FANUC系统数控机床网络化集成技术
作者：管理员 发布于：2015-12-28 17:09:01
摘要：以FANUC 系统数控机床为例研究数控机床网络化集成技术，提出了系统构架及主要功能； 对数控系统以太网功能、必备硬件进行了详细的介绍； 进行了基于FOCAS2 的以太网软件开发， 并详尽阐述了本系统数控机床以太网功能的配置方法。
0 引言
数控机床正常运行除了必要软硬件外，还需要诸如系统参数、刀具及坐标系偏置数据、螺距误差补偿数据、跟踪误差、机床运动坐标、主运动和进给速度、PMC 信号状态等动静态数据。目前国内大部分企业对机床运行状态监控和动静态数据采集管理仍然停留在单机在线或串口通信方式阶段，无法实现集成管理，从而形成了信息化孤岛。随着工业化进程的推进，对数控设备进行信息化统一集中管理乃至对机床工作状态进行实时监控的重要性逐步被人们认知，而计算机网络技术的发展尤其是现场总线以及工业以太网技术的发展，使企业数控设备集成监管成为了可能。本文以FANUC 系统为例介绍基于以太网的数控机床集成技术。
1 数控机床网络集成系统构架及功能
1.1 系统集成以太网软件
FANUC 系统使用的以太网软件从来源上分主要以下两种：
（1） 直接购买FANUC 提供的相关软件，如基本操作包1（FANUC Basic Operation Package 1／A02B‐0207‐K752） 、远程诊断包（Machine Remote DiagnosePackage ／ A08B‐9210‐J515） 、生产系统管理与控制软件包CIMPLICITY HMI 等。
（2） 使用Microsoft Visual Basic 或者VisualC＋ ＋ ，配合FANUC 提供的FOCAS2（A02B‐0207‐K737）应用程序接口（API）进行自主编程。软件功能包括机床数据管理（如NC 程序、系统参数、宏变量、刀具偏置、工件坐标系偏移、螺距误差补偿等数据的读写及管理） 、CNC 显示（如主轴和进给轴数据显示、加工时间、刀具信息、坐标数据） 、状态监测（如梯形图顺序程序、机床信号、进给轴及主轴波形信号、操作及报警履历） 、在线调试（如融合FANUC LADDER和SERVO GUIDE 进行在线PMC 和伺服调试）等。
1.2 计算机
计算机是以太网软件的运行服务器同时可担任机床数据的数据服务器，应具备以太网卡及满足要求的系统配置，同时应具有Windows 自带的IIS 或者第三方的Serv‐U 等FTP 服务软件。
1.3数据服务器
数据服务器视系统规模大小可单独或与系统主机共用计算机，主要功能是存储和管理机床上传的各种数据。
1.4 数控机床
多台数控机床可通过以太网连接到系统主机和数据服务器，机床应具备并开通必要的以太网功能和硬件。
2 数控机床网络集成系统软硬件
FANUC 系列数控系统的以太网硬件设备主要有快速以太网板（Fast Ethernet Board）和数据服务器板（Fast Data Server Board）两种，对应功能叫做以太网功能（Ethernet Function）和数据服务器功能（DateServer Function） 。现0i － MD 和0i － TD 系统都标配有内嵌式以太网和PCMCIA 网卡，而0i － Mate MD和0i － Mate TD 只标配PCMCIA 网卡。PCMCIA 网卡和内嵌式以太网的功能接近，只是PCMCIA 网卡不支持FANUC 程序传输软件。
FANUC 0i － D 系列中的0i － MD／0i － TD 系统都标准配置有支持100Mb／s 的内嵌式以太网。将CNC 与电脑连接起来，即可进行NC 程序的传输、机械的控制和运行状态的监视、机械的调整和维护。其基本功能包括：
（1） 基于FTP 传输功能的NC 程序传输，可通过CNC 画面的操作来传输NC 程序。电脑侧使用FTP服务器软件，所以，可以与Windows 环境以外的主机一起传输NC 程序。
（2） 基于FOCAS2／Ethernet 的机械控制和监视，可利用i CELL 和CIMPLICITY 创建进行机械控制和监视的系统。此外，可以直接使用FOCAS2／Ethernet功能，创建独特的应用软件；也可通过CNC 主导信息通知功能，利用NC 程序或者梯图程序发出的指令，从CNC 自发地向电脑的应用程序发送通知信息（CNC／PMC 数据） 。
（3） 可以在线进行基于FANUC LADDER‐ Ⅲ 以及SERVO GUIDE 的机械调整和维护、梯图程序的维护和伺服电机的调整。
