面向网络化制造的开放式数控系统设计说明

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1、. . . . 1前言1.1数控系统的发展简史1946年世界上第一台电子计算机诞生了，他为人类进入信息社会奠定了基础。半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信息技术，既通过电视，现代通信等提高了人类生活的质量，还促进生产力飞速向前发展。六年后，即在1952年，网络化被用到了数控系统上。美国诞生了世界上第一台数控机床。网络技术与制造技术得到了很大发展，在整个机械制造业是一项很大的技术进步。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控机床发生了飞速的发展。19521970年是数控阶段的发展。由于当时的计算机技术还不成熟，不能够满足机床的实时控制。专家们就利用数字电路组成的计算机作为当时的数控系

2、统，在当时被称为数控。在这里数控系统发生了三个时代的变化：即电子管时代、晶体管时代和小部分的集成时代。这一阶段数控系统还是起步阶段，总的发展还比较缓慢。1970年至今被称为计算机数控阶段。当时计算机的运算速度有了很大的提高，而且成本比以前的要低，可靠性比以前的要高。1971年美国的INTEL公司将运算器和控制器采用大规模集成电路集成在一块电路上，制成了微处理器。1974年微处理器被应用于数控系统。到1990年个人计算机的功能已得到很快的发展，使得他成为数控系统的最主要部件，数控系统从这以后就进入PC机的时代。在这个阶段数控系统也发生了三个时代的变化，1970年是“小型计算机”时代；1974年是

3、“微处理器”时代；1990年是“基于PC机的时代。这一阶段数控系统得到了飞速的发展，也大规模的得到使用。我国从1958年起，开始了对数控系统的研制和开发。但当时的发展比较缓慢，水平也比较低。在改革开放以后，我国的数控技术逐步得到了发展。到1979年，我国数控水平大致达到了发达国家60年代后期的水平。从80年代开始，我取了新的发展方针，暂时引进国外的数控装置和伺服驱动系统，满足国产机配套的要求，取得了显著的成绩。尤其是在1999年以后，国家向国防工业与关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。目前我国的国产数控系统主要为经济型，高档数控市场的95%仍被国外占据。总之，由于网络

4、化技术的发展，使得智能数控系统开始得到发展，他打破了以前各数控厂家采用互不兼容的专用系统的发展模式，提供了开放式的基础，是升级换代与系统的维护变得非常的灵活方便，也使得数控系统的使用率和加工效率得到了很大的提高1。1.2开放式数控系统的发展现状与趋势自1949年美国帕森斯公司试制成功了世界上第一台数控机床以来，数控系统的硬件发生了很大的变化。从一开始的采用电子元件，到现在的采用微型电子计算机和微处理器组成的系统。近些年，大部分数控系统生产商开发了新的数控系统技术，而这些都是基于个人计算机丰富的资源，基于PC-NC技术的智能数控系统开始得到发展。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应

5、性，并向智能化、网络化方向大大发展，目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。随着现代技术的不断发展和进步，开放式数控将成为数控技术发展的必然趋势。开放式数控机床将向着高速化方向发展，大幅度的提高加工效率，还可以提高零件的加工精度。随着人工智能在计算机领域的不断发展，数控系统将会朝着智能化方向发展。例如：程序的编写；操作界面的简化；工艺参数的自动生成；电机参数的自适应运算等等都将会是智能化。另外，在未来，数控系统还会向着信息化和网络化的方向不断发展。数控系统方面的变化主要有：主控机向多位微处理机方向发展；数控装置向集成化、智能化、信息化方向发展；数控系统向模块化结构设计方向的发展；数控程序的编写向

6、图形化与智能化方向发展；数控系统将更加注重人机交互的宜人性2。1.3数控系统的网络化随着计算机技术的发展，自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成为基础的信息系统。数控系统的网络化就是在这种趋势发展下新型的技术，他以其开放式、数字化、信息化、智能化等技术推动了工业自动化的发展。网络化制造技术是基于Internet技术的发展而发展起来的。包括有企业与企业之间的网络化可以实现企业间的资源共享，实现优势互补；通过网络实现产品的异地制造，降低生产成本；有制造环境与整个企业的网络化来实现企业的工程设计与信息管理系统的集成；网络化制造模式的不断扩大。通过建立网络化的数控程序加工系统，就可以充分利用互联网

7、制造资源，把分布在不同地区的生产设备资源进行整合，充分利用资源互补的优势，实现网络化设计、网络化制造、网络监控、网络营销与网络管理等功能，从而提高机床的使用效率和加工效率，降低产品的加工成本，充分的利用生产设备，提高企业的经济效益。网络化制造开放式数控系统是目前数控系统的研究热点，网络数控系统以其开放式和网络功能为数控系统的发展提供了很好的技术条件。在未来，网络化将会成为数控系统的主要发展方向3。1.4国网络化制造数控系统技术的发展现状与趋势我国的数控技术近20年的发展，基本上掌握了关键技术，并初步形成了自己的数控产业。国对网络制造的研究非常重视，其中网络化知道模式在企业里得到越来越广泛的关注

