I. Überblick Mit der Entwicklung der Computertechnologie wird die bisherige Technologie der Verwendung von Lochstreifenlesern und CNC-Systemen für die NC-Programm-Ein- und -Ausgabe aufgrund von Mängeln in Bezug auf Speicherung, Verwaltung, Kapazität und Zuverlässigkeit von Lochstreifen schrittweise ersetzt. Viele CNC-Systemhersteller bieten zwar computergestützte NC-Programmierungsdienste an, diese sind jedoch auf ihre eigenen CNC-Systeme beschränkt und nicht kompatibel. Gleichzeitig steigt mit der Entwicklung der Marktwirtschaft und der Digitalisierung von Unternehmen die Anzahl der CNC-Werkzeugmaschinen. Das traditionelle Einzelmaschinen-Managementmodell kann aufgrund seiner veralteten Technologie, der geringen Produktionseffizienz und der hohen Verwaltungs- und Wartungskosten den Anforderungen der Unternehmensentwicklung nicht mehr gerecht werden. Darüber hinaus nutzen Anwender mehrere Informationsmanagementsysteme wie ERP, PDM, CRM, CAD/CAPP/CAM usw., und der Informationsaustausch zwischen diesen Systemen muss berücksichtigt werden, um Datensilos zu vermeiden. Daher ist der Einsatz integrierter DNC-Technologie (Distributed Control Center) zur Verwaltung von CNC-Maschinengruppen unerlässlich. Aktuell besteht unter den Anwendern von CNC-Werkzeugmaschinen Einigkeit über die Implementierung eines DNC-Managementsystems. Allerdings sind der Umfang der Implementierung und die angestrebten Effekte noch unklar. Im Bereich der digitalen Netzwerksteuerung (DNC) von CNC-Werkzeugmaschinen in China gibt es derzeit noch einige fragwürdige Praktiken. Die DNC-Technologie befindet sich in einer Phase rasanter Entwicklung, in der ständig neue Netzwerkstrukturen und fortschrittliche Technologien entstehen, was die Anwender von CNC-Werkzeugmaschinen leicht überfordern kann. Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung. II. Verschiedene Modi der CNC-Werkzeugmaschinen-DNC Aktuell verwendet die DNC-Technologie von CNC-Werkzeugmaschinen im Allgemeinen drei Netzwerkschnittstellen: die serielle RS-232C-Kommunikation, Ethernet und Feldbus. Diese werden im Folgenden kurz erläutert. 1. Derzeit gibt es auf dem DNC-Markt zwei Produkttypen (mit drei verschiedenen Strukturen), die über RS-232C-Anschlüsse kommunizieren: solche mit und solche ohne Maschinensteuerung. Die Strukturen werden im Folgenden beschrieben: (1) Mit Maschinensteuerung (siehe Abbildung 1): Diese Verbindungsmethode kam Mitte der 1990er-Jahre auf. Zu jener Zeit, als noch die Einzelmaschinenübertragung weit verbreitet war, stellte diese Methode eine Innovation dar und repräsentierte den damaligen Stand der DNC-Produkte in meinem Land. Die MOXA C320Turbo-Karte (oder eine andere serielle Mehrkanal-Kommunikationskarte) wird über eine ISA- (oder PCI-)Karte mit dem Computer und anschließend über ein geschirmtes 10-adriges Kabel mit dem Kommunikationsmodul verbunden. Jedes Kommunikationsmodul verfügt über 8 Kommunikationsanschlüsse, und mehrere Module können kaskadiert werden, bis maximal 8. Jeder Computer kann zudem mit 4 ISA- (oder PCI-)Karten erweitert werden, sodass bis zu 256 RS-232-Anschlüsse möglich sind. Der Abstand zwischen Kommunikationsmodul und Computer sollte nicht zu groß sein, üblicherweise etwa zehn Meter. Das Hoch- und Herunterladen von Programmen erfolgt über die Bedieneinheit der Werkzeugmaschine (selbstverständlich sind auch entsprechende Upload- und Download-Vorgänge am CNC-Terminal erforderlich). (2) Neuer Modus mit Werkzeugmaschinen-Bedienfeld (siehe Abbildung 2): Der größte Unterschied zur vorherigen Abbildung besteht darin, dass der MOXA-Mehrkanal-Seriellport-Server durch einen CN2516 (oder einen anderen Mehrkanal-Seriellport-Server) ersetzt wurde. Dieser ist ein Knotenpunkt in einem lokalen Netzwerk und wird über einen Hub oder