FTP 传输功能可使用Windows 自带的IIS 或者第三方的Serv‐U 等FTP 服务软件。而顺序程序调试和伺服调整可利用FANUC 专用工具，通过以太网连接方式对数控机床进行在线调试与干预。因此数控机床网络集成系统开发的技术难点和关键点是控制和监视以太网软件，当然FANUC 提供标准软件CIMPLICITY，但由于价格昂贵和系统规模要求适应性问题，一般选择使用Visual Basic 或者Visual C ++自主开发基于FOCAS2／Ethernet 功能的用户软件。
FOCAS2 即FANUC Open CNC API Specificationsversion 2，是FANUC 提供给用户的应用程序接口函数库，通过调用这些标准函数即可实现计算机与数控机床之间的信息交互。例如通过Read the nameof controlled axis and spindle name 函数读取控制轴和主轴名称；通过Set origin／preset relative axis position函数设置原点／预设相关坐标位置等。在使用Visual Basic 或者Visual C ＋ ＋ 编程时需作如下初始化设置： ① 将FOCAS1/2库函数Fwlib32． dll 、Fwlibe1．dll 、Fwlib32.lib 及头文件Fwlib32 ．h 复制到工程文件夹中；② 点击程序“工程”菜单后出现“设置”子菜单，再次点击后出现设置对话框，选择“Link”标签，在“对象／库模块”中输入库文件名“Fwlib32 ．lib” ；③ 在实现类文件（ ．cpp）中包含头文件Fwlib32．h 。
通信线路的建立与关闭按如下步骤完成：调用语句short back ＝ cnc＿ allclibhndl3（“192 .168.0．100” ，8193 ，0 ，&h)来建立通信链路，正常时将返回0（EW＿OK）并取得通信句柄h ，可供其他库函数调用。其中“192.168.0.100”为机床IP 地址，8139为端口号。断开通信线路的函数为cnc＿freelib － hndl（h） ，仅需传入通信句柄h 。设置时计算机侧的IP 地址前三位（192.168.1.0.100）需与机床侧相同。PMC 信号是机床正常运转的重要信号，也是判断机床工作状态和故障状态的重要依据。对于FANUC数控系统而言，有X 、Y 、F 、G 、R 等多种接口信号。为了读取接口状态，编程时需调用函数：FWLIBAPIshortWINAPI pmc ＿ rdpmcrng （ unsigned shortFlibHndl ， short adr ＿ type ，short data ＿ type ，shorts＿number ，shorte＿ number ，short length ，IODBPMC 倡buf） 。其中：FlibHndl 为通信句柄，adr＿ type 为地址类型，s＿number 、e＿number 分别为PMC 地址的起始号与结束号，length 为数据块的长度。对于字节型变量，读取的数据存放在buf ．u ．cdata［（）］中。
3 数控机床侧的设置
FANUC 的以太网功能主要通过TCP／IP 协议实现，使用的时候在CNC 系统上只需设定CNC 的IP 、TCP 和UDP 端口等信息即可。以太网、内嵌式以太网和PCMCIA 的设定方法一样，下面以内嵌式以太网的设定方法为例进行说明，具体操作方法如下：首先将20号参数改为5；按SYSTEM → 公共键，系统IP 地址的设定画面如图2 所示，当系统与一台以上机床连接时，需要填写路由器地址，如不需要，则不用填写；按下FOCAS2 键，进行FOCAS2 的设置，TCP 设定为8193 ，UDP 一般设定为8192，时间间隔一般设定为10 ；按下TCP 传送键进行TCP 传送设定，输入主机IP 地址和主机设定的用户名和密码，端口号和主机一致设定为21。
4 计算机侧的设定
在Windows XP 下使用FTP 服务可以使用Windows XP 自带的IIS（Internet Information Server） ，也可以使用其他的第三方软件。下面介绍使用IIS 进行设定的方法：打开“控制面板→ 管理工具→ Internet 信息服务” ；展开目录树，右键单击默认FTP 站点，打开属性页面；单击“FTP 站点”选项卡，在此页面设置端口号，通常默认端口是21，不用修改，其他都可以使用默认值。另外，此处的用户名是为匿名访问FTP资源而建立的Windows 系统帐户，不要随意修改。如需要自定义登录FTP 服务器的用户名和密码，可在“控制面板AE 用户帐户”中添加。使用IIS 做FTPServer 时，能登录Windows 的帐户都可以访问FTP资源。另外，IIS 还提供了匿名访问功能，登陆用户名为Anonymous ，密码为任意字符串，推荐使用。
