基于PC的開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)在Intranet中的應(yīng)用

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)以其極大的優(yōu)越性，已經(jīng)成為未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是PC機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，更給其帶來(lái)了無(wú)限生機(jī)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近幾年也取得了極大的發(fā)展，在企業(yè)中Intranet網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張已成必然。在lntranet環(huán)境之下集成多個(gè)開(kāi)放性的自動(dòng)化加工設(shè)備，組成直接計(jì)算機(jī)數(shù)控網(wǎng)絡(luò)，使企業(yè)中的設(shè)備如數(shù)控機(jī)床等具存極大的柔性、可控性和可重組性。這將大大提高企業(yè)適應(yīng)多變市場(chǎng)的能力。

1開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)

    以前由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的落后，通用微處理器的性能很差，不能滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)它的要求，為了提高數(shù)控系統(tǒng)的性能，就只有設(shè)計(jì)專用的計(jì)算機(jī)芯片，比如將插補(bǔ)運(yùn)算直接做在超大規(guī)模集成電路里，這使得各個(gè)數(shù)控廠商都設(shè)計(jì)了專用硬件系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)專用軟件系統(tǒng)。自此以后數(shù)控系統(tǒng)走上了封閉性的道路。

    目前全世界的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)集中在少數(shù)幾個(gè)大的生產(chǎn)商如Fanuc、Siemens、All公司中，它們生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)一般都是封閉的。這使得第三方生產(chǎn)商無(wú)法開(kāi)發(fā)相關(guān)的應(yīng)用；數(shù)控系統(tǒng)中無(wú)法應(yīng)用最新的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)。

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)放性cN12系統(tǒng)越來(lái)越受到矚目。開(kāi)放性的思想早在I987年就由美國(guó)學(xué)者首先提出來(lái)。開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)使用通用的軟、硬件支撐系統(tǒng)，使系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)放。開(kāi)放性使得多個(gè)生產(chǎn)商能提供可復(fù)用的部件，這些部件可以無(wú)縫地組合在一起構(gòu)成高性能低價(jià)格的數(shù)控系統(tǒng)。開(kāi)放CNC系統(tǒng)對(duì)成為世界工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議有完美的支持。當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)一般有兩種形式的開(kāi)放方案。第一種是保持原有的NC內(nèi)核不變，加入PC前端，提供友好的用戶界面等功能。這其實(shí)是一種半開(kāi)放的系統(tǒng)，它是為了保護(hù)原有數(shù)控廠商的利益而提出的折衷方案。第二種是由PC完全控制整個(gè)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)作，采用通用的高性能計(jì)算機(jī)和通用的操作系統(tǒng)。在完全開(kāi)放的軟硬件平臺(tái)上運(yùn)行具有開(kāi)放性特征的數(shù)控系統(tǒng)。這是一種完全開(kāi)放的解決方案。它已經(jīng)成為未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流。

    采用PC作為CNC系統(tǒng)的核心，形成開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)有著極大的優(yōu)越性。第一，可以采用最新的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，由于通用微機(jī)的兼容性，性能更好的PC機(jī)可以換掉舊的PC機(jī)，用作CNC系統(tǒng)的核心。第二，可以極大地城少數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。由于封閉的數(shù)控系統(tǒng)其硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等都是專用的，因而其開(kāi)發(fā)費(fèi)用是極高的，采用開(kāi)放性策略，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)采用通用PC機(jī)，只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口模塊就可以了。PC機(jī)中的Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)提供了極強(qiáng)的性能，還提供了許多強(qiáng)有力的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，如Visual C + + 、lorland C + + Delphi、Visual Basic、JAVA等。利用這些開(kāi)發(fā)工具可以迅速高效地開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的CNC系統(tǒng)軟件，大大降低了軟件開(kāi)發(fā)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)周期。第三，軟硬件價(jià)格均可降低。由于通用微機(jī)、通用操作系統(tǒng)極高的性能價(jià)格比，明顯降低了cN12系統(tǒng)的價(jià)格。第四，有利于加強(qiáng)CNC系統(tǒng)的性能。以往由于運(yùn)算速度的限制，許多數(shù)控功能是由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在這些功能已經(jīng)能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一方面可以增加系統(tǒng)升級(jí)能力，另一方面有些不能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在可以用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。第五，可以大大提高cNc系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和易用性等。由于采用通用PC的軟硬件系統(tǒng)。使得CNC系統(tǒng)的擴(kuò)展、維護(hù)、使用和一個(gè)平常的應(yīng)用程序一樣簡(jiǎn)單。

