数控机床 DNC网络监控技术的发展

数控机床 DNC网络监控技术的发展
（北京机床所精密机电公司，北京100102）
摘要：本文介绍了国内数控机床网络监控技术的发展历程，指出传统DNC技术需要通过增加数据采集和交换等功能发展成为车间综合数据交换平台才能满足信息时代车间集成管理的需要。文中介绍了多功能型的JCSDNC软件的主要特点与功能，并提出了在选择DNC软件时的参考意见。
关键词：DNC网络  机床监控  车间管理  数据采集  程序管理
  
1．  早期的机床DNC网络监控技术
1．1  1980年的DNC国际标准
1980年颁布的ISO2806对DNC定义为“Direct  Numerical Control（直接数控）”，其含义为：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。
  在这里DNC的内涵包括两个主要的内容：
（1）  实现程序集中管理
早期（~2002年）的程序管理基本采用文件夹管理方式，按照一定的规则将数控机床的程序来源与指定的文件夹相对应。文件夹可进一步细分为上传（机床到计算机）和下传（计算机到机床）目录，并可以按需要将某一部分机床与某特定的文件目录相对应。
（2）  实现程序传输
程序传输解决程序库与机床间的加工程序、机床参数和刀具参数的双向通讯。
1．2  国内对DNC的应用
（1）  单机通讯
单机通讯技术主要实现程序传输和在线加工。实现的传输手段主要有纸带和串口传输两类。
a) 程序传输
早期DNC的主要功能就是将数控程序传到机床或接收机床传出来的程序，可以节约大量的在机编程、输入程序代码的时间。
b) 在线加工
在线加工（DNC或REMOTE）是边传程序边加工的工作方式（老式数控机床上也称为纸带（Tape）工作方式），用来解决数控机床CNC存储容量不足的问题。这种工作方式在复杂型面长程序加工中应用普遍。
（2）网络通讯
  上世纪80年代中后期的数控系统逐渐把RS232接口作为标准配置的程序输入输出接口，并且数控机床在国内的使用越来越普遍。因此90年代初期逐渐出现了数控机床DNC网络实现程序的集中管理和通讯，开始起到减少程序准备时间、从而压缩数控设备非有效工作时间的作用。
1．3  国内DNC技术的发展历程
（1）  解决纸带传输的问题
a)  内装式纸带阅读机的改造
在数控程序传输技术的发展过程中出现了BTR（Behind Tape Reader）技术，利用计算机模拟纸带机的工作方式来解决纸带长度有限、易损坏的问题。
内装式纸带阅读机一般通过并行数据总线直接与数控系统相联。早期的BTR通过计算机的并口来模拟纸带机，与数控系统间的控制信号时序采用软件延时来实现。这种方式在早期的286/386PC时代有较好的应用，主要缺点是并口数据线短（2~3米），计算机必须紧靠数控系统，并且容易造成错码。
1994年北京机床研究所开发了采用单片机的BTR接口板，实现了计算机串口到数控总线并口的数据转换（因此也常称为串并转换卡，图一）。接口板与计算机的串口连接，以4800bpm的波特率从计算机读取NC程序，将接收到的串行数据转换成并行信号传输到数控系统总线上。由于采用了串行传输，数据线允许数十米或更长，避免早期BTR接口数据线短，出错几率高的缺点。
b)  串口纸带机的改造
便携式纸带阅读机一般采用RS232串口与数控系统程序输入接口联接。随着计算机技术的发展，逐渐出现了一些称为数控程序服务器的单机通讯产品。
● 单机通讯软件：安装在PC或笔记本电脑上的单机通讯软件，实现一对一的程序通讯。DOS环境下最著名的是NCMS（数控机床管理系统），已具有当代NC管理系统的基本功能。WINDOS环境下的DNCLink等软件现在仍有很多应用。
● 程序磁盘机：磁盘机是一个简化了的计算机（图2），内部安装了DOS系统和通讯软件。硬件由计算机主板、软驱、数码（或液晶）显示器和按键等组成。早期主要采用廉价的淘汰的286/386主板来实现，现在市面上也有采用PC104、或其它386/486半长卡的方式制造的磁盘机。
● 程序服务器：磁盘机给用户传输程序带来了方便，但是软盘、软驱的使用受到粉尘、潮湿等较恶劣的车间环境的影响，有较大的故障率。因此，出现了采用非易失性RAM作为存储介质的程序服务器MDNC02（图3）。数据容量最高为4兆字节，程序容量为63个。由于采用了非易失性RAM，数据可以长期保存（10年），避免了机械读写装置的故障，可以适合恶劣环境中的应用。
（2）  实现网络传输
在90年代初期由北京机床研究所的火花技术中心开发了最早的DNC网络传输系统。该系统采用了广播的方式对联网机床进行程序发送——哪台机床处于接收状态，哪台机床就可以收到程序，需要在计算机和机床两端做相应的操作才能实现程序传输。
这一时期的软件主要工作在DOS系统下，还不能实现多机同时通讯。硬件上基本采用自行开发的一对多的串口分配器，有的甚至采用波段开关之类的切换装置。
2．  最近的机床DNC网络监控技术
