基于Windows网络数控系统的设计与实现

颜国霖

(黎明职业大学 机电及自动化学院，福建 泉州 362000)

基于Windows网络数控系统的设计与实现

颜国霖

(黎明职业大学 机电及自动化学院，福建 泉州 362000)

为了实现实训车间数控机床的联网，采用CE-232B转换模块构建一个工业以太网络。基于以太网和TCP/IP技术，采用多线程编程方法，开发出基于Windows网络数控系统软件，实现了一台DNC服务器管理多台数控机床。该系统使用方便，适合学校实训车间使用，具有一定的实用价值。

网络数控系统;以太网;多线程;TCP/IP技术

0 前言

随着计算机技术、数控技术的日益发展，新一代数控系统呈现出高速化、高精度、智能化、多功能的特点。由分散的数控机床与计算机结合而成的DNC系统已成为现代加工企业重要管理模式之一。目前基于Windows网络数控机床通讯的研究，已成为当前研究热点之一［1］。这种数控系统可以实现对零件程序的上传或下传，机床状态采集和远程控制，可以提高企业车间的管理水平及柔性自动化加工。

随着学校数控实训车间规模的扩大，设备的利用率逐渐增大，车间人员和设备安全管理主要还是依赖于现场监督和定期职责巡视来实现。为了进一步完善实训车间的数字化、信息化水平，提升学校信息化以及管理水平，结合学校数控实训车间的实际情况，笔者设计出一种满足该车间需求的数控机床管理的网络结构。通过DNC服务器、CAD/CAM客户端、网络交换机与多台数控机床采用星形拓扑结构联成网络，并以VC++为软件平台，设计开发了网络数控系统软件。在数控车间里，建立有线以太网络，加工程序可以通过老师审核后进行上传、下载及在线加工，在加工过程中能对数控机床进行实时监控、NC程序传输等功能。这样既减少学校硬件成本投入和管理成本，又提高了数控实训车间的教学效果和实训的质量，实现所有数控机床的网络化管理。

1 系统网络构建

随着网络技术的发展，以太网技术已取得了本质的飞跃，基于以太网技术工业控制网络正日趋成熟。DNC技术已有明显的倾向趋势［2］。但是目前的工业设备中仍存在大量只具备串口通讯的设备，这种串口不具有联网能力，要采用以太网组网面临接口转换问题。不少公司开发出接口转换模块，使串口通讯设备成为局域网中的一个节点，支持TCP/IP协议。

目前，将学校数控车间只具有串口通讯的FANUC 0i系统的数控车床和加工中心，嵌入CE-232B转化模块，使其具备以太网接口RJ45S，可直接连入网络。CE-232B转化模块实现了RS232C协议与TCP/IP网络协议之间的数据交换。FANUC数控机床通过CE-232B模块提供的10/100Mb/s以太网接口与工业交换机连接。

系统结构设计如图1所示。DNC服务器放在教师办公室中，仿真实验室中有50台客户端供学生上机编程使用，数控实训室中有多台数控机床。每台数控机床安装CE-232B转化模块，作为一个独立终端与网络交换机相连。DNC服务器、CAD/CAM客户端及数控机床之间用以太网交换机相连，组成一个管理维护容易，系统配置灵活，环境适应性强等优点的以网络系统。

2 系统软件设计

图1 系统网络结构图

笔者结合数控加工过程中的特点和实际需要，研究了一种基于以太网技术，采用TCP/IP协议及多线程技术的网络通讯方法，使得数控机床能达到快速响应及实时性网络通讯。系统功能结构图如图2所示，主要包括管理模块，通讯模块，NC程序仿真模块三大模块。

图2 系统功能结构图

管理模块:实现用户组的创建、登入密码的设置，机床管理、NC程序管理等功能。

通讯模块:通讯是网络数控系统的核心部分。可实现NC程序的发送、接收及数控机床状态监控功能等。

仿真模块:该模块包括NC程序的读取和存储，程序结构的分析和提取，编译，运行程序后，将一些有用的数据存储在数组中，并且将当前状态用画图函数显示到桌面等功能。

2.1 网络通讯

传统的DNC系统采用标准RS232串行通信，它是单端通信，无可靠的上层协议保证传输的准确性，传输的距离不能超过15米，无法实现数控系统信息数据资源的共享。在实训车间，用串行通讯传输模具加工数控代码在准确性、传输的速度已不能满足实际需要，这也制约着车间网络化、柔性化的发展。基于Windows网络数控系统对实时性要求非常强。要求远程控制数控机床开机、停机、自动走刀命令，监控机床正在加工、正在等待、故障等状态;采集当前刀具坐标点数值等。因此采用以太网作为传输介质，传输层采用TCP/IP协议。基于TCP/IP协议的以太网是一种开放式通信网络，所需设备兼容性好，易组网，接口方便，传输速率高，传输距离不受限制，可实现多台设备的并行通讯传输。

基于Windows网络数控系统的通讯程序是在Windows环境下直接用面向连接的Windows Sockets［3］在Visual C++上开发的。DNC服务器与下位机进行实时通讯，又可以与下位机进行文件互传。DNC服务器端完成文件的接收和发放的流程图如图3所示。

