对经济型数控机床实行USB接口改造的实践探索论文

对经济型数控机床实行 一、问题的提出 五轴加工中心 随着网络时代的到 来，机械制造行业也面临着如何适应网络化制造的问题。于是将计算机技术、网络技术和传统的控制技术相结合，以采用数控可以分为三种类型，下面我们分别予以介绍。 1. 插入型 这种数控系统是指将数控的核心功能板卡化，并将其插 入 件管理以及通信等功能， 2. 软件 软件 以理解为用 概念和手段实现 种 置的主体是 ，充分利用了 不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量逻辑控制。目前这一方案还有许多问题尚待解决，还停留在实验室研究阶段。 3. 将 嵌入 这是目前广泛采用的数控系统。 五轴加工中心 通过 的前端接口与 虽燃是一种折中的方案，但可以继承原有的成熟的 时又得到了 本文所讨论的 口技术正是基于这种数控系统。这种连接数控设备与上位控制计算机的基本方法称为 构成网络化制造的最基本的一项应用技术。我国早期的经济数控系统大多由单板机改装而成，需外接一个 传 序）功能，如图 1所示。 图 1 经济型数控系统的基本 信接口 计算机与数控加工设备的通信方式取决于数控系统的通信接口和通信协议。数控系统提供的通信接口和通信协议有以下几种： (1) 录音接口，该接口为日本产老式经济型数控系统的通信接口。 (2) 纸带阅读机输入接口和纸带穿孔机输出接口。早期引进的数控系统通常具备该接口，如 开发的数控系统己基本淘汰了此接口， 但我国企业中还有 定数量包含此接口的数控加工设备。 (3) 异步串行通信接口，如 。这是应用最普遍的一种通信接口，新开发的数控系统几乎都包含此类接口，它采用 3964R、简化 3964 等通信协议。 (4) 口，如 种接口可实现远距离通信，具有出错反馈与在线实时修改功能，便于远程管理，但由于其结构复杂，通信软件开发难度大，价格高，因此我国很少引进。 (5) 网络通信接口，主要有 口、以太网接口和 现场总线接口等，这类接口通信速率高、可靠性高，新开发的开放式数控系统大多具有以太网接口选件、但我国引进的数控系统中很少配备网络通信接口。 (6) 采用 造自动化协议，是目前应用较广泛的工业网，它将宽带技术、总线技术和无源工作站融为一体，从而保证信息无错传输。但当要求 现与加工同步传输 很难达到实时性要求，这是由于用完整的七层协议，网络存取费用高、传输效率低、实时性差，因此不适宜于数控加工设备的联网。 由上分析可知，异步串行通信接 口 最常用的数控系统通信接口，几乎所有的数控系统都包含此接口。同样，图 1中的 口板也是采用的 计算机技术日新月异的今天， 键盘、鼠标到打印机、扫描仪，众多基于 外设取代了昔日采用 么在数控系统中，是否也可以采用这样的一个新的 口技术呢？ 多台数控加工设备同时加工某复杂零件时，由于 控系统的内存无法存放整个 能采取 输方式 加工，这就有可能出现数控加工设备因暂时缺乏 种现象称为“ 通信竞争 ” 。通信竞争在实际生产中往往会产生严重的后果，例如，汽车覆盖件冲压模具横加工的中途停顿会造成覆盖件局部 “ 聚光 ” 现象，从而直接影响冲压零件质量。 引起通信竞争的因素大致如下： (1) 参与联网的数控加工设备的数量 m，数量越多，引起通信竞争的可能性越大。 (2) 现场总线传输速率、传输效率 C 和节点切换服务时间 t。传输效率是指传输有效字节数占总传输字节的比例。 (3) 各数控加工设备的 通信传播速率 传输效率 ei(i=1 m)。 600b/s，但复杂型面型腔精加工则要求认达到 19200b/s 以上。 (4) 数控系统程序消耗率 数控系统每秒执行程序的位 (。 每个系统都有一个较确定的最大 (5) 数控系统通信数据缓冲区 大小 (6) 各 大小 需要优化的量，通过建立数学模型，可以得到： (1) (2) 由式 (1)可知， 的上限与 Q、 v、 c、 p 相关： Q、v、 P 越小，则 S 上限越大。 m、 t 相关： m、 t 越小，则 S 的下限越小。 式 (2)表明了 信系统连接相同数控加工设备而又不发生通信竞争的最大数量： v、 c 越大， p、 t 越小，则 m 越大。