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網絡數控系統組成及硬件設計

更新時間:2015-12-25 16:51:20點擊次數:1163次

網絡數控以Internet技術、通訊技術、數控技術和計算機技術為技術,遠程設計、數控編程和數控加工集成在一起,實現了數控系統等數控設備的網絡化和集成化,已成為數控系統發展的必然趨勢。

網絡化的角度分析網絡數控系統的組成,其包含2個方面:內部網絡和外部網絡。

一、內部網絡

內部網絡是指數控系統內CNC單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等單元以現場總線網絡連接。

二、外部網絡

外部網絡是指數控系統通過Internet與系統外的其他控制系統或外部上位計算機以網絡連接。通過網絡對設備進行遠程控制和無人化操作遠程加工程序傳輸、遠程診斷和遠程維修服務、技術服務,并實現資源共享。

1 支持多操作系統的工作平臺

網絡數控系統是一種支持全球制造的資源,其最基本的要求是能夠支持跨平臺操作。利用Java提供的功能實現硬件和操作系統的無關性,可以構建開放式控制平臺。Java語言比c和c++語言的可靠性高,尤其適合網絡自動化,它使得通過網絡實現遠程診斷、遠程服務遠程監控、遠程加工變得更加容易,因此美國、日本、歐洲等國都在積極研究基于Java語言的網絡數控系統。但是,Java并不能完全滿足需求。它存在著2個方面的缺陷:

(1)內存的動態管理。Java為用戶自動清除內存中已經不使用的內存空間,使得GC算法的不確定性與實時計算相矛盾;

(2)不能對底層內存硬件訪問。用戶一旦直接訪問底層設備,勢必破壞Java的跨平臺特性。

目前,通常是將操作平臺體系結構中融入Browser/Server體系結構(B/S體系結構),這也是和傳統數控系統的重要區別。為了實現在異構環境下的可移植性,即監控計算機和網關采用不同的操作系統時,網絡數控系統應該不需要修改軟件系統,網關提供給監控計算機的訪問接口以Web的方式實現:從現場獲得的數據經網關通過Web服務器以HTML頁面的形式提供給監控計算機;監控計算機以瀏覽器作為訪問的客戶端工具實現交互過程,加工指令或程序以HTTP 消息的形式通過Web服務器經網關傳送至現場節點,實現對數控機床的控制。

2 網絡數控系統的網絡通信功能

網絡數控技術的關鍵問題在于研究數控系統的網絡通信功能。為了共享計算機網絡的資源,就需要實現不同數控系統中各實體間的通信。這里的實體包括計算機終端和各種網絡數控系統及其它相關設備等。為了實現不同制造廠商通信網絡設備的兼容,并為計算機網絡標準的開發提供一個框架。國際標準化組織(ISO)制定了開放性數控網絡互聯標準通信模型(OSI)。它是連接異種計算機的標準框架,其目的是為系統互聯標準的制定提供一個共用基礎,并引導計算機網絡和數據通信系統產品的開發,同時對網絡技術的發展起著一定的指導作用。

3 數控系統的操作實時性與可靠性

目前,Internet和Intranet多采用TCP/IP網絡協議,高速以太網和ATM網都支持這類網絡協議。但是在開放的Intranet內,TCP /IP網絡協議不易用于實時通信。主要原因是大多數計算機網絡不允許連續傳輸任意長度的數據量,而是將較長的數據拆分為小塊數據-包(Packet)單獨發送。一旦出現數據丟失時,需要重發丟失的數據。同時,邊加工邊傳輸數據這種方式本身就具有一定的局限性。一方面傳輸過程中容易產生現場干擾等不可預料的錯誤,另一方面加工中增加了一個傳輸計算機從而降低了數控系統的可靠性。更重要的是形成了網絡數控系統專用控制器通信的速度瓶頸?,F在的復雜型面切削加工一般都有高精度高速度的要求,當復雜型面插補直線段的長度小于0.05mm時,專用控制器進行傳輸加工的速度只有每分鐘幾百毫米。這遠遠不能滿足型面雕刻、高精度曲面銑削等高速加工要求。

4 遠程監控與診斷

數控機床自動化程度的日益提高,復雜性的迅速增加引起了維修費用增高,停機損失巨大的問題。所以,網絡數控系統支持遠程監控在網絡制造中的作用變得非常重要,成為衡量數控系統性能的一個重要方面。通過對機床加工過程的實時監測,可以及時發現故障或異常情況。當數控系統產生故障時,數控系統生產廠家可以通過Internet對用戶的數控系統進行快速診斷與維護,可以大大減少維護的盲目性,提高設備完好率,滿足用戶對數控機床的遠程故障監控、故障診斷、故障修復的要求。

全球化計算機網絡的發展、多媒體技術的成熟遠程視頻技術轉感器技術的大量應用都為網絡數控系統具備遠程監控作用提供了堅實的技術基礎。在線監測主要包括機械故障、生產環境、底層設備主要部位,部件的傳感器信號,設備運行信號,底層設備及控制器的故障報警燈和狀態變化指示燈信號等。所有信息都應當不僅可在本地及時處理,還可將所有的監測信息加工成可以在網上傳輸的形式,發送給遠程監控和診斷中心。其中待解決的主要問題有:

(l)遠程數據的傳輸、存儲和壓縮格式。

(2)遠程設備數據的獲取方式。

(3)監控與診斷數據庫的建立。

(4)網絡監控與診斷的安全性。

三、網絡數控系統硬件平臺設計實現

網絡數控系統硬件平臺是系統的物理實現平臺,各部分之間通過信息管理網絡實現互聯,傳遞命令和數據信息,并行完成數控任務,根據各個硬件在系統不同的實現功能,硬件平臺又可以分為網絡傳送功能模塊和數控系統功能模塊,具體設計實現如下:

(l)網絡傳送功能模塊

(2)數控系統功能模塊

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