图3 DNC服务器接收和发送流程图

在Visual C++平台下，使用多线程技术来管理多台机床的同时连接。为了能使DNC服务器与多台数控机床同时进行接收和处理连接请求，把线程分为用户界面线程(UI线程)和工作者线程［4］。UI线程负责处理用户界面，开辟新的工作线程来完成发送和接收任务。而工作者线程通常在后台工作，不能直接接收用户的命令。工作线程通过CE-232B模块提供的连接管理程序C2000 Manager获得机床的信息，包括机床IP地址、机床IP端口号等。工作线程还负责侦听数控机床发来的传输请求，建立与数控机床的套接字连接;接收数控机床传来的数据和信息;发送数据和信息给数控机床。在线程间的同步及工作线程间的通信实现的核心代码如下:

2.2 NC仿真

NC程序是编程人员根据零件图，用规定的代码和格式编写加工文件，可以随时修改。对加工程序作词法分析、语法检查、编译和图形仿真，可以避免程序语法错误、刀路轨迹的错误，保证产品的合格，减少废品的出现，提高生产效率。

打开文件后，读取NC文件的内容并在主界面左下方窗口中显示NC文件内容，删除程序中的空白行和注释行，然后分析校验代码的正确性。分析校验代码主要是按照NC代码的语法规则识别出各类单词符号，并产生用于语法分析的符号序列，然后从源程序的第一个字符开始，顺序读字符，一次读一个，根据所读进的字符识别各类单词，同时去掉源程序中的空白和注释，并挑出程序中出现的非法字符号［5］。对NC程序的读取和处理是利用ReadString函数来实现的。在逐行读取NC程序的同时把X、Y、Z、I、J、K等关键字及其数值保存成字符串到StringTEMP文件中。一程度段对应文件中的一段，最后通过atof函数将字符串变量转换成double型变量，得到NC代码中关键字的相应数值，为后续的插补模块提供数据来源。

对于G指令，因为G指令的格式有限而且个数有限。在程序中首先把可能出现的所有G指令保存在一个数组里，然后在每一行NC代码文件中遍历该数组，当与数组中保存的数据比对结果一致时保存该数据。若某行NC代码中未指定某个关键字(X、Y、Z、与G00同组的模态G等)的数值，则以上一行所填充的数值填充本行。最后视图显示代码，在OnDraw中实现绘图。NC文件G代码的编译过程流程图如图4所示。

图4 编译过程流程图

3 系统软件运行

基于以上原理，开发了一套基于Windows网络数控系统软件，其主界面如图5所示。界面左上方为数据区，实时显示当前加工时刀具的X，Y，Z坐标。界面左下方为NC代码区，滚动显示当前正在加工的NC代码。界面右下方为NC程序仿真区，显示静态仿真的结果或进行动态仿真。界面右上方为状态区，显示当前加工状态。当某台数控机床正在加工NC程序时，DNC服务器可以临视到当前该台机床的工作状态，NC程序代码，当前刀具的坐标及走刀轨迹。如图5所示。该系统在学生开展生产性实训时能够做到实时监控，对NC程序仿真正确，减少撞刀和废品的出现，为实训的学生提供一个现代制造技术模式的氛围。

图5 网络数控系统的主界面

4 结语

针对我校数控车间的实际情况，将现有串行通讯机床通过嵌入CE-232B模块，实现数控机床与DNC主机连接。基于以太网和TCP/IP技术，设计和开发了基于Windows的网络数控系统，实现了一台服务器管理多台数控机床。探讨了系统硬件的构建和软件系统实现中一些关键技术，如以太网组网、网络通讯技术、NC仿真等。该系统在我校数控机床实训车间运行良好，使用方便，但某些功能需要进一步改进。

［1］吴涛.基于以太网技术的数控系统数字通讯协议研究与实现［D］.武汉:华中科技大学，2007.

［2］黄荣杰，吴波.DNC通讯接口模式在网络数控系统中的应用分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2007(5):43-49.

［3］王华，叶爱亮.Visual C++6.0编程实例与技巧［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［4］潘爱民，王国印.Visual C++技术内幕［M］.4版.北京:清华大学出版社，2001.

［5］孙悦红，编译原理及实现［M］.北京:清华大学出版社，2005.

Design and Reality of Windows-based Network Numerical Control System

YAN Guo-lin
(College of Electromechanical and Automatic Engineering，Liming Vocational University，Quanzhou 362000，China)

In order to achieve the networking between CNC lathes in training workshop，an industrial Ethernet is built by CE-232B conversion module.Based on Ethernet and TCP/IP，this paper develops a Windows-based network numerical control software，which realizes the aim of managing lots of CNC machine tools by one DNC server.The system is easy to use，suitable for using in NC training workshop of school，having certain practical value.

network numerical control system;Ethernet;multi-threading;TCP/IP technology

TP311.1

A

1009-3907(2013)12-1541-05

2013-10-09

颜国霖(1980-)，男，福建永春人，讲师，主要从事数控技术，CAD/CAM方面研究。

责任编辑:

吴旭云