8、和应用。国众多专家和学者对这一技术进行了深入的研究，阐述了网络经济时代的变化和特点，指出网络化制造模式的必然性，归纳出了支撑网络化制造的技术体系4。但我国的电子工业基础薄弱，系统的可靠性和智能化发展还比较缓慢，低档的经济型数控机床所占的比重较大。总体的技术水平和世界发达国家相比还有一定距离。我国是个制造业大国，数控技术的发展直接反应一个国家制造业发展的水平。所以我国制造业面临着调整和优化的艰巨任务。由于我国各个生产单位采用不同的生产标准，所以不同的设备之间无法实现信息交换，不同的软件无法实现信息的传输和数据的共享。如今，我国使用的机床多数都带有如RS232的通信接口。可以通过对数控机床部的改造

9、使其具有网络化制造功能。对于单台的加工中心，可以通过RS232接口直接和计算机相连实现通信功能。对于大型工厂来说可以组建局域工业网或以太网，来实现数控机床与计算机之间的连接。因此，我国网络化制造数控系统技术可以朝一下几方面方向研究：1) 利用数控机床与计算机之间的通讯软件进行数据传输，实现并行作业。2) 根据设计路线和程序编制建立网络服务器，实现计算机的联网控制。3)建立机床和网络的并行控制，创建网络化数控实训基地。4)通过仿真预先验证加工程序的正确性。5)在验证的基础上，对所取得的数据信息进行分析，总结出总的设计方向。1.5课题研究的意义和容网络化制造开放式数控系统使得各个生产设备之间能进行

10、信息的交换和数据的传送。他研究意义为： 1) 我国是制造业大国，对网络化制造开放式数控系统有很大的需求和推动力。2) 我国数控系统技术的发展还比较缓慢。3) 对于激烈的国际市场竞争，通过对系统的研发，可以提高我国制造的产品在国际市场的竞争力。 4) 网络化制造开放式数控系统具有高精度、高效率、柔性自动化等很多优点。本课题研究的是以一种经济可行的方法应用于现代数控机床，使其适应计算机网络化制造的需要。通过对于作为异步串口通信RS-232的机床的设计，采用串行服务器，实现数据之间的传输。数控系统的远程调用主要就是实现对NC程序的上传和下送，而这些是在网络化数控机床在生产时不太容易实现的。依据机床的

11、生产效率，合理的分配各个机床的加工步骤，将程序储存在机床中。通过远程网络将这些程序调用到各台机床，使得各台机床能联网工作5。2X-Y轴铣床数控工作台的设计2.1 设计的主要参数设计一台X-Y轴铣床数控工作台，设计的主要参数为： 1)最大加工尺寸为210210mm； 2)Z向最大切削力2000N,X、Y向最大切削力为1500N； 3)工作台的重量为900N； 4)伺服驱动使用步进电机； 5)快速移动速度为3m/min,最大进给速度1.0m/min,启动加速时间为30ms； 6)使用年限为10年，每年工作300天，每天单班工作6。2.2 选择脉冲当量根据机床精度要求，适当确定脉冲当量：纵向为0.0

12、1mm/步，横向为0.01mm/步。2.3 切削力的选择根据机床要求，查阅相关资料7，选取切削力为：Fz=2000(N)；Fx=Fy=1500(N) 。2.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型2.4.1纵向进给丝杆（Y向）的计算和选型(1) 计算进给牵引力Fm（N）。纵向进给为综合型导轨Fm=KFy + f(Fz + G) =1.151500+0.16(2000+900)=2189(N) （2.1）式中 K考虑颠覆力矩影响实验系数，综合导轨取K=1.15； f滑动导轨摩擦系数：0.150.18；滚动导轨：f=0.00250.005； G溜板与刀架重量：G=900N。(2) 计算最大动载荷C （2.2）

13、 （2.3） （2.4）式中 Lo滚珠丝杠导程，初选Lo=6mm；Vs最大切削力下的进给速度，适当的选取最高速度的(1/21/3)；此处Vs=1.0m/min; T 使用寿命，按24000h；fw 运转系数，按一般运转取fw=1.21.5； L 寿命，以106转为1单位。 （2.5）（2.6）（2.7）(3) 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅手册7，可选取W1L3006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为14200N，精度等级选3级(大致相当于老标准E级)。(4) 传动效率计算 （2.8）式中 螺旋升角，W1L3006 =3o39；摩擦角取10；滚动摩擦系数0.0030

