異構數控系統DNC技術應用研究

金風明，竇志平，楊前進

（1.中機生產力促進中心，北京 100044；2.機械科學研究總院，北京 100044）

0 引言

隨著企業的飛速發展、信息技術和計算機網絡技術的高速發展，數控設備不斷增加，產品個性化和復雜度等的提升導致企業管理的難度不斷增大，作為加工單元的數控車間進行網絡化制造模式的改造已勢在必行[1]。當前，數控設備管理的問題主要體現在：①多數現場數控程序的傳輸還需要通過移動介質手工傳遞甚至是手工輸入，導致效率低下；②隨著產品種類的增加，數控程序和產品文檔的管理任務越發繁重，企業缺少相應的管理系統來有效組織管理這些文檔；③數控程序及文檔還停留在傳統的手工方式，缺少電子化的流程管理、版本控制工具尚未形成全生命周期的管理；④無法及時對機床潛在的故障進行分析、診斷，導致機床非計劃停機，大大降低機床的工作效率。

分布式數字控制（DNC）是實現數字化制造系統的基本技術，是現代化機械加工車間的一種運行模式，也是提高制造系統效率的關鍵。它以數控技術、通訊技術、計算機技術和網絡技術等先進技術為基礎，把與制造過程有關的設備（如數控機床等）集成起來，從而實現生產車間制造單元的優化調度，實現CAD/CAM 一體化[2]。由于大部分企業數控系統多屬于異構狀態，因此，研究與應用支持異構數控系統的DNC 技術，建立遠程機床可靠性分析平臺，實現多種異構設備的集成分析，就顯得必不可少和十分重要，也具有較強的推廣應用價值。

1 關鍵技術

DNC 集成系統使整個數字化制造系統實現計劃輸入、任務分配、數控程序管理、工藝信息文件處理等任務的集成控制與管理[2]。所涉及關鍵技術主要包括網絡數控加工的通訊技術、DNC 數據信息監控與采集、異構數控機床的集成管理、生產數據庫管理。

1.1 網絡數控加工的通訊技術

目前，DNC 的接入方式主要包括：多串口卡、多串口服務器、單串口服務器、網卡接入方式、無線通信接入方式[3]；其中最常用的為單串口服務器和網卡接入方式，未來無線通信接入方式會成為發展主流。表1 為網絡數控加工的通訊技術特點和適用范圍。

表1 有網絡數控加工的通訊技術特點和適用范圍

1.2 DNC 數據信息監控與采集

車間設備的自動化控制系統采用“集中監測、分散控制”的模式，依據這一原則，將整個車間生產設備的控制系統分為三個層次，監控層、控制層、設備層。

計算機中央監控系統位于系統的最上層：監控層，主要功能是通過主PLC 將現場的設備狀態參數和運行參數采集上來，以畫面或文本方式顯示，為管理人員提供現場的實時信息，并可將數據存檔記錄，供管理員分析生產工藝參數及確定現場故障的解決方案。DNC 數據信息監控與采集實施方案如圖1 所示。

圖1 DNC 數據信息監控與采集實施方案

1.3 異構數控機床的集成管理

為了將普通意義上的數控系統從加工中心的“孤島”擴展成為制造信息鏈上最為重要的一環，建立面向不同數控系統的通信協議庫，規范異構數控系統的通信接口，屏蔽車間數控系統和數控設備的差異，向制造調度層提供統一的標準開放接口，實現數控設備的集成管理[2]。系統集成硬件結構如圖2 所示。

圖2 基于異構數控的數字化制造系統集成硬件結構

1.4 生產數據庫管理

為了實現制造過程的集成控制管理，需要建立生產數據庫管理系統，主要包括：NC 程序庫，工件庫，刀具信息庫，加工任務庫，設備信息庫等。

建立數字化的生產車間主要功能：實現加工代碼和加工數據的集中管理；實現加工程序的編制、校對、審簽和調用的流程化管理，以及加工程序的版本管理和數控加工代碼的自動傳輸，提高工藝準備的效率和工藝操作的準確性。

2 系統架構

2.1 軟件架構

DNC 軟件部分由生產文檔管理模塊、數控設備通訊模塊組成。DNC 系統軟件架構如圖3 所示，分別完成NC 代碼及生產文檔管理、NC 加工代碼通訊。在生產文檔管理模塊中，有用戶管理、統計、檢索等不同模塊。分別完成用戶權限設置，項目進度、按照零部件號、NC 代碼、工序、生產指令等進行查詢工作。