    計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有了強(qiáng)大的生命力。現(xiàn)在一臺(tái)普通的微機(jī)其運(yùn)算速度可達(dá)500MIPS（每秒執(zhí)行5億條指令），這已經(jīng)達(dá)到了以前中型機(jī)的性能。而且根據(jù)著名的莫爾定律，計(jì)算機(jī)性能每l8個(gè)月提高一倍，而其價(jià)格下降一半。越來(lái)越強(qiáng)大的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使得在這之上開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式CNC系統(tǒng)完全有能力在性能上趕上或超過(guò)專用的系統(tǒng)。

2 Intranet的興起

    Intranet就是內(nèi)部網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)�？梢远�義為：在企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用的Internet網(wǎng)絡(luò)。Intranet是隨著Internet（因特網(wǎng)）的流行而發(fā)展起來(lái)的，它具有]nternet的一切特性。同時(shí)由于它用于企業(yè)內(nèi)部，其安全性、可靠性等都得到了加強(qiáng)。

    lnternet是基于TCP／IP協(xié)議的。由于有了這個(gè)協(xié)議，全球所有的計(jì)算機(jī)都可以用網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)。因此TCP／IP協(xié)議可以說(shuō)是]nternet網(wǎng)的核心。世界各國(guó)都在Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上投人了大量的人力、物力、財(cái)力，使得Internet技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品極多，其性能價(jià)格比也很高。TCP／IP協(xié)議也成為全世界公認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    在企業(yè)內(nèi)部人們一直有聯(lián)網(wǎng)的迫切要求，以使企業(yè)內(nèi)部的信息能自由流通，從而改善管理水平，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。這是cIMS、敏捷制造等思想的一個(gè)重要基礎(chǔ)，而Internet技術(shù)的出現(xiàn)和飛速發(fā)展為企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了極好的機(jī)遇，人們將Internet技術(shù)應(yīng)用到企業(yè)中，形成了Intranet。

    目前Intranet的應(yīng)用主要有：www（環(huán)球網(wǎng)）、FTP（文件傳輸）、E—MAIL（電子郵件）、news（新聞組）、BBS（電子公告板系統(tǒng)）等。這些應(yīng)用適合市場(chǎng)推廣、市場(chǎng)調(diào)查、信息發(fā)布、信件往來(lái)等工作。在Intranet環(huán)境中，大量有用信息可以在企業(yè)內(nèi)部自由流通，各個(gè)管理部門(mén)能夠及時(shí)、高效地得到所需信息，經(jīng)過(guò)分析研究作出決策，這對(duì)提高企業(yè)管理水平有很重要的作用。企業(yè)網(wǎng)同樣對(duì)FMS、CIMS、敏捷制造思想的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。這些思想的一個(gè)重要基礎(chǔ)是良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)信息的自由流動(dòng)。但無(wú)論FMS還是CIMS其成本很高，技術(shù)難度也很大。其中的一個(gè)原因是協(xié)議不統(tǒng)一和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的落后。在八十年代初美國(guó)通用電機(jī)公司（GM）開(kāi)發(fā)了制造自動(dòng)化協(xié)議（MAP），到1988年MAP3．0問(wèn)世。但由于種種原因，MAP協(xié)議并沒(méi)有發(fā)展成為世界性的標(biāo)準(zhǔn)。在企業(yè)中一直有許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存，企業(yè)建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的成本及難度都很大。直到TCP／IP協(xié)議成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以后，這個(gè)問(wèn)題才得到解決。另一個(gè)原因是數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，它使不同廠商生產(chǎn)的機(jī)床系統(tǒng)很難互連，而且第三方也幾乎不可能開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用。開(kāi)放性的思想則完全解決了這個(gè)問(wèn)題。通用軟、硬件平臺(tái)對(duì)TCP／IP有完美的支持：還允許第三方開(kāi)發(fā)，并可以集成到一起。只要是開(kāi)放系統(tǒng)都可能聯(lián)到Intranet網(wǎng)內(nèi)，還可以集成不同廠商的軟、硬件產(chǎn)品，這樣集大量廠商的力量就可以建成高性能、低價(jià)格的自動(dòng)化加工系統(tǒng)。