Switch mit dem NC-Programmierrechner verbunden. Dadurch kann er an einem beliebigen festen Ort in der Werkstatt platziert werden, was den Verkabelungsaufwand zwischen Werkstatt und Serverraum erheblich reduziert. Es wird nur ein Netzwerkkabel benötigt. Darüber hinaus kann der CN2516 seinen Treiber auf mehreren Rechnern installieren, sodass mehrere Rechner gleichzeitig überwachen und steuern können. Dies vereinfacht die Wartungsarbeiten. (3) Moderner Modus (ohne Werkzeugmaschinen-Bedienfeld) (siehe Abbildung 3): Diese Variante des vorherigen Modus verzichtet auf das Werkzeugmaschinen-Bedienfeld, wodurch die Verbindung einfacher wird. Die übrigen Kommunikationsfunktionen sind identisch und können sogar verbessert und komfortabler gestaltet werden. Die meisten DNC-Hersteller bieten derzeit Produkte in diesem Modus an. Da die Steuerung der Werkzeugmaschine entfernt wurde, müssen Kommunikationsinformationen wie der Dateiname des zu sendenden und zu empfangenden Programms von der CNC-Maschine übermittelt werden. Üblicherweise wird hierfür ein spezielles Programm auf der CNC-Maschine geschrieben (dieses Programm wird nicht ausgeführt, daher ist die Einhaltung der Syntaxregeln irrelevant). Dieses Programm enthält charakteristische Zeichenketten, die das zu sendende oder zu empfangende Programm beschreiben, z. B.: (A) Programmanforderung % O1000 (/GETXXXX) (wobei XXXX für den Dateinamen der herunterzuladenden Datei steht) M30 %. Nach dem Schreiben dieser Datei wird sie zunächst an den Computer gesendet. Der Computer analysiert die Datei. Handelt es sich um eine Download-Anforderung, erstellt er eine Download-Warteschlange und wartet auf den Startbefehl der Werkzeugmaschine, bevor er das angeforderte Programm herunterlädt. (B) Programm senden: Beim Senden des Programms muss lediglich die charakteristische Zeichenkette an das ursprüngliche Programm angehängt werden. Diese Zeichenkette repräsentiert den Dateinamen, der auf dem Computer gespeichert werden soll. Beispiel: % O1000 (/NAME XXXX) (XXXX steht für den Dateinamen, der auf dem Computer gespeichert werden soll) … M30 % Nachdem die aktuelle Datei auf den Computer hochgeladen wurde, analysiert der Computer sie und findet das charakteristische Zeichen /NAME (die Art des charakteristischen Zeichens hängt von den spezifischen Systemanforderungen ab und wird hier nur beispielhaft dargestellt). In diesem Fall speichert er die Datei unter dem durch die folgende Zeichenkette repräsentierten Namen. Wird das charakteristische Zeichen nicht gefunden, wird die Datei unter „O1000.NC“ gespeichert (d. h. die Programmnummer beginnt mit dem Buchstaben O). 2. Feldbusmodus Obwohl die serielle RS-232-Schnittstelle derzeit die am weitesten verbreitete Schnittstelle für DNC-Systeme in CNC-Werkstätten ist, ergeben sich bei einer großen Anzahl an CNC-Geräten, die an den DNC-Host angeschlossen sind, Probleme mit vielen Verbindungen und komplexer Kommunikation. Darüber hinaus weist die serielle Schnittstelle eine geringe Zuverlässigkeit und niedrige Geschwindigkeit auf. Aus diesen Gründen werden bessere Lösungen gesucht. Feldbus ist ein System, das in industriellen Bereichen eingesetzt wird, um die bidirektionale serielle digitale Kommunikation zwischen Mikrocomputer-Steuergeräten zu realisieren. Es handelt sich um eine neue Technologie, die sich in den 1990er Jahren international rasant entwickelt hat. Ihre Anwendung hat einen neuen Typ vernetzter, verteilter Steuerungssysteme hervorgebracht. Sie erfüllt gleichzeitig die Anforderungen der Prozess- und Fertigungsautomatisierung. Da Feldbusse auf digitaler Kommunikation basieren, ermöglichen sie die bidirektionale Kommunikation zwischen Feld und Leitwarte über mehrere Variablen. Um Herausforderungen wie die schnelle Übertragung