数控机床无线网络平台的创建

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数控机床无线网络平台的创建 文 章来源于
    数控机床作为制造终端,直接承载着零件加工制造的任务。近年来伴随计算机网络技术的迅猛发展,数控机床的应用方式也逐步发生改变,借助于网络机床间可以实现加工程序的传输与共享,数控机床与企业服务器可以进行重要机床数据的备份,甚至设备运行状态监控、远程故障诊断与维修等工作[1]。故为使数控机床更高效的运行,有必要将其连入企业主干网络。同时车间层数控机床通信平台的实现将为企业拓展信息化提供基础,底层制造数据能与CAD/CAM/CAPP等部门相关信息组成集成化的平台,搭建完整的产品数据管理系统。文中将详细阐述东南大学机电综合工程训练中心现代制造技术实验室数控机床无线通信平台的构建。
    1企业主干网络设计及组建
    东南大学机电综合工程训练中心现代制造技术实验室现有数控车床、加工中心、线切割等设备,其中数控车床44台,系统涉及法兰克、西门子、三菱、华中,加工中心7台,系统为法兰克、西门子、发格、哈斯等。根据中心各部门实现的功能、运行情况、软硬件状况设计网络结构,如图1所示。系统以工业以太网为网络平台,工业以太网的抗干扰设计保证了在车间恶劣环境下的通信畅通及实时性,且易于与管理层集成[2]。同时采用“总线+星型”的拓扑结构,企业主干网采用总线结构,易于组成冗余环网。车间层采用星型结构,避免了某一台设备的故障影响其他设备。车间内的数控机床通过无线设备接入主干网络,最终与DNC服务器相连,由DNC服务器统一控制和管理。数控程序经CAD/CAM系统产生后,且编辑、仿真、管理后通过串口发送到机床进行加工,由CAXA数据协同管理软件、DNC传输软件进行统一管理,软件贮存在DNC服务器内,实现NC数据的管理和通信。协同管理系统采用客户端/服务器(Client/Server)体系结构[3]和面向对象(ObjectOriented)的设计方法,以Microsoft的SQLServer2000作为系统的后台数据库,主要任务是存贮管理各部门相关数据,并借助网络技术提供数据的传输和通信,以实现产品全生命周期管理,协调控制工作流程和项目进展,在各部门间建立一个并行化的产品生产协助环境。
    2数控机床无线通信网络接入设计
    网络DNC系统实现的基础步骤为数控机床与远程管理端服务器数据的传输,但由于双方接口不同无法直接通信。解决方案为:首先对数控机床完成串口以太网口转换,其次数控机床配合无线网络节点接入网桥组成无线局域网,最终接入主干以太网络中。
    2.1串行通信与以太网接口间的转换国内现行主流数控机床的通讯接口仍为RS232C串行接口,串行通信由于受现场干扰信号和RS232C驱动能力的限制,数据传输距离只能在15m之内[4],所以有必要对数控机床的通讯接口进行转换,提高NC数据传输的速率、稳定性及距离。如图1所示,机床通过智能终端直接接入以太网络,其中智能终端也叫终端服务器、异步串口服务器,是一个带有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP协议栈的独立智能设备。作用是将数控设备的RS232接口转换为以太网络的RJ45接口,完成串行数据和网络IP包之间的数据转换。数据从服务器到机床前的传输速率达到10M,甚至100M。对于无线局域网络接入方式,其服务器到微缩智能终端的通信速率达到11M左右,远远大于标准串行通信接口。
    2.2通信测试由于数控机床与智能终端是基于RS232C标准连接的,RS232C收发数据的工作过程是在各条控制线的状态(“ON”为逻辑“0”,“OFF”为逻辑“1”)有序地配合下进行的。CNC系统与PC串行通信,需要将数控系统的DB-9FEMALE接口和智能终端DB-9MALE接口进行连接,其中根据RS232C接口通信的规程特性设计的西门子系统接线方式如图2所示。物理连接实现后必须进行通讯测试,通讯测试主要是确认机床和标准PC(笔记本)串口间能够进行RS232C通信。串行通信参数包括:波特率、数据位、奇偶校验、停止位数、反馈字符、握手方式、结束代码、换行符等[4]。调试时要求相应参数必须和数控设备自身的串口通信参数相同,否则无法进行数据传输,不同的数控系统需分别测试。采用CAXA-DNC软件来实现DNC传输,界面设置如图3所示。测试完成后每台数控机床的参数需输入至服务器的传输软件中,从而保证网络DNC功能的实现。
    3机床无线通信平台的搭建
    车间内的数控机床联网通信主要是数控机床通过其通信接口接入企业内部主干网络,最终与DNC服务器相连,并由DNC服务器统一控制和管理。其中与主干网络的连接可以采用有线或者无线两种方式,在满足传输稳定性、高效性的前提下,选择无线通信方式,这样可以简化现场环境的布线,并且具有较好的扩展性。无线通信网络的实施过程包括无线网络设备的选择、网络建立、配套管理软件的设置、数据传输调试等步骤,并且需对网络中出现的问题进行相应的解决。机床无线通信网络的组建是通过数控机床智能终端接入就近的无线接入点AP(AccessPoint),经无线接入点的控制器根据寻址方式转交相应的无线网桥,最后传入主干有线网络。无线AP的信号强度将直接影响到无线网络的覆盖范围,目前,主流无线AP的室内覆盖范围可达120m,实际有效直线通信距离为80m左右。决定无线网卡AP信号强度和覆盖范围的内部因素有很多,其中发射功率是最重要的一个。一般来说,功率越大的产品,信号强度越好,覆盖范围越广。目前主流产品的发射功率在30~200mW之间。首先选用D-Link公司的DWL-3200AP作为中心无线接入点,放置在车间顶部,DWL-3200AP选用的通讯协议为802.116,其输出功率为22dBm(160mW),覆盖范围可达300m左右,提供中心有线局域网络的连接和自身无线覆盖区域的无线终端接入,布局如图4所示。机床端相连的无线接入点选择DWL-2100AP,其功率稍低,为15dBm(32mW),每台机床顶部放置一台,通过中心无线接入点就可以连接DNC服务器所在的局域网。其与中心无线AP的距离不超过100m,对于超过100m的距离,通过增加无线AP的数量来补偿。且该接入方式对于企业车间内部建筑结构有一定要求,100m以内应尽量避免有大的建筑隔离墙,如果有隔离墙,也需增加无线AP。