3 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)在Intranet中的應(yīng)用模式

    將開(kāi)放式數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)看作最小的生產(chǎn)單元，以Intranet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，將多臺(tái)開(kāi)放式自動(dòng)化設(shè)備直接聯(lián)在一起，就構(gòu)成了直接計(jì)算機(jī)數(shù)控網(wǎng)絡(luò)（Direct CNC Networking簡(jiǎn)稱DCN）。它將是未來(lái)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的重要方式。

    DCN是建立在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境Intranet之上的，采用TCP／IP協(xié)議為核心，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境使任何聯(lián)網(wǎng)的兩臺(tái)設(shè)備之問(wèn)均可相互交換信息，這使得網(wǎng)上設(shè)備的管理具有極大的柔性。TCP／IP協(xié)議其實(shí)是一組協(xié)議，它的底層是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，可以采用各種不同的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、令牌總線網(wǎng)、光纖網(wǎng)、ATM等，這些網(wǎng)產(chǎn)品其技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品的性能價(jià)格比很高，用這些新產(chǎn)品組成的Intranet，費(fèi)用相對(duì)低得多。對(duì)于極普通的以太網(wǎng)lOBaae-T來(lái)說(shuō)，它的帶寬可達(dá)10MBPS，即每秒傳送10M 字節(jié)，這樣的帶寬可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。例如一個(gè)復(fù)雜三維曲

面，經(jīng)造型系統(tǒng)生成的NC代碼文件可達(dá)200M，考慮到網(wǎng)上有多個(gè)設(shè)備共存，實(shí)際傳輸速率為1MBPS，則傳輸200M文件僅需200秒，而一臺(tái)高性能數(shù)控機(jī)床加工這個(gè)曲面可能需要幾個(gè)小時(shí)，也就是說(shuō)加工這個(gè)曲面可能需要幾個(gè)小時(shí)，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)闖遠(yuǎn)小于實(shí)際加工時(shí)間。而且現(xiàn)在100M以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，更有帶寬更高的以太網(wǎng)、FDDI、ATM等。TCP（傳輸控制協(xié)議）也提供了完善的可靠性保證，它采用了連接管理、確認(rèn)與超時(shí)重傳機(jī)制、流量控制等技術(shù)。這些技術(shù)有效地保證了可靠性。

    并不是所有設(shè)備都可以進(jìn)人DCN網(wǎng)的，只有具有開(kāi)放性特征的設(shè)備才能高效地聯(lián)到DCN中。開(kāi)放系統(tǒng)采用通用操作系統(tǒng)，對(duì)TCP／IP有完美的支持，僅用很小代價(jià)就可聯(lián)網(wǎng)。開(kāi)放性系統(tǒng)可以提供大量及時(shí)的、有價(jià)值的信息供網(wǎng)絡(luò)中任何一臺(tái)設(shè)備訪問(wèn)，例如機(jī)床的工作狀態(tài)，各種切削參數(shù)，刀具狀況，當(dāng)前工作進(jìn)度等，而網(wǎng)上的管理、控制計(jì)算機(jī)可以隨時(shí)查詢上述信息，利用專家系統(tǒng)、管理系統(tǒng)進(jìn)行判斷運(yùn)算，做出決定，發(fā)出相應(yīng)的指令，而開(kāi)放系統(tǒng)根據(jù)接收到的指夸來(lái)調(diào)整機(jī)床的工作。

