适用于网络化制造模式的数控系统的研究

第32卷第3期VoI.32No.3东南大学学报（自然科学版）

2002年5月May2002（NaturaIScienceEdition）JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY

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适用于网络化制造模式的数控系统的研究

易红倪中华

（东南大学机械工程系，南京210096）

摘要：在综合分析网络化制造模式对计算机数控系统功能需求的基础上，从框架体系结构和

技术体系结构等不同的方面详细地研究了满足网络化制造要求的数控系统———WEB-CNC系

统的体系结构，同时对建立这一体系结构所涉及的基于WEB的浏览器/服务器处理技术、

研究DCOM/CORBA技术、ASP/ADO技术、XML技术等网络支撑技术进行了研究.在此基础上，

了WEB-CNC系统的实现方法，包括采用基于Browser/Server结构实现数控系统远程服务和信

息共享功能，满足系统的非实时性要求；采用基于DCOM/CORBA分布组件技术实现数控系统

的远程监控功能，满足系统的实时性要求.最后建立了满足网络化制造要求的WEB-CNC系统

的功能模型，为WEB-CNC系统的实现奠定了基础.

关键词：网络化制造；计算机数控系统；分布式组件技术；浏览器/服务器技术；网络数据库技术

中图分类号：TG659；TH165文献标识码：A文章编号：1001-0505（2002）03-0387-05

Researchoncomputernumericalcontrolsystem

fornetworkedmanufacturingenvironment

YiHongNiZhonghua

（DepartmentofMechanicaIEngineering，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China）

Abstract：BasedonanaIyzingthefunctionneedofCNCsystemfornetworkedmanufacturingenviron-

ment，theWEB-CNCsystemstructureisstudiedfromdifferentaspectsofframeworkstructureandtechn-

oIogysystemstructure.AndtheappIicationofWEB-basedbrowser/servertechnoIogy，DOCM/CORBAtechnoIogy，ASP/ADOtechnoIogyandXMLtechnoIogyareaIsostudiedinthispaper.Withthesetechn-

oIogy，theimpIementationmethodofWEB-CNCsystemisresearched，incIudingabrowser/serverbasedstructureforimpIementingremoteserverandinformationsharingfunctionsuitedforWEB-CNCnon-reaI-

timeneed，andaDOCM/CORBAtechnoIogyforimpIementingremotemonitoringfunctionsuitedfor

http://wendang.chazidian.comstIy，aCNCsystemfunctionmodeIforreaIizingWEB-CNCsystemises-

tabIished.

Keywords：networkedmanufacturing；computernumericaIcontroI；distributedcomponenttechnoIogy；

browser/servertechnoIogy；networkdatabasetechnoIogy

数控技术是集成制造科学、计算机科学、自动

控制理论和监控技术等多学科的综合性技术，数控

收稿日期：2002-01-25.

基金项目：江苏省科技攻关资助项目（BE2001030）

作者简介：易红（1963—），男，博士，教授，博士生导师.加工系统作为制造企业的一项关键使能技术，经历了专用数控、基于PC的数控、开放式数控等发展［1］阶段.在信息技术和计算机网络技术迅速发展的今天，传统的组织结构相对固定、制造资源相对集中、以面向产品为特征的制造模式已与之不相适

2东南大学学报（自然科学版）第32卷

应，需要建立一种按市场需求驱动的、具有快速响应机制的网络化制造模式，其实施方式是建立网络

［2］

化制造系统（networkedmanufacturingsystem）.

网络化制造模式下，迫切要求CNC系统具有网络功能，以提高其信息交换和数据处理能力.因

2）支持基于网络的信息共享功能

WEB-CNC系统能够实现网络联盟企业计算中心与现场数控设备之间的信息共享.该功能主要表现为两个方面：一方面实现远程加工设备可以共享联盟企业计算中心的加工程序代码，实现联盟企业计算中心的计算能力通过网络的延伸；另一方面联盟企业计算中心可以通过网络搜集数控设备采集的现场数据，服务于其它数控设备.

此在继承传统的CNC系统研究成果的基础上，进

一步探索适用于网络化制造模式的CNC系统，开发出CNC系统的网络功能服务软件，是当前数控系统研究和开发的前沿领域，成为各国学者研究的

热点.如美国的MSDI［3］公司的OpenCNC系统，实现

了基于PC的开放数控系统软件，并提供给用户二次开发的功能；文献［4］从不同的角度研究了数控系统开放性和基于网络的实现技术.但这些学者的研究大多是基于远程信息共享和远程服务功能，虽然有些学者，如文献［5，6］等对实现基于网络的远程监控功能部分进行了一些研究，但大都采用的是基于局域网的实现方法或基于硬件的方法，这些研究并不能适应网络化制造系统的要求.

基于上述分析，结合江苏省科技攻关资助项目———基于WEB的数控技术研究，我们从满足网络化制造对数控系统需求出发，在研究网络化制造环境下WEB-CNC数控系统的框架体系结构、技术体系结构基础上，研究了满足网络化制造系统要求的WEB-CNC系统所涉及的关键技术和网络支撑技术，最后建立了满足网络化制造要求的WEB-CNC数控系统的功能模型，为WEB-CNC系统的实现奠定了基础.