90年代国内处在863/CIMS时代，设在北京机床研究所的国家863/CIMS柔性制造工程实验室等单位开展了对底层自动化的研究，其中就包括DNC网络技术，推出了JCSDNC数控车间（工段）集成管理系统软件。进入21世纪后，机械制造业开始了大量使用数控机床进行生产的时代，越来越多工厂开始认识并采用DNC技术。国内很多单位也相继开发出DNC软件，国外的DNC软件也进入了国内市场，DNC技术与市场呈现一派繁荣的景象。
2．1 1994年的DNC国际标准
1994年颁布的ISO2806对DNC定义为“Distributed Numerical Control（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。
  DNC技术在不断发展，已经从单纯的程序数字传输发展为生产环境中底层数据的交换，更多容入了管理数据。
2．2 生产环境中的数据
  构成车间生产环境的基本组成包括机床设备、检测设备、程序数据库、刀具系统和生产管理系统。车间正常生产所需要的数据包括CNC类数据、机床状态数据、生产指令类数据、现场工况数据（任务进度、设备利用率等）。
2．3 信息时代对DNC技术的新要求
我国正在从制造大国向制造强国转变，制造业信息化是重中之重。我国将制造业信息化归结为五个数字化：设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化。其中生产过程数字化技术主要实现生产过程控制的自动化和智能化，提高企业生产过程自动化水平。在车间采用DNC网络技术是实现生产过程数字化的主要手段之一。
信息时代对DNC技术的要求除了在数控设备和程序管理系统之间双向传送NC程序、刀具补偿文件、数控系统参数外，生产管理系统的正常运行还需要实现生产任务的下发、设备状态、任务完工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。
DNC技术在不断发展，仅满足程序传输和数据管理功能的DNC已经成为传统意义上的DNC软件。需要在传统的DNC软件的基础上增加数控程序的数据库管理、程序流程管理、车间工况信息的采集以及信息查询等功能，将他们发展成为新一代的DNC网络才能满足当今车间环境中信息交换的需要。
3．DNC应用的几种主要模式
  用数控机床组织生产的几种主要模式有数控车间（工段）、柔性生产线、可重构制造系统等。无论是那种方式都需要DNC系统来交换生产现场的数据，只是对数据类型、实时性有不同的要求而已，因此在DNC技术的具体应用中主要有下面两种类型。
3．1 程序管理与通讯监控型
  主要实现程序的远程传输、在线加工和程序的数据库与流程管理。给企业带来的好处是压缩了程序传输（准备）时间、提高机床的有效利用率和程序管理的规范性。
3．2 生产车间综合数据交换型
随着信息技术的发展，MRP/ERP/MES在企业的应用越来越多。如何加强车间管理尤其是制造过程的管理，让下达的管理指令能够有正确的实时的反馈？新一代的DNC技术正是起着这么一个承上启下作用的实现车间信息集成管理的综合数据交换平台。
4．典型DNC软件介绍
JCSDNC是满足信息集成需要的新一代的DNC网络，能够方便地实现与车间生产管理系统、刀具管理系统和CAM系统的集成（如图4所示）。采用JCSDNC进行数控机床的联网，可以构建车间生产现场的综合数据交换平台。JCSDNC综合数据交互平台采用RS232/485、Ethernet联接车间的数控设备，通过以太网与CAD/CAM、刀具管理系统、生产管理系统联接。“车间综合数据交换平台（JCSDNC）”在传统的DNC通讯网络上增加了设备状态采集、车间工况数据采集和生产数据交换功能。其数据采集软件、工况数据采集器可以最大程度地采集满足生产管理所需的工况数据，实现生产、管理所需的数据、工夹具装备等资源信息的共享。
4．1特点
（1）具备传统DNC软件的优点
JCSDNC完全满足不同年代、不同品牌控制系统联网的需要，联机数量可方便地扩展至256台。采用串口/以太网服务器将具有RS232/422/485接口的数控设备直接联接到车间局域网上。支持采用TCP/IP标准具有Ethernet接口功能的数控设备。车间内联网设备增加后只需要简单地扩展局域网节点数就能很方便地将新增设备联网。
JCSDNC具有全中文的操作界面，便于软件系统的端口参数配置、程序管理、传输状态监视、历史记录的查询。具有远程调用和信息查询功能，使得生产中所需要的加工程序、刀具参数的传输只需要在机床侧操作就能完成。并且可以在机床侧完成传输履历的查询，以便了解传输是否正确。支持多机床同时进行DNC加工，实现断点续传。
JCSDNC具有程序数据库模块和程序流程管理功能。数控程序存放在数据库中，方便程序与零件号、工序号（工艺文件）、编程人员信息等关联管理。程序状态的任何改变将进入数据库记录在日志中，便于追溯，实现了程序的生命周期管理。
