基于网络的智能制造教学系统设计及实现技术

于恩　李舟

本文对基于网络的智能制造教学系统的分析，对系统要求实现的功能及主要支撑技术进行了说明，并对在实现网络教学系统中的主要技术――数控系统的异构组网方法进行了分析、说明。

随着互联网+技术和超级计算机技术的迅猛发展，机器人与人工智能技术在工程上的普遍使用，网络化制造技术越来越受到世界范围的重视。建立基于网络的智能制造教学系统平台与在教学中应用，对于提高学校的办学能力，优化与融合校内的各类资源，提高办学水平具有实际意义。

一、网络的智能制造教学系统的目的、意义

建立基于网络的智能制造教学系统，一方面可让学生所学的机械设计、机械加工、技术检验知识相互联系，了解工厂实际设计、加工中的生产环境，另一方面又可让学生达到综合应用所学各个课程知识，提高学生创新能力的目的。

网络的智能制造教学系统的总体设计：

将分散于CAD/CAM、数控加工程序设计与实践、公差配合与技术测量等课程的实验设备，用网络联结起来，实现可通过加工、检验发现设计中的问题与改进方法，进而优化设计、优化加工工艺，使知识能得到综合应用的目的，同时使在线检验的设备仪器要求高、成本高，学生不易掌握等问题通过配有电脑打印接口的测量平台进行解决。形成加工、设计、检验参数的网络化联系与传送，同时为今后的加工状态实时监测、机床状态实时监测等作技术准备。如下：

产品设计=数控加工=产品检验

网络的智能制造教学系统建立后，学生实习的最直接效果是：

（1）提高了机床的利用率，改变了所有程序均在机床操作面板手工输入与校验，单人占用建立较长时间。联网后，实现了NC程序的远距离输送，实习学生可在机房编程校验，编程校验完成后再到车间上机床操作，既提高了机床的利用率。

（2）可实现程序结构复杂、数据量庞大时的程序传输与加工。避免了复杂程序输入用U盘考入程序或用USB接口插拔方式读入程序，保护了机床设备。

二、网络智能制造教学系统的数控机床联网方案

基于局域网的数控加工平台的构建是智能制造技术应用的基础，网络化数控加工平台的建立和运行需要大量技术的支持。相关的综合技术主要包括：产品管理、基础技术包括标准化技术、产品建模技术和知识管理技术等、支撑技术（如计算机技术和网络技术）等。

计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、产品数据管理（PDM）等，是智能制造教学系统中的常用技术，对网络数控加工平台而言，关键的技术是计算机网络技术、数据库技术和机床联网技术。

数控机床作为数控加工平台中的最基础硬件，对平台建设起着非常关键的作用。学校建有机械制造综合实验室与加工车间，其中有华中数控数控系统的数控铣床3台（HNC2IT）、华中数控世纪星数控系统的数控车床3台、华中数控数控系统的立式加工中心1台、西门子数控系统的数控铣床、数控车床各3台。电火花、线切割、3D打印机等机床。校园网下的数控机床联网系统主要包括：网络服务器、CAD/CAM机房和数控机床组。数控机床联网要达到的主要目的是：

通过与校园网联结，实现数控机床与CAD/CAM学生机之间的通讯，完成加工程序的传输：

（1）支持从机床端自动调用计算机内的NC程序文件；可以远程将多个数控程序打包并调用。

（2）支持数控机床的在线加工，并可实现多机床的同时在线加工，支持在线加工时的断点续传功能，支持DNC在线加工时子程序的在线调用。

（3）支持NC程序文件从机床端到计算机端的下载。

目前常见数控机床联网的联网方式有：

1.单串口设备服务器型：这种联网方式的特点是：每台串口数控设备上都分别装有一台单串口设备服务器，实现任意设备与以太网直接相联，达到在以太网上的任意一台计算机，都可以直接控制任意一台数控设备。这种连接方式是典型的星型连接，即便单串口设备服务器发生故障，只会影响一台设备。

