基于zigBee和以太网的数控机床网络通信系统研究

0 引言

　　数控技术是运用数字化信息技术手段对机床机械的运动方式及工作状态进行控制的技术，它集合了传统的机械制造、自动控制、集散控制、网络通信、计算机监测控制等技术，具有生产效率高、加工精度高、操作高度自动化等优点，对数控机床等机械制造业实现集成管理化、智能化、无人操作全自动化有着非常重要的作用。数控技术是制造业实现机械加工自动化的基础，是国家实现机械现代化、工业自动化的不可或缺的技术，关系到我们国家在机械行业的战略地位，是国家综合国力和竞争力的重要体现。

　　数控机床与计算机实现通信主要有程序的发送/接收、系统状态的采集以及实现远程监控三种功能，提高机床工作效率。机床通信接口发展经历四个阶段：纸带打孔机阶段、软盘保存、RS-232串口通信、网卡网络通信阶段。本课题研究设计的基于zigBee和以太网技术的数控机床无线通信监控系统，涉及到两种关键技术：zigBee无线通信组网技术和以太网局域网技术。相对于传统的有线机床通信系统，研究基于ZigBee无线传感器网络技术和以太网的数控机床远程无线通信监控系统的意义也是显而易见。主要优点有以下几个方面：

　　(1)CNc加工程序的输入/输出，实现CNC加工程序的海量存储、统一管理；

　　(2)组网灵活。机床组网可以自由组成多种拓扑结构，并且没有线缆的限制，可以容易地从点对点的工作模式扩展到多用户的基础架构网络。

　　(3)实现对设备的远程控制，机床加工程序的远程传输、设备远程维护以及机床无人化操作，大大提高了机床生产效率和避免了由于操作人员操作不当造成对机床的损坏。

　　(4)数控机床采用无线传感器网络组网系统具有使用成本低，便于施工与维护，车间投资少收效多，减少了诸多管理等优点。

1 无线传感器网络技术ZigBee

　　zigBee技术为满足近距离、低速率、低成本、低复杂度等需求而研发的新兴的无线传感器网络技术。zigBee技术是建立在IEEE802.15.4国际无线通信标准基础上的，为了实现和满足人们对小范围低功耗和低成本的无线上网要求，IEEE802.15.4专门研发和制定的个人无线标准WPAN。zigBee无线网络容量很大，它可以最大支持65000个子节点组成的新的巨大的无线传感器网络，一般的两个网络节点之间无阻隔传输通信距离为70米，通过加强发射功率可以扩展到几百米。

　　zigBee无线通信网络中有两种功能设备，三种类型节点以及三种网络拓扑结构。zigBee无线传感网络有三种设备类型功能节点：协调器、路由器和终端设备。在ZigBee网络有星形拓扑、串状拓扑(Cluster)、网状拓扑(MESH)三种网络拓扑结构，见图1。

2 以太网技术

　　以太网技术是目前应用最广使用最普遍的局域网技术，IEEE在制定IEEE802.3标准同时也定义了以太网的技术标准，标准中规定了以太网物理层硬件设备之间的连线、电信号选择和媒体介质访问层协议标准H1。使用以太网交换机来实现网络设备的互连，最大化的减少数据传输中的竞争冲突、最大程度提高以太网网络传输速度以及使用效率，以太网一般采用总线型以及星形拓扑结构。以太网技术传输协议采取通用的TCP/IP通信协议，与zigBee无线通信协议相比，TCP/IP通信协议比较复杂，根据数控机床无线通信组网协议标准的需要对TCP/IP协议进行裁剪和优化使开发成本较低，占用不了多少系统资源，机床组网灵活，完全满足数控机床无线通信的要求。

3 数控机床通信网络系统设计

　　在数控机床无线通信系统中，系统的关键技术在于zigBee-以太网网关设计、他们之间数据帧格式变换和zigBee技术的无线组网。在数控机床无线通信系统中，关键无线通信技术zigBee网络拓扑结构采取串状结构，该结构构建起来相当比较简单，需要系统资源也相当比较少，该zigBee拓扑结构还能实现网络路由转发功能机制，有效地扩展了zigBee无线网络的通信范围。数控机床无线通信网络系统设计如图2所示。

