摘要：介紹了開放式數(shù)控系統(tǒng)的特征和優(yōu)點，分析了Intranet網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)中的應(yīng)用。特兩者結(jié)合起采提出了直接計算機數(shù)控網(wǎng)絡(luò)的概念，并給出一個應(yīng)用模型，分析了它的工作流程。 前言 開放式數(shù)控系統(tǒng)以其極大的優(yōu)越性，已經(jīng)成為未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。由于計算機技術(shù)，特別是PC機技術(shù)的高速發(fā)展，更給其帶來了無限生機。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近幾年也取得了極大的發(fā)展，在企業(yè)中Intranet網(wǎng)絡(luò)的擴張已成必然。在lntranet環(huán)境之下集成多個開放性的自動化加工設(shè)備，組成直接計算機數(shù)控網(wǎng)絡(luò)，使企業(yè)中的設(shè)備如數(shù)控機床等具存極大的柔性、可控性和可重組性。這將大大提高企業(yè)適應(yīng)多變市場的能力。 1 開放性數(shù)控系統(tǒng) 以前由于計算機技術(shù)的落后，通用微處理器的性能很差，不能滿足數(shù)控機床對它的要求，為了提高數(shù)控系統(tǒng)的性能，就只有設(shè)計專用的計算機芯片，比如將插補運算直接做在超大規(guī)模集成電路里，這使得各個數(shù)控廠商都設(shè)計了專用硬件系統(tǒng)，并開發(fā)專用軟件系統(tǒng)。自此以后數(shù)控系統(tǒng)走上了封閉性的道路。 目前全世界的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)集中在少數(shù)幾個大的生產(chǎn)商如Fanuc、Siemens、All公司中，它們生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)一般都是封閉的。這使得第三方生產(chǎn)商無法開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用；數(shù)控系統(tǒng)中無法應(yīng)用最新的計算機軟硬件技術(shù)。 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，開放性cN12系統(tǒng)越來越受到矚目。開放性的思想早在I987年就由美國學(xué)者首先提出來。開放數(shù)控系統(tǒng)使用通用的軟、硬件支撐系統(tǒng)，使系統(tǒng)平臺開放。開放性使得多個生產(chǎn)商能提供可復(fù)用的部件，這些部件可以無縫地組合在一起構(gòu)成高性能低價格的數(shù)控系統(tǒng)。開放CNC系統(tǒng)對成為世界工業(yè)標準的TCP／IP協(xié)議有完美的支持。當前數(shù)控系統(tǒng)一般有兩種形式的開放方案。第一種是保持原有的NC內(nèi)核不變，加入PC前端，提供友好的用戶界面等功能。這其實是一種半開放的系統(tǒng)，它是為了保護原有數(shù)控廠商的利益而提出的折衷方案。第二種是由PC完全控制整個數(shù)控機床的運作，采用通用的高性能計算機和通用的操作系統(tǒng)。在完全開放的軟硬件平臺上運行具有開放性特征的數(shù)控系統(tǒng)。這是一種完全開放的解決方案。它已經(jīng)成為未來數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流。 采用PC作為CNC系統(tǒng)的核心，形成開放的數(shù)控系統(tǒng)有著極大的優(yōu)越性。第一，可以采用最新的計算機軟硬件技術(shù)，由于通用微機的兼容性，性能更好的PC機可以換掉舊的PC機，用作CNC系統(tǒng)的核心。第二，可以極大地城少數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)費用。由于封閉的數(shù)控系統(tǒng)其硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等都是專用的，因而其開發(fā)費用是極高的，采用開放性策略，計算機硬件系統(tǒng)采用通用PC機，只要設(shè)計相應(yīng)的接口模塊就可以了。PC機中的Windows操作系統(tǒng)平臺提供了極強的性能，還提供了許多強有力的應(yīng)用程序開發(fā)工具，如Visual C + + 、lorland C + + Delphi、Visual Basic、JAVA等。利用這些開發(fā)工具可以迅速高效地開發(fā)出功能強大的CNC系統(tǒng)軟件，大大降低了軟件開發(fā)費用和開發(fā)周期。第三，軟硬件價格均可降低。由于通用微機、通用操作系統(tǒng)極高的性能價格比，明顯降低了cN12系統(tǒng)的價格。第四，有利于加強CNC系統(tǒng)的性能。