（2）具有丰富的数据采集功能
其数据采集软件、工况数据采集器可以最大程度地采集满足生产管理所需的工况数据，实现生产、管理所需的数据、工夹具装备等资源信息的共享。
（3）具有作业安排与安全的数控程序保密措施
JCSDNC设计有作业调度模块，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。
（4）集成性好
DNC与生产管理软件的集成是必然的趋势。JCSDNC是自有版权自主开发的软件，可以根据用户的特殊需要进行定制，不需要为将来是否能集成而担心。
4.2 联网方案
设备联网时采用单串口或多串口服务器将串行接口直接转换成以太网口，实现任意数控设备与以太网的联接，在企业局域网内的任意一台计算机都可以直接控制该网络的任意一台机床。采用单串口实现机床网络监控的结构如图5所示。
4.3 JCSDNC软件的功能模块和使用环境
JCSDNC软件的功能模块包括：
（1）NCBase——实现数控程序与关联文件的数具库管理与程序流程管理
（2）PowerDNC——  DNC网络服务器模块，实现设备分组、参数设置、网络动态监控和用户管理
（3）PowerDA——机床通讯监控和车间数据采集、信息查询功能模块
（4）PowerSFC——车间作业管理，将数控作业任务安排到指定的机床设备，机床按调度的安排作业
（5）PowerEdit——数控程序编辑器，实现数控程序编辑、比较、刀具轨迹仿真
（6）PowerStat——生产效率统计模块，完成产量、机床利用率图与报表统计功能
所需要的使用环境如下：
（1）操作系统：WINDOWS2000/XP/NT
（2）计算机：P4 2.4G/HDD80G /256M/17”LCD/10-100M网卡以上配置
4.4 典型功能模块说明
（1） NCBase数控程序库与程序流程管理
a) 数控程序库  
可以对程序号、图号、零件代号、机床、用户名称、更改日期等信息进行管理，甚至包括程序注释、刀具清单、零件图片等。可以方便地实现对程序的信息查询、管理与调用。该模块的应用使得用户建立起一个小型的产品文件数据库PDM（Product Document Data Management）。
b) 数控程序流程管理
● 程序的四个状态
[$#61550]  编辑——程序分处各编程软件指定的文件夹中，由程序员加载至NCBASE。  
[$#61550]  试切——处在试切验证阶段的程序
[$#61550]  锁定——试切无误从机床回传到计算机中的程序
[$#61550]  定型——审核定型归档的程序
● 程序流程管理
编程人员（有编辑修改的权限）编好的程序在完成修改、仿真校验等工作后加载入NCBASE数据库试切验证区，同时填表完成NC程序关联信息的输入，此时程序处于编辑状态。
经编程主管（有解锁的权限）审核同意后，将程序改成调试状态，此后可发送到机床试切，也可以从机床的控制面板上远程调用程序。
试切验证和调试无错误的程序经程序主管的同意后发回到NCBASE数据库的锁定区，此时程序状态为锁定。
经过技术主管（有批准的权限）审核无误后，正式进入数据库定型归档，程序变成只读属性，以后不能再修改了（只有个别有权限的人可改）。整个程序生命周期类的管理流程如图6所示。
（2）PowerDA机床通讯监控模块和工况数据采集功能
a）机床通讯监控模块
这是JCSDNC的核心模块，用于实现程序、参数传输、工况数据采集、远程查询等。该模块安装在DNC主机上，根据联网机床的数量配置。
b）工况数据采集功能　
PowerDA工况数据采集功能模块安装在DNC主机上，根据联网机床的数量配置。JCSDNC具有多种数据采集方法，全面解决车间环境中的数控与非数控加工设备、检测、装配设备的工况数据采集。
● 宏功能自动采集
利用PowerEdit 的NC程序宏功能后置处理技术将数控程序处理成能够实现工况数据采集的程序，能解决量大面广的FANUC系列数控设备的数据采集。
实现下列数据的采集：当前程序名（零件名称）、加工开始时间、加工结束时间、主轴转速、进给速度、当前刀具号…
● 状态程序及时汇报工况
在加工程序运行前和加工程序运行结束后分别将代表“加工开始”和“加工结束”的汇报程序发送给DNC系统主机。此方法适合于所有串口工作正常的数控设备的信息采集。
实现下列数据的采集：当前程序名（零件名称）、加工开始时间、加工结束时间…
● 工况数据采集器详尽快速采集
    工况数据采集器（图7）是一种安装在数控机床上的现场数据终端。全字符键盘，液晶显示。实现机床侧的程序传送请求和通讯状态监视、现场数据的采集汇报功能。
工况数据采集器具有统一的操作界面、操作简单，适用于所有的数控设备和非数控设备（包括生产现场的检测设备等）。
工况数据采集器实现人工采集和汇报生产现场数据（99种自定义功能，可以根据需要自行约定）。
工况数据采集器完成下列数据的采集：当前加工零件号、设备状态（加工中、空闲、故障）、刀具准备情况、质量检查结果、任务完成情况…  
  
