网络数控系统结构及关键技术的研究
网络数控系统结构及关键技术的研究
卢艳军112，任立义1
(1．东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110004；
2．辽宁省交通高等专科学校机械系，沈阳1 101 12)
摘要：介绍了国内外网络化数控的发展状况及网络化数控在制造业中的作用，阐述了网络化数控的关
键技术，提出了网络化数控系统基本构成的结构框架，并从网络数控的特征、系统的调度层次
和网络数控的功能等几个方面详细论述了网络化数控，最后探索了网络数控今后研究的发展方
向。
关键词：数控；网络数控；系统结构；集成技术；通讯技术
中图分类号：TP271 文献标识码：B 文章编号1 009-01 34(2005)01—0058-03
Study about the system structure of network numerical control and key technology
LU Yan-junl，-，REN LI．yr
(1．School of Mechanical Engineering＆Automation，Northeastern University，Shenyang 1 10004，China
1 101 )
●
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，
，
●
计算机网络技术和信息技术的飞速发展带来了
制造业的不断变革，数控技术作为未来先进制造技
术的核心内容之一，正在朝着开放化，网络化，柔
性化和智能化方向发展，数控装备产品的设计制造
和应用开发都日益显示出基于开放接口标准的模块
形态。网络数控的基本思想是从系统角度出发，以
集成为手段，以数控技术、计算机和网络技术、通
讯技术等先进技术为支撑，通过网络将车间设备、
资源加以集成，最终形成一个开放的、具有一定功
能的网络数控制造单元。【11
1国内外数控系统发展的状况
1．1国外的发展状况
国外工业发达的国家投入巨资，对现代制造技术
进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制
造系统中，数控技术因其具有高精度、高效率、柔
性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成
化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术
在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式
向通用性开放式动态闭环控制模式发展。在集成化
基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智
能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神
经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、
高效控制，并且在加工过程中可以自动修正、调节
与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处
理；在网络化基础上，CAD／CAM与数控系统集成
为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加
工。
1．2国内数控的发展状况
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体
系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。
收稿日期：2004—09—13
基金项目：中科院知识创新工程重大项目(KCCXl一SW一20)资助
作者简介：卢艳军(1968一)，女，副教授，博士研究生，研究方向为数控技术。
【58】 第27卷第1期2005—01
万方数据
CAD／CAM和CNC之间没有反馈控制环节，数控设
备在整个制造过程中只是一个封闭式的开环执行机
构。在复杂环境以及多边条件下，加工过程中的刀
具组合、工件材料、主轴转速、进给速率等加工参
数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实
时动态调整，更无法通过反馈控制环节修正CAD／
CAM中的设定量，影响数控设备的工作效率和产品
加工质量。由此可见，传统数控系统的这种固定程
序控制模式和封闭式体系结构，限制了系统向多变
量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，
因此，在我国对数控系统进行深层次的理论研究，
开发基于网络、满足现代制造过程的集成系统势在
必行。【2]
2网络数控的作用
随着计算机集成制造技术、敏捷制造、智能制
造等新的概念和方法的研究与发展，作为各种先进
制造环境中网络制造的基本单元，网络数控系统的
研究与应用显得尤为重要。网络数控系统将为网络
制造、远程制造、远程诊断与维护及机床与各种网
络资源的相互共享等提供了最基本的支持。嘲
