（航空宇航制造工程专业论文）数控加工中心网络通信与dnc.pdf

直立丝窒蓝丞盘堂亟堂僮途塞! ! ! ! 星q v 摘要 恼于长期受国外技术垄断，目前国内大部分的数控机床应用未能很好解决 机床与计算机之间的通信问题，不能实现计算机对机床的直接控制f g p d n c ) ， 普遍存在效益低下，资源浪费严重的问题。，) 本论文主要研究数控加工中心的通 信从而解决d n c 方案。论文从数控机床的类型入手，分析了数控机床与计算 机的通信接口。详细讨论了它们之间的通信方式一一异步串行传输模式以乃 r s 2 3 2 通信接口标准。并对d n c 的概念、模型进行了描述。分析了通信软件 的结构、功能。着重研究讨论了参数自检、分布式控制、d n c 数据流控制等 关键技术的实现原理及解决方案。实现的通信软件弥补了国内通信软件的不 足。 关键词：数控d n c通信分布式控制 第1 页 堑整空：坠匦鳌垣擅兰q 魁 a b s t r a c t b e c a u s et h em o n o p o l yo ft h ea l i e nh a se x i s t e di na l o n gh i s t o r y ，t h e a p p l i c a t i o n so f l o r so fn u m e r i c c o n t r o im a c h i n e si no u rc o u n t r yn o wc a n n o t a c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h em a c h i n e sa n dt h ec o m p u t e r s ， a n dc a n n o ti m p l e m e n tt h ec o m p u t e r s d i r e c tc o n t r o l st o w a r d st h em a c h i n e s ( ie d n c ) s o1 0 w e r b e n e f i t sa n dr e s o u r c e w a s t ei sas e r i o u sp h e n o m e n o n t h i s p a p e rj u s ts t u d y s t h et e c h o n o l o g yo fc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h em a c h i n e s a n dt h ec o m p u t e r sf o rf i n d i n gas c h e m et od n c t h ep a p e rb e g i n sw i t ht h e i n t r o d u c t i o no ft h e t y p e s o fn u m e r i c c o n t r o lm a c h i n e sa n d a n a l y s e s t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt h em a c h i n e sa n d c o m p u t e r s t h e c o m m u n i c a t i o nm o d e ，i e a s y n c h r o n o u s s e r i a lt r a n s m i s s i o n 。a n d t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c el e v e lo fr s 2 3 2i sd e t a i l e d a n dt h ec o n c e p t i o na n d t h em o d e lo fd n ci sd e s c r i b e d l a s t ，t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e s s t r u c t u r e sa n