如果 信系统联网的数控加工设备台数不满足式 (2)，则该系统一定会出现通信竞争，这时只能通过降低所有或部分数控加工设备的进给速度等手段以减小加工程序的消耗率 p，或者采用较高的传输速率，即提高 v，所以采用具有较高传输速率的 二、技术分析 口的优势在于： (1) 线提供了 3 种不同的数据传输速率： s 的低速数据传输、12Mb/s 的全速数据传输、 480Mb/持），而 0kb/s， 加工曲率变化很大的曲面的时，高速数据传输具有明显的优势。 (2) 论上可支持多达 127 个外设，相对于 用 口的系统有可能实现一台 C，从而可大大提高效率、降低成本、便于控制，更有利于实现协同制造。 (3) 有效连接距离是 5m，可以通过集线器扩展连接，最多可以扩展到 5 级，达到 30 5m。 司开发了 术，更是可以将 备扩展到距离为 500 2000 (4) 另一个显著特点是支持热拔插，这种特性非常适用于生产布局调整频繁的环境。试想，当需要增减 者 以直接将设备接入系统，一定可使生产调整时间大大降低。 (5) 具有低价位、易使用、传输数据有较好的容错性等特点。 从以上分析不难看出，数控系统采用 口是具有很多便利的，相对于口是一种技术提高。我们更进一步地提出一种便捷的中小型加工制造网络的模式，如图 2所示。 图 2 采用 口后的网络拓扑结构 三、技术改造方法 将经济型数控系统上的 要从软、硬件两个方面进行。 1. 硬件改造 在 般时下主流机型都支持 分高档 持 于不支持 可以采用主板插入 展卡的办法解决。关键改造在于口板。一种方法是采用 转换器，其结构如图 3 所示。 图 3 口模块、数据缓冲区和协议控制单元组成。 口模块主要提供与 实现一般 备的所 有功能，与 口则实现标准 口的所有功能，与 口板的 口相连；协议控制单元通过接受 口的命令，对 置通信波特率、数据位、校验位、起始 /停止位、流控信号等）。数据缓冲区用来临时保存双方的数据传输工程中的数据。 另一种改造方法是直接改造 口板，增加 4 是改造后的硬件结构。 图 4 改造后的 其中， 口的核心模块。如果 接与负责实现 心模块连接，否则，需通过串行总线，如 数据地址线 I/O 口与 连。 两种硬件改造在 五轴加工中心 前者硬件结构上来 说仅包含 存、收发器以及电压调整器等芯片；后者则属于内含 即芯片包含了增强版的 8051 核心，可以通过I/O 与原有 至可以直接去驱动步进电机，完成数控任务。 3. 软件设计 (1) 这种结构可以直接使用，不需要另外编制驱动程序。 (2) 对直接改造 采用 固件开发 可以使用 应用程序是由 过编制相应程序，可将编译后的文件直接烧录至 ，从而完成 可以采用 是一种只有 38个精简指令的编译器程序，同样将编译好的 16进制格式文件（ 录至 主要功能是控制 片接受并处理 动程序的请求 (请求设备描述符、请求或设置设备状态、请求设备设置、请求或设置设备接口等共 11种 ；控制 制 A/D 模块的数据采集；通过 储数据并实时上传 。 (3) 五轴加工中心 在 测到一个新的 须做的一件事情是找出应该使用哪个设备驱动应用软件来与设备通信，然后再载入选定的驱动。这是 备管理器使用类、设备安装 器和件来找到这个匹配。当 举新的 备时，设备管理器把所有 设备供应商和产品的 称作 及制造商、供应商名字和描述符等 )与在列举时从设备获得的描述符中的信息做比较。找到匹配之后，位置 列出所有的 备。 由于在 8 中提供了 统驱动程序 )，且 给用户提供了直接支持的 I，用 户在编写 动程序时，只需配置满足 求块 )，并通过 I 发送下去，即可实现对 备的控制。设备驱动是保证应用程序访问硬件设备的软件组件，一个设备驱动使得应用程序不必知道物理连接、信号和与一个设备通信需要的协议等的细节。应用程序可以使用一套操作系统支持的函数与设备驱动进行通信。用于读写 备的 数是 e、 o 把所有与设备有关的驱动操作编译为 供给应用程序使 用。应用程序无需知道操作设备的细节，只需知道 接口函数即可。下面给出对 备基本操作函数的例子。 ., 第 1个参数是需打开的设备名；第 2 和第 3 个参数分别为授权读写和共享模式；第 4 个参数为安全属性，一般为 5个参数为打开方式 (对 备来说应该是打开已存在的 )；第 6 个参数是异步交替模式；第 7个参数为模板文件，这里并不需要。函数返回值为设备指针。 o (,& 通过 获得的设备指针； 体可查阅 跟其后的两个参数分别为操作的输出数据接收缓冲区指针和大小，一般为 0 即可； 操作返回指针；最后一个参数为异步操作，为 可。 五轴加工中心 使用前先定义好请求数据缓冲区，获得设备指针后即可用相应的操作代码对