14、.004。 （2.9）2.4.2横向进给丝杆（X向）的计算和选型(1) 计算进给牵引力Fm Fm=KFy + f(Fz + 3G) =1.151500+0.16(2000+2700)=2477(N) （2.10）(2) 计算最大动载荷C （2.11） （2.12） （2.13）(3) 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅手册7，可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为16400N，精度等级选3级(大致相当于老标准E级)。(4) 传动效率计算 （2.14）2.5 步进电机的计算和选型2.5.1 纵向进给步进电机的计算(1) 等效转动惯量计算查阅相关资料7,传动

15、系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算：式中 JM步进电机转子转动惯量(kgm2) Js滚珠丝杠转动惯量(kgm2) 参考书目，初步选取反应式步进电机75BF003，其转子转动惯量JM=0.16kgcm2Js=0.7810-33430=1.8954kgcm2W=900N代入上式： =2.8937（kgcm2） （2.15）(2) 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各个阶段计算1) 快速空载起动力矩M起具体计算公式如下：M起=Ma max+ Mf+ M0将前式数据代入，式中各符号意义同前。（2.16）启动加速时间ta=30ms （2.17）折算到电机轴上的摩擦力矩M

16、f （2.18）附加摩擦力矩M0（2.19）M起=Mamax +M0=63.098（Ncm） （2.20）2) 快速移动时所需力矩M快。 M快=Mf + M0=55.41 + 16.556=71.966（Ncm） （2.21）3) 最大切削力负载时所需力矩M切 M切=Mf+ M0 + MtM切=69.04（Ncm） （2.22）上面计算可以看出，以这三种工况作为初选步进电机的依据。 当步进电机为三相六拍时最大静力矩 （2.23）按此最大静转矩查出，75BF003型最大静转矩为88.2Ncm。故可选他作为纵向进给步进电机。2.5.2 横向进给步进电机的计算(1) 等效转动惯量计算总的转动惯量：

17、参考同类型机床，初选反应式步进电机90BF004，其转子转动惯量JM=1.8（kgcm2）Js=0.7810-34430=5.9904（kgcm2） （2.24）W=900（N） （2.25）代入上式： （2.26）(3) 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各个阶段计算1) 快速空载起动力矩M起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M起=Ma max+ Mf+ M0将前式数据代入，式中各符号意义同前。 （2.27）启动加速时间ta=30ms （2.28）折算到电机轴上的摩擦力矩Mf （2.29）附加摩擦力矩M0 （2.30）M起=Mamax +M

18、0=188.138 + 18.74=206.878（Ncm） （2.31）2) 快速移动时所需力矩M快。 M快=Mf + M0=89.8 + 18.74=108.54（Ncm） （2.32）3) 最大切削力负载时所需力矩M切 M切=Mf+ M0 + MtM切=194.336（Ncm） （2.33） 上面计算可以看出，以这三种工况作为初选步进电机的依据。当步进电机为五相十拍时 最大静力矩 （2.34）按此最大静转矩查出，90BF004型最大静转矩为245Ncm。故选他作为横向进给步进电机。2.6 完成后的铣床工作台如下图：图2.1 X-Y轴数控铣床工作台3 数控系统网络化的实现3.1 引言数控机

19、床具有很多优点，包括：自动化程度高、生产的产品质量稳定、加工误差小等等。近几年，数控机床在国得到迅速的发展。但纵观国数控机床的使用情况，有很大一部分机床的使用率还不高，效率也没有得到充分发挥，主要原因就是很多数控系统没有实现网络化，有的还没有通信接口。所以通过实现数控系统的网络化，利用数控机床和计算机之间的通讯软件来进行数据传送，让他们实现并行作业，可以提高数控机床的使用率和效率。3.2 异步串行接口的设计和研究所谓异步串行通信是指具有不规则数据段传送特性的串行数据传输，异步通信数据帧的第一位是开始位，当数据线上没有数据时处于逻辑“1”状态。当机器要发送一个数据时，首先会发送逻辑“0”信号，而

20、这个逻辑低电平就是起始位。它通过传送线传向接收设备，当接收设备查收到逻辑低电平后，就会开始准备接收这个信号。所以，起始位的作用是表明字符传送开始。3.2.1 RS-232C通信接口简介串行通信所需要的数据线少，在远距离传送时比并行通信造价低，但一个数据要经过若干次以后才可以传送完，速度比较慢。RS-232C是一种异步串行接口，目前，由于通信设备生产商生产的设备多数与RS-232C通信标准相兼容，使得该标准的应用围非常广泛。RS-232C是计算机用来与modem(调制解调器)与其它串行设备交谈或交换数据的接口。在PC的某处，一般是主板上的通用异步收发器（UART）芯片，计算机上的数据从它的数据终