1网络化制造模式对数控系统的功能需求

网络化制造是一种全新的制造模式，以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征.柔性化与敏捷化是快速响应客户需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速响应、过程中的并行性与分布式决策.因此，网络化制造模式下的数控系统应具有集成、分布、广义和快速的特征，同时必须获得信息高速公路的充分支持，这是网络化制造的根本要求，也是网络化制造模式下数控系统的内在特性.因此，与传统的数控系统相比，WEB-CNC系统应具有下列功能：

1）支持跨平台的操作功能

WEB-CNC系统是一种支持全球制造的资源，其最基本的要求是能够支持跨平台操作，具备并行和分布处理的能力，支持不同地域的多用户同时操作和信息共享.

3）支持基于网络的远程服务功能

WEB-CNC系统能够通过Internet提供远程数字化服务，包括数控程序在线编制功能、远程培训和技术咨询、远程交互式协同故障诊断等，同时接受远程查询、发布自身参数、提供现场数据，以及用户特定功能的追加等功能.

4）支持基于网络的实时监控功能

WEB-CNC系统能够通过网络及时地向远程监控点提供当前加工状态信息并接收远程监控命令，在远程客户端实现虚拟控制面板的功能，包括远程数控加工准备工作，如进给速度倍率、进给坐标选择、原点设定、接受远程NC程序和指令；状态监视、NC程序调试跟踪和加工仿真；远程控制处理，如机床起动、停止、打开切削液、加工及暂停等.实现基于网络的实时监控功能是网络化数控的关键.

5）支持分布式工艺数据库

WEB-CNC系统能够支持面向企业和全球的网络数据库功能.具有实时或定时采集现场加工数据的功能，支持远程数据的存取操作，实现基于数据库基础上的信息共享，同时支持切削加工工艺数据的远程编辑、修改.

2WEB-CNC数控系统的体系结构

根据上述对适应于网络化制造模式的WEB-

CNC系统的功能需求分析，

本文采用基于网络的Browser/Server3层体系结构和分布式组件（COR-BA，DCOM）

技术，开发满足网络化制造要求的WEB-CNC系统.下面从不同的角度来描述WEB-CNC系统的体系结构.

2.1WEB-CNC系统的框架结构

从图1中可以看出，WEB-CNC系统为了满足网络化制造模式下远程信息共享、远程服务和远程实时监控的需要，采用了Browse/Server结构和基于DCOM/CORBA的分布式组件技术的混合设计策略.

第3期易红等：

适用于网络化制造模式的数控系统的研究3

图l

WEB-CNC系统的框架体系结构

l）在远程客户端和系统服务层之间采用基于

（CiientBrowse/Server模式的3层分布式体系结构，第l层是客户Browser/WEBServer/DatabaseServer）

层，用户通过浏览器完成数控加工的远程服务和信息共享.第2层是WEB服务器层，用于存放WEB-CNC系统的远程服务功能模块和应用程序.第3层是数据库服务器层，用于存储切削加工工艺数据、机床设备数据、由传感器实时反馈的数据、实时采集的切削用量等制造资源数据.这种结构既继承了又充Ciient/Server结构的多用户分布处理的优点，分利用因特网（Internet）作为跨地域范围内的信息传递与共享的主要载体的特点，这样既能满足企业内部基于Intranet的信息共享需要，又能满足企业之间基于Intranet的远程数控服务需要.

2）在远程客户端和加工车间层实时控制PC服务器之间采用基于DCOM/CORBA分布组件技术，实现基于网络的远程实时监控功能.由于实时性需要，WEB-CNC系统采用DCOM/CORBA分布组件技术开发实现远程监控的客户端虚拟控制面板组件.在CNC系统获得控制权时，由CNC监控功能组件主动汇报当前状态、操作或发出请求；在远程客户端获得控制权时，客户可以通过虚拟控制面板上的功能组件发送控制命令，通过虚拟控制面板上的监控显示组件显示反馈信息.2.2

WEB-CNC系统的技术体系结构

与WEB-CNC系统的框架体系结构相对应，建

图2

WEB-CNC系统的技术体系结构

第l层客户端，通过浏览器从服务器端下载包含JavaScript，VBScript等客户端处理代码的htm页面、

与服务器实现动态交互的ASP（activeserverpage）页（eXtensibiemark-面以及用于传递共享信息的XML

文档，完成数控加工过程的信息共享和upianguage）

远程服务功能.第2层是WEB服务器层，也是系统服务功能的实现层，整个框架包含了IIS5.0WEB

服务、数据库引擎、以及XML文档解释器等服务组件.作为中间层负责通过Internet接受和发送各种信息，以及负责对客户的需求响应和反馈从数据库中查询的结果与设计数据.同时完成服务器端程序和第三层数据库服务器的数据交流.第3层数据库服务层.应用ODBC（opendatabaseconnectivity）的（domainsnamesystem）或JDBC（JavadatabaseDNS

（activeserverpage）connectivity）可以实现ASP/ADO（activedataobject）和Java小程序对数据库的直接

立了如图2所示的技术体系结构.WEB-CNC系统的技术体系结构也采用两条技术路线实现满足系统远程实时性和非实时性的功能要求.

