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1.概述
隨著機械行業(yè)和信息化技術的發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)使用的數(shù)控設備越來越多，而傳統(tǒng)的對數(shù)控機床進行單機管理模式已不能適應企業(yè)發(fā)展的需要，應用計算機技術通過DNC控制方式對數(shù)控設備群進行集中管理與監(jiān)控，形成企業(yè)內(nèi)部的MES系統(tǒng)，這是未來企業(yè)數(shù)控設備管理的發(fā)展方向。
本文主要闡述基于DNC系統(tǒng)控制多臺數(shù)控機床構建設備管理系統(tǒng)，預期達到：1)在企業(yè)MES系統(tǒng)上，對現(xiàn)場所有數(shù)控設備的相關信息一目了然，利用MES軟件集中處理這些機床的數(shù)據(jù)，便于進行設備管理統(tǒng)計與分析工作。2)對現(xiàn)場的數(shù)控設備運行情況進行實時監(jiān)控。3)工藝編程人員編制的加工程序，通過內(nèi)網(wǎng)快速傳輸，提高工件程序的準確性。
2.企業(yè)使用DNC系統(tǒng)前的狀態(tài)
由于數(shù)控設備現(xiàn)場是從普通機床車間持續(xù)發(fā)展起來的，并沒有針對數(shù)控機床的特點進行管理。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)控操作者編寫的，程序存放不統(tǒng)一、修改程序記錄不及時，一旦出錯，責任不明確，出現(xiàn)推諉扯皮現(xiàn)象。
(2)在程序傳輸方面，有采用臺式電腦進行傳輸?shù)�，有采用軟盤、U盤進行傳輸?shù)�，還有采用人工方式進行錄入的。電腦一對一傳輸，需用編程人員與操作者一起進行，浪費人力資源；軟盤、U盤由于軍工企業(yè)已禁止使用；而采用人工錄入的方式更是不可取，因為輸程序出現(xiàn)錯誤的機率非常大。
(3)有一部分數(shù)控機床的系統(tǒng)，硬盤內(nèi)存空間小，大量的加工程序裝不下，只得進行反復刪除和輸入，嚴重影響機床加工效率，且增加出錯風險。
(4)企業(yè)設備管理人員掌握現(xiàn)場數(shù)控設備使用運行情況，需親自下現(xiàn)場，如果現(xiàn)場機床出現(xiàn)問題，需電話報修，通知維修人員進行修理。整個現(xiàn)場數(shù)控設備得不到及時維護和在線監(jiān)控。
基于上述問題，對本企業(yè)現(xiàn)場數(shù)控設備實施DNC系統(tǒng)，實現(xiàn)程序編制、管理統(tǒng)一，傳輸方便準確，能及時監(jiān)控數(shù)控設備的運行狀態(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)可實現(xiàn)的功能有：可實現(xiàn)制造系統(tǒng)網(wǎng)絡化遠程服務功能；可在網(wǎng)絡上實現(xiàn)動態(tài)管理；可提供一個效率高的程序編輯；修改以及仿真的平臺；可實現(xiàn)數(shù)控加工信息的數(shù)據(jù)庫管理；可實現(xiàn)嚴格的權限管理；為實現(xiàn)基于網(wǎng)絡制造系統(tǒng)得先進制造技術打下堅實的基礎，最大限度提高了設備利用率。
DNC集成技術就是以數(shù)控技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、通訊技術為基礎，把與制造加工過程中的設備與上層控制計算機集成起來，從而實現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場數(shù)控設備集中控制管理，以及數(shù)控設備之間，數(shù)控設備與上層計算機之間的信息交換，同時能把現(xiàn)場的數(shù)控設備接入企業(yè)局域網(wǎng)。
