0 引言

　　數(shù)控技術是運用數(shù)字化信息技術手段對機床機械的運動方式及工作狀態(tài)進行控制的技術，它集合了傳統(tǒng)的機械制造、自動控制、集散控制、網(wǎng)絡通信、計算機監(jiān)測控制等技術，具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、操作高度自動化等優(yōu)點，對數(shù)控機床等機械制造業(yè)實現(xiàn)集成管理化、智能化、無人操作全自動化有著非常重要的作用。數(shù)控技術是制造業(yè)實現(xiàn)機械加工自動化的基礎，是國家實現(xiàn)機械現(xiàn)代化、工業(yè)自動化的不可或缺的技術，關系到我們國家在機械行業(yè)的戰(zhàn)略地位，是國家綜合國力和競爭力的重要體現(xiàn)。

　　數(shù)控機床與計算機實現(xiàn)通信主要有程序的發(fā)送/接收、系統(tǒng)狀態(tài)的采集以及實現(xiàn)遠程監(jiān)控三種功能，提高機床工作效率。機床通信接口發(fā)展經(jīng)歷四個階段：紙帶打孔機階段、軟盤保存、RS-232串口通信、網(wǎng)卡網(wǎng)絡通信階段。本課題研究設計的基于zigBee和以太網(wǎng)技術的數(shù)控機床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)，涉及到兩種關鍵技術：zigBee無線通信組網(wǎng)技術和以太網(wǎng)局域網(wǎng)技術。相對于傳統(tǒng)的有線機床通信系統(tǒng)，研究基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術和以太網(wǎng)的數(shù)控機床遠程無線通信監(jiān)控系統(tǒng)的意義也是顯而易見。主要優(yōu)點有以下幾個方面：

　　(1)CNc加工程序的輸入/輸出，實現(xiàn)CNC加工程序的海量存儲、統(tǒng)一管理；

　　(2)組網(wǎng)靈活。機床組網(wǎng)可以自由組成多種拓撲結構，并且沒有線纜的限制，可以容易地從點對點的工作模式擴展到多用戶的基礎架構網(wǎng)絡。

　　(3)實現(xiàn)對設備的遠程控制，機床加工程序的遠程傳輸、設備遠程維護以及機床無人化操作，大大提高了機床生產(chǎn)效率和避免了由于操作人員操作不當造成對機床的損壞。

　　(4)數(shù)控機床采用無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)系統(tǒng)具有使用成本低，便于施工與維護，車間投資少收效多，減少了諸多管理等優(yōu)點。

1 無線傳感器網(wǎng)絡技術ZigBee

　　zigBee技術為滿足近距離、低速率、低成本、低復雜度等需求而研發(fā)的新興的無線傳感器網(wǎng)絡技術。zigBee技術是建立在IEEE802.15.4國際無線通信標準基礎上的，為了實現(xiàn)和滿足人們對小范圍低功耗和低成本的無線上網(wǎng)要求，IEEE802.15.4專門研發(fā)和制定的個人無線標準WPAN。zigBee無線網(wǎng)絡容量很大，它可以最大支持65000個子節(jié)點組成的新的巨大的無線傳感器網(wǎng)絡，一般的兩個網(wǎng)絡節(jié)點之間無阻隔傳輸通信距離為70米，通過加強發(fā)射功率可以擴展到幾百米。

　　zigBee無線通信網(wǎng)絡中有兩種功能設備，三種類型節(jié)點以及三種網(wǎng)絡拓撲結構。zigBee無線傳感網(wǎng)絡有三種設備類型功能節(jié)點：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備。在ZigBee網(wǎng)絡有星形拓撲、串狀拓撲(Cluster)、網(wǎng)狀拓撲(MESH)三種網(wǎng)絡拓撲結構，見圖1。

