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1.概述
隨著機(jī)械行業(yè)和信息化技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)使用的數(shù)控設(shè)備越來(lái)越多，而傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行單機(jī)管理模式已不能適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的需要，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)通過(guò)DNC控制方式對(duì)數(shù)控設(shè)備群進(jìn)行集中管理與監(jiān)控，形成企業(yè)內(nèi)部的MES系統(tǒng)，這是未來(lái)企業(yè)數(shù)控設(shè)備管理的發(fā)展方向。
本文主要闡述基于DNC系統(tǒng)控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床構(gòu)建設(shè)備管理系統(tǒng)，預(yù)期達(dá)到：1)在企業(yè)MES系統(tǒng)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有數(shù)控設(shè)備的相關(guān)信息一目了然，利用MES軟件集中處理這些機(jī)床的數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行設(shè)備管理統(tǒng)計(jì)與分析工作。2)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。3)工藝編程人員編制的加工程序，通過(guò)內(nèi)網(wǎng)快速傳輸，提高工件程序的準(zhǔn)確性。
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2.企業(yè)使用DNC系統(tǒng)前的狀態(tài)
由于數(shù)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)是從普通機(jī)床車(chē)間持續(xù)發(fā)展起來(lái)的，并沒(méi)有針對(duì)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)進(jìn)行管理。存在很多制約加工效率的因素。
(1)加工程序的文本管理不到位，現(xiàn)場(chǎng)的零件加工程序中有的是工藝人員編制的，也有的是數(shù)控操作者編寫(xiě)的，程序存放不統(tǒng)一、修改程序記錄不及時(shí)，一旦出錯(cuò)，責(zé)任不明確，出現(xiàn)推諉扯皮現(xiàn)象。
(2)在程序傳輸方面，有采用臺(tái)式電腦進(jìn)行傳輸?shù)模胁捎密洷P(pán)、U盤(pán)進(jìn)行傳輸?shù)模�有采用人工方式進(jìn)行錄入的。電腦一對(duì)一傳輸，需用編程人員與操作者一起進(jìn)行，浪費(fèi)人力資源；軟盤(pán)、U盤(pán)由于軍工企業(yè)已禁止使用；而采用人工錄入的方式更是不可取，因?yàn)檩敵绦虺霈F(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)率非常大。
(3)有一部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的系統(tǒng)，硬盤(pán)內(nèi)存空間小，大量的加工程序裝不下，只得進(jìn)行反復(fù)刪除和輸入，嚴(yán)重影響機(jī)床加工效率，且增加出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)。
(4)企業(yè)設(shè)備管理人員掌握現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備使用運(yùn)行情況，需親自下現(xiàn)場(chǎng)，如果現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床出現(xiàn)問(wèn)題，需電話(huà)報(bào)修，通知維修人員進(jìn)行修理。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備得不到及時(shí)維護(hù)和在線監(jiān)控。
基于上述問(wèn)題，對(duì)本企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備實(shí)施DNC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)程序編制、管理統(tǒng)一，傳輸方便準(zhǔn)確，能及時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率
3.DNC系統(tǒng)的功能和控制原理
DNC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能有：可實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程服務(wù)功能；可在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理；可提供一個(gè)效率高的程序編輯；修改以及仿真的平臺(tái)；可實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工信息的數(shù)據(jù)庫(kù)管理；可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的權(quán)限管理；為實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)得先進(jìn)制造技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，最大限度提高了設(shè)備利用率。
DNC集成技術(shù)就是以數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，把與制造加工過(guò)程中的設(shè)備與上層控制計(jì)算機(jī)集成起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備集中控制管理，以及數(shù)控設(shè)備之間，數(shù)控設(shè)備與上層計(jì)算機(jī)之間的信息交換，同時(shí)能把現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控設(shè)備接入企業(yè)局域網(wǎng)。