圖3 DNC 系統軟件架構

架構特點：①數據安全保護：數據完整性、版本的一致性、安全性；②程序代碼管理以及多種類型程序內容管理：數據定位、重用；③工作流程管理及進度管理：暢通的工程變更控制、操作可追溯、提高企業響應速度；④企業知識管理：最大限度利用企業現有資源，避免手工重復錄入和人為錯誤，提高生產力；⑤支持多服務器：采用分布式架構，可以配置獨立的數據庫服務器、用戶管理服務器、工作流服務器、電子倉庫服務器等，均衡負載，提升系統性能。

2.2 網絡架構

網絡的穩定是確保系統順利運行的基礎，考慮到保密的要求網絡結構如圖4 所示，機床網（車間網）和園區網（企業網）通過防火墻隔離，保證機床內網（車間網）的數據安全性。通過防火墻的安全設置、加密鎖及節點授權等技術，實現園區網管理客戶端對機床特定數據的訪問，達到機床網（車間網）的二次加密功能。

圖4 DNC 系統網絡架構

2.3 機床可靠性數據庫開發

在實現異構數控系統機床聯網和基本加工程序管理等模塊后，在此基礎上進行二次開發，實現園區網（企業網）一級服務器和機床網（車間網）二級服務器間機床數據的同步傳輸和分析。

通過接收客戶端的請求向指定的設備添加命令文件，已備其它設備使用。在應用程序之間的數據交換是數據通信的重要問題，在TCP/IP 網絡環境下的應用程序通過Socket 進行網絡通信程序設計和其它客戶機/服務器模式通信應用程序設計過程一樣，客戶端程序發送請求給服務器端，服務器端對客戶的請求作出響應，并產生結果。用戶在客戶端可以隨時的發送指令來監視機床的各部件的狀態，從而能夠及時的監測到機床的工作狀態，減少故障的發生。Socket 客戶/服務器收發數據模式如圖5 所示。

圖5 Socket 客戶/服務器收發數據模式

通過Socket 技術，建立遠程客戶端數據庫同步策略，確定發布訂閱機制。接收客戶自WEB 頁面的請求，向遠程客戶端發出數據采集指令，完成實時數據采集，如圖6 所示。待遠程客戶端采集完成后，啟動數據同步機制，將數據復制到服務器的數據庫中。利用JAVA 和SQL Server 開發工具，采用SSH 架構，開發基于WEB的機床數據庫可靠性分析平臺，通過機床信息管理和數據采集功能，幫助工程師能夠及時了解機床的工作狀況，發現機床潛在的故障，如圖7 所示。

圖6 實時數據采集

圖7 歷史數據查詢分析

3 最終達到的目標

（1）所有設備聯網（包括網絡布線）、遠程通訊、集中管理與控制，實現數控機床的完全網絡化管理，徹底改變以前機床的單機通信方式，全面實現機床的集中管理與控制，實現車間的信息化智能化管理[5]。

（2）建立數控程序庫，實現對數控程序的統一管理，通過完善程序簽署流程、權限管理、版本管理、可追溯性管理，滿足NC程序全生命周期的跟蹤管理。

（3）DNC 系統根據生產訂單選擇下載相應的數控程序到數控設備上，提高機床利用率[5]，減少機床輔助時間，降低操作人員的勞動強度，提高工作舒適性，通過嚴謹的程序管理，進一步提高產品質量。

（4）實現車間機床數據的遠程監控和故障的預測診斷，降低故障發生概率和解決故障的時間，提高機床的使用效率。

4 結束語

DNC 系統的使用，大大提升車間的信息化水平，實現車間的規范化、流程化、集中化的管理，為實現車間數字化、智能化搭建基礎平臺。機床可靠性分析平臺可實現車間數據的共享，不僅降低了生產成本，還為企業管理決策提供輔助，進而提高企業的生產效率與決策準確性。

[1]尚德波.基于網絡的數控車間DNC 信息管理系統研究與開發[D].青島理工大學，2006．

[2]李益芝.網絡DNC 集成環境下的數控加工技術研究[D].武漢理工大學，2009．

[3]李波.基于串口的DNC 信息采集系統的研究[D].南京航空航天大學，2007．

[4]黎向榮.利用CAXA 軟件實現數控機床DNC 通信的設計[J].自動化應用，2014，5．

[5]白萍，周春，張良德.分布式數控系統DNC 在離散制造業的應用[J].CAD/CAM 與制造業信息化，2010．