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数控机床正常运行除了必要软硬件外，还需要诸如系统参数、刀具及坐标系偏置数据、螺距误差补偿数据、跟踪误差、机床运动坐标、主运动和进给速度、PMC 信号状态等动静态数据。目前国内大部分企业对机床运行状态监控和动静态数据采集管理仍然停留在单机在线或串口通信方式阶段，无法实现集成管理，从而形成了信息化孤岛。随着工业化进程的推进，对数控设备进行信息化统一集中管理乃至对机床工作状态进行实时监控的重要性逐步被人们认知，而计算机网络技术的发展尤其是现场总线以及工业以太网技术的发展，使企业数控设备集成监管成为了可能。本文以FANUC 系统为例介绍基于以太网的数控机床集成技术。
1 数控机床网络集成系统构架及功能
1.1 系统集成以太网软件
FANUC 系统使用的以太网软件从来源上分主要以下两种：
（1） 直接购买FANUC 提供的相关软件，如基本操作包1（FANUC Basic Operation Package 1／A02B‐0207‐K752） 、远程诊断包（Machine Remote DiagnosePackage ／ A08B‐9210‐J515） 、生产系统管理与控制软件包CIMPLICITY HMI 等。
（2） 使用Microsoft Visual Basic 或者VisualC＋ ＋ ，配合FANUC 提供的FOCAS2（A02B‐0207‐K737）应用程序接口（API）进行自主编程。软件功能包括机床数据管理（如NC 程序、系统参数、宏变量、刀具偏置、工件坐标系偏移、螺距误差补偿等数据的读写及管理） 、CNC 显示（如主轴和进给轴数据显示、加工时间、刀具信息、坐标数据） 、状态监测（如梯形图顺序程序、机床信号、进给轴及主轴波形信号、操作及报警履历） 、在线调试（如融合FANUC LADDER和SERVO GUIDE 进行在线PMC 和伺服调试）等。
1.2 计算机
计算机是以太网软件的运行服务器同时可担任机床数据的数据服务器，应具备以太网卡及满足要求的系统配置，同时应具有Windows 自带的IIS 或者第三方的Serv‐U 等FTP 服务软件。
1.3数据服务器
数据服务器视系统规模大小可单独或与系统主机共用计算机，主要功能是存储和管理机床上传的各种数据。
1.4 数控机床
多台数控机床可通过以太网连接到系统主机和数据服务器，机床应具备并开通必要的以太网功能和硬件。
2 数控机床网络集成系统软硬件
FANUC 系列数控系统的以太网硬件设备主要有快速以太网板（Fast Ethernet Board）和数据服务器板（Fast Data Server Board）两种，对应功能叫做以太网功能（Ethernet Function）和数据服务器功能（DateServer Function） 。现0i － MD 和0i － TD 系统都标配有内嵌式以太网和PCMCIA 网卡，而0i － Mate MD和0i － Mate TD 只标配PCMCIA 网卡。PCMCIA 网卡和内嵌式以太网的功能接近，只是PCMCIA 网卡不支持FANUC 程序传输软件。
FANUC 0i － D 系列中的0i － MD／0i － TD 系统都标准配置有支持100Mb／s 的内嵌式以太网。将CNC 与电脑连接起来，即可进行NC 程序的传输、机械的控制和运行状态的监视、机械的调整和维护。其基本功能包括：
（1） 基于FTP 传输功能的NC 程序传输，可通过CNC 画面的操作来传输NC 程序。电脑侧使用FTP服务器软件，所以，可以与Windows 环境以外的主机一起传输NC 程序。
（2） 基于FOCAS2／Ethernet 的机械控制和监视，可利用i CELL 和CIMPLICITY 创建进行机械控制和监视的系统。此外，可以直接使用FOCAS2／Ethernet功能，创建独特的应用软件；也可通过CNC 主导信息通知功能，利用NC 程序或者梯图程序发出的指令，从CNC 自发地向电脑的应用程序发送通知信息（CNC／PMC 数据） 。
（3） 可以在线进行基于FANUC LADDER‐ Ⅲ 以及SERVO GUIDE 的机械调整和维护、梯图程序的维护和伺服电机的调整。
FTP 传输功能可使用Windows 自带的IIS 或者第三方的Serv‐U 等FTP 服务软件。而顺序程序调试和伺服调整可利用FANUC 专用工具，通过以太网连接方式对数控机床进行在线调试与干预。因此数控机床网络集成系统开发的技术难点和关键点是控制和监视以太网软件，当然FANUC 提供标准软件CIMPLICITY，但由于价格昂贵和系统规模要求适应性问题，一般选择使用Visual Basic 或者Visual C ++自主开发基于FOCAS2／Ethernet 功能的用户软件。