① 网络数控可以充分地利用现有的资源。随
着计算机辅助设计／制造系统越来越快地进入实际
加工过程，越来越多的信息需要方便快捷地与数控
系统进行通信和交换，这样数控系统本身所使用的
高可靠性、高价位、低容量的电子盘就很难满足实
际的需要。如果具备联网功能，处于恶劣环境的数
控机床就可以共享环境清洁的办公用高容量硬盘，
然后数控系统通过局域网读取CAD／ACM系统生成
的加工代码，并进行零件加工。
②数控系统网络化，将为远程监控及网络制
造提供坚实的基础。数控系统可以通过通讯网络及
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，为真正的全球制造提供最起码的支
持。甚至，我们可以把某个数控机床像办公网络中
的共享打印机一样共享到网络上。当然，这些功能
对数控系统的开放性及自诊断性都提出了更高的要
求。
③网络数控系统不但大大加强工厂加工信息
的传递与管理，提高机械加工自动化程度及远程监
控水平，而且当数控系统产生故障时，还可以为数
控系统生产厂家提供远程诊断与维护，减少维护的
盲目性及相关费用。
3网络数控的特征
网络数控可以从其结构特征、功能特征和过程
特征3个方面来描述。
结构特征：网络数控把与制造过程有关的设备
(如数控机床)、主控计算机、通信设施等按一定的
结构和层次组合起来成为一个整体，具有层次化的
结构特征。
功能特征：网络数控系统通过DNC主机实现对
制造车间的数控机床等制造设备的集中控制管理，
并可实现与上层计算机的信息集成，具有与CAD／
CAM／CAPP等系统的信息接口。
过程特征：网络数控系统只涉及与产品制造有关
的活动，不包括市场分析、产品设计、销售服务等
环节。
4网络数控系统的组成和调度层次
4．1网络数控的组成结构【4，5】
网络数控的控制结构一般包括3层：企业(公
司)层、车间层(工作站层)和设备层。其组成如
图1所示。
图1网络数控的组成结构
4．2网络数控的调度层次
网络数控系统通过信息和资源共享，可实现系
统的自我协调，使系统运行于最优状态。根据上图
的系统组成结构框图，可以把整个网络的调度层次
第27卷第1期2005-01 159]
万方数据
分为3级。如图2所示。
Internet网：wwwJla务器
◆◆◆
企业层调度(一级)
(网上资源共享，与其他部门之间交换信息)
◆◆◆
车间层调度(二级)
(接受任务，进行数控系统之间的任务协调)
◆◆◆
设备层调度(三级)
(加工过程控制，故障监控等)
数控系统相关功能(NC程序编制、编译、解
释、刀补、位置检测、设备驱动和伺服系统等)
图2网络数控系统调度层次示意图
(1)企业层调度：主要负责车间与本企业内部其
他部门之间的联系或与动态联盟中其他企业之间的
联系，以便传递任务，在网上发布信息和进行数据
查询等。
(2)车间层调度：完成服务器到数控系统的任务
的分配，以及车间内数控系统之间的有关请求，负
责车间内资源共享。
(3)设备层：主要负责加工过程的调整，故障诊
断处理等，是传统数控系统的功能的扩充，运用多
Agent技术，把每台机床构造成Agent，使它们自主、
协调地工作。
5网络数控系统功能的实现
网络数控系统功能的实现主要是在数控系统的
操作平台上，实现各种信息的传递和交换。网络数
控系统平台上的信息包括：基本信息、控制信息和
系统状态信息。
基本信息：是在系统开始运行时建立的，并在
运行中逐渐补充，它包括系统配置信息(主要指用
以初始化通信端口的加工设备通信参数的设置)和
系统加工设备信息，如加工设备编号、类型、数量等；
控制信息：反映控制系统的运行状态，特别是
有关零件加工的数据，包括工程控制数据：主要指
NC)Jll工程序信息，如NC程序编号、零件工艺路线、
NC)JII工程序代码等；计划控制数据：主要指加工任
务信息，如加工任务编号、零件的加工批量和交货
期等。
[601 第27卷第1期2005-01
状态信息：反映系统资源的利用情况，它包括
设备的状态信息：该类信息在系统运行过程中会发
生变化，它包括：加工设备入网序列号、入网时间、
运行时间等；加工状态信息：它反映设备加工状态，
包括在线机床信息：操作方式、主轴转速、主轴速
率等，加工程序信息：如当前工件号、当前工序号
等，刀具信息，如当前刀具号、刀具进给量等。
6网络数控的关键技术
①集成技术：网络数控系统的集成是将原来独立
运行的多个单元系统集成为一个能协调工作和功能
更强的新系统。集成不是简单的连接，是在分析原
单元系统的作用和相互关系并进行优化组合的基础
上，经过统一规划设计来实现的。集成的目的在于
制造企业组织结构和运行方式的合理化和最优化，
以提高企业对市场变化的快速响应能力，并追求最
高的效果和长期利益。集成要借助现代管理技术、
计算机技术、自动化技术和信息技术实现技术的集
成，同时还要强调人的集成，计算机是集成的工具，
计算机辅助单元技术是集成的基础，信息交换是桥
梁，信息共享是关键。
②接口技术：统一标准的接口是数控系统开放化
的基础，数控系统中的各个功能模块就是通过标准
的接口和通信协议连接起来。
③网络技术：网络技术的发展是网络数控的前提
和必要条件，完善的网络系统和先进的网络技术是
数控网络化的基础。
④信息管理技术：信息管理是整个系统运行的保
