1　引言
　　DNC(Distributed Numerical Control)稱為分布式數(shù)控，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM和計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成的紐帶，是機(jī)械加工自動(dòng)化的又一種形式。
　　目前，DNC系統(tǒng)的研究尚存在以下有待解決的技術(shù)問題：①DNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開放性不強(qiáng)。國(guó)內(nèi)大部分DNC系統(tǒng)局限于單一供應(yīng)商的制造設(shè)備，平臺(tái)之間可移植性差，不同應(yīng)用程序互操作能力有待提高，不利于系統(tǒng)集成；②DNC系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)多為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式，或采用局域網(wǎng)加點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式，不能很好地解決通信競(jìng)爭(zhēng)問題；③DND系統(tǒng)與NCP和CAD的接口功能還很弱；④DNC系統(tǒng)控制軟件可重用性不強(qiáng)，需要進(jìn)行面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本文提出了基于CORBA(通用對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu))的車間層控制系統(tǒng)中DNC系統(tǒng)，給上述問題以很好的解答，并實(shí)現(xiàn)了軟件的編制及聯(lián)機(jī)調(diào)式。
2　控制系統(tǒng)體系的結(jié)構(gòu)
　　本文提出的DNC系統(tǒng)是基于CORBA車間層控制系統(tǒng)的一個(gè)功能單元，現(xiàn)在的企業(yè)面對(duì)的是一個(gè)多變的需求環(huán)境，因而車間層控制系統(tǒng)面對(duì)的加工任務(wù)也是多變的。這種變化包括生產(chǎn)零件的品種、類型、規(guī)格、產(chǎn)量和交貨期等多個(gè)因素的變化以及加工工藝路線隨生產(chǎn)任務(wù)的不同而變化等。這就需要一個(gè)在時(shí)間和空間上都開放的車間層控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以運(yùn)行于不同硬件環(huán)境的異構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，同時(shí)又能適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，容納新設(shè)備的增加。
　　在本文的基于CORBA的車間層控制系統(tǒng)中，構(gòu)造車間信息集成和共享的公共平臺(tái)是核心問題之一，我們采用基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的分布式控制平臺(tái)(如Orbix)，既可以將傳統(tǒng)的遞階控制結(jié)構(gòu)變換成更適合信息集成的分布或控制結(jié)構(gòu)，又可適應(yīng)不同產(chǎn)品制造過程(離散制造或連續(xù)制造)中統(tǒng)一的生產(chǎn)管理和組織要求。
　　我們將該車間層控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為三層：底層為系統(tǒng)支持層，由分布式計(jì)算環(huán)境和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)兩個(gè)子層構(gòu)成，提供底層的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等系統(tǒng)級(jí)功能；中間層為開放式分布處理層，提供統(tǒng)一的集成通信服務(wù)，由開放式分布處理平臺(tái)和應(yīng)用程序接口組成，最上層為信息集成層，支持多客戶/服務(wù)器的分布式多數(shù)據(jù)庫(kù)集成系統(tǒng)，將現(xiàn)有的應(yīng)用和數(shù)據(jù)信息集成到系統(tǒng)中。為實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的分布、數(shù)據(jù)庫(kù)的分布以及系統(tǒng)功能的分布，提出的車間層控制系統(tǒng)軟件采用基于CORBA規(guī)范的分布式對(duì)象體系結(jié)構(gòu)。
　　CORBA規(guī)范主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)軟件總線結(jié)構(gòu)。所謂軟件總線的功能，就是起到類似于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件總線的作用，只要將應(yīng)用模塊按總線規(guī)范作成軟插件，插入總線即可實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)軟件總線的核心系統(tǒng)稱為ORB(對(duì)象請(qǐng)求代理器)，它不僅支持標(biāo)準(zhǔn)的OMG對(duì)象模型，還具有分布進(jìn)程管理和通信管理功能。此外，CORBA定義了IDL(Interface Definition Language)語言，以描述軟件總線上的插銷。IDL提供了對(duì)成員系統(tǒng)的封裝和成員系統(tǒng)之間隔離，任何成員系統(tǒng)作為一個(gè)對(duì)象，通過IDL對(duì)其接口參數(shù)進(jìn)行定義和說明，就可接到ORB上，為其它系統(tǒng)提供服務(wù)或向其它系統(tǒng)提出請(qǐng)求，達(dá)到即插即用效果。
　　將車間層控制系統(tǒng)劃分為許多獨(dú)立的功能單元，每個(gè)功能單元對(duì)應(yīng)于一個(gè)包含功能接口定義和實(shí)體的抽象對(duì)象，每類對(duì)象的接口由屬性和操作組成，由IDL定義的其它功能單元可以透明訪問的服務(wù)以調(diào)用該對(duì)象的私有數(shù)據(jù)，具體功能的實(shí)現(xiàn)被封裝在實(shí)體里。我們將每類對(duì)象按照功能劃分成若干個(gè)子對(duì)象，將其設(shè)計(jì)成為可以直接插在CORBA軟件總線上的對(duì)象插件。這些對(duì)象插件按照各層客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)組成整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)可以帶來長(zhǎng)遠(yuǎn)的利益，既能迅速增加對(duì)新的DBMS的應(yīng)用、增加新的用戶界面，又能升級(jí)支持各種新功能。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　車間層系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖

