基于PC的开放式数控系统网络功能的研究与实现

0 前言

    数控系统网络化宏观上来讲能给制造业提供以下有利条件[1,2]：①制造环境内部的网络化，实现制造过程的集成；②制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造环境与企业中工程设计、管理信息系统、设备维护等各子系统的集成，以及机床操作工人通过网络查询技术资料和寻求帮助的功能；③企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用，实现异地制造、远程诊断。

    高效的CNC网络通讯功能远远不止快速传递数据及信息，它还可以实现CNC机床的远程诊断等功能。一个技术人员，通过调制解调器与通讯软件，即使身在机床生产厂家的办公室，也可以通过远程诊断对遥远的CNC机床进行实时问题诊断，及时作出决定，并直接发出指令进行调整。完成这一切操作都无需该技术人员亲临工作现场[3]。

    本研究主要探讨基于PC的开放式数控系统网络功能的研究与实现。

1 数控系统网络功能简述

    就1台具体数控机床而言，其网络功能具体应该包括：

    (1)加工技术文件下载。可包括三维模型、工程图、工艺单、加工单、NC程序、刀具文件等。

    (2)任务调度分配。对生产任务进行分解、调度、安排及下达。

    (3)设备、作业监控。实时监测各设备工作状态、加工状态、加工过程、动态运行情况。

    (4)作业情况统计。可统计各设备的任务工时进度、数量进度。

    (5)汇报报表。可实时上传车间生产动态情况及每日工作报表。

    (6)设备管理。包括设备基本状态、操作人员、维修情况等日常管理工作。

    在基于PC机和运动控制卡的开放式数控系统基础上，笔者扩展了网络功能。该系统网络监控软件分为2个部分：①服务器端的主监控程序；②客户端的网络服务子功能模块。二者结合起来可以使机床和管理服务器相互之间互通信息，管理人员通过监控软件向若干个指定的机床操作人员下达工作任务，派发加工单，整理检修、调度等生产数据，并可以实时监视各台机床的运行，即时地和操作人员交流零件加工情况。操作人员则可以在客户端(本地机床数控系统上的网络服务界面)及时汇报加工情况，接收上级指示。

    服务器端主监控界面窗口菜单，如图1所示。

图1 网络监控软件主窗口菜单

    发送消息窗口中列表显示网络系统中所有被监控的机床，可以具体选择要发送的对象，也可以选择群发；发送后，被呼叫客户端会自动弹出一个消息窗口，显示主服务器发送的信息。对话历史记录查询可以供管理者查看与每台机床对话的历史信息，便于整理工作日志，总结管理经验。

    通过使用查询菜单栏可以查询任务单和加工单，可以查询任务单和加工单数据库里的各零件名称及它们的加工数量、下达日期和完工日期。

    通过设备管理菜单栏可以查询各机床的详细资料和故障情况信息。机床的编号、型号、名称、生产厂家、功率、购入日期、价格以及故障记录和检修记录等都可以从这里通过访问相应的数据库进行查询。

    加工情况栏列有机床加工表、进度表、柱状图这3个子菜单。加工表列出了机床编号、加工零件和数量、机床计划工作时间、己完成数量和交货期；进度表列出零件名称、工序号、加工数量、下达13期、交货期、完成数量、半成品数、废品数，并算出废品率；柱状图用柱状图表方式很直观地列出了各零件的计划完成量、已完成量、半成品量和废品数量。

    添加数据栏允许用户添加生产任务、作业调度和机床检修数据。生产任务的每条记录包括：零件名称、生产数量、任务下达日期和交货日期；作业调度的每条记录包括：机床代号、零件名称、加工数量、工序号、下达日期和交货13期；机床检修数据记录包括：检修日期、机床编号、检修种类、检修内容、操作者。每个数据操作窗口中都设有数据库常用的操作按钮，可以很方便地添加、删除和刷新数据库里的各数据表。