证，对于数控系统来说信息管理是至关重要的。机
床加工的所有信息需要建立数据库，数据采集、处
理和维护都是通过相应的信息管理系统完成的。
7结束语
智能化和集成化是网络数控今后发展的趋势。
针对网络数控的研究也将向以下方面发展。
①今后对网络数控操作平台的研究重点将转向
对生产管理软件的进一步集成技术，其开放性和可
扩展性成为主要考虑的因素。
②软插件技术为基础研究异构数控系统的集成
将成为今后网络数控发展的一个趋势。
③基于现场总线和高速数据通信技术的发展将
在网络数控中得到大量的应用。
④基于网络的多媒体技术将在网络数控中进一
步得到应用，将虚拟实现技术集成入网络数控操作
万方数据
平台，将使远程身处异地的操作人员在本机上，身 [2]宋海生，王家海．网络企业联盟中基于web的制造执行系
临其境的操作远程数控机床。 统[J】．制造业自动化，2001-
垂?翌兰然兰苎苎篓季銎差奎量竺竺鍪黛络化口1嚣嚣鬻000,2糙0(5)"／-悯燃黻舫翱射刀_制数控技术的研究还有待于进行更深更广的研究。 [4】蔷蓉磊．丙茹数控系统的组成结构与信息集成[D]．四川
参考文献： 大学，2001．
[1l王志森．支持全球制造的智能化网络数控系统[J】．中国机 [51陈昆·网络数控的结构模式与实时通讯技术研究[D]·四
械工程，1999，10(12)． 川大学，2002．
料、设备、工具、劳动力和必要的监测方式，并且
说明了计划进度、工作过程、建造计划和其它要求
的资源。通过复杂的传感监视设备，工作场的管理
系统将提供当前完整的现场知识和所有关于物料、
工人及设备状态信息以及其它现场资源信息。在涉
及未来车问方面，设想了未来车间将配备智能化的
设备和系统，可以连续监控自身的状况并按照已定
义的参数运行。这些系统可以自动地调用所需的动
作，运用内置机制来执行维护和修理指令或者自动
对外部支持系统提供指示，通过一个复杂的传感器
和处理器网络提供连续的可见运行状态，为监控系
统或人标示出问题和运行趋势。
智能工作场和车间具有软硬件方面的快速可重
构性，能形成多个车间、工作场间信息的双向流通。
可重构性是指各工作场、车间能够快速响应新的生
产环境并能按系统新的规划重排、重复利用及革新
子系统，实现模块化结构间的即插即用[81。工作场能
突破信息孤岛的模式，实现工作场智能化、信息化、
知识化，进而使整个制造过程建立在知识的生产、
分配和使用之上，知识的挖掘、应用、革新是智能
工作场的灵魂，是驱动装备智能化、高效率工作的
内在机制。图5所示为智能工作场模型。
备
图5智能工作场模型
总之，未来制造信息化将“以知识为经，以用
户为纬”的模型结构来建设，制造装备不仅向智能
化方向发展，而且朝着“以人为中心”的结构方向
迈进，进而使整个制造业突破当前发展的障碍，全
面完成信息化建设。
4结束语
制造信息化是以企业底层的技术进行的信息
化，企业在热衷于管理和决策信息化的同时，应该
加强制造信息化建设的力度，使制造业信息化能够
协调发展，大力提高自己的产品开发能力、制造能
力和企业管理水平，参与国际竞争。
对于制造信息化理论研究机构和底层设备开发
机构，应该紧跟国际前沿，以人为本，走绿色化的
道路，开发适应我国未来制造需求的信息化设备，
使我国的工业化尽快赶上发达国家的水平。
参考文献：
[1】HARDING J A，POPPLEWELL K．Enterprise design
information：the key to improved competitive advantage[J】．
International Journal of computer integrated manufacturing，
2001，14(6)：514—52．
[2】杜平安制造业信息化的发展与现状研究【J】．中国机械工
程，2004，14(13)：1126—1130．
[3]张曙．对我国制造业信息化的思考[J】．航空制造技术，2003，
(8)：17—21．
[4】王萃寒，冯径．网络化制造的技术体系研究[J】．中国制造
业信息化，2004，33(5)：80—84．
[51 IMTI．Inc．Modeling&simulation for affordable
manufacturing[Z]．Technology Roadmapping Initiative V3．
2，18 January 2003．
【6]李伟光，黄东煜，黄文波，等．信息化制造中的数控技术
【J]．机电工程技术，2004，33(6)：13—15．
[71 Fully integrated and automated TECHnology[Z]．Capital
Projects Technology Roadmap Initiative，March 2003．
【8】CHEN I M．Rapid response manufacturing through a
rapidly reconfigurable robotic workcell[J]．Robotics andCom—
puter Integrated Manufacturing，2001(17)：199—213．
第27卷第1期2005-01 [611
万方数据
网络数控系统结构及关键技术的研究.pdf