    DCN還允許各種CAD／CAPP／CAM 系統(tǒng)的加入．由于大多數(shù)這樣的系統(tǒng)都能支持TCP／IP協(xié)議，一旦這些系統(tǒng)進(jìn)入Intranet，它們的運(yùn)算結(jié)果就可以直接傳送到任何聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)中。因而在DCN環(huán)境中可以方便地將各種開(kāi)放系統(tǒng)集成起來(lái)。

    圖1是一個(gè)由四臺(tái)開(kāi)放數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)和二臺(tái)工作站組成的一個(gè)DCN系統(tǒng)模型。它們用Intranet互連、一臺(tái)工作站上面運(yùn)行CAD／CAM／CAPP等大型軟件系統(tǒng)，叫做輔助計(jì)算機(jī)，它的作用是根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生成數(shù)控代碼。另一臺(tái)工作站上運(yùn)行管理調(diào)度監(jiān)控軟件。稱為控制計(jì)算機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的中心，作用是監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行情況，脅調(diào)系統(tǒng)中其它設(shè)備的運(yùn)行，其它四個(gè)是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，運(yùn)行于PC機(jī)上基于Win．dows平臺(tái)，執(zhí)行加工任務(wù)，向控制計(jì)算機(jī)發(fā)送機(jī)床運(yùn)行信息，并向阿上其它設(shè)備提出某些請(qǐng)求，響應(yīng)控制計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的命令，接收來(lái)自輔助計(jì)算機(jī)的NC代碼，并執(zhí)行之。

    在一個(gè)典型的DCN系統(tǒng)中，其工作流程是這樣的：

    1）CAD／CAM／CAPP中的CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)出產(chǎn)品，CAPP作出工藝流程，CAM 系統(tǒng)生成相應(yīng)的NC代碼。

    

    2）由控制計(jì)算機(jī)分析各數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)工作情況，并指示將相應(yīng)的數(shù)控代碼由輔助計(jì)算機(jī)分別傳送到每臺(tái)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。并指示數(shù)控系統(tǒng)做好準(zhǔn)備工作。

    3）數(shù)控機(jī)床執(zhí)行接收到的NC代碼，并將加工過(guò)程中的機(jī)床狀態(tài)發(fā)送紿控制計(jì)算機(jī)。在加工過(guò)程中碰到異常情況，請(qǐng)求控制計(jì)算機(jī)處理。

    4）加工結(jié)束后，數(shù)控系統(tǒng)向控制計(jì)算機(jī)發(fā)出加工結(jié)束信號(hào)，并請(qǐng)求新的加工任務(wù)。

    5）全部加工結(jié)束后，控制計(jì)算機(jī)通知各系統(tǒng)停止工作，進(jìn)行相應(yīng)的后處理。

    在這些過(guò)程中，2）、3）、4）是可重復(fù)的，因?yàn)槊颗_(tái)機(jī)床系統(tǒng)可能都需接受多個(gè)NC代碼文件，執(zhí)行多個(gè)加工任務(wù)。它可將NC代碼文件存于硬盤(pán)上，在加工時(shí)調(diào)用，也可以在加工時(shí)直接從網(wǎng)上傳送過(guò)來(lái)在系統(tǒng)中采用客戶端／服務(wù)器的計(jì)算結(jié)構(gòu)，控制計(jì)算機(jī)作為客戶端，輔助計(jì)算機(jī)和四個(gè)數(shù)控系統(tǒng)作為服務(wù)器，服務(wù)器接收來(lái)自客戶端的請(qǐng)求，作出相應(yīng)的響應(yīng)，并把運(yùn)行結(jié)果返回給客戶端。實(shí)際上一旦建立連接以后，雙方都可以相互傳送或接受請(qǐng)求，網(wǎng)上任兩臺(tái)設(shè)備之間的信息傳輸都是雙向的，因而它們實(shí)際上互為客戶端／服務(wù)器。