DNC是Direct Numerical Control的簡稱，即直接的數(shù)字控制，也就是將現(xiàn)場多臺數(shù)控設備直接連接在一臺計算機上，由中央計算機負責數(shù)控程序的傳輸與處理，以及加工時間、故障停機等信息的在線監(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)場總線。(2)采用串口轉換器。(3)采用協(xié)議轉換聯(lián)網(wǎng)方式。本企業(yè)是采用第三種方式成功實現(xiàn)了多臺數(shù)控設備DNC系統(tǒng)的控制。如圖1所示。
4.數(shù)控設備管理實施案例
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)設備維修管理目錄下：維修結果記錄；設備維修查詢；未維修設備日報；備件臺帳查詢。2)設備輔助管理目錄下：設備基礎維護；設備維修（子目錄下：95車間設備監(jiān)控；32車間設備監(jiān)控；33車間設備監(jiān)控；設備報警響應；維修記錄查詢）。3)個人設置。
4.1 數(shù)控設備網(wǎng)絡連接
本企業(yè)數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括：①網(wǎng)絡服務器；②網(wǎng)絡交換機；③局域網(wǎng)線；④數(shù)據(jù)采集器；⑤通訊電纜；⑥數(shù)控機床。
方案是采用數(shù)控機床的RS232接口進行DNC通訊連接，將每臺數(shù)控機床單獨連接一個信號數(shù)據(jù)采集器聯(lián)在DNC網(wǎng)絡上，這個數(shù)據(jù)采集器只是采集數(shù)控機床的報警信息和零件加工時間的數(shù)據(jù)，數(shù)控機床加工程序傳輸?shù)裙ぷ鬟�是利用RS232口通過DNC網(wǎng)絡與計算機服務器聯(lián)系，數(shù)據(jù)采集器只是把要采集到的信號通過DNC網(wǎng)絡上傳到計算機服務器，采用MES軟件進行管理和處理。如圖2所示。
4.2 數(shù)控設備數(shù)據(jù)采集的選擇條件和方法
數(shù)控機床的加工數(shù)據(jù)信息有很多種，比如設備報警信息、主軸轉速信號、機床啟動信號、冷卻運行信號等等，在這些信號中，我們選擇設備報警信息信號和操作者實際加工零件狀態(tài)的信號進行具體操作。
現(xiàn)場的數(shù)控機床有很多種，所采用的數(shù)控系統(tǒng)也不統(tǒng)一，例如西門子系統(tǒng)、FANUC系統(tǒng)、NUM系統(tǒng)等，在這些機床及數(shù)控系統(tǒng)中，這些信號都具備提供給MES軟件的條件，但通過分析比較可以發(fā)現(xiàn)，有些信號比如液壓、潤滑、冷卻信號在有些特殊零件的加工中無法采集；還有主軸轉速信號，在某些非加工狀態(tài)時也有可能轉動，所以也不能使用。只有設備報警信息信號和加工循環(huán)啟動信號在各個機床及系統(tǒng)上都是必備的功能，也符合數(shù)據(jù)采集的選擇條件，所以決定采用設備報警信息信號和加工循環(huán)啟動信號提供給MES軟件。
設備報警信息信號的采集是從機床I/O口取24V信號，提供給串口服務器，通過網(wǎng)口送給局域網(wǎng)交換機，經(jīng)過DNC服務器傳給聯(lián)網(wǎng)的計算機。操作者實際加工零件狀態(tài)的信號，應首先采集數(shù)控機床循環(huán)啟動加工零件的開始信號，其次采集數(shù)控機床循環(huán)啟動加工零件的結束信號，這樣MES軟件才能計算出加工時間。舉例說明機床加工時間信號的采集過程，以西門子840D系統(tǒng)來說明這個信號的確認方法，對于SIEMENS 840D系統(tǒng)來說，在加工時需要按“循環(huán)啟動”（NC Start）鍵啟動加工程序，結束時按“循環(huán)停止”（NC Stop）鍵停止當前的執(zhí)行程序，這兩個信號在西門子系統(tǒng)中都是脈沖信號，控制面板與系統(tǒng)采用MPI總線通信，無法滿足DNC數(shù)據(jù)采集器的工作要求條件。但西門子標準面板上按鍵“NC Start”下面對應著一個指示燈，按鍵“NC Start”按下時指示燈亮，表示加工程序開始運行，并且常亮直至“NC Stop”被按下，燈熄滅，表示加工結束，可以直接取這個信號狀態(tài)來給數(shù)據(jù)采集器使用。數(shù)據(jù)采集器需要24V狀態(tài)，這可以通過西門子PLC發(fā)出此信號，方法是通過梯形圖編程提取“NC Start”燈的信號，再通過PLC模塊供給數(shù)據(jù)采集器24V信號。