21、端设备（DTE）接口传送到一个置或外置的modem上（或其他的串行设备）。另外，此接口可以连接各种不同类型的微型计算机，使它们可以直接通信8。3.2.2 RS-232C标准（协议）RS-232C标准协议一开始是为远程末端通信设备与数据通信设备而设定的。232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前有RS-232B和RS-232A。其中机械特性、电气特性、信号功能、引脚定义、传送过程以与连接电缆都是它规定的。3.2.2.1 RS-232C的电缆连接在两台PC机之间，可省略调制解调器（DCE），在两个DTE可直接连接，这时的连接被称为“空MODEM”接法，也称双交叉环回接法。

22、这种接法不仅满足实际的通信需要，还简化了通信设备、降低了成本，所以这种接法在通信中得到了广泛的应用。3.2.2.2 RS-232C的电气特性电气特性是确定接口的电平和电压变化的定量关系。RS-232C标准将其定义如下：如果传输的电压的绝对值比3V大时，电路就可以检测出来。当它在-3V和3V之间时，是处于模糊区。在RXD和TXD上，逻辑1（MARK）在-3V到-15V之间，逻辑0（SPACE）在+3V到+15V之间。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上，当电压在+3V和+15V之间时，表明信号有效（接通、ON状态、正电压）。在-3V和-15V之间时，表明信号无效（断开、OFF状态、

23、负电压）。上面的规定指出了RS-232C标准对应逻辑电压的规定。对于介于-3V+3V之间的电压处于模糊区电位，此部分电压将使得计算机无确判断输出信号的意义，可能得到0，也可能得到1，如此得到的结果是不可信的，在通讯时候体系的是会出现大量误码，造成通讯失败。因此，实际工作时，应保证传输的电平在+3+15V或-3V-15V之间。3.2.2.3RS-232C机械特性RS-232C标准中出现了DB-9、DB-15、DB-25等各种类型的连接器。其机械特性和实际的连接有关。其规定大体如下：RS-232C是一个具有25个引脚的连接器，每个引线都有了明确的安排。RS-232C的机械接口一般是有9针、15针和

24、25针这些类型。一般来说，标准的RS-232C接口使用的是25针的连接器，如插座。下面介绍下最常用的两种连接器DB25和DB9：DB25连接器：它有25根信号线，被分为4组：有9个异步通信电压信号：2、3、4、5、6、7、8、20、22；9个20mA信号：12、13、14、15、16、17、19、23、24；空6个：9、10、11、18、21、25；保护地（PE）1个，它是用来给设备的接地端（1脚）。DB-9连接器：DB-9型连接器与DB-25型的引脚分配刚好完全不同。因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。9针接头定义：PIN1DCD；PIN2RXD；PIN3

25、TXD；PIN4DTR；PIN5GND；PIN6DSR；PIN7RTS；PIN8CTS；PIN9RL。9芯D型信号名称与引脚分配如下表3.1。表3.1 9芯D型信号名称与引脚分配引脚信号名称信号方向说明1DCDMODEMPC数据载波检测2RxDMODEMPC接收数据3TxDMODEMPC发送数据4DTRMODEMPC发送终端准备5GNDMODEMPC信号地6DSRMODEMPC数据设备准备好7RTSMODEMPC请求发送8CTSMODEMPC清除发送9RIMODEMPC振铃指示 25针的RS-232C和9针的RS-232C之间要用专业的电缆将其连接起来。DB25与DB9接口接线图如下图所示。G

26、NDTXDRXDRSTCTSDSRDCDDTRGNDRXDTXDCTSRSTDCDDSRDTR DB25 DB9 75 22 3 34 8 5 7 6 18 620 4图3.1 DB25与DB9接口接线图3.2.2.4RS-232C的功能特性RS-232C标准接口有25条线：4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线。常用的只有9根：数据装置准备好（DSR）有效时（ON）状态，表示MODEM是可以被使用的。数据终端准备好（DTR）有效时（ON）状态，表明这时数据终端是可以被使用的。请求发送（RTS）它是表示DTE来请求DCE给发送数据，即当终端要发数时，信号有效（ON状态），就会

27、向MODEM请求发送数据。这是用来控制MODEM是否要准备发送。 允许发送（CTS）它是表明DCE准备好接受DTE发来的数据，这是对请求发信号的响应信号。当MODEM已弄好传输来的数据时，这个信号就会有效，并通知终端准备沿数据线TXD来传输数据。接收信号检出（RLSD）是用来表明DCE已接通数据链路，并告诉DTE准备来接收数据。当MODEM接收到由通信链路的另外一端（远地）的MODEM传送来的信号时，RLSD信号就会有效，这时会通知接收端接受数据，并由MODEM将收到载波信号变换成数字量数据后沿数据线RXD送到终端。次线也叫做数据载波检出（DCD）线。 振铃指示（RI）当MODEM接收到交换台