df u n c t i o n sa r ea n a l y s e d ，m o r e o v e r ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s s u c ha sp a r a m e t e r sa u t o - c h e c k ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l sa n dt h es t r e a mc o n t r o l s o fd n c ，e t c ，a r ee m p h a s i s e di nt h ep a p e r t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e b a s i n go nt h er e s u l t sa sa b o v ef i l l st h es p a c ei nt h ec o u n t r y k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ld n c c o m m u n i c a t i o n d i s t r i b u t e dc o n t r o l 第2 页 童室蓝窒照丞盔芏亟土芏僮造塞 第一章绪论 随着现代微电子技术的飞速发展，电子器件集成度和信息处理功能不断提 高，而价格不断下降，从而使电子技术、特别是微型计算机在机械制造领域得 以广泛应用。微机的信息处理功能与机械装置的动力学功能相结合而构成的机 电一体化系统，使机械制造产业发生了一场革命。微机控制的数控机床的应用 与日俱增。柔性加工中心、柔性制造单元及柔性制造系统不断投入使用，生产 面貌发生了根本的变化。 数控装置的研制始于4 0 年代末的美国马萨诸塞理工学院。1 9 5 3 年第一次公 开展出了一台数控铣床。欧洲的第一台数控机床是1 9 5 9 年在巴黎机床博览会上 面世的。直到1 9 6 0 年，数控装置的制造还停留在电子管和继电器控制的技术水 平。这种控制器比较庞大、敏感和昂贵，一般的车间难以应用。当时多半仅用 于飞机制造业。 1 9 6 0 年以后，电子管被分立的电子半导体元件、二极管和晶体管所替代。 但大量的单个元件仍象以前一样需要相应的结构体积、大量的焊接及插塞连 接，因此仍然存在价格费用昂贵及控制器的可靠性问题。控制信息只能用穿孔 纸带输入。因为存储容量较小，所以信息只能逐步读入。在加工多个相同的工 件时，每次同样要重新读入穿孔纸带。程序一有变更，比如优化加工速度，就 要修改或重做穿孔纸带。 微电子技术的发展，尤其是在集成电路领域，总是很快被引用到数控装置 上。这样，数控装置逐步变得更有效，更可靠、更小型和更经济。 大约从1 9 7 0 年起，布线程序控制器被可编程序存储控制器取代。由于小型 计算机加入控制器的一体化，就有可能用灵活的软件代替任务专一的硬件。通 过不断扩大存储器的容量，先是单一程序，然后是整个程序库均可存入控制器 中，通过手动输入可直接在机床上对控制器进行校正。 现在数控的技术水平使计算机功能进一步被采用。这种结构形式制造出来 的数控装置能用统一方案处理用途各异的大批量工件。 为了把数据输入数控器，即使现在，穿孔纸带仍被广泛采用。有的生产者 提出用盒式磁带作为另一种可供选择的办法。计算机数控( c n c ) 效能的不断 提高，车间编程是很有吸引力的，特别是那些没有设置专门编程部门的小型企 业。所谓车间编程，也就是操作者在机床上直接进行程序编制，采用常见的程 序流程的专用功能使这种编程方式简化了。而自动编程是当今c a m 的一大特 第1 页 一 塑蕉生! 叠丛塾亟篮皇旦型 点，再把计算机与数控装置直接连起来，就形成d n c 的概念。输入的数据、 存储的内容、关于运行状况的报告以及给操作员的指令会一一在屏幕上显示出 来，而且总的趋势是单色、仅有字母数字符号显示的屏幕向彩色图形屏幕发 展。这样工件草图和刀具运行情况均得以显示。 机械制造业从来就是发达国家整个工业和国民经济的基石。数控机床又是 这个基石的基石。