großer Datenmengen, Echtzeitfähigkeit und Kommunikationsdistanzen zu bewältigen, sind die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationstechnologien und der weitverbreitete Einsatz von Feldbussen unerlässlich geworden. Das nächste Jahrzehnt wird die Ära der Feldbusse für integrierte Systeme sein. Feldbusse verwenden eine dreischichtige Netzwerkstruktur – die physikalische Schicht, die Sicherungsschicht und die Anwendungsschicht (siehe Abbildung 4). Aktuell existieren viele verschiedene Feldbustypen, wobei CAN (Controller Area Network), LON (Local Operating Network) und Profibus am weitesten verbreitet sind. Die folgende Erläuterung verwendet den CAN-Bus als Beispiel, um die Anwendung von Feldbussen in verteilten Steuerungssystemen zu veranschaulichen. Als Netzwerksystem für die industrielle Feldsteuerung sind Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit von höchster Bedeutung. Der CAN-Bus bietet in dieser Hinsicht mehrere einzigartige Vorteile: Erstens nutzt er zur Erfüllung der Zuverlässigkeitsanforderungen verschiedene Fehlererkennungs- und -korrekturverfahren, darunter zyklische Redundanzprüfung (CR), Frame-Erkennung, Erkennung von Bestätigungssignalfehlern, Busüberwachung und Bit-Stuffing. Dadurch wird eine hohe Zuverlässigkeit mit einer durchschnittlichen Bitfehlerrate von unter 10⁻¹³ erreicht. Zweitens verwendet CAN eine spezielle Bitarbitrierungstechnologie, die eine höhere Echtzeitleistung als CSMA/CD (IEEE 802.3) und Token Ring (IEEE E802.4) bietet. Darüber hinaus ermöglicht der CAN-Bus Übertragungsraten von bis zu 1 Mbit/s, Reichweiten von bis zu 10 km, eine einfache Schnittstelle, eine bequeme Installation und niedrige Systemkosten. Als Übertragungsmedium können verdrillte Adernpaare, Koaxialkabel oder Glasfasern verwendet werden. Die CAN-Bus-Topologie ist in Abbildung 5 dargestellt. 3. Lokaler Netzwerkmodus (LAN): Mit der rasanten Entwicklung von Computeranwendungen und Netzwerktechnologien hat sich die Funktionalität von CNC-Systemen erheblich verbessert. Folglich hat sich in den letzten Jahren im Bereich der digitalen Netzwerkkommunikation (DNC) eine neue Art von CNC-Werkzeugmaschinennetzwerken etabliert: Ethernet-basiertes DNC. Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte und der zunehmenden Bedeutung von Vernetzung und Offenheit hat die Offenheit der Technologie breite Anerkennung gefunden. Führende CNC-Systemhersteller weltweit haben in die Entwicklung von DNC-Kommunikationsschnittstellen investiert und bieten DNC-Netzwerkschnittstellenoptionen sowie Kommunikationssoftware gemäß dem MAP-Standard an. Beispielsweise verfügen alle CNC-Systeme von FANUC ab der 0I (MB) über DNC-Netzwerkschnittstellenoptionen und stellen Entwicklungsschnittstellenbibliotheken bereit. Drittanbieter können darauf aufbauend Weiterentwicklungen vornehmen und so leistungsstarke, echte DNC-Systeme zur umfassenden Steuerung von CNC-Werkzeugmaschinen erstellen. Die Nutzung von LAN-Kommunikation verbessert die Effizienz der NC-Programmverwaltung deutlich. Darüber hinaus wird die LAN-Kommunikation über das TCP/IP-Protokoll immer üblicher. Die Systemverbindung ist im folgenden Diagramm dargestellt. Während Feldbus- und LAN-Methoden verschiedene Feldgeräte über große Entfernungen verbinden können, benötigt der Feldbus eigene proprietäre Protokolle sowie entsprechende Entwicklungswerkzeuge und -plattformen, was ihn relativ teuer macht. Zudem ist die Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern und Geräten schwierig. III. Grundfunktionen des DNC-Netzwerks für CNC-Werkzeugmaschinen: Die Netzwerkstruktur des DNC-Netzwerks für CNC-Werkzeugmaschinen ist nicht der wichtigste Faktor. Entscheidend sind die Dienste, die das DNC-System den Anwendern bietet, und die daraus resultierenden