FOCAS2 即FANUC Open CNC API Specificationsversion 2，是FANUC 提供给用户的应用程序接口函数库，通过调用这些标准函数即可实现计算机与数控机床之间的信息交互。例如通过Read the nameof controlled axis and spindle name 函数读取控制轴和主轴名称；通过Set origin／preset relative axis position函数设置原点／预设相关坐标位置等。在使用Visual Basic 或者Visual C ＋ ＋ 编程时需作如下初始化设置： ① 将FOCAS1/2库函数Fwlib32． dll 、Fwlibe1．dll 、Fwlib32.lib 及头文件Fwlib32 ．h 复制到工程文件夹中；② 点击程序“工程”菜单后出现“设置”子菜单，再次点击后出现设置对话框，选择“Link”标签，在“对象／库模块”中输入库文件名“Fwlib32 ．lib” ；③ 在实现类文件（ ．cpp）中包含头文件Fwlib32．h 。
通信线路的建立与关闭按如下步骤完成：调用语句short back ＝ cnc＿ allclibhndl3（“192 .168.0．100” ，8193 ，0 ，&h)来建立通信链路，正常时将返回0（EW＿OK）并取得通信句柄h ，可供其他库函数调用。其中“192.168.0.100”为机床IP 地址，8139为端口号。断开通信线路的函数为cnc＿freelib － hndl（h） ，仅需传入通信句柄h 。设置时计算机侧的IP 地址前三位（192.168.1.0.100）需与机床侧相同。PMC 信号是机床正常运转的重要信号，也是判断机床工作状态和故障状态的重要依据。对于FANUC数控系统而言，有X 、Y 、F 、G 、R 等多种接口信号。为了读取接口状态，编程时需调用函数：FWLIBAPIshortWINAPI pmc ＿ rdpmcrng （ unsigned shortFlibHndl ， short adr ＿ type ，short data ＿ type ，shorts＿number ，shorte＿ number ，short length ，IODBPMC 倡buf） 。其中：FlibHndl 为通信句柄，adr＿ type 为地址类型，s＿number 、e＿number 分别为PMC 地址的起始号与结束号，length 为数据块的长度。对于字节型变量，读取的数据存放在buf ．u ．cdata［（）］中。
3 数控机床侧的设置
FANUC 的以太网功能主要通过TCP／IP 协议实现，使用的时候在CNC 系统上只需设定CNC 的IP 、TCP 和UDP 端口等信息即可。以太网、内嵌式以太网和PCMCIA 的设定方法一样，下面以内嵌式以太网的设定方法为例进行说明，具体操作方法如下：首先将20号参数改为5；按SYSTEM → 公共键，系统IP 地址的设定画面如图2 所示，当系统与一台以上机床连接时，需要填写路由器地址，如不需要，则不用填写；按下FOCAS2 键，进行FOCAS2 的设置，TCP 设定为8193 ，UDP 一般设定为8192，时间间隔一般设定为10 ；按下TCP 传送键进行TCP 传送设定，输入主机IP 地址和主机设定的用户名和密码，端口号和主机一致设定为21。
4 计算机侧的设定
在Windows XP 下使用FTP 服务可以使用Windows XP 自带的IIS（Internet Information Server） ，也可以使用其他的第三方软件。下面介绍使用IIS 进行设定的方法：打开“控制面板→ 管理工具→ Internet 信息服务” ；展开目录树，右键单击默认FTP 站点，打开属性页面；单击“FTP 站点”选项卡，在此页面设置端口号，通常默认端口是21，不用修改，其他都可以使用默认值。另外，此处的用户名是为匿名访问FTP资源而建立的Windows 系统帐户，不要随意修改。如需要自定义登录FTP 服务器的用户名和密码，可在“控制面板AE 用户帐户”中添加。使用IIS 做FTPServer 时，能登录Windows 的帐户都可以访问FTP资源。另外，IIS 还提供了匿名访问功能，登陆用户名为Anonymous ，密码为任意字符串，推荐使用。
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