    3.1大型车间实施方案无线接入点的运行至少存在4种不同的模式,表1所示。数控车床车间中需要联网的机床为24台,且占地面积大,可选择AccessPoint主客户端通信模式建立无线局域网。中心的无线接入点DWL-3200AP工作模式设置成为AccessPoint模式,提供中心有线局域网络的连接和自身无线覆盖区域的无线终端接入;机床端连接的无线接入点DWL-2100AP设置成APClient模式(如图5所示),通过中心无线访问点就可以连接DNC服务器所在的局域网络。主干网络采用TCP/IP协议,需对相关设备分配网络IP地址,IP地址是运行TCP/IP协议机器的通用标识,用于标识网络上的设备及与它相连的网络。每台数控车床(或无线AP)必须分配唯一的主机名和IP地址。该网络中需要设置的网络设备包括通信服务器、管理客户端、智能终端、无线AP等。为保证与学校主干网络的连接,故选用学校网络中的一个“C类”网段10.8.1.1~255,服务器和管理客户端从中任选,其中主无线APDWL-3200与客户端DWL-2100的IP地址可以使用默认值,但需要在同一范围内,而智能终端则必须与服务器在同一网段。具体地址分配见表2所示,设置界面如图6所示。
    3.2中小型车间联网方案对于机床较少(≤8台)且空间不大的车间,可以采用无线网桥通信模式。无线接入点可以全部选用DWL-2100AP,通信模式需采用WDS(无线分布式系统)网桥模式(如图7所示),这样可作为一种低成本扩展无线的方案。选择一台无线AP作为主WDS中心点发送无线信号,其他接入点作为辅WDS进行信号接收并与机床相连。D-Link无线AP在一对多点桥接模式时,最多支持8个远程点的接入。加工中心实验室的机床数量仅有7台,可以采用无线网桥模式。在主无线接入点中写入需要连接的AP(7台)的MAC地址(如图8所示),并且确认这7台AP设定成网桥工作模式,以建立多点无线网桥连接。网桥模式下,采用和接入点模式相同的设置,在实际连接时则会出现无法通信的现象。主要原因为网桥与交换机之间的网络中存在冗余,网桥内部由于同时有多条链路产生环路、形成广播风暴,从而导致网络瘫痪。故必须增设路由器,通过路由器连接两个不同的网段并隔离广播,路由器采用一对一静态映射方式。此通信模式IP地址分配见表3所示。机床的无线连接主要是采用以上两种方案,数控机床无线通信系统实施完成后就可以进行应用,启动DNC通讯软件(CAXA-DNC),就可以在服务器与数控机床之间进行双向全自动的数控程序、机床参数等数据交换。通过软件还可以实现对机床进行监测和信息采集、在线加工等功能。实际教学或加工中,数控代码的传输过程较流畅,没有出现数据丢失、连接失败等情况,现场实物如图9所示。
    4机床无线通信平台与管理数据的集成
    在车间层数控机床实现与服务器通讯的基础上,可以与CAD,CAM,CAPP等部门管理集成,进行拓展,搭建数据协同管理平台。目的是完成企业内部设计、制造及工艺等数据流的集成管理,这样可以实现对产品全生命周期的管理,并最终实现企业的信息化[5]。企业内部数据流的管理包括两个方面:首先对于管理部门和管理人员而言借助于网络和管理软件将任务发放至各个部门,并使之信息相互交换[6],在任务的进程中实时了解机床负荷、产品进度等汇总统计情况。其次设计、工艺、制造等部门中的成员登录系统,接受管理员或上级领导赋予的权限,根据管理员制定的产品流程完成分配给自己的任务并提交,系统将任务转交至工作流所设置的下一人员,从而实现对产品全生命周期的管理。系统采用CAXA协同管理软件完成工作流的管理,软件为客户端/服务器(Client/Server)的工作方式,以MSSQLServer数据库作为后台数据库支持[3],完成对用户信息、产品信息、零件图纸、工艺图纸、NC程序等数据的管理,最后通过CAXA-DNC传输软件实现机床通信管理。平台结构如图10所示。网络DNC是CAM部门设计的数据传输至加工设备加工成实物的关键。CAM系统生成的数控程序经仿真无误后提交至服务器,并存储在机床的文件夹中。所有的加工程序均集中在服务器上,机床只是作为一个终端用于加工作业,数控设备基本无需存贮数控程序,加工过程中数控程序的输入可以通过网络DNC直接调用。制造车间人员只需要编写简单的调用程序就可以下载数控代码至机床进行加工,同时也可以实现上传数控程序至服务器,完成共享或备份[7]。传输加工代码如图11所示。网络DNC系统协同管理平台可以实现更灵活、安全、快速、可靠的机床网络化管理。该系统在具有机床通信、管理的基础功能上,还具备了用户、产品、文档/代码、流程等管理功能,能实现人员负荷、产品进度、产品数据汇总统计等功能[8]。
    5结束语
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