28、传送来的振铃指示信号时，这个信号就会有效（ON状态），并通知终端，表示被呼叫。 发送数据（TXD）表示通过TXD终端将数据信号传送到MODEM。接收数据（RXD）通过RXD线终端接收从MODEM发来的串行数据。两根地线SG线和PG线信号地和保护地信号线，无方向9。3.3 电路设计中主要元器件介绍3.3.1 单片机：AT89C51单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则

29、是花大力气也很难做到的。AT89C51是一款8位单片机，为许多嵌入式数控系统提供了不仅灵活而且价格便宜的方案。3.3.2 锁存器：74HC37374HC373是一款8位锁存器，常用于地址所存与输出口的扩展，共有54/74S373 和 54/74LS373 两种线路。373的输出端O0O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可以用作驱动负载。当OE变为高电平时，O0O7呈高阻态，这时它即不被用来驱动总线，也不作为总线的负载。而当锁存允许端LE变为高电平的时候，O就会随数据D的变化而变化。而当LE成为低电平的时候，O就会被锁存在已经建成的数据电平中。而当LE端

30、触发器具有输入滞后作用时，使交流和直流噪声抗扰度会被改善 400mV。3.3.3存储器：6225662256是一款32K的低功耗静态RAM储存器，采用单一+5V电源供电，双列直插式28引脚封。6255引脚功能如下表：表3.2 6255引脚功能A0A14地址总线D0/D7输入/输出口CS端口选择WE输入始能OE输出始能VCC电源始能VSS接地3.3.4 74HC245 74HC245是总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。由于单片机等CPU的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。图3. 2 74HC245实物图3.3.5三端稳压器7805输入在7.5

31、到24伏并且电流充足的情况下可以稳定5V输出。产品中经常见到的三端稳压器包括78系列和79系列，其中78系列是正电压输出，79系列好似负电压输出。三端IC就是指这种稳压电路包括三条引脚输出，它们是输入端、 接地端和输出端。用这两种系列的三端稳压IC来组成稳压电源时，它需要的元器件很少，而且还可以保护电路的过流和过热，性能可靠 、使用方便，而且价格便宜。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。3.3.6 光电耦合器件光电耦合器件是把发光的元器件和光敏器件组装在一起。光电耦合器简称光耦。它是利用光线来实现由电到光和光到电的转换器件。在使用时，如果信号被被传送到光耦的输入端后，发光二

32、极体就会通上电流从而发光，这时光敏元件就会受到光照并产生电流，CE导通；而当输入端没有信号输入时，发光二极体就不会亮，光敏三极管就会停止，这时CE是不导通的。3.3.7 MAX232芯片MAX232芯片是一种单电源转换芯片，它是特别为电脑的RS-232异步串行接口设计的，用+5v单电源供电。它具体分为3个部分：第一部分是由1、2、3、4、5、6这6个引脚和4个电容组成的电荷泵电路，它功能是为RS-232串口提供+12v和-12v两个电源。第二部分是由7、8、9、10、11、12、13、14这14个引脚组成的数据转换通道，它具有两个数据通道。第一个数据通道包括13脚（R1IN）、12脚（R1OU

33、T）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）。第二个数据通道包括8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）。TTL/CMOS的数据从T1IN、T2IN脚输入，然后转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT脚传送到电脑的DB9插头；而DB9插头的信号数据从R1IN、R2IN脚输入，当转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT脚输出。第三个部分的作用是供电。包括15脚GND和16脚VCC（+5v）。3.4 接口电路将以上元器件设计成电路图如下：图3.3 DB9接口电路3.5 网络标准的选择局域网（Local Area Network，LAN）是指在

34、某一区域由多台计算机相互联成的计算机组。它是封闭型的，可以由小型的两台计算机组成，也可以由一个部门的几千台计算机组成。它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或处理中心相连接，构成一个大围的信息处理系统10。3.5.1 局域网的拓扑结构的设计局域网通常是分布在一个有限地理围的网络系统，一般所涉与的地理围只有几公里，局域网专用性非常强，具有比较稳定和规的拓朴结构。常见的局域网拓朴结构有：星形拓扑结构、树形拓扑结构、总线形拓扑结构与环形拓扑结构。(1) 星形拓扑结构这种结构的网络是各工作站以星形方式连接起来的，网中的每一个节点设备都以中防节为中心，通过连接线与中心节点相连，如果一

35、个工作站需要传输数据，它首先必须通过中心节点。由于每个节点相互独立，当个别节点出现故障时不影响整个系统的功能，实时性较好，这种结构的网络系统中，中心节点是控制中心，任意两个节点间的通信最多只需两步，所以传输速度快，并且网络构形简单、便于控制和管理。但这种网络系统，网络可靠性低，网络共享能力差，并且一旦中心节点出现故障则导致全网瘫痪。图3.4 星形拓扑结构示意图(2) 树形拓扑结构树形拓扑结构是天然的分级式结构。它的特点是网络制造成本低廉，结构简单。在系统中，任何两个节点都不产生相互回路，每一条链路都具有满足双向传输的作用，而且，在网络中每个节点运行灵活，路径寻查比较简单。在这种拓扑结构系统中，