2 以太網(wǎng)技術

　　以太網(wǎng)技術是目前應用最廣使用最普遍的局域網(wǎng)技術，IEEE在制定IEEE802.3標準同時也定義了以太網(wǎng)的技術標準，標準中規(guī)定了以太網(wǎng)物理層硬件設備之間的連線、電信號選擇和媒體介質(zhì)訪問層協(xié)議標準H1。使用以太網(wǎng)交換機來實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的互連，最大化的減少數(shù)據(jù)傳輸中的競爭沖突、最大程度提高以太網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸速度以及使用效率，以太網(wǎng)一般采用總線型以及星形拓撲結構。以太網(wǎng)技術傳輸協(xié)議采取通用的TCP/IP通信協(xié)議，與zigBee無線通信協(xié)議相比，TCP/IP通信協(xié)議比較復雜，根據(jù)數(shù)控機床無線通信組網(wǎng)協(xié)議標準的需要對TCP/IP協(xié)議進行裁剪和優(yōu)化使開發(fā)成本較低，占用不了多少系統(tǒng)資源，機床組網(wǎng)靈活，完全滿足數(shù)控機床無線通信的要求。

3 數(shù)控機床通信網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

　　在數(shù)控機床無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的關鍵技術在于zigBee-以太網(wǎng)網(wǎng)關設計、他們之間數(shù)據(jù)幀格式變換和zigBee技術的無線組網(wǎng)。在數(shù)控機床無線通信系統(tǒng)中，關鍵無線通信技術zigBee網(wǎng)絡拓撲結構采取串狀結構，該結構構建起來相當比較簡單，需要系統(tǒng)資源也相當比較少，該zigBee拓撲結構還能實現(xiàn)網(wǎng)絡路由轉發(fā)功能機制，有效地擴展了zigBee無線網(wǎng)絡的通信范圍。數(shù)控機床無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)設計如圖2所示。

圖2數(shù)控機床無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)結構框圖

　　構建的數(shù)控機床無線通信系統(tǒng)，不但使數(shù)控機床組網(wǎng)靈活，并且數(shù)控機床沒有電源或通信線纜的限制，可以很容易地從點對點模式傳輸方式擴展到上千用戶的串狀拓撲結構基礎架構網(wǎng)絡。另外機床加工工件需要頻繁移動和變化的動態(tài)環(huán)境中，機床節(jié)點同樣安裝容易，方便設備維護。機床無線通信系統(tǒng)還可實現(xiàn)對機床設備的遠程監(jiān)控和無人化操作、機床加工程序遠程傳輸、遠程診斷以及遠程維修服務、技術支持服務等，大大提高了機床加工生產(chǎn)效率。

4 數(shù)控機床通信網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件設計

　　數(shù)控機床無線通信系統(tǒng)網(wǎng)關設計框圖如下圖3所示。

圖3 ZigBee一以太網(wǎng)網(wǎng)關硬件設計結構圖

　　它以MsP430F149單片機和zigBee射頻芯片CC2430為核心，其中，MSP430 F149芯片為控制核心，CC2430為發(fā)送/接收機床數(shù)據(jù)包核心，配備了無線網(wǎng)絡通信接口和以太網(wǎng)控制器，并增加了大容量存儲功能的SRAM等基本的系統(tǒng)外圍設備。M口夭捎盟Mcu模式設計，其中MSP430F149單片機為主控制芯片，CC2430為輔助作用，支持主控制器的功能。

　　機床無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的zigBee路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計差不多，不一一介紹。機床終端節(jié)點的硬件電路采用模塊化設計，以提高它的抗干擾能力。它主要由電源模塊組成、zigBee無線收發(fā)模塊、網(wǎng)絡信號狀態(tài)指示燈、RS-232串口通信電路、JTAG接口等電路模塊組成。RS-232串口通信電路與機床的串口相連，發(fā)送機床數(shù)據(jù)包由機床MCU控制器決定。數(shù)控機床終端節(jié)點的電源由數(shù)控機床通過串口電路供電。

