入、查詢、修改、編輯等操作。

圖1 DNC集成系統(tǒng)硬件原理機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)DNC集成的重點(diǎn)要解決數(shù)控機(jī)床與計(jì)算機(jī)的雙向通訊問(wèn)題，本系統(tǒng)既考慮了國(guó)內(nèi)使用較多的帶RS232接口數(shù)控機(jī)床，又兼顧有MAP接口的新型機(jī)床，以各種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與Nc機(jī)床相連。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，此系統(tǒng)有三類典型連接方式：

第一類連接方式主要用于具有MAP接I=I的新型機(jī)床，由于這種機(jī)床接口符合MAP標(biāo)準(zhǔn)，因此可直接連入局域網(wǎng)。

第二類連接方式主要針對(duì)少數(shù)連串行接I=I都沒(méi)有的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，對(duì)于這類機(jī)床要在CAN智能模塊和機(jī)床之間加入適配器才能連接到CAN網(wǎng)絡(luò)。

第三類連接方式主要用于具備串行接口的數(shù)控機(jī)床，這類機(jī)床不能直接上網(wǎng)，因此采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使機(jī)床連如DNC網(wǎng)絡(luò)，CAN總線的網(wǎng)絡(luò)功能由裝有CAN接口卡的DNC主機(jī)和CAN智能控制單元實(shí)現(xiàn)，這里CAN通訊卡采用的是周立功單片機(jī)公司的PCI5110單路智能CAN接I=I卡和CAN232B智能CAN轉(zhuǎn)換器，通訊卡提供了Windows和DOS下的驅(qū)動(dòng)程序、CAN通用接口庫(kù)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)本系統(tǒng)中DNC主機(jī)與CNC之間的CAN通訊功能；CAN轉(zhuǎn)換器的核心是CAN控制器的處理器和CAN收發(fā)器，并在微處理器和CAN收發(fā)器之間增加了電氣隔離電路，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，并帶有1個(gè)RS232通道和1個(gè)CAN通道，可以使機(jī)床在不需改變?cè)杏布Y(jié)構(gòu)的前提下很方便地接入CAN網(wǎng)絡(luò)，CAN232B智能CAN轉(zhuǎn)換器提供有基本的控制命令和配置軟件，串口通訊參數(shù)的設(shè)置均由簡(jiǎn)單的控制命令實(shí)現(xiàn)，可以按照不同數(shù)控廠家的機(jī)床的要求進(jìn)行配置，解決了平臺(tái)之間可移植性差的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的開(kāi)放性。

4、 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與DNC主控制機(jī)之間采用客戶機(jī)／服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器是以SQL作為語(yǔ)言的DBMS；前臺(tái)用戶開(kāi)發(fā)工具我們采用C++Builder Enterprise6．0。C++Builder是Borland公司發(fā)布的一種最新的可視化編程工具，它將面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及可視化等先進(jìn)技術(shù)完美的結(jié)合在一起，利用其豐富的控件可直觀的、快速的開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的Windows應(yīng)用程序 ；在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將操作平臺(tái)劃分為不同的功能模塊，使每個(gè)模塊處理相應(yīng)的信息，完成一個(gè)特定的功能，具有一定的獨(dú)立性；各個(gè)模塊成一個(gè)完整的系統(tǒng)（如圖2所示）。

圖2 軟件模塊功能結(jié)構(gòu)圖

主機(jī)、CAN智能控制單元和數(shù)控系統(tǒng)三方采用請(qǐng)求／響應(yīng)方式協(xié)調(diào)工作。對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制由主機(jī)先發(fā)命令，而NC程序的上、下載則可由數(shù)控系統(tǒng)先發(fā)申請(qǐng)，CAN智能控制單元主要完成信息在主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)之間的雙向傳遞。目前，數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議一般有三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。由于CAN總線的加入，必須建立主機(jī)、前端和數(shù)控系統(tǒng)三者之間新的協(xié)議對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議不同，前端程序就不一樣。因此主機(jī)程序應(yīng)針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議和數(shù)控功能建立相應(yīng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件模塊，將其封裝到“軟插件庫(kù)”中，使該模塊可直接下載到與機(jī)床相連的CAN通信前端單元中。

因此，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用以下技術(shù)：

（1） 基于客戶機(jī)／服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)近年來(lái)，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)中最有成效的是客戶機(jī)／服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是由客戶機(jī)和服務(wù)器構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，解決了客戶應(yīng)用與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)分布處理的問(wèn)題。應(yīng)用程序的任務(wù)分別由客戶機(jī)（DNC主機(jī)）和服務(wù)器分擔(dān)，一方面充分發(fā)揮客戶機(jī)處理能力，另一方面減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)中，要對(duì)加工設(shè)備、加工程序、機(jī)床狀態(tài)等信息及時(shí)的管理和維護(hù)，我們通過(guò)C++BuilderEnterprise6．0提供的ADO組件組中的控件建立客戶機(jī)／服務(wù)器之間的連接，設(shè)置其Connectionstring屬性即可實(shí)現(xiàn)對(duì)本機(jī)或遠(yuǎn)程SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，另外還要進(jìn)行任務(wù)分配及有關(guān)圖紙、工藝信息、NC程序代碼等信息的傳送，因此該系統(tǒng)必須具有網(wǎng)絡(luò)功能。我們通過(guò)Socket控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2） 軟插件思想的引入

由于企業(yè)購(gòu)置的數(shù)控加工設(shè)備類型、廠地廠家不同，配置的數(shù)控系統(tǒng)不盡相同，其數(shù)據(jù)傳輸接口和通信協(xié)議也不相同，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)集成化控制是一個(gè)值得研究的技術(shù)難題。目前世界各國(guó)數(shù)控系統(tǒng)制造商已在積極尋找一條解決通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題的途徑，在通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化之前，很多數(shù)控機(jī)床集成控制都只是開(kāi)發(fā)智能硬件設(shè)備及接口標(biāo)準(zhǔn)，依靠智能硬件裝置實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的通信，而這些硬件裝置開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、適應(yīng)性差，其推廣應(yīng)用受到局限。以軟件為主要技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的集成化管理的研究尚注意不夠。眾所周知，在計(jì)算機(jī)總線槽上插入硬件板卡（稱之為硬插件），計(jì)算機(jī)就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。據(jù)此，DNC硬件裝置的功能也可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，我們采用模塊化的思想，針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)協(xié)議開(kāi)發(fā)不同的通信協(xié)議軟件，構(gòu)成通信協(xié)議轉(zhuǎn)換程序庫(kù)，當(dāng)不同的數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，只需要調(diào)用不同的通訊程序設(shè)置相對(duì)應(yīng)的通信參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，此即“軟插件技術(shù)”，這個(gè)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換程序庫(kù)即為“軟插件庫(kù)”，該技術(shù)為DNC系統(tǒng)通信提供了嶄新的體系結(jié)構(gòu)。

5、 結(jié)論

本系統(tǒng)充分利用CAN總線組網(wǎng)的特殊優(yōu)勢(shì)，解決了普通局域網(wǎng)組建網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)所固有的局限性，具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，且實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)；以軟插件技術(shù)作為異構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件的設(shè)計(jì)核心；在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中總分考慮并解決了通信競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，使控制的設(shè)備數(shù)、通信速度、通信距離大大提高。總之，本系統(tǒng)的研制，可方便地實(shí)現(xiàn)與其他CAD／CAM系統(tǒng)進(jìn)行信息共享，成功地為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)FMS和CIMS產(chǎn)品奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。