    系統(tǒng)中每臺(tái)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)都是一個(gè)自治系統(tǒng)。它可以自動(dòng)執(zhí)行一些命令，對(duì)加工中的各種情況能夠作出相應(yīng)的處理。特別是一些緊急情況，如撞刀，它需要系統(tǒng)在幾毫秒內(nèi)作出反應(yīng)，數(shù)控系統(tǒng)可以自動(dòng)地作出應(yīng)急處理，而在網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)是不可能在這么快的時(shí)間內(nèi)相互傳送信息并作出相關(guān)處理的。數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)地處理緊急情況，控制計(jì)算機(jī)處理不太緊急的事件。網(wǎng)上傳輸?shù)男畔⑹敲�令�?jí)的，如下載NC代碼，傳輸加工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控等。這樣方面保證了可靠性、安全性，還減少了阿上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在一個(gè)企業(yè)中可以有多個(gè)DCN系統(tǒng)。這些系統(tǒng)經(jīng)過(guò)Intranet聯(lián)在一起，和企業(yè)中的MRPⅡ系統(tǒng)、MIs系統(tǒng)等形成一個(gè)整體，如圖2所示。這些管理系統(tǒng)可以從DCN系統(tǒng)中的控制計(jì)算機(jī)中得到相關(guān)信息，也可以直接從開(kāi)放式機(jī)床系統(tǒng)中得到更詳細(xì)的信息。在這樣的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中，DCN系統(tǒng)和其它的管理系統(tǒng)可以無(wú)縫地聯(lián)在一起，并可以提供充分的有用信息供使用，從而有效提高管理水平。

    DCN系統(tǒng)由于建立在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)之上，因而其硬件的費(fèi)用低，而且由于使用通用操作系統(tǒng)，它們都支持TCP／IP協(xié)議，因而軟件的支持環(huán)境也極易建立 這些都無(wú)需重新開(kāi)發(fā)，所需開(kāi)發(fā)的軟件只有系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)硬件水平低、長(zhǎng)于開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的中國(guó)人來(lái)說(shuō)是一個(gè)極好的選擇，開(kāi)發(fā)費(fèi)用也會(huì)大大降低。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)均可以提供大量的機(jī)床內(nèi)部運(yùn)行信息，供阿上計(jì)算機(jī)使用，這可以大大提高管理水平。Intranet網(wǎng)在企業(yè)中的一個(gè)整體，還和Internet聯(lián)在一起。只要是聯(lián)在Intranet或Intrernet上的設(shè)備都可以組在一起，形成DCN系統(tǒng)，它消除了地理上的限制，不同車(chē)間、甚至不同工廠的設(shè)備可以組成DCN，這給敏捷制造提供了很好的條件。DCN的可重組性也是很好，當(dāng)一個(gè)DCN系統(tǒng)完成一個(gè)加工任務(wù)后．其中的設(shè)備可以馬上重新組成新的系統(tǒng)，去完成新的任務(wù)，這不需要物理上的重組，只需在相應(yīng)的控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)程序，信息就可以在新的I）CN系統(tǒng)內(nèi)有序流動(dòng)。

    利用開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)和Intranet組成的DCN系統(tǒng)具有硬件成本低、軟件開(kāi)發(fā)費(fèi)用步、性能好、柔性高、可重組性好等優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)實(shí)現(xiàn)敏捷制造的思想有很高的使用價(jià)值．在企業(yè)響應(yīng)快速多變的市場(chǎng)方面，將發(fā)揮重要作用。