36、除了叶节点和它所相连的链路以外，其他任何一个地方产生故障都会影响整个网络系统的正常运行。(3) 总线形拓扑结构总线形结构网络是将各个节点设备和一根总线相连。网络中所有的节点工作站都是通过总线进行信息传输的。总线型拓扑结构的优点是总线形结构网络简单、灵活，可扩充性好。所以，进行节点设备的插入与拆卸非常方便。另外，总线结构网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备投入量少、成本低、安装使用方便。缺点是在任一时刻只能有两台终端通信，实时性不高，并且受信道的影响较大，传输距离较短。图3.5 总线形拓扑结构示意图(4) 环形拓扑结构环形结构是网络中各节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的

37、一个闭合一闭合环形结构网。环形拓扑结构的优点是实时行好，信息传输的最大时间固定，传输控制机制比较简单，可靠性高。缺点是某个节点故障将会导致整个系统的功能瘫痪，网络的扩展性差。图3.6 环形拓扑结构示意图根据数控机床与PC机之间的实际使用情况，比较以上集中几种拓扑结构的优缺点，决定选用星形结构11。3.5.2 局域网协议的选择和设置无线局域网网络传输协议就是网络中传送和管理信息的一些规。它规定了设备通信时信息必须采用的格式。就像人与人交流时要遵受一定的规一样，计算机相互连接时也要遵守共同的规则，这样的规则就被称作网络协议。网络协议通常被分为好几个层次，每层完成自己单独的功能，通信双方只有在共同的

38、层次间才能相互联系。常见的协议有：TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NETBEUI协议等。 协议的关键成分是：语法包括数据格式、编码与信号电平等，用来规定信息格式；语义包括用于直接和差错处理的控制信息，用来说明通信双方应当怎么做；定时包括速度匹配和排序，详细说明事件的先后顺序。(1) TCP/IP协议TCP/IP是“transmission Control Protocol/Internet Protocol”的简写，它是一种网络通信协议，把网上大部分通信设备都作了规。TCP/IP是INTERNET的基础协议，也是一种电脑数据打包和寻址的标准方法。在数据传送中，可以很形象地理解为有两个信封

39、，TCP和IP就像是信封，而要被传递的信息被划分成若干段，每一段被放进一个TCP信封，并在该信封面上记录有分段号的信息，再将TCP信封放进IP大信封，发送然后上网。在接收端，一个TCP软件包接收信封，拿出数据，然后按着发送前的顺序将数据还原，并测验，如果发现有错误，TCP会要求重新发送。因此，TCP/IP在INTERNET中可以很准确无误的发送数据。 对普通用户来说，只需要对IP的地址格式有所了解，就可以和世界各个地放进行网络数据通信。TCP/IP协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础。TCP/IP是一个四层的分层体系结构。最高层：应用层为协议的最高层，在该层应

40、用程序与协议相配合，发送或接收数据。TCP/IP协议集在应用层上有远程登录协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、电子协议（SMTP）、域名系统（DNS）等，它们构成了TCP/IP的基本应用程序。高层：即传输层，其主要协议有UDP和传输控制协议。TCP协议是在IP协议提供服务的基础上，支持面向连接、可靠地传输服务，是负责收集信息或把文件拆分成更小的包。这些包时通过网络被输送到TCP层的，接收端的TCP层把它还原成一开始文件。UDP协议时直接利用IP协议进行UDP数据的传输，因此UDP协议提供的是无连接、不保证数据完整到达目的地的传输服务。低层：就是网际协议，它的作用是处理每个包的地址部分

41、，把这些包送到目的地。网关计算机会依据信息数据的地址进行路由选择，就算是同一文件它的路由也会不同，但是都会集聚在目的地。(2) IPX/SPX协议 IPX/SPX是基于施乐的XEROXS Network System（XNS）协议，而SPX是基于施乐的XEROXS SPP协议，它们都是局域网的一种高速协议。它和TCP/IP的一个显著不同就是它不使用IP地址，而是使用网卡的物理地址即（MAC）地址。在实际使用中，它基本不需要什么设置，装上就可以使用了。(3) NETBEUI协议NETBEUI即NetBios Enhanced User Interface。它是NetBIOS协议的增强版本，曾被许

