0 引言

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

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

　　(1)CNc加工程序的輸入/輸出，實現CNC加工程序的海量存儲、統一管理；

　　(2)組網靈活。機床組網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絡。

　　(3)實現對設備的遠程控制，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)數控機床采用無線傳感器網絡組網系統具有使用成本低，便于施工與維護，車間投資少收效多，減少了諸多管理等優點。

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

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

2 以太網技術

　　以太網技術是目前應用最廣使用最普遍的局域網技術，IEEE在制定IEEE802.3標準同時也定義了以太網的技術標準，標準中規定了以太網物理層硬件設備之間的連線、電信號選擇和媒體介質訪問層協議標準H1。使用以太網交換機來實現網絡設備的互連，最大化的減少數據傳輸中的競爭沖突、最大程度提高以太網網絡傳輸速度以及使用效率，以太網一般采用總線型以及星形拓撲結構。以太網技術傳輸協議采取通用的TCP/IP通信協議，與zigBee無線通信協議相比，TCP/IP通信協議比較復雜，根據數控機床無線通信組網協議標準的需要對TCP/IP協議進行裁剪和優化使開發成本較低，占用不了多少系統資源，機床組網靈活，完全滿足數控機床無線通信的要求。

3 數控機床通信網絡系統設計

　　在數控機床無線通信系統中，系統的關鍵技術在于zigBee-以太網網關設計、他們之間數據幀格式變換和zigBee技術的無線組網。在數控機床無線通信系統中，關鍵無線通信技術zigBee網絡拓撲結構采取串狀結構，該結構構建起來相當比較簡單，需要系統資源也相當比較少，該zigBee拓撲結構還能實現網絡路由轉發功能機制，有效地擴展了zigBee無線網絡的通信范圍。數控機床無線通信網絡系統設計如圖2所示。

圖2數控機床無線通信網絡系統結構框圖

　　構建的數控機床無線通信系統，不但使數控機床組網靈活，并且數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絡。另外機床加工工件需要頻繁移動和變化的動態環境中，機床節點同樣安裝容易，方便設備維護。機床無線通信系統還可實現對機床設備的遠程監控和無人化操作、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效率。

4 數控機床通信網絡系統硬件設計

　　數控機床無線通信系統網關設計框圖如下圖3所示。

圖3 ZigBee一以太網網關硬件設計結構圖

　　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為發送/接收機床數據包核心，配備了無線網絡通信接口和以太網控制器，并增加了大容量存儲功能的SRAM等基本的系統外圍設備。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。

　　機床無線通信網絡系統的zigBee路由節點與協調器節點硬件設計差不多，不一一介紹。機床終端節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無線收發模塊、網絡信號狀態指示燈、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，發送機床數據包由機床MCU控制器決定。數控機床終端節點的電源由數控機床通過串口電路供電。

5 數控機床通信網絡系統軟件設計

　　數控機床無線通信網關系統軟件部分由三個關鍵模塊組成：

　　zigBee z-stack協議棧無線通信協議標準實現機床通信網絡系統中的協調器建網組網模塊功能、以太網實現精簡和裁剪TCP/IP協議的功能模塊以及zigBee報文數據幀格式轉為以太網報文數據幀格式模塊。在機床無線通信系統中，機床發送數據包經過zigBee網絡中的采集機床信息終端節點設備、信息中轉路由器設備以及機床無線通信網絡建立協調器設備，之后經過以太網網絡發送給數控機床監控中心。整個機床無線通信協議的層次體系結構如圖4所示。

圖4機床通信網關系統分層協議模型

6 系統測試和實驗結果

　　在機床無線通信中，主要通過測試無線傳感器網絡zigBee發送與接收數據包個數為參照。zigBee網絡發起者協調器、信息中轉路由節點、數控機床終端節點程序下載完成后，上電初始化后就可以組網了，我們用串口調試助手可以觀看到zigBee無線通信網絡網關協調節點設備新建的網絡物理地址和ID號、PAN參數信息以及路由節點、機床終端節點加入zigBee無線網絡是否成功等信息。除了能在串口和zigBee開發部自帶的顯示器看到zigBee組網過程外，還能通過smartRF Packet Sniffer軟件偵聽它們發送的數據包。SmanRF Packet Sniffer偵聽數據包情況如下圖5所示。

圖5 Packet Sniffer偵測的ZigBee數據包

　　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，實現在線仿真與測試，大大地減少了項目開發成本。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軟件模仿數控機床實時顯示數控機床的工作狀態、組網狀態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 數控機床無線通信監控系統程序傳送界面

圖7 數控機床無線通信監控系統機床監控界面

　　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，系統就打開串口，接收以太網上協調器節點下傳的機床工作程序信息，經過zigBee網絡發送給終端節點數控機床，機床響應信息，開始按下傳程序開始工作，經過LabVIEw軟件進行數據解析實時顯示機床組網狀態，發送/接收機床程序運行狀態等信息，按下關閉系統按鈕則系統自動關閉串口，停止在線實時查看功能。

7 結束語

　　本文把無線傳感器網絡技術zigBee應用到數控機床通信系統中去，數控機床通信系統基本上可以達到動態調試和監控機床，為數控機床監控、調試、精密加工提供了有效的手段。由于機床工作環境存在設備眾多，電磁環境比較復雜，所以系統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展，相信機床通信系統會實現無線化、高效化和信息化，從而提高機床工作效率，提高企業的經濟效益。