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　　1、需求分析

　　1.1 傳統經濟型數控機床存在的問題

　　傳統經濟型的數控加工設備按數控系統分類主要有：FANUC系統(其中包括3T、7M、HC-6、6MB等)、AB公司系統、國產3B線切割系統等：按數控程序輸入/輸出通訊接口類型分有三類：一類為僅有RS232/RS422串行口，二類為僅有紙帶閱讀機8/5單位并行口，三類同時包括前兩類接口。這三類機床同時還存在同樣的問題就是：內存容量較小，不適應復雜、大型面、高精度、長程序零件的加工：它們的對外接口能力差，沒有DNC功能，不能實現在線加工以及網絡控制等問題。

　　1.2 希望的解決方案

　　本著滿足最基本的應用需求、且留有一定的可擴充性及性能提高的潛力的前提，來改善數控加工技術應用環境。就此提出了以下解決方案：機床通訊接口的硬件改造，針對各類機床設計相應的通訊接口板卡：通訊控制軟件的開發，以實現各機床的單機通訊功能：開發其它輔助功能(如：數控程序中加工信息的提取、數控程序圖形模擬、長程序的在線加工等)，彌補和增強原數控系統功能：網絡體系的選擇與通訊協議的定義及網絡系統控制軟件的開發，實現數控程序的中央服務器集中管理和網絡通訊。

　　2、系統結構

　　2.1 網絡系統構成及功能

　　整個網絡系統是由中央服務器、網絡接口、雙向數據轉換器、現場服務器、1分N口并行數據收發器、數據接收器以及經濟型數控機床等組成。
 
　　中央服務器是整個網絡的中樞部分，它主要完成的是對各級服務器的整體控制。它采用后臺中斷工作模式，不需要人的干預，而且其前臺還可以進行其他工作。

    現場服務器是客戶端，既擔任起數控服務器的功能，又具有強大的網絡通訊功能，它接受中央服務器下達的各項任務：從網絡上獲取由中央服務器傳來的數控加工程序的數據信息，并把這些數據信息傳送到NC文件庫：將已加工過的數控程序反饋到中央服務器。能從系統的NC文件庫中提取相應的數控代碼，并從中提取有關的加工零件數據和信息，對其進行處理，實現NC程序的圖形模擬等工作。另外，對需用長程序的零件加工，現場服務器還完成長程序的在線加工任務。

　　現場服務器可同時服務于多臺數控設備，根據需要在車間一定的空間范圍內(比如：一個小的工作間，一個小的局部區域)設置網絡節點，放置一臺PC機作為現場服務器，一臺服務器根據實際需要靠選用1分N口并行數據收發器來服務于多臺數控設備。

　　2.2 系統網絡體系結構及通信協議的選擇

　　系統中的各種信息都是通過網絡來傳輸的。在計算機網絡發展上，影響較大的網絡體系主要有：OSI七層參考模型和TCP/IP體系結構模型。OSI參考模型是ISO7498國際標準。TCP/IP體系結構是當前流行的Internet網絡所使用的體系結構，盡管它不是國際標準，但在計算機網絡體系結構中卻占有非常重要的地位。這是因為雖然OSI的體系結構從理論上講比較完整，其各層協議也考慮得很周全，但事實上，完全符合OSI各層協議的商用產品卻極少進入市場，遠遠不能滿足各種用戶的需求。然而使用TCP/IP協議的產品卻大量涌入市場，幾乎所有的工作站都配有TCP/IP協議，并已成為計算機網絡事實上的標準，通稱“工業標準”。為此，我們在數控機床的網絡通訊系統中，采用的是TCP/IP的網絡體系結構，該體系把計算機網絡分為四層，即應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層。

　　TCP/IP體系結構為傳輸層制定了兩種協議即：傳輸控制協議(TCP)和用戶數據包協議(UDP)，UDP為用戶提供進程無連接的數據報協議，數據包以獨立包的形式傳送，服務不提供無錯保證，數據可能丟失、重復或失序：數據包的長度也受一次處理最大長度的限制(默認值為8192字節，最大值為32768字節)，不進行包的拆分和重組操作：而TCP協議是一個可靠的全雙工的字節流的面向連接的協議，TCP和UDP相比傳輸可靠、數據無差錯、無重復，可按發送順序接收，數據為字節流，其長度不受限制，為用戶提供虛電路服務，并為數據的可靠傳輸提供檢驗。根據數控加工的特點，盡管數據包在傳輸量小于2048個字節時UDP可靠性更好，但數據包服務是單包、無序傳送，而系統的網絡通信顯然不能保證所有傳輸的信息都小于2048個字節，因此，只能選用TCP作為系統的傳輸層協議。
 