42、多操作系统采用，例如Windows for Workgroup、Win 9x系列、Windows NT等。总之，NETBEUI协议是一种短小精悍、通信效率高的广播型协议，安装后不需要进行设置，特别适合于在“网络邻居”传送数据。TCP/IP协议是Internet最基本的协议，而且具有良好的稳定性、准确性与实时性。因此本数控系统选用TCP/IP协议12。3.6 数控机床的联网3.6.1联网服务器Nport Express DE-211的简介NPort Express DE-211是一个可以让工业用RS-232、RS-422/485串口设备立即具备联网能力的设备联网服务器，如LED信息显示设备、PL

43、C、CNC、智能电表、煤气表、生物识别装置、读卡机等等。连结工业用串口设备与TCP/IP以太网络的最佳通讯解决方案。他的优点包括：大量安装时，IP设置与配置快速简单；简便的设置程序，易于远程管理；提供多种软件、电源输入、连接与安装方式，与工业设备集成更容易；提供监控程序和LED显示RS-485通讯状态；让工业串口设备立即联网。3.6.2 硬件设备网络线的连接网络线路采用价格较低的5类非屏蔽双绞线，他可以满足100Mbps的高速数据传输，完全适用于工业局域网的组建和联网。服务器选用Nport Express DE-211联网服务器。客户端主机选用配置较好的PC机。数控机床接NPort Expre

44、ss DE-211服务器后接在交换机上，便可接入局域网。NPort Express DE-211和交换机之间通过普通的直通网线即可13。图3.7 工业局域网星型拓扑结构4串口通信程序设计4.1通信程序的设计方案用VC+6.0作为为开发工具，设计一个可以实现串口通信功能的程序，从而实现NC程序的传输。程序的设计可以通过调用API函数实现，也可以使用MSComm控件来完成。MSComm控件在异步串口通信编程时比较方便，还不需要了解API函数。因此，程序的设计可以使用MSComm控件来完成16。4.2 VC+中的MSComm控件MSComm控件即Microsoft Communication Con

45、trol ActiveX 控件。它是Microsoft 公司在简化的Window下提供的串行通信编程的控件，利用这个控件程序通过串行接口收发数据会很方便。4.2.1 MSComm控件通信的操作模式MSComm控件的作用是给程序提供串行通信功能，通过串行端口实现传输和接收数据。这个控件提供了两种解决通信问题的简易办法：一种为事件驱动法，另一种为查询法。(1) 事件驱动法事件驱动发在处理串行端口信息交换时，很有效。很多情况下，事件发生时要收到通知，例如，串口接收缓冲区中有字符，可以用MSComm控件的OnComm事件捕获这些事件并进行处理，OnComm事件还能够检查和处理通信错误。所以，在编程中可

46、以将自己的处理代码写到OnComm事件的处理函数中。事件驱动法的优点为程序响应与时，可靠性高。每个MSComm控件对应着一个串行接口，如果要访问多个串口端口，就要使用多个MSComm控件。(2) 查询法查询法的实质上还是事件驱动方式，只是在有些情况下这种方式更为方便。使用该方式，可以在每个关键功能之后通过CommEvent属性的值来查询事件和错误。如果应用程序越小并且是自保持的，这种方法会更方便。例如，一个简单的拨号程序，只需等待调制解调器的“确定”响应，没有必要每次接收到字符都产生事件17。串行端口使用十几条信号线进行通信。但是使用MSComm控件开发串口通信的程序时只需了解其中的5跳线：D

47、TR线，RTS线，DSR线，CTS线，CD线。使用MSComm控件开发程序时实际上调用了API函数，这里的API函数由Comm.drv解释并传递给设备驱动程序进行的。这也就解释了为什么只需了解MSComm控件的属性即可操作串口的通信了17。4.2.2 MSComm控件的主要属性MSComm控件有很多重要的属性，用他进行编程时，必须要熟悉几个比较常用的属性。MSComm控件的主要属性介绍如下表：表 4.1 MSComm控件的主要属性与说明CommPort设置或返回通信端口号Settings以字符串的形式设置或返回波特率、奇偶校验、数据位和停止位PortOpen设置或返回通信端口状态，也可以打开或

48、关闭窗口Input返回和删除接收缓冲区的字符Output将字符串写入发送缓冲区4.3建立项目并设置软件界面启动VC+6.0程序，建立一个MFC AppWizardexe类型的文件，命名为shaoprogram。然后再打开的对话框中添加控件，完成可视化界面如图4.1所示。图 4.1 程序初始界面4.4插入MSComm控件MSComm控件必须要寄宿在工程中，因此，要将该控件添加到shaoprogram工程中。添加的方法：在工程菜单下的添加到工程子菜单中Components and Controls选项，然后双击“Registered ActiveX Controls”项，选择“Components