数控技术是机械技术与计算机技术、微电子技术、自动控制 技术、传感技术、人工智能技术等紧密结合的一种高技术。近年来，由于市场 竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业不仅要提高产品的质 量，而且必须频繁的改型，缩短生产周期，以满足市场上不断变化的需要。微 机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、高度柔性化及适合加工复杂零件 的性能，正好满足当今市场竞争和工艺发展的需要。可以说，数控技术的应用 在很大程度上决定了企业在市场竞争的成败。 机械制造发展的高级阶段便是机械工厂进入系统化，即要求包含设计在内 的系统一体化，女i c a d c a m - - 体化、c i m s 以及n o m ( 无人化) 等高技术。 这些技术的共同特点是将设计处理后的信息存入数据库中，然后处理成加工信 息直接输入加工现场，数控机床接受其指令加工出产品。因而这些高技术的系 统无论其复杂程度如何，其中都包含着一个数控系统。一个国家机械工业中数 控机床拥有量的大小，己成为衡量其机械工业技术素质的一个重要指标。工业 发达国家早在8 0 年代末数控化率就已达到1 0 ，如意大利1 9 8 5 年为1 5 2 ，日 本1 9 9 4 年已高达2 0 8 ，而我国仅为1 9 ( 1 9 9 5 ) 。我国数控机床的研制起步较 晚。从目前来看，市场占有率不高，1 9 9 5 年仅为2 3 ，若按价值计算小于 1 0 。而且这2 3 的国产数控机床约9 0 以上配备的还是国外的数控系统。我 国每年数控机床的进口高达几百亿美元。可见无论是数控机床还是数控系统， 在国内市场上，国外公司的产品已占绝对优势。目前国外对数控技术的研究非 常活跃，主要集中在分布式控制和网络通信上。 国外技术的垄断使国内机械制造企业的技术发展受到严重制约。国外机床 制造商使产品功能分割，附加条件多，许多企业在引进数控机床时，考虑到价 格承受能力，只引进部分功能模块，造成目前硬件设施资源浪费严重。例如， 有些机床具有通信接口，企业却未购买通信软件而只依靠纸带阅读机、磁盘 或通过键盘手工输入加工程序，效率低下；有些能够进行通信，但通信软件是 d o s 版本，无法发挥w i n d o w s 操作系统的多任务并行处理的强大功能。另外， 较普遍的现象是，企业花巨资进口的数控机床具备d n c 系统功能，却做着普 第2 页 直塞魈窒堕丞丕堂亟堂焦论塞 通c n c 的工作。其原因还是没有相应的通信软件，无法进行由主机至机床控制 器的数据传输和过程控制。国内现有d n c 系统的大致状况是：通信软件专 用，通信系统不具有参数自检功能，通信结构多为点到点式，不能进行多机通 信，以及通信数据量有限等。由此可见，通信软件是实现d n c 的关键，是连 接主机和机床的纽带，是充分发挥数控系统效应所必须解决的问题。国家在 “九五”期间把数控机床通信的相关技术列为“8 6 3 ”攻关项目。 本课题主要研究主机与机床通信的原理和实现方法，设计出实用的通用通 信软件，打破垄断，挖掘国内数控设备的潜力可以使其技术水平上一台阶， 并在目前国内资料匮乏的情况下，对d n c 功能的实现做积极的探索。 第3 页 塑蕉生! 坠隧塑堕篮兰旦型 第二章机床数控系统介绍 2 1 机床数字控制的基本概念 数字控t j ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，简称n c ，是近代发展起来的一种自动控制 技术。 数字控制是相对模拟控制而言的。数字控制系统中的控制信息是数字量， 而模拟控制系统中的控制信息是模拟量。 数字控制系统有如下特点： 1 ) 可用不同的字长表示不同的精度的信息，表达信息准确。 2 ) 可进行逻辑运算，也可进行复杂的信息处理。 3 ) 由于有逻辑处理功能，可根据不同的指令进行不同信息方式的处理， 从而可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改动电路或机械结构，因 而具有柔性化。 由于数字控制系统具有上述优点，故被广泛应用于机械运动的轨迹控制。 轨迹控制是机床控制系统和工业机器人的主要控制内容。