在WEB-CNC系统的技l）从图2可以看出，

术体系结构中，采用Browse/Server模式的3层分布式体系结构满足WEB-CNC系统的非实时性要求.

4东南大学学报（自然科学版）第32卷

访问，实现与第2层的连接，提供数据服务和数据存储.

开2）采用基于DCOM/CORBA分布组件技术，

发分布监控组件，满足系统的实时性需要.客户端的监控组件与实时监控PC服务器中的服务器组件直接建立连接，完成对CNC监控功能的调用.另外在WEB服务器与实时监控PC服务器之间采用

在CNC监控功能模块和机床之间采Ethernet连接，

用现场总线的方式连接，这样减少网络延迟时间，保证机床实时控制的需要.

3WEB-CNC系统的功能模型

在上述分析网络化制造对数控系统功能需求

和满足网络化制造的WEB-CNC体系结构的基础上，建立了图3所示的WEB-CNC功能模型.由图3可见，WEB-CNC系统的功能主要包含3个方面：

图3WEBCNC系统的功能模型

主要l）实现远程监控功能的虚拟控制面板，

包括：

数控加工准备功能，主要在CNC控制卡的支持下完成回原点、进给速度倍率设定、进给坐标选择等准备功能；数控程序动态跟踪功能，主要完成NC程序远程状态监视和单行NC程序代码的动态调试；刀补处理功能，主要完成插补前的准备工作，包括刀具补偿的远程设定；伺服控制功能，该功能主要完成控制机床按指定路径和速度运动；输入输主要用于虚拟控制面板与机床执行控出I/O功能，

制器相连接的输入和输出的实现，包括机床的起动、停止、加工及暂停等控制功能的实现.

由于上述这些功能具有实时性要求或对系统硬件直接进行远程操作特性，因此该部分功能的实应用C++语现采用DCOM/CORBA分布处理技术，

言开发相应功能的客户和服务器端ActiveX控件或由客户端应用组件直接CORBA组件.系统应用时，

调用服务器端组件，启动应用程序，完成相应的远程监控功能.

主要包2）实现基于WEB的远程服务功能，

括：

在线加工仿真，该功能主要在客户端浏览器中完成零件加工过程的仿真，包括实时加工过程仿真和非实时性的NC程序调试仿真.对于实时加工过程仿真，采用DCOM技术，通过开发ActiveX控件嵌入WEB页面实现，对于非实时性的NC程序调试

仿真，采用Java语言开发完成调试仿真JavaAppiet程序嵌入WEB页面实现.

数控程序在线编制，该功能主要通过浏览器向远程客户提供在线数控程序的编制，通过提供友好的人机交互界面和辅助工具，动态交互地完成NC程序的编制.实现该功能主要应用VBscript，Javas-cript和AsP/ADO等技术.

远程培训和技术咨询、远程交互协同故障诊断主要体现了WEB-CNC系统的远程服务功能.在服务器端建立相应的知识库和推理机制，响应客户端用户的问题，通过推理机推理出相应的解决方案，并反馈给客户端.实现该功能主要应用VBscript，

应用Javascript技术编制服务器端的推理机的程序，AsP/ADO技术实现推理机与网络数据库的连接.

第3期易红等：适用于网络化制造模式的数控系统的研究

型，为WEB-CNC系统的实现奠定了基础.

5

接受查询发布参数信息、数控程序代码信息共享和数控功能的维护等功能，主要完成对机床设备信息的查询、数控程序代码的上下载功能和对相应数据的编辑修改.实现该部分功能主要应用VB-同时应用网络传输语言XMLASP/ADO技术，Script，

和文档类型定义DTD（documenttypedefinition）模

式，定义满足网络化制造要求的数控标注语言NC-（numericalcontrolmarkuplanguage），实现基于ML

［7］

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3）网络数据库功能

该功能用于存取现场加工数据，如机床当前任务和状态、由传感器实时反馈的数据、实时采集的切削用量及其它工艺数据等；以及数控机床基本参数、加工资源数据的存取，从而建立面向企业或远程客户的网络数据库，实现WEB-CNC系统基于网络数据库基础上的远程信息共享和服务.实现该功能主要应用关系数据库服务器（如SOLServer）作为后端数据库，应用ASP/ADO，DNS/ODBC等技术实现与WEB服务器的连接.

4结论

本文在研究网络化制造模式对计算机数控系统功能需求的基础上，从框架体系结构和技术体系结构等不同的方面详细地研究了满足网络化制造要求的WEB-CNC系统的体系结构，同时对建立这一体系结构所涉及的关键支撑技术进行了研究.在此基础上，研究了CNC系统的实现方法，包括采用基于Browser/Server结构实现数控系统远程服务和信息共享功能，满足系统的非实时性要求；采用基于DCOM/CORBA分布组件技术实现数控系统的远程监控功能，满足系统的实时性要求.最后建立了满足网络化制造要求的WEB-CNC系统的功能模

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