Vorteile. Ausgehend von der Definition von DNC hat sich dessen Rolle in der Produktion stetig weiterentwickelt – von der „direkten digitalen Steuerung“ (Direct Digital Control, DNC) hin zur „verteilten digitalen Steuerung“ (Distributed Digital Control, DNC). Die Grundfunktionen von DNC lassen sich wie folgt zusammenfassen: 1. Kommunikationsfunktionen: Bidirektionale Übertragung von NC-Programmen: Alle CNC-Maschinen sind vernetzt und zentral verwaltet. Über das Netzwerk werden NC-Programme (einschließlich Maschinenparameter, Werkzeugkompensationsdateien, Makroprogramme usw.) bidirektional übertragen, wodurch eine umfassende Speicherung und integrierte Verwaltung der NC-Programme ermöglicht wird. Client/Server-Architektur: Jede CNC-Werkzeugmaschine fungiert als Client-Gerät. Mithilfe der Kommunikationsschnittstellen (z. B. RS-232, Ethernet, Feldbus) und -funktionen des CNC-Systems können die Bediener bidirektionale Datenübertragungen durchführen und auf alle Operationen des serverseitigen Datenverwaltungssystems an der CNC-Werkzeugmaschine zugreifen. Der Server verarbeitet die Bearbeitungsanforderungen der CNC-Maschinen automatisch und ohne menschliches Eingreifen. Gruppensteuerung und Distanz: Ein einzelner Computer verwaltet eine Gruppe von CNC-Werkzeugmaschinen; die Kommunikationsdistanzen können mehrere Kilometer betragen. Gleichzeitiger Betrieb im DNC-Netzwerk: Gewährleistet die gleichzeitige Kommunikation aller vernetzten CNC-Geräte. DNC-Online-Bearbeitung: Die vollständige clientseitige DNC-Online-Bearbeitung ermöglicht dem Bediener die Ausführung von Funktionen wie das Fortsetzen nach einem Haltepunkt und den Aufruf von Unterprogrammen direkt am CNC-Terminal. Interaktiver Ereignisreaktionsmechanismus: Jede Operation am CNC-Terminal löst eine Rückmeldung aus. Unabhängig vom Erfolg der Operation erhält der Bediener umgehend Informationsdateien auf dem CNC-Gerät. Datenaustausch: Ermöglicht dem Bediener den Zugriff auf Informationen anderer CNC-Geräte oder virtueller Werkzeugmaschinen auf seinem lokalen CNC-Gerät und vereinfacht so die Übertragung und Bearbeitung von Teilen. Unterstützung langer Dateinamen: NC-Programmnamen unterstützen die Verwaltung langer Dateinamen unter Windows und werden bei der Programmübertragung automatisch in Programmnummern umgewandelt. Kommunikationsprotokoll: Zeichnet alle Kommunikationsvorgänge des Bedieners auf und ermöglicht die kategorisierte Abfrage der aufgezeichneten Informationen. Informationserfassung: Die Echtzeit-Erfassung von Bearbeitungsinformationen der Werkzeugmaschine erfolgt über die variable Ausgabefunktion des Makroprogramms der Werkzeugmaschine. Informationen wie Maschinenauslastung, Teilebearbeitungszeit und Werkzeugstandzeit können in Echtzeit zusammengefasst werden. Netzwerkkommunikationsplattform: Über das DNC-Kommunikationsnetzwerk werden Bearbeitungsaufträge, Werkzeuginformationen, Prozessinformationen und Bearbeitungsergebnisse übertragen, wodurch eine erste Integration der Produktionsinformationen erreicht wird. 2. Steuerungsfunktionen: Im Netzwerkmodus einer standardmäßigen RS-232C-Schnittstelle kann DNC CNC-Werkzeugmaschinen nicht in Echtzeit steuern. Dies ist in der Regel nur mit Ethernet- oder Feldbus-basierten DNC-Systemen möglich. Die wichtigsten Steuerungsfunktionen sind: CNC-Netzwerkeinstellungen: IP-Adresse und Portadresse der vernetzten CNC festlegen. CNC-Statusüberwachung: Bearbeitungsstatus: Bearbeitung läuft, Leerlauf, Alarm, Fehlerinformationen. Netzwerkstatus: Online, Offline. Positionsinformationen: Absolute Position, relative Position, Maschinenposition, Restbewegung, Vorschubgeschwindigkeit. Protokollierung: Alarmprotokollierung, Betriebsprotokoll. CNC-Fernsteuerung: Anzeige und Einstellung verschiedener