　　應用層的通訊協議的選擇既要考慮到數控加工的特點又要具備實時性、可靠性以及數據傳輸量大等特點。本系統另行開發了基于TCP/IP協議族的相應協議，制定了應用進程之間傳輸的信息的特殊含義。

　2.3 通訊協議的實現

　　系統協議，就是保證客戶端和服務器端的應用線程之間能相互準確、及時、有序地傳送信息，并能彼此毫無差錯地對信息進行語法分析和解釋。

　　對于網絡控制系統，其傳輸信息有自己獨特的含義。在客戶端和中央服務器間傳遞的信息，主要有客戶端的請求信息、數據信息和中央服務器端的狀態信息。

　　客戶端的控制信息又分為兩種：網絡控制信息和加工控制信息：服務器端的狀態信息也分為兩種：連接狀態信息和客戶端的狀態信息。

　　在系統的協議中，這些信息都規定了相應的格式規范，客戶端的網絡控制信息主要用于與服務器連接的建立、維持和釋放。加工控制信息由控制命令字、控制參數組成。網絡通訊協議格式為：“cmd，1byte命令代碼，1byte命令長度，命令參數，4字節的校驗碼(XC)”。‘cmd’為命令引導碼，用以標識命令的開始：‘命令長度’只包括命令參數及校驗碼的長度。若無命令參數，則為4，校驗碼將無意義也不被檢驗，但還是必須發送。
 
    傳輸的數據包的末尾4字節為校驗碼。前3字節為該包的所有字節的和，第4字節為所有字節的異或值。若發送過程中有數據發生錯誤，則第4字節的校驗碼一定不正確。因此，靠監測第4字節校驗碼來保證通訊數據的可靠性。

　　3、硬件設計原理

　　系統在服務器端使用2/4/8口RS422A接口卡進行轉接，進入現場后采用RS-422/RS-485雙向數據轉換器轉接至現場服務器。2/4/8口RS422A接口卡與RS-422/RS-485雙向轉換器均采用工業控制標準接口板卡。
 
　　當現場服務器服務于多臺數控機床時，采用“1分N口并行數據收發器”分接于多臺機床。“數據接收器”是專門針對僅有紙帶閱讀機8/5單位并行口的機床(如線切割機)而設計的。它完成機床與PC機的通訊以及實現數控程序的在線加工。

　　使用數據接收器時，在機床接線上要作相應改動，即：在原紙帶閱讀機的輸出信號線上通過三態門并入相應的3B代碼數據信號，將原系統發送給紙帶閱讀機的步進信號作為控制系統寫入數據的定時信號。系統設計時，設置了控制開關，用于選擇使用原紙帶閱讀機還是使用數據接收器。

　　4、軟件開發原理

　　系統的軟件由兩部分組成，一是網絡控制系統的控制軟件，再一個就是現場服務器與各類機床的通訊軟件。

　　網絡控制系統控制軟件的開發原理
　　網絡控制系統的控制軟件安裝于中央服務器中，其設計原理是：中央服務器不停地接收并分析從各端口送來的請求、命令、信息等數據包。當一個數據包接收完畢后，它將首先通過包中的校驗碼進行驗證該包在傳送過程中是否出錯。若出錯，它將發出“重發”命令給原發客戶端：若正確則進行相應的處理。
 
　　現場服務器與各類機床的通訊軟件開發原理
　　針對各類機床與現場服務器的通訊，軟件開發的基本原理是：要將數控程序傳入數控機床，首先將數控程序轉換為機床能識別的代碼EIA碼或ISO碼，然后以數據包的方式讀入現場服務器內存，再逐字節地向數控機床控制系統發送，同時計算機不停地監測機床接口的狀態寄存器的狀態。從機床傳出數據，通訊控制軟件總是從其程序代碼的末端開始至常規內存的頂端(0A0000H)作為接收數據的緩沖區。

　　5、結論

　　此項研究解決了經濟型數控機床的網絡通訊和控制技術問題，實現了數控加工程序的中央服務器集中存儲、管理，網絡查詢及下載功能。解決了不具備直接通訊接口功能的數控機床的數控程序輸入難題和在線加工問題。實踐證明：該系統具有操作簡單、使用方便、運行穩定可靠、性能優良等特點。它的投入使用，大大地改善了數控加工程序的存儲、管理和傳輸條件，從而有效地提高了實際生產效率。對于類似的、不具備遠程監控和上線能力的數控機床的改造，具有重要的意義和參考借鑒價值。