    打开浏览栏，可以对零件图和加工程序进行浏览。分页

2 网络功能的具体实现

2.1 网络管理数据库的建立

    Access是在Windows环境下运行的强大的关系数据库管理系统，它是一种很有效的数据库管理工具，与其他数据库软件相比，其理解和使用都更为简单。因此，本系统采用Access建立本地数据库，利用VisualBasic的数据管理组件进行数据库的操作与管理。

    Access提供了几种不同的数据对象，即表、查询、窗体、报表、Web页和宏，还为建立表、索引、查询和表的关联提供了很好的可视化设计界面。本数据库中主要数据对象就是最常用的表。

    启动Access，新建数据库，在对话框中输入数据库名和保存路径，弹出数据库窗口，选择数据对象-表，然后使用设计器创建表。

    系统中所建立的表包括：班时记录表、停机故障表、故障停机历史记录表、加工零件表、调度表、下达任务表、加工工艺表、检修信息表、机床资料数据表、产品统计表、工作状态表。各表中的数据互相关联，共同构成网络制造系统总的信息仓库。

    下面仅就较复杂的一个表一加工工艺表来说明Access中表的创建：

    (1)确定表中每条记录的字段。加工工艺表中包含以下字段：项目号、工序号、加工机床、零件名、工序内容、加工材料、准备工时、辅助工时、加工工时、零件尺寸、设计部门、设计人、设计时间。

    (2)使用设计器创建新表。在设计窗口中有3栏：字段名、数据类型、字段说明。首先在表中填入各字段名：项目号、工序号、加工机床……，并选择其数据类型(有文本、数据、日期、货币、自动编号等多种)，字段说明可选，用来在状态栏显示该字段说明信息。

    (3)各字段定义好后，退出表单设计窗口，输入表单名称，存储该表，至此一个没有记录的空表就建立了。然后在数据库窗口打开刚建立的表单，在对应的字段中按照规定的数据类型填入各条记录的数值。

2.2 Data数据库控件

    Data控件是Visual Basic用来建立和进行数据库访问的标准控件，它用自己的Database和Recordset对象操作和管理数据库。因为Data控件通过使用微软的Jet数据库引擎来实现数据访问，与Access所用的数据库引擎相同，使用它可以访问很多标准的数据库格式，如：Access、dBASE、FoxPro、Btrieve、Paradox和Excel等，还可以访问和操作远程的开放式数据库连接(ODBC)数据库，诸如SQL Server以及Oracle。

    使用Data控件对数据库的访问过程如下：

    (1)在工程窗体上添加一个数据库控件，并调整到合适的大小。

    (2)设置Data控件的Connect属性，指定控件所要连接数据库的格式，系统使用Access数据库，所以Connect属性选择Access。

    (3)设置DatabaseName属性，点开其属性栏，找到系统所用的Access数据库名“…／dbl．mdb”，则此属性自动设为该数据库名。

    (4)设置RecordSource属性，该属性指定数据源的名称及位置，用来确定要访问的数据内容，可以是数据表名、存储的查询名和SQL语句中的任何一种。这里只需指定DatabaseName完成连接数据库的工作，则该数据库中所有的表和查询结果都列在RecordSource属性下拉列表中供选用。

    (5)在窗体上添加相应的绑定控件，如：Check、Box、PictureBox、Label、TextBox、ListBox、Image等。将这些绑定控件的DataSource设为窗体上指定的数据控件，设置绑定控件的DataField属性，将绑定控件与数据控件中的表及表中的字段对应起来。这样利用数据控件和绑定控件的配合使用，可以显示、浏览、增加、修改记录。

    (6)将绑定控件的DataChanged属性设为True(设为False禁止修改表中数据)，然后运行表单，数据库中的数据即可在运行窗口上通过Data控件的操作按钮浏览、修改。

2.3 Winsock网络控件

    WinSock是基于Windows的一种网络文件传输协议。应用程序通过调用Windows Sockets的API实现相互之间的通信，Windows Sockets又利用下层的网络通信协议功能和操作系统调用实现实际的通信工作。应用程序与Windows Sockets之间的关系，如图2所示。

