隨著計算機、通信和網絡技術的發展，數控系統正向智能化、網絡化方向發展，數控機床作為制造系統的核心裝備，其復雜程度及智能化進程也不斷提高，而數控機床的加工精度、機床運行是否正常等都需要一個監控系統來反映，監控系統在一定程度上保證了機床安全可靠地運行，尤其是當前數控機床高速、高精度、智能化的要求，數控機床監控系統也要不斷發展以滿足數控機床的需求.對于數控機床監控系統的研究雖然已有一些成果，如第一代監測與診斷系統，以及后來的基于INtｅRNｅt的網絡化遠程監測及故障診斷系統。然而隨著數控機床要求的提升，也要求監控系統性能做出相應的提升，如可擴展性、實時性、對機床的加工精度的在線測試、運行狀態的在線監測等，監控系統也顯得越來越重要.本研究針對數控機床，在一種分布式監控系統的基礎上，設計了分布式監控系統的通信接口，并通過監控系統具體應用于數控機床中，驗證了這種通信接口的可行性。

1　監控系統總體結構
  
監控系統總體結構中包括2部分，即數控機床與監控系統，監控系統的任務也分為2類，即周期任務與非周期任務，周期任務即為在固定的時間內向數控機床發出特定指令，并返回正確結果，如：周期地向數控機床提取各個軸位置指令與反饋、速度、電流等參數，實時地繪制一些二維、三維曲線.非周期任務即不定時地向數控機床發出指令并返回結果，如讀取各個機床的參數、數控機床參數等，通過監控系統中寄存器向用戶顯示，監控系統總體結構如圖1所示。

為適應數控機床監控系統的分布式結構，本文中的數控機床監控系統由多臺PC組成，各個PC可以獨立分布于不同位置，也可以獨立地監控相同或不同的數控機床.各個獨立的主機通過HUB與多臺數控機床中數控系統相連，組成一個星形網絡拓撲結構，形成了分布式監控系統，監控系統通過數控系統獲取機床各個軸運動位置、反饋、狀態等數據；同時，監控系統也可以向數控系統發送指令，控制機床的運動等。
  
在監控系統中，為了使軟件層次分明、結構模塊化，監控系統軟件由設備層、數據通信服務層、應用功能層、用戶訪問層所組成.本文主要設計了數據通信服務層，數據通信服務層為上層應用提供多種服務，即提供參數服務、PLC數據服務等，通過這些服務鏈接了應用功能與物理設備，如圖2所示。

變量服務為上層應用周期性地提供數控機床的狀態數據，例如機床指令坐標位置、實際坐標位置、進給速度、主軸速度等，變量服務在設定的采樣周期內完成一次所有在線數控機床的數據采集，該服務為實時監測數控機床的運行狀態提供了基礎，參數服務為上層應用軟件非周期性地讀取DNC的參數數據，修改DNC的參數數據，命令服務為上層應用軟件提供遠程控制的服務。文件服務為上層應用軟件提供加工程序的傳輸、選擇等服務。PLC數據服務提供PLC數據的掃描上傳及診斷等服務.數據通信服務為數控機床監控平臺提供了數據交互的基礎，是實現數控機床監控平臺的基礎功能。為了使通信服務獨立性好，為上層應用軟件提供透明的服務，設計了一系列的通信API接口，為上層應用軟件提供API接口包，將數據通信服務平臺和上層應用軟件剝離，使通信服務模塊化、規范化、標準化，便于程序的移植.對于上層應用軟件，通信服務的具體實現是透明的，應用軟件的開發人員無須關注底層通信服務的實現細節，只調用相關的API接口即可。

2　監控系統數據通信接口設計
   
監控系統數據通信接口分為數控系統端通信接口和監控系統端通信接口2部分。數控系統與監控系統通過tCP\IP協議連接，監控系統主動發送命令，通過數控系統讀取被監控機床的狀態參數，數控系統端一般只被動地接收數據命令，解析命令后，發送回反饋結果。
  
通信接口中，數據傳輸要經過待機、數據映射、查詢命令、封裝數據幀、發送數據、接收數據及數據解析等狀態，監控系統端數據處理狀態如圖3所示。 

在數控機床接入監控系統后，數控系統向監控系統發送確認信息，信息內容包含接入設備名稱、生產廠商等基本信息；監控系統在接收信息確認后，在監控系統內部對該數控機床建立基本信息庫，對其進行IP等基本配置，配置完成后，數控系統進入等待命令狀態中，在接收到監控系統命令后，解析數據幀，根據查詢命令結果，如：當接收到的是讀某一參數命令時，通過映射關系中數據表查找到對應數據，將返回數據命令與參數組成新的數據幀，并將結果發送到監控系統中。
  
數據的交互是由監控系統端主動發起的，監控系統端通過判斷參數是否改變。若改變，則通過參數映射關系與命令查詢，開始讀、寫參數流程，把查詢到的具體命令與變量參數組成命令數據幀，發送數據；當接收到數據幀時，自動解析數據幀格式，通過命令查詢，判斷是讀參數、寫參數反饋數據幀或是其他響應幀，若是讀參數反饋數據幀，則根據解析出的變量參數，通過數據映射更新數據，若未改變，則不執行上述步驟。
  
為了方便不同數控機床與不同的監控系統終端間傳輸數據，設計的數據通信接口采用了數據命令與變量傳輸的方式，數據命令如表1所示。 

將數控機床及監控系統中內部數據結構與數據命令ID及變量ID建立統一的映射關系，并生成一個映射文件MaP－CFG。在監控系統端，通過生成的MaP-CFG創建一塊連續的存儲單元存儲MAP-CFG中定義的變量，同時建立ID到存儲單元地址的映射關系，通過變量ID與映射關系，可以快速地定位須要更新的數據.當應用訪問變量時，映射層通過傳入的ID號對所需變量在存儲中的位置進行定位，并進行讀寫操作。由于變量的訪問都是通過ID號進行的，因此監控系統端應用API和數控機床端應用API是一致的。在初始化時，通過硬編碼的方式生成配置文件MAP-CFG，在監控系統中，變量的存儲單元由配置文件動態生成，數據傳輸映射關系如圖4所示。 

3　監控系統通信驗證
  
監控系統體系結構如圖1所示。監控系統PC機帶有100MB/S的通用以太網卡；HUB為8口10/100M自適應以太網交換機；華中數控DNC－11數控系統是一種基于ARM平臺的嵌入式數控系統，帶有10MB/S的通用網絡接口；星形拓撲結構中連接的介質為帶有RJ45水晶頭的普通雙絞線。由于在局域網中，接入網絡的各臺主機的MAC地址不能重合，即使IP配置不同，局域網中的主機也會因為MAC地址重合產生IP地址搶占問題而不能正常連接，因此每個連入局域網中的主機分配的MAC地址必須是唯一的。
  
本研究通過運行監控系統的3個功能，驗證了設計的通信接口的可行性，其中數控機床的設備信息管理通過以太網將須要進行監控的數控機床連入數控機床監控平臺，動態地添加或刪除所要測試的數控機床，對數控設備進行在線管理。如圖5所示，數控機床信息包括機床的設備編號、設備名稱、數控機床型號等。 

數控機床實時監測功能可以顯示機床必要的運行狀態信息，包括當前被監控機床的狀態，如是否正常運行、急停、或是故障，實時顯示當前運動軸執行信息（指令位置、實際位置等）。通過實時監測功能可以動態地以圖形模式顯示出二維加工軌跡，如圖6為被監控機床的軸狀態顯示圖。