DNC是Direct Numerical Control的簡(jiǎn)稱(chēng)，即直接的數(shù)字控制，也就是將現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)數(shù)控設(shè)備直接連接在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，由中央計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)控程序的傳輸與處理，以及加工時(shí)間、故障停機(jī)等信息的在線監(jiān)控。目前，DNC系統(tǒng)的數(shù)控聯(lián)網(wǎng)方式有三種：(1)采用現(xiàn)場(chǎng)總線。(2)采用串口轉(zhuǎn)換器。(3)采用協(xié)議轉(zhuǎn)換聯(lián)網(wǎng)方式。本企業(yè)是采用第三種方式成功實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)數(shù)控設(shè)備DNC系統(tǒng)的控制。如圖1所示。
4.數(shù)控設(shè)備管理實(shí)施案例
本企業(yè)基于DNC系統(tǒng)建立了制造資源-管理系統(tǒng)即MES系統(tǒng)，顯示內(nèi)容有：1)設(shè)備維修管理目錄下：維修結(jié)果記錄；設(shè)備維修查詢(xún)；未維修設(shè)備日?qǐng)?bào)；備件臺(tái)帳查詢(xún)。2)設(shè)備輔助管理目錄下：設(shè)備基礎(chǔ)維護(hù)；設(shè)備維修（子目錄下：95車(chē)間設(shè)備監(jiān)控；32車(chē)間設(shè)備監(jiān)控；33車(chē)間設(shè)備監(jiān)控；設(shè)備報(bào)警響應(yīng)；維修記錄查詢(xún)）。3)個(gè)人設(shè)置。
4.1 數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接
本企業(yè)數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括：①網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；②網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；③局域網(wǎng)線；④數(shù)據(jù)采集器；⑤通訊電纜；⑥數(shù)控機(jī)床。
方案是采用數(shù)控機(jī)床的RS232接口進(jìn)行DNC通訊連接，將每臺(tái)數(shù)控機(jī)床單獨(dú)連接一個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)采集器聯(lián)在DNC網(wǎng)絡(luò)上，這個(gè)數(shù)據(jù)采集器只是采集數(shù)控機(jī)床的報(bào)警信息和零件加工時(shí)間的數(shù)據(jù)，數(shù)控機(jī)床加工程序傳輸?shù)裙ぷ鬟�是利用RS232口通過(guò)DNC網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)服務(wù)器聯(lián)系，數(shù)據(jù)采集器只是把要采集到的信號(hào)通過(guò)DNC網(wǎng)絡(luò)上傳到計(jì)算機(jī)服務(wù)器，采用MES軟件進(jìn)行管理和處理。如圖2所示。
4.2 數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集的選擇條件和方法
數(shù)控機(jī)床的加工數(shù)據(jù)信息有很多種，比如設(shè)備報(bào)警信息、主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)、機(jī)床啟動(dòng)信號(hào)、冷卻運(yùn)行信號(hào)等等，在這些信號(hào)中，我們選擇設(shè)備報(bào)警信息信號(hào)和操作者實(shí)際加工零件狀態(tài)的信號(hào)進(jìn)行具體操作。
現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床有很多種，所采用的數(shù)控系統(tǒng)也不統(tǒng)一，例如西門(mén)子系統(tǒng)、FANUC系統(tǒng)、NUM系統(tǒng)等，在這些機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)中，這些信號(hào)都具備提供給MES軟件的條件，但通過(guò)分析比較可以發(fā)現(xiàn)，有些信號(hào)比如液壓、潤(rùn)滑、冷卻信號(hào)在有些特殊零件的加工中無(wú)法采集；還有主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，在某些非加工狀態(tài)時(shí)也有可能轉(zhuǎn)動(dòng)，所以也不能使用。只有設(shè)備報(bào)警信息信號(hào)和加工循環(huán)啟動(dòng)信號(hào)在各個(gè)機(jī)床及系統(tǒng)上都是必備的功能，也符合數(shù)據(jù)采集的選擇條件，所以決定采用設(shè)備報(bào)警信息信號(hào)和加工循環(huán)啟動(dòng)信號(hào)提供給MES軟件。
設(shè)備報(bào)警信息信號(hào)的采集是從機(jī)床I/O口取24V信號(hào)，提供給串口服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)口送給局域網(wǎng)交換機(jī)，經(jīng)過(guò)DNC服務(wù)器傳給聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)。操作者實(shí)際加工零件狀態(tài)的信號(hào)，應(yīng)首先采集數(shù)控機(jī)床循環(huán)啟動(dòng)加工零件的開(kāi)始信號(hào)，其次采集數(shù)控機(jī)床循環(huán)啟動(dòng)加工零件的結(jié)束信號(hào)，這樣MES軟件才能計(jì)算出加工時(shí)間。舉例說(shuō)明機(jī)床加工時(shí)間信號(hào)的采集過(guò)程，以西門(mén)子840D系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明這個(gè)信號(hào)的確認(rèn)方法，對(duì)于SIEMENS 840D系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在加工時(shí)需要按“循環(huán)啟動(dòng)”（NC Start）鍵啟動(dòng)加工程序，結(jié)束時(shí)按“循環(huán)停止”（NC Stop）鍵停止當(dāng)前的執(zhí)行程序，這兩個(gè)信號(hào)在西門(mén)子系統(tǒng)中都是脈沖信號(hào)，控制面板與系統(tǒng)采用MPI總線通信，無(wú)法滿(mǎn)足DNC數(shù)據(jù)采集器的工作要求條件。但西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)面板上按鍵“NC Start”下面對(duì)應(yīng)著一個(gè)指示燈，按鍵“NC Start”按下時(shí)指示燈亮，表示加工程序開(kāi)始運(yùn)行，并且常亮直至“NC Stop”被按下，燈熄滅，表示加工結(jié)束，可以直接取這個(gè)信號(hào)狀態(tài)來(lái)給數(shù)據(jù)采集器使用。數(shù)據(jù)采集器需要24V狀態(tài)，這可以通過(guò)西門(mén)子PLC發(fā)出此信號(hào)，方法是通過(guò)梯形圖編程提取“NC Start”燈的信號(hào)，再通過(guò)PLC模塊供給數(shù)據(jù)采集器24V信號(hào)。