以往由于運算速度的限制，許多數(shù)控功能是由硬件來實現(xiàn)的，現(xiàn)在這些功能已經(jīng)能用軟件來實現(xiàn)，這一方面可以增加系統(tǒng)升級能力，另一方面有些不能實現(xiàn)的功能現(xiàn)在可以用軟件的方法來實現(xiàn)。第五，可以大大提高cNc系統(tǒng)的可擴展性、可維護性和易用性等。由于采用通用PC的軟硬件系統(tǒng)。使得CNC系統(tǒng)的擴展、維護、使用和一個平常的應(yīng)用程序一樣簡單。 計算機技術(shù)的發(fā)展使開放式數(shù)控系統(tǒng)具有了強大的生命力?，F(xiàn)在一臺普通的微機其運算速度可達500MIPS（每秒執(zhí)行5億條指令），這已經(jīng)達到了以前中型機的性能。而且根據(jù)著名的莫爾定律，計算機性能每l8個月提高一倍，而其價格下降一半。越來越強大的通用計算機系統(tǒng)，使得在這之上開發(fā)的開放式CNC系統(tǒng)完全有能力在性能上趕上或超過專用的系統(tǒng)。 2 Intranet的興起 Intranet就是內(nèi)部網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)?？梢远x為：在企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用的Internet網(wǎng)絡(luò)。Intranet是隨著Internet（因特網(wǎng)）的流行而發(fā)展起來的，它具有]nternet的一切特性。同時由于它用于企業(yè)內(nèi)部，其安全性、可靠性等都得到了加強。 lnternet是基于TCP／IP協(xié)議的。由于有了這個協(xié)議，全球所有的計算機都可以用網(wǎng)絡(luò)互連起來。因此TCP／IP協(xié)議可以說是]nternet網(wǎng)的核心。世界各國都在Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上投人了大量的人力、物力、財力，使得Internet技術(shù)已經(jīng)非常成熟，支持TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品極多，其性能價格比也很高。TCP／IP協(xié)議也成為全世界公認的工業(yè)標準。 在企業(yè)內(nèi)部人們一直有聯(lián)網(wǎng)的迫切要求，以使企業(yè)內(nèi)部的信息能自由流通，從而改善管理水平，提高企業(yè)競爭力。這是cIMS、敏捷制造等思想的一個重要基礎(chǔ)，而Internet技術(shù)的出現(xiàn)和飛速發(fā)展為企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了極好的機遇，人們將Internet技術(shù)應(yīng)用到企業(yè)中，形成了Intranet。 目前Intranet的應(yīng)用主要有：www（環(huán)球網(wǎng)）、FTP（文件傳輸）、E—MAIL（電子郵件）、news（新聞組）、BBS（電子公告板系統(tǒng)）等。這些應(yīng)用適合市場推廣、市場調(diào)查、信息發(fā)布、信件往來等工作。在Intranet環(huán)境中，大量有用信息可以在企業(yè)內(nèi)部自由流通，各個管理部門能夠及時、高效地得到所需信息，經(jīng)過分析研究作出決策，這對提高企業(yè)管理水平有很重要的作用。企業(yè)網(wǎng)同樣對FMS、CIMS、敏捷制造思想的實現(xiàn)有著重要的意義。這些思想的一個重要基礎(chǔ)是良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)信息的自由流動。但無論FMS還是CIMS其成本很高，技術(shù)難度也很大。其中的一個原因是協(xié)議不統(tǒng)一和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的落后。在八十年代初美國通用電機公司（GM）開發(fā)了制造自動化協(xié)議（MAP），到1988年MAP3．0問世。但由于種種原因，MAP協(xié)議并沒有發(fā)展成為世界性的標準。在企業(yè)中一直有許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共存，企業(yè)建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的成本及難度都很大。直到TCP／IP協(xié)議成為事實上的工業(yè)標準以后，這個問題才得到解決。另一個原因是數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，它使不同廠商生產(chǎn)的機床系統(tǒng)很難互連，而且第三方也幾乎不可能開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。開放性的思想則完全解決了這個問題。通用軟、硬件平臺對TCP／IP有完美的支持：還允許第三方開發(fā)，并可以集成到一起。只要是開放系統(tǒng)都可能聯(lián)到Intranet網(wǎng)內(nèi)，還可以集成不同廠商的軟、硬件產(chǎn)品，這樣集大量廠商的力量就可以建成高性能、低價格的自動化加工系統(tǒng)。 