七十年代以后，隨著數(shù)控機床(CNC)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的存貯容量和計算速度都大為提高，DNC的含義由簡單的直接數(shù)字控制發(fā)展到分布式數(shù)字控制。它不但具有直接數(shù)字控制的所有功能，而且具有系統(tǒng)信息收集、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視以及系統(tǒng)控制等功能。八十年代以后，隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和CIMS技術(shù)的發(fā)展，DNC的內(nèi)涵和功能不斷擴大，與六、七十年代的DNC相比已有很大區(qū)別，它開始著眼于車間的信息集成，針對車間的生產(chǎn)計劃，技術(shù)準(zhǔn)備，加工操作等基本作業(yè)進行集中監(jiān)控與分散控制，把生產(chǎn)任務(wù)通過局域網(wǎng)分配給各個加工單元，并使之信息相互交換。而對物流等系統(tǒng)可以在條件成熟時再擴充，既適用于現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境，提高了生產(chǎn)率，又節(jié)省了成本。

如上圖所示構(gòu)成DNC系統(tǒng)的主要組成部分有:中央計算機及外圍存儲設(shè)備、通信接口、機床及機床控制器。由計算機進行數(shù)據(jù)管理，從大容量的存儲器中取回零件程序并把它傳遞給機床。然后在這兩個方向上控制信息的流動，在多臺計算機間分配信息，使各機床控制器能完成各自的操作。最后由計算機監(jiān)視并處理機床反饋。其中解決計算機與數(shù)控機床之間的信息交換和互聯(lián)，是DNC的核心問題。它與FMS(柔性制造系統(tǒng))的主要差別是沒有自動化物流輸送系統(tǒng)，因而成本低，容易實現(xiàn)。由于它可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)NC(數(shù)控)程序的直接裝載和靈活存儲，因此能:

● 消除程序讀入裝置維護所需的費用;

● 減少程序輸入的錯誤;

● 簡化NC程序的管理;

● 便于進行生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)控。

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。國內(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)多為點對點式，或采用局域網(wǎng)加點對點式，不能很好地解決通信競爭問題; 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，需要進行面向?qū)ο笤O(shè)計和實現(xiàn)。本文提出了基于CORBA(通用對象請求代理結(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，并實現(xiàn)了軟件的編制及聯(lián)機調(diào)式。

DNC系統(tǒng)是基于CORBA車間層控制系統(tǒng)的一個功能單元，現(xiàn)在的企業(yè)面對的是一個多變的需求環(huán)境，因而車間層控制系統(tǒng)面對的加工任務(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。這就需要一個在時間和空間上都開放的車間層控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，以運行于不同硬件環(huán)境的異構(gòu)計算機系統(tǒng)中，同時又能適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，容納新設(shè)備的增加。

在基于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(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。

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，由分布式計算環(huán)境和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)兩個子層構(gòu)成，提供底層的計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等系統(tǒng)級功能;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。為實現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的分布、數(shù)據(jù)庫的分布以及系統(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)范的分布式對象體系結(jié)構(gòu)。

CORBA規(guī)范主要特點是實現(xiàn)軟件總線結(jié)構(gòu)。所謂軟件總線的功能，就是起到類似于計算機系統(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，插入總線即可實現(xiàn)集成運行。實現(xiàn)軟件總線的核心系統(tǒng)稱為ORB(對象請求代理器)，它不僅支持標(biāo)準(zhǔn)的OMG對象模型，還具有分布進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)作為一個對象，通過IDL對其接口參數(shù)進行定義和說明，就可接到ORB上，為其它系統(tǒng)提供服務(wù)或向其它系統(tǒng)提出請求，達(dá)到即插即用效果。

車間層控制系統(tǒng)劃分為許多獨立的功能單元，每個功能單元對應(yīng)于一個包含功能接口定義和實體的抽象對象，每類對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)用該對象的私有數(shù)據(jù)，具體功能的實現(xiàn)被封裝在實體里。我們將每類對象按照功能劃分成若干個子對象，將其設(shè)計成為可以直接插在CORBA軟件總線上的對象插件。這些對象插件按照各層客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)組成整個平臺系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)可以帶來長遠(yuǎn)的利益，既能迅速增加對新的DBMS 的應(yīng)用、增加新的用戶界面，又能升級支持各種新功能。