4.3 數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集信號(hào)的處理方案
對(duì)數(shù)控機(jī)床加工時(shí)間信號(hào)處理，西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)操作面板的按鍵與指示燈接口地址號(hào)都有固定的，利于系統(tǒng)NCK與PLC S7-300通訊，參照西門(mén)子系統(tǒng)手冊(cè)可以查到對(duì)應(yīng)的地址，下面以銑床版來(lái)說(shuō)明控制信號(hào)的編程方法。
首先查閱西門(mén)子（銑床版）機(jī)床控制面板接口信號(hào)表（如圖3），找到我們需要的信號(hào)“NC Start”即循環(huán)啟動(dòng)指示燈的地址為：字節(jié)QB n+1，位5，n由各個(gè)機(jī)床按實(shí)際編寫(xiě)的PLC程序確定，各個(gè)機(jī)床都不相同，以一臺(tái)五坐標(biāo)加工中心為例，參照這臺(tái)機(jī)床的原始PLC程序可以確定n為0，則“NC Start”燈的輸出信號(hào)地址為Q1.5，在S7-300上需要找到一個(gè)輸出空位地址，比如為Q70.1，則可以在機(jī)床的原PLC程序上加上一段語(yǔ)句：
A Q1.5
=Q70.1
這樣就可以實(shí)現(xiàn)在PLC模塊上地址Q(chēng)70.1輸出24V信號(hào)，使用西門(mén)子Step7軟件修改梯圖。數(shù)控機(jī)床的梯形圖包括很多功能塊，在允許的功能塊加上加一段語(yǔ)句即可實(shí)現(xiàn)24V信號(hào)的輸出，比如此數(shù)控機(jī)床可寫(xiě)在FC103功能塊里。此外在程序上還可以加上更為準(zhǔn)確的一些約束條件，例如主軸啟動(dòng)信號(hào)（Q3.2）等，程序就可以寫(xiě)為：
A Q1.5
A Q3.2
=Q70.1
這樣能使監(jiān)控的零件加工時(shí)間信號(hào)更為準(zhǔn)確。
對(duì)數(shù)控機(jī)床報(bào)警停機(jī)信號(hào)的處理，同樣在S7-300上找到一個(gè)輸出空位地址，選定空位地址Q(chēng)70.2，數(shù)控機(jī)床報(bào)警燈PLC地址Q(chēng)1.0，程序就可以寫(xiě)為：
A Q1.0
=Q70.2
同樣使用西門(mén)子Step7軟件對(duì)梯圖進(jìn)行修改處理。將在西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC程序重新改寫(xiě)完成后，上傳到數(shù)控系統(tǒng)里，并進(jìn)行正確的電氣聯(lián)接，就可以進(jìn)行零件的加工狀態(tài)和機(jī)床報(bào)警停機(jī)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。
在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中效果更為顯著，首先在設(shè)備管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)顯示屏上能直觀動(dòng)態(tài)顯示各臺(tái)設(shè)備所處于的實(shí)施工作狀態(tài)，以某車(chē)間為例，如圖4。灰色表示：設(shè)備為派工，紅色表示。
設(shè)備故障，黃色表示：已派工未開(kāi)工，紅色表示：設(shè)備正常運(yùn)行，若點(diǎn)擊某一臺(tái)設(shè)備，就會(huì)彈出該設(shè)備的名稱(chēng)、編號(hào)、操作者姓名、自動(dòng)加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)等內(nèi)容。其次在設(shè)備報(bào)警信息響應(yīng)系統(tǒng)中，一旦有設(shè)備報(bào)警，立即作出響應(yīng)，設(shè)備維修人員能及時(shí)進(jìn)行搶修，修復(fù)后，取消報(bào)警并錄入該設(shè)備故障部位、故障原因、診斷過(guò)程、維修方法等，能夠準(zhǔn)確地建立設(shè)備維修檔案，為今后維修工作打下基礎(chǔ)，并且實(shí)行企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)上設(shè)備資源共享，MES系統(tǒng)的實(shí)施為進(jìn)一步全面管理控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備建立了一個(gè)嶄新的平臺(tái)。
5.結(jié)論
實(shí)踐證明，本企業(yè)基于DNC技術(shù)建立的制造執(zhí)行系統(tǒng)即MES系統(tǒng)，改變了原有落后的設(shè)備管理模式，具有如下優(yōu)勢(shì)：
(1)使數(shù)控機(jī)床的加工程序編制規(guī)范化，統(tǒng)一進(jìn)行局域網(wǎng)傳輸，快速、準(zhǔn)確，提高了生產(chǎn)效率。
(2)通過(guò)中央控制計(jì)算機(jī)能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行加工時(shí)間及有無(wú)報(bào)警停機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)控，在對(duì)數(shù)控設(shè)備的故障診斷、冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的在線監(jiān)控方面，還在醞釀之中，有待進(jìn)一步實(shí)施。
(3)企業(yè)管理部門(mén)或管理系統(tǒng)能及時(shí)、全面、準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備的各種信息，利于生產(chǎn)管理計(jì)劃和采取措施，最大限度發(fā)揮生產(chǎn)管理作用，使企業(yè)的設(shè)備管理系統(tǒng)邁上了一個(gè)新臺(tái)階。
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