Werkzeugmaschinenparameter. Anzeige verschiedener NC-Programminformationen: z. B. Speichergröße, Anzahl der Programme usw. NC-Programm auswählen: Aktuelles Bearbeitungsprogramm auswählen, beliebige NC-Programme finden. NC-Programm bearbeiten: NC-Programm im CNC-System bearbeiten. NC-Programm löschen: NC-Programm direkt im CNC-System löschen. Alarmprotokoll löschen. Vorgangshistorie löschen. System zurücksetzen: CNC-System ferngesteuert zurücksetzen. Fernstart: Bearbeitung ferngesteuert starten. Fernpause: Bearbeitung ferngesteuert pausieren. IV. Entwicklungsrichtung von CNC-Werkzeugmaschinennetzwerken (DNC): Die DNC-Netzwerktechnologie für CNC-Werkzeugmaschinen wird, basierend auf Einzeltechnologien, Computernetzwerkkommunikationstechnologien einsetzen, um einen hohen Grad an Informationsintegration zu erreichen und sich in Richtung CIMS zu entwickeln. Die wichtigsten Punkte für die zukünftige Entwicklung von DNC-Netzwerken sind: 1) Neue Netzwerkkommunikationstechnologien: Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Arten neuer Netzwerkkommunikationstechnologien: Ethernet und Feldbus. Für Hersteller von CNC-Systemen geht der Trend hin zu offenen Systemen. Diese integrieren PC-Mikrocomputertechnologie in das CNC-System, wodurch die Anwendungsschnittstelle auf MS-Windows basiert und die umfangreichen Softwareressourcen des gängigen PC-Mikrocomputer-Betriebssystems MS-Windows optimal genutzt werden, um die Netzwerkkommunikation des CNC-Systems zu vereinfachen. Immer mehr CNC-Hersteller bieten Ethernet- und Feldbusschnittstellen für ihre CNC-Maschinen an. Es gibt zwei Arten von offenen CNC-Systemen: PC-CNC: Integration von CNC-Funktionen auf Basis eines PC-Mikrocomputers. CNC-PC: Integration von PC-Mikrocomputerfunktionen in das CNC-System. 2) Drahtlose Kommunikationstechnologie: Durch den Einsatz drahtloser Kommunikationstechnologie wird die drahtlose Kommunikation zwischen Computer und CNC-Werkzeugmaschine realisiert, wodurch der Aufwand für die Installation vor Ort reduziert und die Installationszeit verkürzt wird. Die technischen Spezifikationen des drahtlosen Modems sind wie folgt: 2,4 GHz mit RS-232C-Schnittstelle, keine Frequenzanwendung erforderlich. Hohe Geschwindigkeit (119 kbit/s), hohe Zuverlässigkeit. Effektive Kommunikationsreichweite: 100–200 m. 3) Hochwertige Informationsintegration: Die Erfassung umfassenderer Werkzeugmaschineninformationen liefert Daten aus erster Hand für das Produktionsmanagement in der Werkstatt. Die intelligente Analyse der erfassten Informationen ermöglicht die Echtzeit-Steuerung der Anlagen. Eine nahtlose Integration mit ERP-, PDM-, MES- und anderen Systemen wird erreicht. V. Zusammenfassung: Der Autor hat in den letzten zehn Jahren umfangreiche Experimente und Entwicklungen zu den oben vorgestellten DNC-Modi durchgeführt, und einige Modi haben sich zu ausgereiften Produkten entwickelt. Kritik und Korrekturen zu etwaigen Fehlern im obigen Inhalt sind willkommen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung von CNC-Werkzeugmaschinennetzwerken (DNC) in meinem Land in den letzten zehn Jahren einen schwierigen und steinigen Weg durchlaufen hat. Im Zeitalter der kontinuierlichen technologischen Entwicklung wurden jedoch bedeutende Fortschritte erzielt. Derzeit gibt es jedoch, abgesehen von einer begrenzten Anzahl exzellenter DNC-Produkte auf Basis der seriellen RS-232C-Kommunikation, nur begrenzte Forschung im Bereich der lokalen Netzwerke und Feldbusmodi, und ausgereifte Produkte sind noch nicht auf dem Markt. Weitere Anstrengungen der Kollegen sind erforderlich, um einen größeren Beitrag zur Fertigungsindustrie meines Landes zu leisten! Wir wünschen uns, dass die CNC-Werkzeugmaschinennetzwerk-DNC-Technologie auf dem Fertigungsmarkt erfolgreich sein wird!