此外，数字控制系统 的逻辑处理功能可方便地用于机械系统的开关量控制。 数字控制系统的硬件基础是数字逻辑电路。最初的数控系统是由数字逻辑 电路构成的，因而被称之为硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控 系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统( c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) ，简称c n c 。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过 程，从而具有真正的”柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息， 使数字控制系统的性能大大提高。当前微机技术发展很快，性能提高，价格降 低，所以微机在数字控制系统中得以广泛应用。 简而言之，用数字化信息进行控制的自动控制技术称为数字控制技术：采 用数控技术控制的机床，或者说装备了数控技术的机床，称之为数控机床。 2 2 数控机床的组成和加工特点 数控机床进行加工，首先必须将工件的几何信息和工艺信息数字化，按规 定的代码和格式编制数控加工程序，并用适当的方式将此加工程序的信息输入 数控系统。数控系统根据输入的加工程序信息进行信息处理，计算出理想轨迹 和运动速度( 计算轨迹的过程称为插补) ，然后将处理的结果输出到机床的执 第4 页 直塞堕窒照丞友雯熊圭堂焦遮塞 一 行部分，控制机床运动部件按预定的轨迹和速度运动。 匝至丑一圈 图2 1 数控机床加工过程 数控机床加工的过程如图2 1 所示。其中信息输入、信息处理和伺服执行 是数控系统工作的三个基本过程。 加工一个零件所需的数据及操作命令构成零件加工程序。加工程序可以用 符号或数字形式记录在输入介质上，输入数控系统。也可以通过键盘或通信接 口输入数控系统。输入介质( 有形的信息载体) 一般是穿孔纸带、磁带、磁盘 等。输入介质上的数据以程序段形式编排。每一程序段都包含有加工零件某一 部分所需的全部信息：加工段长度、形状、切削速度、进给速度及进给量等。 零件加工程序编程时所需的尺寸信息( 长度、宽度及圆弧半径) 和外形、进给 速度及切削液通断、回转主轴方向、齿轮变速等其它辅助功能，均按表面粗糟 度和公差要求加以编程。这样，在加工过程中，每执行一个程序段，刀具便完 成一部分切削。 信息处理是数控的核心任务，由计算机来完成。它的作用是识别输入介质 中每个程序段的加工数据和操作命令，并对其进行换算和插补计算。所谓插 补，即根据程序信息计算出运动轨迹上许多中间点的坐标。这些中间点坐标以 前一中间点到后一中间点的位移量形式输出，经接口电路向各坐标轴执行元件 送出操作信号，控制机床按规定的速度和方向位移，以完成零件的成形加工。 伺服执行部分的作用是将插补输出位移( 或位置) 信息转换成机床的进给 运动。数控系统要求伺服执行部分准确、快速地跟随插补输出信息执行机械运 动。它应是一个不折不扣的忠实执行者，这样，数控机床才能加工出高精度的 工件。数控机床的伺服执行部分中，常用的伺服驱动元件有功率步进电动机、 宽调速直流伺服电动机和交流伺服电动机等。 从上面可以看出，与传统的机床相比，数控系统取代了操作人员的手工操 作。传统的机加工中，操作这通过操纵手轮使切削刀具沿着工件移动零件加 第5 页 麴撞虫! 坠囹终逼篮皇旦丛 工，加工精度完全由操作者的视力及熟练程度决定，加工精度难以保证。对于 外形简单且精度要求较低的零件可用手工操作方式完成，若是二维轮廓或三维 轮廓加工，手工操作的普通机床就无能为力了。采用了数控机床后，原来操作 者劳神费力干的工作都包含在零件程序中了，所以他们只能编制简单的程序， 监视机床的工作，并作通常的零件更换即可，不必是技术熟练的操作工人。 总之，与其它加工方法相比，数控机床有以下有点； 1 ) 具有充分的柔性，只需编制零件程序就能加工新零件。 2 ) 在切削速度和进给的全范围内均可保持精度，一致性好。 3 ) 生产周期较短。 4 ) 可以加工复杂形状的零件。 