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网络数控系统组成及硬件设计

更新时间:2015-12-25 16:51:20点击次数:564次

网络数控以Internet技术、通讯技术、数控技术和计算机技术为技术,远程设计、数控编程和数控加工集成在一起,实现了数控系统等数控设备的网络化和集成化,已成为数控系统发展的必然趋势。

网络化的角度分析网络数控系统的组成,其包含2个方面:内部网络和外部网络。

一、内部网络

内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元以现场总线网络连接。

二、外部网络

外部网络是指数控系统通过Internet与系统外的其他控制系统或外部上位计算机以网络连接。通过网络对设备进行远程控制和无人化操作远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务、技术服务,并实现资源共享。

1 支持多操作系统的工作平台

网络数控系统是一种支持全球制造的资源,其最基本的要求是能够支持跨平台操作。利用Java提供的功能实现硬件和操作系统的无关性,可以构建开放式控制平台。Java语言比c和c++语言的可靠性高,尤其适合网络自动化,它使得通过网络实现远程诊断、远程服务远程监控、远程加工变得更加容易,因此美国、日本、欧洲等国都在积极研究基于Java语言的网络数控系统。但是,Java并不能完全满足需求。它存在着2个方面的缺陷:

(1)内存的动态管理。Java为用户自动清除内存中已经不使用的内存空间,使得GC算法的不确定性与实时计算相矛盾;

(2)不能对底层内存硬件访问。用户一旦直接访问底层设备,势必破坏Java的跨平台特性。

目前,通常是将操作平台体系结构中融入Browser/Server体系结构(B/S体系结构),这也是和传统数控系统的重要区别。为了实现在异构环境下的可移植性,即监控计算机和网关采用不同的操作系统时,网络数控系统应该不需要修改软件系统,网关提供给监控计算机的访问接口以Web的方式实现:从现场获得的数据经网关通过Web服务器以HTML页面的形式提供给监控计算机;监控计算机以浏览器作为访问的客户端工具实现交互过程,加工指令或程序以HTTP 消息的形式通过Web服务器经网关传送至现场节点,实现对数控机床的控制。

2 网络数控系统的网络通信功能

网络数控技术的关键问题在于研究数控系统的网络通信功能。为了共享计算机网络的资源,就需要实现不同数控系统中各实体间的通信。这里的实体包括计算机终端和各种网络数控系统及其它相关设备等。为了实现不同制造厂商通信网络设备的兼容,并为计算机网络标准的开发提供一个框架。国际标准化组织(ISO)制定了开放性数控网络互联标准通信模型(OSI)。它是连接异种计算机的标准框架,其目的是为系统互联标准的制定提供一个共用基础,并引导计算机网络和数据通信系统产品的开发,同时对网络技术的发展起着一定的指导作用。

3 数控系统的操作实时性与可靠性

目前,Internet和Intranet多采用TCP/IP网络协议,高速以太网和ATM网都支持这类网络协议。但是在开放的Intranet内,TCP /IP网络协议不易用于实时通信。主要原因是大多数计算机网络不允许连续传输任意长度的数据量,而是将较长的数据拆分为小块数据-包(Packet)单独发送。一旦出现数据丢失时,需要重发丢失的数据。同时,边加工边传输数据这种方式本身就具有一定的局限性。一方面传输过程中容易产生现场干扰等不可预料的错误,另一方面加工中增加了一个传输计算机从而降低了数控系统的可靠性。更重要的是形成了网络数控系统专用控制器通信的速度瓶颈。现在的复杂型面切削加工一般都有高精度高速度的要求,当复杂型面插补直线段的长度小于0.05mm时,专用控制器进行传输加工的速度只有每分钟几百毫米。这远远不能满足型面雕刻、高精度曲面铣削等高速加工要求。

4 远程监控与诊断

数控机床自动化程度的日益提高,复杂性的迅速增加引起了维修费用增高,停机损失巨大的问题。所以,网络数控系统支持远程监控在网络制造中的作用变得非常重要,成为衡量数控系统性能的一个重要方面。通过对机床加工过程的实时监测,可以及时发现故障或异常情况。当数控系统产生故障时,数控系统生产厂家可以通过Internet对用户的数控系统进行快速诊断与维护,可以大大减少维护的盲目性,提高设备完好率,满足用户对数控机床的远程故障监控、故障诊断、故障修复的要求。

全球化计算机网络的发展、多媒体技术的成熟远程视频技术转感器技术的大量应用都为网络数控系统具备远程监控作用提供了坚实的技术基础。在线监测主要包括机械故障、生产环境、底层设备主要部位,部件的传感器信号,设备运行信号,底层设备及控制器的故障报警灯和状态变化指示灯信号等。所有信息都应当不仅可在本地及时处理,还可将所有的监测信息加工成可以在网上传输的形式,发送给远程监控和诊断中心。其中待解决的主要问题有:

(l)远程数据的传输、存储和压缩格式。

(2)远程设备数据的获取方式。

(3)监控与诊断数据库的建立。

(4)网络监控与诊断的安全性。

三、网络数控系统硬件平台设计实现

网络数控系统硬件平台是系统的物理实现平台,各部分之间通过信息管理网络实现互联,传递命令和数据信息,并行完成数控任务,根据各个硬件在系统不同的实现功能,硬件平台又可以分为网络传送功能模块和数控系统功能模块,具体设计实现如下:

(l)网络传送功能模块

(2)数控系统功能模块

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