图2 应用程序与Windows Sockets之间的关系分页

    Visual Basic提供了Winsock控件，用于编写客户或服务器应用程序，而不必去了解TCP／IP的细节或调用低级的Winsock APIs，通过设置控件的属性并调用其方法就可以轻易连接到一台远程机器上，有效地完成双向通讯。

    Winsock控件支持2种通讯协议：①面向连接的TCP／IP协议；②无连接的UDP(UserDatagram Protocol)协议。TCP协议能够保证网络上传输的数据包正确到达目的地，采用点到点连接，1个TCP连接需要客户机和服务器都有1个IP地址和端口。本网络监控系统就是采用TCP数据传输协议。

    使用TCP协议创建客户应用程序时，必须知道服务器计算机名或者IP地址(Winsock的RemoteHost属性)，还要知道进行侦听的端口(RemotePort属性)，然后调用Winsock的Connect方法；创建服务器应用程序时，应设置一个侦听端口(LocalPort属性)并调用Listen方法。当客户计算机需要连接时就会发生ConnectionRequest事件，为了完成连接可调用ConnectionRequest事件内的Accept方法。建立连接后，任何一方计算机都可以收发数据，发送数据可调用SendData方法，当接收数据时会发生DataArrival事件，调用DataArrival事件内的GetData方法就可获取数据。

3 构筑开放式网络制造系统

    在现代网络制造环境中，机床是网络环境下与CAD／CAM／cAPP／CAE工程设计系统、MRP管理信息系统直接连接的一个有加工能力的结点，它要通过网络与管理信息系统、工程设计系统等相关外部环境连接通讯，必须实现相互之间的双向通讯。管理信息计算机可以给任意一台数控机床发送加工指令，又可实时查看各台机床的加工程序、加工状态、加工时间、故障信号等，同时各台机床也可向信息管理计算机汇报情况，例如加工的情况与结果、合格品及废品的个数，以便管理信息计算机分析问题、解决问题，实现动态重构加工路线。工程设计计算机用CAD／LAPP／CAM技术生成CNC加工程序，通过网络传送到机床进行数控加工，实现无纸化制造[4，7]。

    用开放式网络化数控系统构成的网络制造系统，如图3所示。

图3 由开放式网络化机床构筑的网络制造系统

    在图3中，网络化的数控系统是实现网络制造系统的基础，它是一个自主的数控系统，在接到一个加工任务后(一般是一个零件的加工代码)自身负责这个任务的整个过程(执行加工、信息统计、故障诊断等)，不需要上位机干预，但是在服务器或其他数控系统调整加工任务或查询加工信息时，它能智能地作出反应。数控系统的联网功能通过标准的网络设备实现，支持标准的网络拓扑结构，而不需要设计通讯用的专用接口部件。

    基于Internet／Intranet的信息集成和智能调度是本网络制造系统集成的关键技术，整个系统包括3个层次：①车间内设备的集成；②制造企业内计算机通讯和资源的共享；③基于www的企业乃至全球范围内的信息集成与共享。车间内网络数控系统用网线和集线器连接，它们之间关系平等，可以共享多种信息和各种软硬件资源，通过车间服务器有效地调动它们，使制造过程最优化。企业通过专门的服务器在Internet上发布相关的网页，给远程用户提供CAD／CAPP等技术支持，也可以对远程伙伴的网络数控系统分配任务，在网上实现加工任务的动态协调。

4 结束语

    实践证明，将数控机床联网，由中央计算机进行统一管理构成数控生产线，以及进一步配备适当的物流子系统组成柔性制造系统、计算机集成制造系统、敏捷制造系统等先进制造系统，是提高数控机床利用率和单件小批生产劳动生产率的有效途径。

    可以预见，在计算机及网络技术支持下的先进制造技术将是制造业快速适应市场的需求，不断推出新产品的主要手段之一。网络制造尤其符合我国的国情，它不需要大的投入，产出则十分显著。

参考文献(Reference)：
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