3　DNC系統(tǒng)的地位及功能
　　DNC系統(tǒng)作為車間層控制系統(tǒng)的一個(gè)功能單元。它在車間層控制系統(tǒng)模型中的位置如圖2所示。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖2　DNC系統(tǒng)在車間層控制系統(tǒng)中的地位

　　DNC系統(tǒng)功能包括①NC程序及數(shù)據(jù)的傳遞，以某種通信協(xié)議(如Philip532等)實(shí)現(xiàn)通信功能；②機(jī)床狀態(tài)采集和上報(bào)；③根據(jù)工序計(jì)劃，自動(dòng)分配NC程序及數(shù)據(jù)到相應(yīng)機(jī)床；④刀具數(shù)據(jù)的分配與傳遞。
　　圖3為DNC系統(tǒng)軟件的功能模型，其中NC數(shù)據(jù)管理的主要功能是對(duì)數(shù)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行管理，主要有數(shù)控?cái)?shù)據(jù)的顯示、插入、修改、刪除、更新、鎖定(不允許更改)和打印等操作；NC數(shù)據(jù)執(zhí)行的主要功能有：數(shù)控?cái)?shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)和機(jī)床之間的傳送、刪除機(jī)床上的數(shù)控?cái)?shù)據(jù)、啟動(dòng)機(jī)床上的數(shù)控程序、隨時(shí)從機(jī)床設(shè)備獲得工作狀態(tài)信息并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，作為運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模塊評(píng)價(jià)加工過程的根據(jù)；DNC通訊接口通過DNC協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議建立單元控制系統(tǒng)和CNC的連接。

圖3　DNC系統(tǒng)軟件的功能模型(IDEF0)

4　DNC系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)
　　DNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。基于CORBA的DNC系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)建立在車間層控制系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上。我們將DNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)劃分為三層的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，以將表示邏輯、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)處理邏輯明確劃分開來。為此，表示層用來表示信息和收集數(shù)據(jù)，此處為由VB實(shí)現(xiàn)的可移植的DNC人機(jī)接口；業(yè)務(wù)層響應(yīng)用戶(或其它的業(yè)務(wù)服務(wù))發(fā)來的請(qǐng)求，執(zhí)行某種業(yè)務(wù)任務(wù)，此處為由VC＋＋來實(shí)現(xiàn)DNC應(yīng)有程序及NC數(shù)據(jù)管理應(yīng)用程序；數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)的定義、維修、訪問和更新以及管理，并響應(yīng)業(yè)務(wù)服務(wù)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，此處為經(jīng)IDL功能接口定義封裝的NC局部數(shù)據(jù)庫(kù)(Access)服務(wù)器。這些層并不一定與網(wǎng)絡(luò)上的具體物理位置相對(duì)應(yīng)，它們只是概念上的層，借助這些概念可以開發(fā)出健壯的、基于組件的應(yīng)用程序。
　　使用圖3所示模型，可以把應(yīng)用程序的需求分解成明確定義的服務(wù)。在定義了服務(wù)之后，需要進(jìn)一步創(chuàng)建具體的物理組件來實(shí)現(xiàn)它們。根據(jù)性能和維護(hù)的需求、工作量、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及其它因素，可以在網(wǎng)絡(luò)上靈活地部署這些組件。

圖4　DNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

5　DNC系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)模型
　　本文DNC系統(tǒng)軟件中涉及到數(shù)據(jù)實(shí)體包含四類：①與制造設(shè)備硬件相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)體(如機(jī)床等)；②與人機(jī)通訊相關(guān)的數(shù)據(jù)實(shí)體(如通訊協(xié)議實(shí)體和串口通訊實(shí)體)；③數(shù)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)體(如NC程序號(hào)、刀具號(hào)、工序號(hào))；④輸入操作指令或派工單實(shí)體。采用面向?qū)ο蠓椒▽⑸鲜鰧?shí)體抽象成為類，可分為能力單元類、NC機(jī)床類、NC控制器類、通訊協(xié)議類、終端服務(wù)器類、串口通訊類、NC程序類等。這些類之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5　DNC系統(tǒng)類層次簡(jiǎn)圖

