0 引言

　　數(shù)控技術(shù)是運用數(shù)字化信息技術(shù)手段對機(jī)床機(jī)械的運動方式及工作狀態(tài)進(jìn)行控制的技術(shù)，它集合了傳統(tǒng)的機(jī)械制造、自動控制、集散控制、網(wǎng)絡(luò)通信、計算機(jī)監(jiān)測控制等技術(shù)，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(jī)床等機(jī)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(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)機(jī)械加工自動化的基礎(chǔ)，是國家實現(xiàn)機(jī)械現(xiàn)代化、工業(yè)自動化的不可或缺的技術(shù)，關(guān)系到我們國家在機(jī)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(jī)床與計算機(jī)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(yuǎn)程監(jiān)控三種功能，提高機(jī)床工作效率。機(jī)床通信接口發(fā)展經(jīng)歷四個階段：紙帶打孔機(jī)階段、軟盤保存、RS-232串口通信、網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)通信階段。本課題研究設(shè)計的基于zigBee和以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)，涉及到兩種關(guān)鍵技術(shù)：zigBee無線通信組網(wǎng)技術(shù)和以太網(wǎng)局域網(wǎng)技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的有線機(jī)床通信系統(tǒng)，研究基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和以太網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)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(jī)床組網(wǎng)可以自由組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且沒有線纜的限制，可以容易地從點對點的工作模式擴(kuò)展到多用戶的基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

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

　　(4)數(shù)控機(jī)床采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)系統(tǒng)具有使用成本低，便于施工與維護(hù)，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(luò)技術(shù)ZigBee

　　zigBee技術(shù)為滿足近距離、低速率、低成本、低復(fù)雜度等需求而研發(fā)的新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。zigBee技術(shù)是建立在IEEE802.15.4國際無線通信標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)WPAN。zigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)，一般的兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間無阻隔傳輸通信距離為70米，通過加強(qiáng)發(fā)射功率可以擴(kuò)展到幾百米。

　　zigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中有兩種功能設(shè)備，三種類型節(jié)點以及三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。zigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)有三種設(shè)備類型功能節(jié)點：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星形拓?fù)?、串狀拓?fù)?Cluster)、網(wǎng)狀拓?fù)?MESH)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖1。

2 以太網(wǎng)技術(shù)

　　以太網(wǎng)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣使用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，IEEE在制定IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)同時也定義了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了以太網(wǎng)物理層硬件設(shè)備之間的連線、電信號選擇和媒體介質(zhì)訪問層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)H1。使用以太網(wǎng)交換機(jī)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)技術(shù)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(fù)雜，根據(jù)數(shù)控機(jī)床無線通信組網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的需要對TCP/IP協(xié)議進(jìn)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(jī)床組網(wǎng)靈活，完全滿足數(shù)控機(jī)床無線通信的要求。

3 數(shù)控機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

　　在數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于zigBee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計、他們之間數(shù)據(jù)幀格式變換和zigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)。在數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)中，關(guān)鍵無線通信技術(shù)zigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采取串狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)建起來相當(dāng)比較簡單，需要系統(tǒng)資源也相當(dāng)比較少，該zigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能機(jī)制，有效地擴(kuò)展了zigBee無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。數(shù)控機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

圖2數(shù)控機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　構(gòu)建的數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)，不但使數(shù)控機(jī)床組網(wǎng)靈活，并且數(shù)控機(jī)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(kuò)展到上千用戶的串狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。另外機(jī)床加工工件需要頻繁移動和變化的動態(tài)環(huán)境中，機(jī)床節(jié)點同樣安裝容易，方便設(shè)備維護(hù)。機(jī)床無線通信系統(tǒng)還可實現(xiàn)對機(jī)床設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人化操作、機(jī)床加工程序遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程診斷以及遠(yuǎn)程維修服務(wù)、技術(shù)支持服務(wù)等，大大提高了機(jī)床加工生產(chǎn)效率。

4 數(shù)控機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計框圖如下圖3所示。

圖3 ZigBee一以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

　　它以MsP430F149單片機(jī)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(jī)床數(shù)據(jù)包核心，配備了無線網(wǎng)絡(luò)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(shè)備。M口夭捎盟Mcu模式設(shè)計，其中MSP430F149單片機(jī)為主控制芯片，CC2430為輔助作用，支持主控制器的功能。

　　機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的zigBee路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計差不多，不一一介紹。機(jī)床終端節(jié)點的硬件電路采用模塊化設(shè)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(luò)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(jī)床的串口相連，發(fā)送機(jī)床數(shù)據(jù)包由機(jī)床MCU控制器決定。數(shù)控機(jī)床終端節(jié)點的電源由數(shù)控機(jī)床通過串口電路供電。

5 數(shù)控機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

　　zigBee z-stack協(xié)議棧無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)為以太網(wǎng)報文數(shù)據(jù)幀格式模塊。在機(jī)床無線通信系統(tǒng)中，機(jī)床發(fā)送數(shù)據(jù)包經(jīng)過zigBee網(wǎng)絡(luò)中的采集機(jī)床信息終端節(jié)點設(shè)備、信息中轉(zhuǎn)路由器設(shè)備以及機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)建立協(xié)調(diào)器設(shè)備，之后經(jīng)過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)控機(jī)床監(jiān)控中心。整個機(jī)床無線通信協(xié)議的層次體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4機(jī)床通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)分層協(xié)議模型

6 系統(tǒng)測試和實驗結(jié)果

　　在機(jī)床無線通信中，主要通過測試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)zigBee發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包個數(shù)為參照。zigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)起者協(xié)調(diào)器、信息中轉(zhuǎn)路由節(jié)點、數(shù)控機(jī)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(luò)網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)節(jié)點設(shè)備新建的網(wǎng)絡(luò)物理地址和ID號、PAN參數(shù)信息以及路由節(jié)點、機(jī)床終端節(jié)點加入zigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)是新興的仿真技術(shù)，它能夠模仿各類工具、元器件、各種設(shè)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(shè)計，并結(jié)合靈活方便高效易于二次開發(fā)的應(yīng)用軟件完成各種各樣測試仿真及其自動化控制應(yīng)用領(lǐng)域。采用虛擬技術(shù)LabVIEw軟件模仿數(shù)控機(jī)床實時顯示數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)、組網(wǎng)狀態(tài)以及機(jī)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(jī)床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)程序傳送界面

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

　　具體工作流程：點擊程序傳送設(shè)置按鈕后就會進(jìn)入設(shè)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(jī)床工作程序信息，經(jīng)過zigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端節(jié)點數(shù)控機(jī)床，機(jī)床響應(yīng)信息，開始按下傳程序開始工作，經(jīng)過LabVIEw軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解析實時顯示機(jī)床組網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)送/接收機(jī)床程序運行狀態(tài)等信息，按下關(guān)閉系統(tǒng)按鈕則系統(tǒng)自動關(guān)閉串口，停止在線實時查看功能。

7 結(jié)束語

　　本文把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)zigBee應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床通信系統(tǒng)中去，數(shù)控機(jī)床通信系統(tǒng)基本上可以達(dá)到動態(tài)調(diào)試和監(jiān)控機(jī)床，為數(shù)控機(jī)床監(jiān)控、調(diào)試、精密加工提供了有效的手段。由于機(jī)床工作環(huán)境存在設(shè)備眾多，電磁環(huán)境比較復(fù)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(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，相信機(jī)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(jī)床工作效率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。