图2数控机床无线通信网络系统结构框图

　　构建的数控机床无线通信系统，不但使数控机床组网灵活，并且数控机床没有电源或通信线缆的限制，可以很容易地从点对点模式传输方式扩展到上千用户的串状拓扑结构基础架构网络。另外机床加工工件需要频繁移动和变化的动态环境中，机床节点同样安装容易，方便设备维护。机床无线通信系统还可实现对机床设备的远程监控和无人化操作、机床加工程序远程传输、远程诊断以及远程维修服务、技术支持服务等，大大提高了机床加工生产效率。

4 数控机床通信网络系统硬件设计

　　数控机床无线通信系统网关设计框图如下图3所示。

图3 ZigBee一以太网网关硬件设计结构图

　　它以MsP430F149单片机和zigBee射频芯片CC2430为核心，其中，MSP430 F149芯片为控制核心，CC2430为发送/接收机床数据包核心，配备了无线网络通信接口和以太网控制器，并增加了大容量存储功能的SRAM等基本的系统外围设备。M口夭捎盟Mcu模式设计，其中MSP430F149单片机为主控制芯片，CC2430为辅助作用，支持主控制器的功能。

　　机床无线通信网络系统的zigBee路由节点与协调器节点硬件设计差不多，不一一介绍。机床终端节点的硬件电路采用模块化设计，以提高它的抗干扰能力。它主要由电源模块组成、zigBee无线收发模块、网络信号状态指示灯、RS-232串口通信电路、JTAG接口等电路模块组成。RS-232串口通信电路与机床的串口相连，发送机床数据包由机床MCU控制器决定。数控机床终端节点的电源由数控机床通过串口电路供电。

5 数控机床通信网络系统软件设计

　　数控机床无线通信网关系统软件部分由三个关键模块组成：

　　zigBee z-stack协议栈无线通信协议标准实现机床通信网络系统中的协调器建网组网模块功能、以太网实现精简和裁剪TCP/IP协议的功能模块以及zigBee报文数据帧格式转为以太网报文数据帧格式模块。在机床无线通信系统中，机床发送数据包经过zigBee网络中的采集机床信息终端节点设备、信息中转路由器设备以及机床无线通信网络建立协调器设备，之后经过以太网网络发送给数控机床监控中心。整个机床无线通信协议的层次体系结构如图4所示。

图4机床通信网关系统分层协议模型

6 系统测试和实验结果

　　在机床无线通信中，主要通过测试无线传感器网络zigBee发送与接收数据包个数为参照。zigBee网络发起者协调器、信息中转路由节点、数控机床终端节点程序下载完成后，上电初始化后就可以组网了，我们用串口调试助手可以观看到zigBee无线通信网络网关协调节点设备新建的网络物理地址和ID号、PAN参数信息以及路由节点、机床终端节点加入zigBee无线网络是否成功等信息。除了能在串口和zigBee开发部自带的显示器看到zigBee组网过程外，还能通过smartRF Packet Sniffer软件侦听它们发送的数据包。SmanRF Packet Sniffer侦听数据包情况如下图5所示。

图5 Packet Sniffer侦测的ZigBee数据包

　　虚拟仪器技术是新兴的仿真技术，它能够模仿各类工具、元器件、各种设备的功能，实现在线仿真与测试，大大地减少了项目开发成本。LabVIEW软件利用高性能可靠性高的模块式设计，并结合灵活方便高效易于二次开发的应用软件完成各种各样测试仿真及其自动化控制应用领域。采用虚拟技术LabVIEw软件模仿数控机床实时显示数控机床的工作状态、组网状态以及机床加工程序传输过程。具体界面如图6和图7所示。

图6 数控机床无线通信监控系统程序传送界面

图7 数控机床无线通信监控系统机床监控界面

　　具体工作流程：点击程序传送设置按钮后就会进入设置界面，系统就打开串口，接收以太网上协调器节点下传的机床工作程序信息，经过zigBee网络发送给终端节点数控机床，机床响应信息，开始按下传程序开始工作，经过LabVIEw软件进行数据解析实时显示机床组网状态，发送/接收机床程序运行状态等信息，按下关闭系统按钮则系统自动关闭串口，停止在线实时查看功能。

7 结束语

　　本文把无线传感器网络技术zigBee应用到数控机床通信系统中去，数控机床通信系统基本上可以达到动态调试和监控机床，为数控机床监控、调试、精密加工提供了有效的手段。由于机床工作环境存在设备众多，电磁环境比较复杂，所以系统抗干扰问题还待下一步解决。随着无线通信技术和信息处理技术的发展，相信机床通信系统会实现无线化、高效化和信息化，从而提高机床工作效率，提高企业的经济效益。