3 開放式CNC系統(tǒng)在Intranet中的應(yīng)用模式 將開放式數(shù)控機床系統(tǒng)看作最小的生產(chǎn)單元，以Intranet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)，將多臺開放式自動化設(shè)備直接聯(lián)在一起，就構(gòu)成了直接計算機數(shù)控網(wǎng)絡(luò)（Direct CNC Networking簡稱DCN）。它將是未來自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的重要方式。 DCN是建立在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境Intranet之上的，采用TCP／IP協(xié)議為核心，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境使任何聯(lián)網(wǎng)的兩臺設(shè)備之問均可相互交換信息，這使得網(wǎng)上設(shè)備的管理具有極大的柔性。TCP／IP協(xié)議其實是一組協(xié)議，它的底層是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，可以采用各種不同的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、令牌總線網(wǎng)、光纖網(wǎng)、ATM等，這些網(wǎng)產(chǎn)品其技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品的性能價格比很高，用這些新產(chǎn)品組成的Intranet，費用相對低得多。對于極普通的以太網(wǎng)lOBaae-T來說，它的帶寬可達10MBPS，即每秒傳送10M 字節(jié)，這樣的帶寬可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。例如一個復(fù)雜三維曲面，經(jīng)造型系統(tǒng)生成的NC代碼文件可達200M，考慮到網(wǎng)上有多個設(shè)備共存，實際傳輸速率為1MBPS，則傳輸200M文件僅需200秒，而一臺高性能數(shù)控機床加工這個曲面可能需要幾個小時，也就是說加工這個曲面可能需要幾個小時，也就是說數(shù)據(jù)的傳輸時闖遠小于實際加工時間。而且現(xiàn)在100M以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成熟，更有帶寬更高的以太網(wǎng)、FDDI、ATM等。TCP（傳輸控制協(xié)議）也提供了完善的可靠性保證，它采用了連接管理、確認與超時重傳機制、流量控制等技術(shù)。這些技術(shù)有效地保證了可靠性。 并不是所有設(shè)備都可以進人DCN網(wǎng)的，只有具有開放性特征的設(shè)備才能高效地聯(lián)到DCN中。開放系統(tǒng)采用通用操作系統(tǒng)，對TCP／IP有完美的支持，僅用很小代價就可聯(lián)網(wǎng)。開放性系統(tǒng)可以提供大量及時的、有價值的信息供網(wǎng)絡(luò)中任何一臺設(shè)備訪問，例如機床的工作狀態(tài)，各種切削參數(shù)，刀具狀況，當前工作進度等，而網(wǎng)上的管理、控制計算機可以隨時查詢上述信息，利用專家系統(tǒng)、管理系統(tǒng)進行判斷運算，做出決定，發(fā)出相應(yīng)的指令，而開放系統(tǒng)根據(jù)接收到的指夸來調(diào)整機床的工作。 DCN還允許各種CAD／CAPP／CAM 系統(tǒng)的加入．由于大多數(shù)這樣的系統(tǒng)都能支持TCP／IP協(xié)議，一旦這些系統(tǒng)進入Intranet，它們的運算結(jié)果就可以直接傳送到任何聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)中。因而在DCN環(huán)境中可以方便地將各種開放系統(tǒng)集成起來。 圖1是一個由四臺開放數(shù)控機床系統(tǒng)和二臺工作站組成的一個DCN系統(tǒng)模型。它們用Intranet互連、一臺工作站上面運行CAD／CAM／CAPP等大型軟件系統(tǒng)，叫做輔助計算機，它的作用是根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計生成數(shù)控代碼。另一臺工作站上運行管理調(diào)度監(jiān)控軟件。稱為控制計算機，它是整個系統(tǒng)的中心，作用是監(jiān)控各設(shè)備運行情況，脅調(diào)系統(tǒng)中其它設(shè)備的運行，其它四個是開放式數(shù)控系統(tǒng)，運行于PC機上基于Win．dows平臺，執(zhí)行加工任務(wù)，向控制計算機發(fā)送機床運行信息，并向阿上其它設(shè)備提出某些請求，響應(yīng)控制計算機發(fā)來的命令，接收來自輔助計算機的NC代碼，并執(zhí)行之。 