5．DNC选型时要注意的几个问题
  市场上能够提供的DNC软件有很多种，可以分为传统型和现代多功能型。传统型的DNC软件只实现程序传输和程序管理，现代多功能型增加了程序数据库管理和流程管理、以及生产现场数据采集、信息查询等多种功能，具备与企业现有的各种管理软件集成的基础。因此企业在选用DNC软件上应根据自己的明确需要作出判断。在这里给出一些基本意见仅供参考。
5．  1 关注DNC的主要功能
DNC的主要功能是程序数据传输和程序管理，能够实现DNC在线加工、断点续传和子程序嵌套功能的软件就基本满足通讯的需要。其他如编辑、轨迹模拟之类的属于辅助功能，在企业的CAM软件中就具备，不应被一些花哨的辅助功能所吸引。
5．2 考虑管理系统的信息集成
没有反馈的生产管理系统是个开环的指挥系统。国内DNC技术的发展已经可以为MES之类的车间管理软件提供现场工况数据的采集和汇报，以及做二次开发。国外软件大多不具备数据采集功能或是不能适应我国生产车间的特点（多品牌数控系统、新旧程度差距大、功能差异大）；并且采用代理制销售的软件商到国内来为系统集成而做二次开发的可能性很小。因此，在选用DNC系统时应充分考虑与现有的PDM/MES、刀具管理系统等其它系统的兼容性和数据接口，以避免信息化孤岛。
5．3 数据与软件的安全性
  考虑数据安全性。有些特殊行业需要数控程序有足够的安全保密性，因此在采用数据库管理程序的基础上，采用数控作业安排的方式可以进一步提高程序的安全保密性，实现有条件的信息共享，而不是自由地从机床侧随意调取程序。
考虑软件注册方式。一般来说，国外软件是根据机器号生成序列号方式，只能在一台计算机上安装，且硬盘不能进行格式化，否则序列号作废，而向国外软件厂商申请新的序列号则是非常复杂的过程，而且申请次数不能超过3次。国内软件一般都采用软件加密狗方式，软件可随意安装，真正实现软件的浮动式安装。

它比ＣＩＭＣＯ如何？

一个可以看到机床运行状态的DNC软件!

DNC

DNC1

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DNC3

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DNC6

DNC7