5 ) 易于调整机床，与其他制造方法( 如自动机床、自动生产线) 相比， 所需调整时间较少。 6 ) 操作者有空闲时间，空闲时可照料其他加工操作。 另一方面，数控机床也有以下缺点： 1 ) 造价相对高。 2 ) 维护比较复杂，需要专门的维护人员。 3 ) 需要高度熟练和经过培训的人员。 2 3 数控系统的分类 机床数控系统的分类可按以下几种方式来划分： 1 ) 按机床类型来划分，有点位控制、直线控制与轮廓切削( 连续轨迹) 控制。 2 ) 按控制器的结构来划分，有硬件数控和计算机数控；计算机数控( 当 前主要是微机数控) ，可分为单微机系统和多微机系统。 3 ) 按伺服系统控制环路来划分，可分为开环、闭环和半闭环系统。 4 ) 按功率水平划分，可分为高、中、低( 经济型) 三类。 2 3 1 点位、直线与轮廓切削控制 1 点位控制系统 点位( p t p ) 控制系统中工件相对于刀具运动，直到加工程序规定的位置 后停止运动，运动过程中不进行任何加工。刀具在坐标值固定条件下执行切削 任务点位数控系统只准确控制坐标运动的最终位置，而运动轨迹不作控制要 第6 页 直塞题至氲玉态芏亟堂焦迨堑 求。为了精确定位和提高生产率，系统首先高速运行，然后进行减速，使之慢 速趋进定位点以减少定位误差。定位控制系统常用于数控钻床、数控镗床和数 控测量机等机床中。 2 直线控制系统 这类数控系统可以控制若干个轴，但每个轴单独控制，不联动，不仅控制 其定位精度，而且控制其运动速度。这类数控机床只能沿平行于坐标轴直线进 行切削加工。 3 轮廓切削控制系统 在轮廓切削( 连续轨迹) 系统中，数控系统控制几个坐标同时协调运动 ( 称之为坐标联动) ，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运 动过程中进行连续切削加工。数控车床、数控铣床和加工中心等用于加工曲线 和曲面的机床都必须装备轮廓切削控制系统。 按同时控制的轴数( 即联动轴数) 分，可分为2 轴联动、3 轴两联动、3 轴联动、4 轴联动、5 轴联动等数控机床。3 轴两联动是指三个坐标轴( x ， y ，z ) 中任何一时刻只能控制任意2 轴联动，另一轴则是点位或直线控制。 轮廓控制系统一般都有点位和直线控制功能。 2 3 2 硬件数控和计算机数控 早期的数控系统是由数字逻辑电路来处理数字信息的，也就是硬件数控， 习惯之上称为n c 系统，于6 0 年代投入使用。计算机数控系统是由计算机来处 理数字信息的，通常称之为c n c ，于7 0 年代初期引入。随着微电子技术的发 展，微处理器的功能愈来愈强，价格愈来愈低，所以现代数控系统一般都用微 机进行控制，因而有人称这类数控系统为微机数控系统( m n c ) 。 硬件数控因其功能少，线路复杂，可靠性低等缺点，旱己被淘汰。在一些 特别老的设备上，可能还能见到硬件数控系统。用小型计算机控制的数控系统 已经过时，在我国很少能见到。现代数控系统的主流是微机数控系统。 随着机械制造技术的发展，对数控系统提出了复杂功能、高进给速度和高 加工精度等要求。随着微处理器的价格降低，多个微处理器在一个数控系统中 可以并行完成单微处理器难以完成的复杂功能，而且速度快，有较高的性能价 格比。基于功能、价格等因素权衡，多微处理器的数控系统得到了迅速发展。 微机数控系统根据一个系统中微处理器的多少，可分为单微机系统和多微机系 统。 第7 页 一 垫撞史! 盘咧终适信兰旦丝一 2 3 3 开环数控系统和闭环数控系统 1 开环数控系统 这类数控系统的伺服系统是开环的，没有检测反馈装置，数控装置发出的 指令信号流是单向的，所以不存在稳定性问题。因为无位置反馈，所以精度不 高。这种系统一般用功率步进电动机做伺服驱动元件。当插补结果需要某个轴 运动一个单位长度时，向该轴伺服电路输出一个脉冲，经环形分配和功率放大 加工程序匹机l 厂j i i 稠厂面习碉厂稠厂面_ 一障口r 1 插补器r i 驱动电路r 1 电动机i 叫工作台| 图2 2 开环数控系统结构 后驱动步进电动机转动一步，通过丝杠转动使机床运动部件运动一个单位 长度。这个单位长度通常称之为脉冲当量。开环数控系统结构如图2 2 所示。 