在一個典型的DCN系統(tǒng)中，其工作流程是這樣的： 1）CAD／CAM／CAPP中的CAD系統(tǒng)設(shè)計出產(chǎn)品，CAPP作出工藝流程，CAM 系統(tǒng)生成相應(yīng)的NC代碼。 2）由控制計算機分析各數(shù)控機床系統(tǒng)工作情況，并指示將相應(yīng)的數(shù)控代碼由輔助計算機分別傳送到每臺數(shù)控機床系統(tǒng)。并指示數(shù)控系統(tǒng)做好準備工作。 3）數(shù)控機床執(zhí)行接收到的NC代碼，并將加工過程中的機床狀態(tài)發(fā)送紿控制計算機。在加工過程中碰到異常情況，請求控制計算機處理。 4）加工結(jié)束后，數(shù)控系統(tǒng)向控制計算機發(fā)出加工結(jié)束信號，并請求新的加工任務(wù)。 5）全部加工結(jié)束后，控制計算機通知各系統(tǒng)停止工作，進行相應(yīng)的后處理。 在這些過程中，2）、3）、4）是可重復(fù)的，因為每臺機床系統(tǒng)可能都需接受多個NC代碼文件，執(zhí)行多個加工任務(wù)。它可將NC代碼文件存于硬盤上，在加工時調(diào)用，也可以在加工時直接從網(wǎng)上傳送過來在系統(tǒng)中采用客戶端／服務(wù)器的計算結(jié)構(gòu)，控制計算機作為客戶端，輔助計算機和四個數(shù)控系統(tǒng)作為服務(wù)器，服務(wù)器接收來自客戶端的請求，作出相應(yīng)的響應(yīng)，并把運行結(jié)果返回給客戶端。實際上一旦建立連接以后，雙方都可以相互傳送或接受請求，網(wǎng)上任兩臺設(shè)備之間的信息傳輸都是雙向的，因而它們實際上互為客戶端／服務(wù)器。 系統(tǒng)中每臺開放式數(shù)控系統(tǒng)都是一個自治系統(tǒng)。它可以自動執(zhí)行一些命令，對加工中的各種情況能夠作出相應(yīng)的處理。特別是一些緊急情況，如撞刀，它需要系統(tǒng)在幾毫秒內(nèi)作出反應(yīng)，數(shù)控系統(tǒng)可以自動地作出應(yīng)急處理，而在網(wǎng)絡(luò)上的計算機是不可能在這么快的時間內(nèi)相互傳送信息并作出相關(guān)處理的。數(shù)控系統(tǒng)自動地處理緊急情況，控制計算機處理不太緊急的事件。網(wǎng)上傳輸?shù)男畔⑹敲罴壍?，如下載NC代碼，傳輸加工狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控等。這樣方面保證了可靠性、安全性，還減少了阿上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在一個企業(yè)中可以有多個DCN系統(tǒng)。這些系統(tǒng)經(jīng)過Intranet聯(lián)在一起，和企業(yè)中的MRPⅡ系統(tǒng)、MIs系統(tǒng)等形成一個整體，如圖2所示。這些管理系統(tǒng)可以從DCN系統(tǒng)中的控制計算機中得到相關(guān)信息，也可以直接從開放式機床系統(tǒng)中得到更詳細的信息。在這樣的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中，DCN系統(tǒng)和其它的管理系統(tǒng)可以無縫地聯(lián)在一起，并可以提供充分的有用信息供使用，從而有效提高管理水平。 DCN系統(tǒng)由于建立在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)之上，因而其硬件的費用低，而且由于使用通用操作系統(tǒng)，它們都支持TCP／IP協(xié)議，因而軟件的支持環(huán)境也極易建立 這些都無需重新開發(fā)，所需開發(fā)的軟件只有系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。這對于網(wǎng)絡(luò)硬件水平低、長于開發(fā)應(yīng)用程序的中國人來說是一個極好的選擇，開發(fā)費用也會大大降低。開放式數(shù)控系統(tǒng)均可以提供大量的機床內(nèi)部運行信息，供阿上計算機使用，這可以大大提高管理水平。Intranet網(wǎng)在企業(yè)中的一個整體，還和Internet聯(lián)在一起。只要是聯(lián)在Intranet或Intrernet上的設(shè)備都可以組在一起，形成DCN系統(tǒng)，它消除了地理上的限制，不同車間、甚至不同工廠的設(shè)備可以組成DCN，這給敏捷制造提供了很好的條件。DCN的可重組性也是很好，當一個DCN系統(tǒng)完成一個加工任務(wù)后．其中的設(shè)備可以馬上重新組成新的系統(tǒng)，去完成新的任務(wù)，這不需要物理上的重組，只需在相應(yīng)的控制計算機上運行對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)程序，信息就可以在新的I）CN系統(tǒng)內(nèi)有序流動。 利用開放式數(shù)控系統(tǒng)和Intranet組成的DCN系統(tǒng)具有硬件成本低、軟件開發(fā)費用步、性能好、柔性高、可重組性好等優(yōu)點。它對實現(xiàn)敏捷制造的思想有很高的使用價值．在企業(yè)響應(yīng)快速多變的市場方面，將發(fā)揮重要作用。