4.3 數(shù)控設備數(shù)據(jù)采集信號的處理方案
對數(shù)控機床加工時間信號處理，西門子標準操作面板的按鍵與指示燈接口地址號都有固定的，利于系統(tǒng)NCK與PLC S7-300通訊，參照西門子系統(tǒng)手冊可以查到對應的地址，下面以銑床版來說明控制信號的編程方法。
首先查閱西門子（銑床版）機床控制面板接口信號表（如圖3），找到我們需要的信號“NC Start”即循環(huán)啟動指示燈的地址為：字節(jié)QB n+1，位5，n由各個機床按實際編寫的PLC程序確定，各個機床都不相同，以一臺五坐標加工中心為例，參照這臺機床的原始PLC程序可以確定n為0，則“NC Start”燈的輸出信號地址為Q1.5，在S7-300上需要找到一個輸出空位地址，比如為Q70.1，則可以在機床的原PLC程序上加上一段語句：
A Q1.5
=Q70.1
這樣就可以實現(xiàn)在PLC模塊上地址Q70.1輸出24V信號，使用西門子Step7軟件修改梯圖。數(shù)控機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句即可實現(xiàn)24V信號的輸出，比如此數(shù)控機床可寫在FC103功能塊里。此外在程序上還可以加上更為準確的一些約束條件，例如主軸啟動信號（Q3.2）等，程序就可以寫為：
A Q1.5
A Q3.2
=Q70.1
這樣能使監(jiān)控的零件加工時間信號更為準確。
對數(shù)控機床報警停機信號的處理，同樣在S7-300上找到一個輸出空位地址，選定空位地址Q70.2，數(shù)控機床報警燈PLC地址Q1.0，程序就可以寫為：
A Q1.0
=Q70.2
同樣使用西門子Step7軟件對梯圖進行修改處理。將在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC程序重新改寫完成后，上傳到數(shù)控系統(tǒng)里，并進行正確的電氣聯(lián)接，就可以進行零件的加工狀態(tài)和機床報警停機在線實時監(jiān)控。
在現(xiàn)場應用中效果更為顯著，首先在設備管理系統(tǒng)的計算機顯示屏上能直觀動態(tài)顯示各臺設備所處于的實施工作狀態(tài)，以某車間為例，如圖4�；疑硎荆涸O備為派工，紅色表示。
設備故障，黃色表示：已派工未開工，紅色表示：設備正常運行，若點擊某一臺設備，就會彈出該設備的名稱、編號、操作者姓名、自動加工時間統(tǒng)計等內(nèi)容。其次在設備報警信息響應系統(tǒng)中，一旦有設備報警，立即作出響應，設備維修人員能及時進行搶修，修復后，取消報警并錄入該設備故障部位、故障原因、診斷過程、維修方法等，能夠準確地建立設備維修檔案，為今后維修工作打下基礎，并且實行企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)上設備資源共享，MES系統(tǒng)的實施為進一步全面管理控制現(xiàn)場設備建立了一個嶄新的平臺。
5.結論
實踐證明，本企業(yè)基于DNC技術建立的制造執(zhí)行系統(tǒng)即MES系統(tǒng)，改變了原有落后的設備管理模式，具有如下優(yōu)勢：
(1)使數(shù)控機床的加工程序編制規(guī)范化，統(tǒng)一進行局域網(wǎng)傳輸，快速、準確，提高了生產(chǎn)效率。
(2)通過中央控制計算機能對現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控設備的自動運行加工時間及有無報警停機進行在線監(jiān)控，在對數(shù)控設備的故障診斷、冷卻潤滑系統(tǒng)的在線監(jiān)控方面，還在醞釀之中，有待進一步實施。
(3)企業(yè)管理部門或管理系統(tǒng)能及時、全面、準確獲取現(xiàn)場數(shù)控設備的各種信息，利于生產(chǎn)管理計劃和采取措施，最大限度發(fā)揮生產(chǎn)管理作用，使企業(yè)的設備管理系統(tǒng)邁上了一個新臺階。
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