开环数控系统具有工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点， 在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。在我国，经济型 数控机床一般都采用开环数控系统。 2 闭环数控系统 闭环数控系统结构如图2 3 所示。闭环数控系统装有检测反馈装置，在加 工中随时检测移动部件的实际位置。插补得出的指令位置值与反馈的实际位置 相比较，根据其差值控制电动机的转速，进行误差修正，直到位置误差消除为 止。采用闭环系统可以消除由于机械传动部件的精度误差给加工精度带来的影 响，所以可以得到很高的精度。但是，由于许多机械传动环节的摩擦特性、刚 性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统设计和调整 圈2 3 闭环数控系统结构 第8 页 直立丛窑照丞左堂亟主堂焦监塞 都相当困难。这种全闭环系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、精 磨床等。 3 半闭环数控系统 为了排除机械传动环节的非线性对系统稳定的影响，大多数数控机床采用 半闭环系统。半闭环数控系统的检测元件安装在伺服电动机或丝杠的端部，也 就是说反馈信号取自电动机轴而不是机床的最终运动部件。这种系统闭环环路 内不包括机械传动环节，因此可获得稳定的控制特性。而机械传动环节带来的 误差，可用补偿的办法消除，因此仍可获得满意的精度。 2 3 4 按功能水平分类 按功能水平可以把数控系统分为高、中、低三档。这种分法没有明确的定 义和确切的界限。数控系统( 或数控机床) 的水平高低由主要技术参数、功能 指标和关键部件的功能水平来确定。通常可用以下几方面作为评价数控系统档 次的参考条件。 ( 1 ) 分辨力和进给速度 分辨力为1 啦，进给速度为8 一l5 m m i n 为低档；分辨力为1 岫，进给速 度为1 5 2 0 m m i n 为中档；分辨力为0 1 唧，进给速度为l5 2 0 m m i n 为高 档。 ( 2 )坐标联动功能 低档最多2 3 轴联动：中、高档联动为3 5 轴以上。 ( 3 )显示功能 低档一般只有数码管显示或简单的c r t 字符显示；中档的c r t 显示有图 形功能；高档的一般有三维动态图形显示功能。 ( 4 )通信功能 低档数控系统一般无通信功能；中档系统有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r s 4 2 2 或 d n c ( 直接数控) 通信接口；高档系统有m a p ( 制造自动化协议) 等高性能 通信接口，具有联网功能。 ( 5 )主c p u 档次 低档数控系统一般采用8 位c p u ；中、高档系统采用1 6 位以上的微处理器 为主c p u 。 此外，进给伺服系统水平也是衡量数控系统档次的条件之一。 经济型数控系统是相对于标准型数控系统而言的，不同时期、不同国家含 第9 页 塑蕉虫! 垒塑鳌垣盍曳望丛 义是不一样的。根据实际使用要求，合理简化系统降低成本，即为经济。我国 现阶段所谓的经济型数控系统，大多指开环系统而言。区别于经济型数控，把 功能较齐全的数控系统称为全功能数控系统，或称标准型数控系统。 第1 0 页 直哀魈窒航丞态堂题堂焦途塞 第三章人机接口与通信接口 3 1 概述 数控机床加工之前，必须接收由操作人员输入的零件加工程序，然后才能 根据零件加工程序进行加工控制，从而加工出符合要求的零件。在加工过程 中，操作人员需要向机床数控系统输入操作命令，数控系统为操作人员显示必 须的信息，如坐标值、报警信号等。此外，输入的程序并不都是正确的，有时 需要编辑、修改和调试。以上这些工作过程，都是机床数控系统和操作人员进 行信息交流的过程。要进行信息交流，数控系统中必须具备必要的硬件和软 件，我们将这部分( 包括硬件和软件) 称之为人机接口。随着计算机网络技术 的发展，可以通过通信的方式输入零件加工程序。数控系统要和计算机进行通 信，也必须具备相应的硬件和软件，即通信接口和通讯软件。 数控加工程序的编制方法一般可分为手工编程和自动编程两种。传统的方 式是将编制好的程序记录在穿孔纸带上，然后由纸带阅读机输入数控系统。