49、 and Controls Control，version 6.0”。在左侧的ClassView窗口中就已经有了CMSComm类了，同时控件工具栏的Controls中也有了图标，如图4.2所示。图 4.2 Controls控件工具栏然后将图标拖到上面的对话框中。如图4.3所示。图4.3 插入MSComm控件的界面4.5设置控件的属性打开ClassWizard菜单中的“Member Viariables”选项卡，选择CshaoprogramDlg类，为IDC_MSCOMM1添加控制变量：m_ctrlComm。然后将主界面的接收数据的ID设为IDC_EDIT_RXDATA，将发送数据的ID设为ID

50、C_EDIT_TXDATA，将发送按钮的ID设置为IDC_BUTTON_MANUALSEND。然后将接收编辑框的“Properties”菜单下的Styles中把Miltiline和Vertical Scroll属性选上。再打开ClassWizard菜单下的Member Viariables选项卡，选择CshaoprogramDlg类，为IDC_EDIT_RXDATA添加CString变量m_strRXData，为IDC_EDIT_TXDATA添加CString变量m_strTXData。其中m_strRXData和m_strTXData分别是用来放入接收和发送的字符数据。设置后的各变量的属性如

51、图4.4所示。图4.4 对控件添加变量与属性4.6串口程序的完成4.6.1初始化串口在主对话框的CshaoprogramDlg:OnInitDialog()函数中打开串口，加入如下代码：m_ctrlComm.SetCommPort(1);m_ctrlComm.SetInBufferSize(1024);m_ctrlComm.SetOutBufferSize(512);if(!m_ctrlComm.GetPortOpen()m_ctrlComm.SetPortOpen(TRUE);m_ctrlComm.SetInputMode(1);m_ctrlComm.SetSettings(9600,n,8

52、,1);m_ctrlComm.SetRThreshold(1);m_ctrlComm.SetInputLen(0);m_ctrlComm.GetInput();4.6.2添加串口事件消息处理函数MSComm控件一般是用事件驱动方式从串口中读取数据的。当串口有数据发生时，便会调用串口消息事件处理函数OnComm()函数。打开ClassWizard菜单中的“Message Maps”项，选择类CshaoprogramDlg，然后选择IDC_MSCOMM1，双击OnComm，将弹出的对话框中将函数名改为OnComm，如图4.5所示。图 4.5 属性变量修改然后编辑OnComm函数代码：VARIANT

53、 variant_inp;COleSafeArray safearray_inp; longk=0;int len;BYTE rxdata2048;CString strtemp;if(m_ctrlComm.GetCommEvent() case 2:variant_inp=m_ctrlComm.GetInput();safearray_inp=variant_inp;len=safearray_inp.GetOneDimSize();for(k=0;klen;k+)safearray_inp.GetElement(&k,rxdata+k);for(k=0;klen;k+)BYTE bt=*(

54、char*)(rxdata+k);strtemp.Format(%c,bt);m_strEditRXData+=strtemp;UpdateData(FALSE);4.6.3发送数据函数首先为发送按钮添加一个单击消息，即“BN_CLICKED”处理函数，打开类向导的“Message Maps”，选择类CshaoprogramDlg，然后选中IDC_BUTTON_MANUALSEND，双击BN_CLICKED添加OnButtonManualsend函数。然后编辑OnButtonManualsend()函数代码：UpdateData(TRUE);m_ctrlComm.SetOutput(COleV

55、ariant(m_strEditTXData);4.7程序的编译与调试到目前为止，代码的编写工作已经完成了。接下来就是进行程序的调试。经编译、连接后就可生成可执行文件，如图4.6所示。图4.6 序运行界面4.8NC程序远程调用数控机床若将文件保存在计算机上，就可以直接使用MDI操作面板上的OUTPUT功能键即可。当数控机床要调用计算机上的文件时，就要用到远程请求文件。数控通信软件若收到数控机床侧传来的数据，便寻找文件名，并将该文件发送给数控机床。对于机床来说，由于程序保存在数控系统的程序目录中，要调用计算机中的程序，每次使用时只需更改其文件名。下面举例说明NC程序的远程调用过程：假设要从计算机

56、调用cir001.NC文件。1) 打开远程调用请求文件O0001。%O0001(GET 文件名)M30%2) 修改远程请求文件名%O0001(GET cir001.NC)M30%3) 按下OUTPUT键发送O0001文件。4) 按下INPUT键接收计算机发送过来的cir001.NC文件。这时在数控机床的程序目录中，就可以直接看到程序cir001.NC文件了。5 结 论本篇论文对开放式数控系统和他的网络化的实现以与编程过程的实现进行了初步的研究。第一章 主要说明了开放式数控系统的发展现状和将来的发展趋势以与本课题的研究意义和容，简要阐述数控系统的网络化、国网络化制造数控系统技术的发展现状和趋势。第二章 是对数控机床机械部分的研究，主要设计了X-Y轴铣床数控工作台。分别对X轴和Y轴的滚珠丝杠螺母副、步进电机进