设想DNC系统机床的生产车间及总体方案和特点结构

0 引言

传统的 D N C 网络 “D i r ect N um er i cal C ont r ol ( 直接数控) ”其含义 ( I SO 2806: 1980) 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。

1994 年颁布的新的 D N C 国际标准 I SO 2806 对 D N C 定义为 “D i st r i but ed N um er i cal C ont r ol ( 分布式数控) ” , 其含义为: 在生产管理计算机和多个数控系统之间分配数据的分级系统。

传统意义上的 D N C 软件仅实现程序的传输和管理。而新一代的 D N C 软件增加了生产类数据交换和工况数据的采集功能, 使 D N C 网络发展成为车间数据交换平台。

近年来随着计算机网络和通信技术的飞速发展, 将生产车间分散的数控机床与计算机网络构成分布式数控系统 D N C ,已成为现代企业继 C I M S 系统联网集成后进一步实现生产过程自动化的关键技术之一。

先进的加工方法, 落后的管理手段极大地影响了数控机床效率的发挥。D N C 的实施能明显改善车间的生产组织与管理,提高数控机床利用率。它侧重于信息流的集成, 具有投资小、见效快、可进行人机交互并具有较好柔性的特点, 已被看作是现代生产车间自动化的一种简易、切实可行的重要方式, 特别适合在我国企业推广使用。

1 基于 D N C 联网的生产车间信息集成总体方案

随着网络技术的发展, 车间局域网的建立已非常现实可行。基于 C I M S 的生产车间网络配置如图 1 所示。

图中 D N C 主机的主要任务是负责与数控机床的通讯控制, 通讯管理以及数控机床的状态信息采集。产品设计、工艺设计、 N C 程序生成、生产调度和其他信息的管理则由 C I M S 计算机和车间服务器完成。从地域看这些工作集中在车间的技术办公室进行。所有工作站和数据库都挂在车间局域网上, 可方便地通过网络交换各种制造信息。

总之, 集成系统贯串产品设计和制造的全过程, 较好地连接了散布于产品设计、制造领域的计算机应用的“自动化孤岛” , 在计算机中形成一个统一的协调的信息流, 加速了设计到制造的进程。

D N C 系统具有以下功能:

系统与用户管理、 D N C 资源与配置管理、 N C 程序编辑和比较、 N C 程序管理、 N C 程序传输( N C 程序双向交互式传输、N C 程序自动远程调用) 、机床工况信息采集、外部系统 ( 如: 生产调度和管理、刀具准备与管理、工具工装集约管理、零件毛坯管理等等) 关联接口。

⑴ 系统与用户管理

系统与用户管理是 D N C 系统所必需的。它定义用户权限,包括权限的添加、修改、删除与查询。此外, 还有系统登录、数据流向的日志管理、数据库断开以后的重新连接、用户的重新登录等功能。

⑵ D N C 资源与配置管理

包括对车间 D N C 系统内设备资源信息的管理, 并对 D N C单元内的设备进行动态配置, 以便适应 D N C 单元内数控设备的增减与调整的需要。

⑶ N C 程序编辑和比较

N C 程序编辑主要实现对 N C 程序的输入、编辑、修改、查看等功能, 以便工艺人员能对自动编程生成的 N C 程序进行局部修改或临时用手工编制简单 N C 程序。

N C 程序比较是指传输前后或不同版本 N C 程序的比较,目的是防止 N C 程序的错误使用, 并提供不同版本 N C 程序的差异以备查看。

⑷ N C 程序管理

主要包括 N C 程序库的维护、 N C 程序的版本管理、 N C 程序与机床参数文件的管理、 N C 程序与机床参数文件入库管理、N C 程序与机床参数文件出库管理、入出库操作日志管理、 N C程序的查询与打印等。

⑸ N C 程序的传输

① N C 程序双向交互式传输。

N C 程序双向交互式传输是指利用 R S-232C 接口实现数控设备与 D N C 计算机之间的连接, 在数控机床端操作人员和D N C 计算机端操作人员的相互协调下, 实现 N C 程序或机床参数文件的上传与下载。下载的 N C 程序可以来自于 N C 程序服务器, 也可以来自于 D N C 计算机以普通文件形式存放的 N C程序。