因 此，纸带阅读机是数控机床较典型的程序输入设备。 键盘和显示器是数控机床不可缺少的人机接口。操作人员可通过键盘及显 示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令。数控系统通过显示器为操作人 员提供必要的信息。根据系统所处的状态和操作命令不同，显示的信息可以是 正在编辑的程序，或者是机床的加工信息，较简单的显示器只有若干个数码 管，显示信息也很有限。较高级的系统一般配有c r t 显示器或点阵式液晶显示 器，显示的信息较丰富。 随着计算机技术的发展，一些计算机中的通用技术业融入数控系统。如磁 盘也作为存储程序的存储介质引入数控系统。与纸带相比，磁盘存储密度大， 存取速度快，存取方便，所以应用较广泛。 3 2 纸带阅读机接口 数控机床通常都可以用纸带作为外存储器，因此数控机床一般都装备有纸 带阅读机。纸带阅读机把穿孔纸带上的代码( 穿孔) 逐行地转换为数控系统可 以识别和处理的电信号，纸带阅读机一般有光电式和机械触点式两种形式。机 械触点式阅读机纸带速度较低，而且容易发生触点接触不良的故障，直接影响 阅读的可靠性，因此近年来已被光电式阅读机所取代。 第1 l 页 麴撞空! 盘圆鳌垣焦皇旦丝 光电式纸带阅读机结构如图3 一l 所示。因为采用红外线光敏元件，所以其 抗干扰性能强。在纸带输送过程中没有触点的直接摩擦，因此可以达到较高的 阅读速度，并能延长纸带的寿命。 图3 1 光电式纸带阅读机 l 一光源2 透镜3 - 制动柱4 纸带 5 制动电磁铁6 光敏元件7 电磁铁8 主动轮 数控机床加工以前将穿孔纸带放入阅读机，数控系统发出指令使阅读机启 动。首先电磁铁7 吸合，将压轮压向旋转的主动轮8 ，穿孔纸带4 迅速从光源l 、 透镜2 和光敏元件6 之间通过，纸带上有孔的地方有光透过，照射到光敏元件上 产生电冲，经放大整形后输入数控系统译码存储。现代数控系统通常将整个数 控加工程序一次性读入存放于内存。当读到程序结束标志的代码时，制动电 磁铁5 吸合而电磁铁7 回到原位，将纸带压向制动柱3 ，实现纸带的快速制动。 纸带通常采用8 单位i s o 标准代码记录信息。8 个代码孔位中有7 位用来表 示一个字符，一位为校验位，i s o 代码用偶校验。 3 3 通信接口 3 3 1 数控系统的数据输入输出和通信要求 数控机床程序的输入方式除以上介绍的键盘和纸带阅读机以外，还可以用 串行通信的方式输入。随着c a d c a m 、c i m s 技术的发展，机床数控系统与 计算机的通信显得越来越重要。机床数控系统的部件之间，若需要远距离传送 数据，也用串行通信的方式。许多数控机床，特别是大型数控机床，为了操作 第1 2 页 童鏖照至堑丞友主亟堂焦迨塞 方便，往往在机床侧设置一个外部机床操作面板，这个操作面板和数控系统之 间通常也用串行通信方式进行联系。 接口是保证信息快速、正确传输的关键部分。近年来，通信接口技术发展 很快，现代数控系统都具有完备的数据传送和通信接口。如西门子公司 s i n u m e r i k 3 系统和s i n u n e r i k 8 系统中设有v 2 4 ( r s 一2 3 2 c ) 2 0 m a 接口供程序 输入之用。s i n u m e r i k 8 1 0 8 2 0 系统设有两个通用的r s 一2 3 2 c 2 0 m a 接口，可 以用于连接数据输入输出设备。r s 一2 3 2 c 接口的最大传输距离为3 0 m 。 随着工厂自动化( f a ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 的发展，计算机 数控( c n c ) 系统作为f a 或c i m s 结构中的一个基础层次，用作设备层或工作 站的控制器时，可以是分布式数控系统( d n c ) 、柔性制造系统( f m s ) 的 有机组成部分，一般通过工业局域网络相连。 现代d n c 系统一般具有与上级计算机或d n c 计算机直接通信，或者连入 工厂局域网进行网络通信的功能。以c n c 为基础的自动化制造系统，信息传输 量很大，远远多于c n c 单机运行的信息量。