5 數(shù)控機床通信網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件設計

　　數(shù)控機床無線通信網(wǎng)關系統(tǒng)軟件部分由三個關鍵模塊組成：

　　zigBee z-stack協(xié)議棧無線通信協(xié)議標準實現(xiàn)機床通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器建網(wǎng)組網(wǎng)模塊功能、以太網(wǎng)實現(xiàn)精簡和裁剪TCP/IP協(xié)議的功能模塊以及zigBee報文數(shù)據(jù)幀格式轉為以太網(wǎng)報文數(shù)據(jù)幀格式模塊。在機床無線通信系統(tǒng)中，機床發(fā)送數(shù)據(jù)包經(jīng)過zigBee網(wǎng)絡中的采集機床信息終端節(jié)點設備、信息中轉路由器設備以及機床無線通信網(wǎng)絡建立協(xié)調(diào)器設備，之后經(jīng)過以太網(wǎng)網(wǎng)絡發(fā)送給數(shù)控機床監(jiān)控中心。整個機床無線通信協(xié)議的層次體系結構如圖4所示。

圖4機床通信網(wǎng)關系統(tǒng)分層協(xié)議模型

6 系統(tǒng)測試和實驗結果

　　在機床無線通信中，主要通過測試無線傳感器網(wǎng)絡zigBee發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包個數(shù)為參照。zigBee網(wǎng)絡發(fā)起者協(xié)調(diào)器、信息中轉路由節(jié)點、數(shù)控機床終端節(jié)點程序下載完成后，上電初始化后就可以組網(wǎng)了，我們用串口調(diào)試助手可以觀看到zigBee無線通信網(wǎng)絡網(wǎng)關協(xié)調(diào)節(jié)點設備新建的網(wǎng)絡物理地址和ID號、PAN參數(shù)信息以及路由節(jié)點、機床終端節(jié)點加入zigBee無線網(wǎng)絡是否成功等信息。除了能在串口和zigBee開發(fā)部自帶的顯示器看到zigBee組網(wǎng)過程外，還能通過smartRF Packet Sniffer軟件偵聽它們發(fā)送的數(shù)據(jù)包。SmanRF Packet Sniffer偵聽數(shù)據(jù)包情況如下圖5所示。

圖5 Packet Sniffer偵測的ZigBee數(shù)據(jù)包

　　虛擬儀器技術是新興的仿真技術，它能夠模仿各類工具、元器件、各種設備的功能，實現(xiàn)在線仿真與測試，大大地減少了項目開發(fā)成本。LabVIEW軟件利用高性能可靠性高的模塊式設計，并結合靈活方便高效易于二次開發(fā)的應用軟件完成各種各樣測試仿真及其自動化控制應用領域。采用虛擬技術LabVIEw軟件模仿數(shù)控機床實時顯示數(shù)控機床的工作狀態(tài)、組網(wǎng)狀態(tài)以及機床加工程序傳輸過程。具體界面如圖6和圖7所示。

圖6 數(shù)控機床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)程序傳送界面

圖7 數(shù)控機床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)機床監(jiān)控界面

　　具體工作流程：點擊程序傳送設置按鈕后就會進入設置界面，系統(tǒng)就打開串口，接收以太網(wǎng)上協(xié)調(diào)器節(jié)點下傳的機床工作程序信息，經(jīng)過zigBee網(wǎng)絡發(fā)送給終端節(jié)點數(shù)控機床，機床響應信息，開始按下傳程序開始工作，經(jīng)過LabVIEw軟件進行數(shù)據(jù)解析實時顯示機床組網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)送/接收機床程序運行狀態(tài)等信息，按下關閉系統(tǒng)按鈕則系統(tǒng)自動關閉串口，停止在線實時查看功能。

7 結束語

　　本文把無線傳感器網(wǎng)絡技術zigBee應用到數(shù)控機床通信系統(tǒng)中去，數(shù)控機床通信系統(tǒng)基本上可以達到動態(tài)調(diào)試和監(jiān)控機床，為數(shù)控機床監(jiān)控、調(diào)試、精密加工提供了有效的手段。由于機床工作環(huán)境存在設備眾多，電磁環(huán)境比較復雜，所以系統(tǒng)抗干擾問題還待下一步解決。隨著無線通信技術和信息處理技術的發(fā)展，相信機床通信系統(tǒng)會實現(xiàn)無線化、高效化和信息化，從而提高機床工作效率，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。