这种方式要求数控机床端和 D N C 计算机端都有人值守,因此, 通常用于数控机床与 N C 程序服务器之间距离比较近的场合。这种方法是一种最笨拙的方法,一般不采用。

② N C 程序自动远程调用。

N C 程序远程调用是指用户在数控机床端通过向远程的N C 程序服务器发送指令调用 N C 程序服务器中所需的 N C 加工程序、刀具参数等。可在机床侧查询传输履历, 以便了解传输是否正确。

这种方法不要求 N C 程序服务器端有人值守, 因此, 可用于数控机床与 N C 程序服务器之间距离比较远的场合。

⑹ 日志记录和查询

提供对用户登录、数据流向、程序操作的自动纪录和查询功能。

⑺ 机床工况信息实时采集

机床工况信息采集是指利用数控系统本身提供的信息获取功能、 O PC 技术、设备电气信号检测技术等对数控设备的启动、运转、停止等状态信息及其他相关信息进行实时采集与反馈, 最大程度地采集满足生产管理所需的工况数据, 使管理人员能及时了解车间生产现场的加工情况与设备状态。采集数控机床工况信息, 用于实现数控机床的自动实时监控。

数控机床运行、加工状况信息上传到办公室, 达到人不在现场, 就能了解机床的详细加工情况的效果。

数控机床的动态实时信息很多, 以下是设想其中需采集的信息。

① 机床零件加工状况:已加工完的零件、正在加工的零件。

② 机床状态: 机床开启、机床关机、机床空闲、机床运行故障、机床加工故障、机床正在运行。

③ 机床加工参数: 当前加工程序名 ( 零件名称) 、加工开始、空闲、结束时间、零件实时加工时间 ( N C 程序估计的运行时间( % ) ) 、实际的进给速度 ( 进给量、主轴转速) 、动态刀具轨迹。

④ N C 程序数据: 参数、刀具号、刀具偏置量、用户宏变量、工作原点偏移、设定值、 P 代码宏变量、螺补数据、 N C 程序进给速度 ( 进给量、主轴转速) 。

⑤ 与控制轴和主轴相关的 N C D A TA : 相对位置、绝对位置、机械位置、剩余移动量、实际进给速度。

⑥ 其它: 伺服和主轴相关数据、波形诊断数据、模态数据、诊断数据、 A / D 转换参数、报警信息、系统识别信息。

⑦ 通信状态: 正在上传、正在下传、空闲、故障、未联机。

⑻ 外部系统关联接口

外部系统关联接口是指D N C 系统与C A D / C A PP/ C A M / PD M 、ER P 等外部系统的接口。包括把由 C A M 、 C A PP 系统产生的N C 程序导入到 N C 程序管理系统、把 D N C 系统产生的有关数据输出到外部系统等。与本文所述 D N C 系统有直接关联的外部系统有:

① 刀具准备与管理系统。

提供库存刀具信息的即时查询, 使编程人员在编程过程中能够及时获得刀具的库存情况, 根据现有条件设计工艺路线;对必须但不具备的条件及时反馈并提出采购建议。

刀具管理人员可根据由 N C 程序一同生成的刀具清单和刀具数据 ( 俗称: 刀调卡) , 配置好所需的刀具, 并行完成生产准备工作。

对刀具管理系统的具体要求如下:

刀具库存情况 ( 刀具入库、出库、报损、修磨、查询、统计、订货、 ) 。

刀具基本信息 ( 刀具几何信息、位置信息、组合方式、加工工艺等) 。

开发与 C A PP 的接口, 自动获得刀具需求信息。

接收来自 N C 编程人员产生的刀具准备任务单 ( 刀调卡) ,自动生成领用清单。

根据刀具库存和使用情况, 自动产生刀具采购任务单。

② 生产调度和管理系统。

一个零部件 ( 如: 转子、汽缸等) 的加工有时需要多台机床联合加工才能最终完成。为提高数控机床的使用率, 完备合理的生产调度系统是必不可少的。

生产调度和管理系统的正常运行, 需要实现生产任务的下发、设备状态、任务完工 ( 借助机床工况信息实时采集) 等生产现场的数据采集, 为车间生产管理系统的正常运行提供反馈。它由具有权限的管理者安排作业所需要的数控程序到指定机床的程序传输准备区。从机床侧只能获得必要的加工程序信息, 而不能随意地获取数据库中的程序, 因此减少了程序泄密的漏洞。