2.多串口设备服务器型：这种联网方式的特点是：采用一台多串口设备服务器，实现多台数控设备与以太网（Ethemet，IEEE的8023标准）的连接，这样，在以太网上的任意一台计算机，都可以直接控制该网络的任意一台机床。这种连接方式平均成本较低，灵活性好，因为任何一台计算机都可以控制任意台数控设备，具有较高的灵活性。但受RS232传输距离的限制。同时当多串口设备服务器发生故障时，会影响多台设备。

3.使用机床自带的网络接口：本校中由于数控设备不一致，老式机床和新机床接口不一样，有带网络接口，有带RS232C、RS485接口的，存在着通信接口和通信协议不一致。而在不同实验室的电火花、线切割和测量平台使用RS232进行通讯，因此只能根据各个机床具体情况，采用不同接入方式的混合网络结构。

三、网络化数控加工平台异构系统的实现技术

针对目前数控设备的传统数控系统品牌较杂、型号较多，档次差别大，机床联网困难等实际情况。国内研究开发了多种机床通讯实现技术。如传统数控系统上应用PLC与RS232通讯接口相结合的技术，采用MOXA C320Turbo卡（或其它多路串行通讯卡）插卡的方式与计算机连接，采用CAN总线与DNC卡实现机床与计算机连接，重庆大学开发了基于软插件技术的EC104DNC集成控制系统等。带串口服务器的DNC通讯接口模式是这些实现技术之一。

串口服务器的功能是将来TCP/IP协议的数据包与串口数据流进行双向解析，实现数据的网络传输。串口服务器完成的是一个面向连接的RS232链路和面向无连接以太网之间的通讯数据的存储控制，系统对来自串口设备的串口数据流进行处理，并进行格式转换，使之成为可以在以太网中传播的数据帧，对来自以太网的数据帧进行判断，并转换成串行数据送达响应的串口设备。它可将多个串口设备连接并能对串口数据流进行选择和处理，把RS232接口的数据转化IP端口的数据，这样就能够将传统的串行数据送上流行的IP通道，从而保留原有的不带以太网模块的数控系统设备，提高现有设备的利用率，简化了布线。

实际应用中，串口服务器将具有TCP/IP协议的以太网接口映射为一个标准串口，应用程序可以像对普通串口一样对其进行收发和控制，因此，串口服务器在数控系统组网中的功能是把来自数控系统的信息与局域网上的任何一个计算机信息进行双向传输，相当于局域网和串口设备的网关通过为串口服务器配置IP地址，使数控机床成为局域网中的一个节点，从而拥有局域网的部分功能，实现资源共享。通过该组网方式能够将不同的数控系统，不同形式的串口（如RS232、RS485和RS422），连接到以太网上，实现数控系统的异构组网。

对于某些具备以太网接口的先进加工中心等数控设备和微机设备，可直接连接到网络交换机；使用串行接口的数控设备，通过串口服务器（如MOXA Nport5210）转换为以太网接口，然后连接到交换机。DNC服务器通过以太网交换机与底层的数控设备实现信息互通，从而实现服务器对数控设备的联网控制管理。而且还可以实现远程信息的传输，适应了现代网络制造教学的需要。

通过使用串中服务器，成功实现了数控机床的联网。网络化制造模式作为一种先进制造模式，提供了制造企业在网络环境下从产品设计到生产制造的具體实现技术。

参考文献：

[1]王时龙.计算机数控集成技术的发展[J].计算机集成制造——CIMS，1998（3）.

[2]王信.基于网络制造环境的现代制造技术训练平台设计与研究[D].昆明理工大学，2015.

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[4]邓静.网络化制造及其教学集成系统[D].贵州大学，2007.

[5]范玉顺.网络化制造的内涵与关键技术问题[J].计算机集成制造—CIMS，2003（9）.

基金项目：湖北民族学院科技学院院教学研究与改革项目，项目名称：网络制造的机加工实验室设备配置与优化，项目编号KJY201405.