由前節(jié)所述，從DNC概念的出現(xiàn)到今天的DNC技術(shù)，不論從功能上還是內(nèi)涵上都發(fā)生了很大的變化。也正因為不斷的變化，人們對DNC的概念有著各種各樣的理解，從而導(dǎo)致對DNC的分類標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，不同角度有著不同的分類方法。

按照DNC的功能的強弱，可將其分為初始DNC、基本DNC、狹義DNC和廣義DNC。

具體劃分見表1-1。

表1-1DNC功能分類Category of DNC Function

	功能	復(fù)雜程度	價格
初始DNC	下傳NC程序	簡單	低廉
基本DNC	CNC程序的管理和雙向傳輸	一般	低廉
狹義DNC	CNC程序的管理和雙向傳輸系統(tǒng)，狀態(tài)采集、反饋	中等	一般
廣義DNC	CNC程序的管理和雙向傳輸，系統(tǒng)狀態(tài)采集、反饋，遠(yuǎn)程控制與車間生產(chǎn)管理體系	復(fù)雜	昂貴

按DNC系統(tǒng)的內(nèi)涵的不同，可將其分為直接DNC、分布式DNC、柔性DNC，網(wǎng)絡(luò)DNC、集成DNC和智能DNC等。

a) 直接DNC系統(tǒng)，也就是直接數(shù)字控制DNC(Direct Numerical control)，是早期的DNC概念，其主要功能是將計算機與數(shù)控機床的直接連接，只是實現(xiàn)NC程序的下傳到數(shù)控機床以完成零件的加工而已。

b)分布式數(shù)控系統(tǒng)(Distributed Numerical Control)是隨著網(wǎng)絡(luò)和計算機技術(shù)的發(fā)展而賦予了DNC新的內(nèi)涵。不但能夠?qū)崿F(xiàn)NC程序的雙向傳輸，而且具有系統(tǒng)信息采集、狀態(tài)監(jiān)視和系統(tǒng)控制等功能。

c)柔性DNC系統(tǒng)是隨著DNC的發(fā)展，DNC和FMS的界限越來越模糊，此時的DNC己成為FMS中必不可少的一部分。

d)網(wǎng)絡(luò)DNC系統(tǒng)，是為了適應(yīng)敏捷制造、全球制造、分布式制造和遠(yuǎn)程制造而發(fā)展起來的一種DNC系統(tǒng)。這種DNC系統(tǒng)的特點是更強調(diào)網(wǎng)絡(luò)與分布式數(shù)據(jù)庫方面的功能與虛擬集成。

e)集成DNC系統(tǒng)，是以數(shù)控技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進技術(shù)為基礎(chǔ)，把與制造過程有關(guān)的設(shè)備與上層控制計算機集成起來，從而實現(xiàn)制造車間制造設(shè)備的集成控制管理以及制造設(shè)備之間、制造設(shè)備與上層計算機之間的信息交換。

f)智能DNC系統(tǒng)是隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展及其在制造領(lǐng)域的應(yīng)用而出現(xiàn)的，目的是為了克服基于知識的人工智能的缺點，人工智能最新研究己經(jīng)向計算智能方向發(fā)展。計算智能主要包括:模糊技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。這些智能技術(shù)的運用，必將促進智能制造技術(shù)的發(fā)展以及新的智能DNC的出現(xiàn)。

DNC系統(tǒng)設(shè)備層的不同，可以實現(xiàn)的DNC的功能也是不同的，所以分類工作也可以按設(shè)備層來劃分。根據(jù)具體的設(shè)備層不同，可將其分成四種，如表1-2所示。