　　DNC應(yīng)用程序中的對(duì)象從這些類中繼承下來，每個(gè)對(duì)象的方法即該對(duì)象的成員函數(shù)根據(jù)相應(yīng)的功能需求來定義。下面以NC機(jī)床類的定義為例：
　　∥ncmach.h -NC Machine Class definations
　　∥NC Machines are part processors.For this class,a part is loaded,
　　∥a NC file is downloaded to the device,and the machine is started.
　　class MACHINE_－TOOL｛
　　　　char*　 CurrentNCFile;　∥currently loaded NC file
　　　　int　　FixtureStatus;　∥fixture status
　　public:
　　　　MACHINE_－TOOL();
　　　　char* getCurrentNCFile();
　　　　void setCurrentNCFile(char^{?#p#分頁標(biāo)題#e#}F);
　　　　Int getFixtureStatus();
　　　　void setFixtureStatus(int S);
　　　　virtual int processPart(char^? PartName);
　　　　virtual int downloadNCFile(char^?File);
　　　　virtual int stopMachine();
　　　　virtual in graspPart();
　　　　virtual int releasePart();
　　｝；
6　DNC系統(tǒng)的物理配置基本結(jié)構(gòu)
　　本文提出的基于CORBA的車間層控制系統(tǒng)需要兩種層次的互連。第一層是利用計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)和協(xié)議軟件把由異構(gòu)計(jì)算機(jī)組成的車間層控制器、設(shè)備控制器等互連起來，第二層是在這一互連的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)、各被控的異構(gòu)制造設(shè)備(如加工中心、機(jī)器人、PLC等)之間的信息交互，這種交互通過制造信息規(guī)范(MMS)實(shí)現(xiàn)。作為車間層控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，本文DNC系統(tǒng)的物理配置基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)(具有獨(dú)立IP地址的終端服務(wù)器)分別連接多臺(tái)CNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)NC程序的裝卸、刀具數(shù)據(jù)的傳遞、操作命令的下達(dá)和狀態(tài)信息的反饋。這是一種通過局域網(wǎng)連接起來的通信結(jié)構(gòu)，它具有包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層及應(yīng)用層等的四層結(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)鏈路層采用LSV2通訊協(xié)議，傳輸層采用DNC協(xié)議(如SINUMERIK或PHILIPS協(xié)議)。

圖6　DNC系統(tǒng)的物理配置基本結(jié)構(gòu)

7　結(jié)論
　　本系統(tǒng)采用局域網(wǎng)型通信互聯(lián)，是一種非集中控制的通信網(wǎng)，它把各站點(diǎn)，如一個(gè)DNC系統(tǒng)通過一條公用的通信介質(zhì)，如雙絞線、光纖電纜或軸電纜，聯(lián)接在一起，各站點(diǎn)的距離可較遠(yuǎn)。局域網(wǎng)型是目前按常使用的一種組成方式，系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)展的潛力很大。
　　本文中DNC系統(tǒng)表示層、業(yè)務(wù)層及數(shù)據(jù)層相互分離，使它具備系統(tǒng)重組的柔性，專業(yè)人員可根據(jù)設(shè)備更新、企業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)型等情況，方便的對(duì)DNC控制系統(tǒng)進(jìn)行局部快速的修改，系統(tǒng)維護(hù)、重組的過程簡(jiǎn)單。
　　本系統(tǒng)基于軟插件思想在分布式平臺(tái)Orbix上開發(fā)，系統(tǒng)開放性良好，基于CORBA規(guī)范的DNC系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)，使其在CIMS環(huán)境下與其它應(yīng)用程序(如NCP和CAD)的集成十分方便，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的分布式數(shù)字控制。
　　本系統(tǒng)控制軟件采用面向?qū)ο蠼：蛯?shí)現(xiàn)，可重用性強(qiáng)，尤其在對(duì)底層與CNC機(jī)床的通信方面，封裝了不同CNC系統(tǒng)所要求的DNC數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的差別。
　　以上介紹的DNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，均已由本校科研人員開發(fā)完成，并通過了聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)，全部實(shí)驗(yàn)正確無誤，通過開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，證明了通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的DNC系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性和良好的開放擴(kuò)展性，這種DNC方式可供企業(yè)參考。