调度人员可以对加工任务队列作任务启动、暂停和顺序调整等作业安排。

③ 其它关联系统。

D N C 系统要顺利运行, 需要来自多方面的配合, 如工具工装集约管理、零件毛坯管理等等, 它关系到整个 C I M S 系统的完整性。

2 联网方案

现有串口机床基本上都是老式、落后的机床, 网口机床则是最近两年引进的新式机床。

对串口机床可采用串口 /以太网服务器将具有R S232/ 422/ 485接口的数控设备直接联接到车间局域网上。也可以采用直接工业总线 ( 如: Pr of i B U S) 控制, 然后经过协议转换的方法接到车间局域网上。这两种方法各有利弊。

采用支持 TC P/ I P 标准具有 Et her net网络接口功能的数控设备。

3 生产车间 D N C 通讯特点

D N C 通讯系统分为上、下两层, 上层为 D N C 主机与上层控制计算机通讯, 属计算机与计算机间通讯, 而下层为 D N C 与数控系统通讯。相比而言, 下层要复杂得多, 主要表现在:⑴ 通讯接口繁杂, 通讯功能不一。

由于历史原因生产车间往往同时拥有多种数控系统, 因生产年代和生产国家、厂家不同, 存在着多种档次和型号, 造成了通讯接口繁杂。

常见的通讯接口有: ①标准串行数据通讯接口, 如R S-232C、 R S422、 R S485 等, 其代表数控系统有 Si em ens802D 、Si em ens802S、 Si em ens810M 和 Si em ens810T 等。②通讯功能强的网络接口常见的数控系统有, Si em ens810D 和Si em ens840D等。要实现 D N C 集成必须根据用户对通讯功能的要求, 解决D N C 主机与这些通讯接口的转换问题。不同数控系统可能具有不同的通讯协议。目前 , 数控系统通讯协议主要有X O N / X O FF 协议和 R TS/ C TS 协议及 TC P/ I P 协议。必须针对不同的数控系统和通讯协议编制不同的通讯软件。

⑵ 数控机床布局分散, 联网时必须解决长距离信号传输问题, 同时加工车间动力设备比较多, 产生的干扰比较强, 而且频带也比较宽, 因而通讯系统应具有很强的抗干扰能力。

⑶ 当机床与中央机房比较远时, 由于机床操作人员与机房管理人员联系不方便, 还需考虑在远地加工区设置必要的

D N C 数据终端或智能接口。

⑷ 对于复杂零件加工, 当 N C 程序较大时, 不能一次送入机床, 这时必须满足边加工边传递 N C 程序的实时性要求。

⑸ 不同单位对 D N C 功能需求差异较大。D N C 功能按需求可分为下传 N C 程序、双向传输 N C 程序, 以及不但能双向传输 N C 程序还具有系统状态采集和远程控制等三类。而异构数控的 D N C 集成中, 用户可能根据机床接口及可扩展情况希望几种类型并存, 以充分发挥机床潜力。

4 系统体系结构

H TC -D N C 系统是一个面向车间的网络化信息系统, 采用客户 /服务器 ( C / S) 体系结构。当然, 采用浏览器 /服务器 ( B / S)结构在实际运用中更为方便。

服务器端配置数据库、 N C 程序库和 N C 程序远程调用服务模块, 客户机可根据需要配置其它各个应用功能模块。数控机床作为一种特殊的客户端, 软件需要直接与服务器通信, 调用服务器 N C 程序库中的 N C 程序。在特殊情况下, 客户机也可直接与 N C 机床进行通信与传输 N C 程序。H TC -D N C 系统的体系结构如图 2 所示。

虽然客户机与服务器在逻辑上分成二部分, 但在必要时可以合并在一台计算机上。这样, 可以少占用计算机资源。但一般情况下, 为了系统的安全性和可靠性, 客户机与服务器应配置在不同的计算机上。

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