表1-2按通信接口分類的DNC系統(tǒng)Category of DNC System Based on Communication Interface

分類	通信接口	可實現(xiàn)的DNC形式	典型產(chǎn)品
經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)	紙帶閱讀機接口、磁帶錄音機接口	基本DNC(外接DNC接口板)	早期單板機改裝的數(shù)控系統(tǒng)
無RS-232串行接口的數(shù)控系統(tǒng)	并行紙帶閱讀機接口、穿孔接口、PLC接口	DNC接口基本DNC、狹義DNC、廣義DNC(均要外接DNC接口板)	FANUC 7M
有RS-232串行接口的數(shù)控系統(tǒng)	RS-232接口、PLC接口	基本DNC、狹義DNC、廣義DNC(外加DNC接口板)	FANUC 6M CINCINNATIA2100E
有DNC通信接口的數(shù)控系統(tǒng)		基本DNC、狹義 DNC、廣義DNC	FANUC 0 FANUC15

20世紀(jì)80年代后，隨著信息技術(shù)和先進制造技術(shù)的發(fā)展，DNC的功能和內(nèi)涵也在不斷擴大，主要體現(xiàn)為以下兩個方面:

目前DNC系統(tǒng)傳輸?shù)牟粌H包括NC程序，而且包括執(zhí)行特定生產(chǎn)任務(wù)所需的制造數(shù)據(jù)，如刀具數(shù)據(jù)、作業(yè)計劃、機床配置信息等。部分DNC系統(tǒng)還具有機床狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等功能。

利用DNC的通信網(wǎng)絡(luò)可以把車間內(nèi)的數(shù)控機床通過調(diào)度和運轉(zhuǎn)控制聯(lián)系在一起從而掌握整個車間的加工情況，便于實現(xiàn)加工物件的傳送和自動化檢測設(shè)備的連接，DNC系統(tǒng)連接數(shù)控設(shè)備和上層計算機，是實現(xiàn)CADC/AM和計算機輔助生產(chǎn)管理系統(tǒng)(CAPMS)集成的紐帶，是實現(xiàn)設(shè)計制造一體化的橋梁。相比與FMS，DNC更注重于信息流的集成，從而避免FMS在物流上的高投資，是機械加工車間實現(xiàn)制造自動化的較好方式。按照CIMS的遞階控制理論，DNC系統(tǒng)可以方便的組織為數(shù)控單元，接收來自車間的作業(yè)計劃，實現(xiàn)單元內(nèi)的作業(yè)調(diào)度和資源調(diào)度、決定零件的加工路線、監(jiān)控和統(tǒng)計數(shù)控設(shè)備的任務(wù)執(zhí)行情況等。因此DNC是實現(xiàn)信息集成制造的一個層次，既可以單獨使用，也可以繼續(xù)發(fā)展為FMS和CIMS。

DNC系統(tǒng)作為車間層控制系統(tǒng)的一個功能單元。

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)實現(xiàn)通信功能;②機床狀態(tài)采集和上報;③根據(jù)工序計劃，自動分配NC程序及數(shù)據(jù)到相應(yīng)機床;④刀具數(shù)據(jù)的分配與傳遞。

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數(shù)控數(shù)據(jù)進行管理，主要有數(shù)控數(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)控數(shù)據(jù)在計算機和機床之間的傳送、刪除機床上的數(shù)控數(shù)據(jù)、啟動機床上的數(shù)控程序、隨時從機床設(shè)備獲得工作狀態(tài)信息并存入數(shù)據(jù)庫，作為運行數(shù)據(jù)采集模塊評價加工過程的根據(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。

基于CORBA的DNC系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)平臺建立在車間層控制系統(tǒng)平臺的基礎(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實現(xiàn)的可移植的DNC人機接口;業(yè)務(wù)層響應(yīng)用戶(或其它的業(yè)務(wù)服務(wù))發(fā)來的請求，執(zhí)行某種業(yè)務(wù)任務(wù)，此處為由VC++來實現(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)請求，此處為經(jīng)IDL功能接口定義封裝的NC局部數(shù)據(jù)庫(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，需要進一步創(chuàng)建具體的物理組件來實現(xiàn)它們。根據(jù)性能和維護的需求、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。

DNC系統(tǒng)軟件中涉及到數(shù)據(jù)實體包含四類:①與制造設(shè)備硬件相關(guān)的數(shù)據(jù)實體(如機床等);②與人機通訊相關(guān)的數(shù)據(jù)實體(如通訊協(xié)議實體和串口通訊實體); ③數(shù)控數(shù)據(jù)實體(如NC程序號、刀具號、工序號);④輸入操作指令或派工單實體。采用面向?qū)ο蠓椒▽⑸鲜鰧嶓w抽象成為類，可分為能力單元類、NC機床類、 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。

盡管DNC有多種多樣的分類方式，但各種分類方式都有構(gòu)成DNC系統(tǒng)必不可少的基本組成部分。其中主要有:

(1)DNC控制計算機，包括大容量存儲器和1/0接口;

(2)通訊介質(zhì)(雙絞線，同軸電纜等);

(3)通訊接口;

(4)NC或CNC數(shù)控設(shè)備;

(5)軟件系統(tǒng)(包括實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、DNC通信軟件、DNC管理和監(jiān)控軟件、NC程序編輯軟件、還可能有數(shù)控系統(tǒng)軟件)。

由于DNC系統(tǒng)的多種構(gòu)成形式，系統(tǒng)的大小和復(fù)雜程度也各不相同。DNC系統(tǒng)可以小到只有一臺DNC主機控制多臺數(shù)控機床也可以大到包括單元層、車間層和工廠層。所以具體的DNC系統(tǒng)組成要根據(jù)其要求達(dá)到的目標(biāo)和具體條件來決定。影響DNC系統(tǒng)配置的因素很多

DNC計算機的任務(wù)勞動力成本車間層管理計算機系統(tǒng)被處理信息的層次CNC的數(shù)量車間CNC的負(fù)載所需要的柔性

但首先應(yīng)考慮工廠具體的需求，如需要的自動化程度、信息流以及工廠的計算機結(jié)構(gòu)層次等重要因素。

DNC應(yīng)用程序中的對象從這些類中繼承下來，每個對象的方法即該對象的成員函數(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

intFixtureStatus; ‖fixture status

public:

MACHINE-TOOL();

char* getCurrentNCFile();

void setCurrentNCFile(char?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();

};

基于CORBA的車間層控制系統(tǒng)需要兩種層次的互連。第一層是利用計算機局域網(wǎng)技術(shù)和協(xié)議軟件把由異構(gòu)計算機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，實現(xiàn)各節(jié)點、各被控的異構(gòu)制造設(shè)備(如加工中心、機器人、PLC等)之間的信息交互，這種交互通過制造信息規(guī)范(MMS)實現(xiàn)。作為車間層控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，本文DNC系統(tǒng)的物理配置基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主計算機通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)(具有獨立IP地址的終端服務(wù)器)分別連接多臺CNC系統(tǒng)實現(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)。

DNC系統(tǒng)的優(yōu)越性在于其簡單的程序數(shù)據(jù)管理，快速的NC數(shù)據(jù)傳送，以及數(shù)據(jù)傳送所具有的更高的安全性能，且可實現(xiàn)NC機床完全自動的、柔性的操作。引入DNC的目的在不同的企業(yè)是不同的，但通常有如下的原因:

(1)消除程序讀入裝置維護所需的費用;(2)減少數(shù)據(jù)輸入的錯誤;(3)簡化NC程序的管理;(4)便于生產(chǎn)的管理;(5)增加加工系統(tǒng)的柔性。在工廠使用了一定數(shù)量的數(shù)控機床之后，由于以上原因，通常會產(chǎn)生引入DNC的需求，但從經(jīng)濟和技術(shù)上綜合考慮，引入DNC的原則一般有:

(1)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)控機床數(shù)量連接在系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)控機床數(shù)量對于系統(tǒng)的效率和成本的回收都是十分重要的，一般的，在系統(tǒng)中有4-6臺NC機床或更多時，即應(yīng)考慮DNC;(2)控制系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量在數(shù)據(jù)量很大且程序的處理速度要求很快時，應(yīng)考慮DNC;(3)NC程序的管理NC程序管理的問題越大，就越應(yīng)當(dāng)考慮采用DNC;(4) NC程序的長度在CNC的程序存儲器不能滿足程序的要求時，應(yīng)考慮DNC;(5)在加工中需要頻繁更換程序加工的批量越小，程序越小，在正確的機床上，正確的時間內(nèi)，使用正確的程序加工就越困難，但如果采用DNC就能比較容易的解決這個問題。