a b 公司8 6 0 0 c n c 系统为满足 c i m s 的通信要求，配置了三种通信接口：小型d n c 接1 2 1 ；远距离输入输出接 口；数据高速通道，相当于工业局域网络通信接口。f a n u c l 5 系统通过专用 通信处理机、远程缓冲存储器、r s 一4 2 2 通信接口，采用通信协议p r o t o c o la 或b 进行通信。此外为满足c i m s 的需要，f a n u c l 5 系统还可配置m a p 3 o 接 口板，以便连入工业局域网络。西门子的s i n u m e r i k 8 5 0 8 8 0 系统除配置标准的 r s 2 3 2 接口外，还配有s i n e ch 1 网络接口和m a p 网络接口，通过网络接口可 以将c n c 系统连至西门子公司的s i n e ch 1 网络或m a p - v 业局域网络中。 3 3 2 异步串行通信接口 数据在设备之间传送可以采用并行方式，传送距离较远用串行方式。串行 通信接口需要有一定的控制逻辑，发送端将机内的并行数据转换成串行信号再 发送出去，接收端要将串行信号转换成并行数据再送至机内处理。常用的串行 通信功能芯片有8 2 51 a 、m c 6 8 5 0 、6 8 5 2 等。 为了保证数据传送的正确和一致，接收和发送双方对数据的传送应确定一 致的且共同遵守的约定，它包括定时、控制、格式化和数据表示方法等。这些 约定称之为通信规则( p r o c e d u r e ) 或通信协议( p r o t o c 0 1 ) 。串行通信协议分为 同步协议和异步协议。异步串行通信协议比较简单，但速度不快；同步串行通 第1 3 页 一 数蕉主! 垒塑堡适揎曼旦丛垦一 信协议传送速度比较高，但接口比较复杂，一般在传达大量数据时使用。 异步通信接口在机床数控系统中应用比较广泛，主要的接口标准有r s 2 3 2 c 2 0 m a 电流环和r s 一4 2 2 1 r s 4 4 9 。 3 3 3 网络通信接口 现代信息技术的高度发展，使机械制造的各环节和设备信息共享、资源共 享成为可能，也是机械制造业发展和竞争的必然趋势。实现这种共享的途径是 计算机网络。计算机网络是通过通信线路，根据定通信协议互联起来的计算 机集合。在c n c 系统中设有专用的通信微处理器接口来完成通信任务。通过工 业局域网络( l a n ) ，可以将计算机和数控设备联结在个信息系统中，构成 柔性制造系统( f m s ) 或计算机集成系统( c i m s ) 。联网的计算机应能保证 高速和可靠地传输程序和数据，在这种情况下通常采用同步串行通信传输数 据。现在的网络通信协议大多采用i s o 开放式互联系统参考模型的七层结构为 基础的有关协议，或采用i e e e 8 0 2 局域网络的有关协议。近年来m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 制造自动化协议已很快成为应用于工厂 自动化的标准工业局域网络的协议。f a n u c 、s i e m e n s 、a b 等公司表示支持 m a p ，在它们生产的c n c 系统中可以配置m a p 2 1 或m a p 3 0 的网络通信接 口。 i s o 的开放式互联系统参考模型( o s i r m ) 是国际标准化组织提出的分 层结构的计算机通信协议的模型有七个层次： 第层：物理层。功能为相邻节点问传送信息及编码。 第二层：数据链路层。功能为相邻节点间帧传送的差错控制。 第三层：网络层。完成节点间数据传送的数据包的路由选择。 第四层：传输层。提供节点至最终节点间可靠透明的数据传送。 第五层：会话层。功能为数据的管理和同步。 第六层：表示层。功能为数据格式转换。 第七层：应用层。直接向应用程序提供各种服务。 通信必定是在两个系统之间进行的，因此两个系统都具有相同的层次功 能。通信可以认为在两个系统的对应层次( 同等层p e e r ) 内进行，同等层间通 信要遵守一系列的规则和约定，即协议。o s i r m 最大优点在于解决了异种机 型之间的通信问题。无论两个系统之间的差距有多大，只要具有下述特点就可 以相互通信。 第1 4 页 直立照窒照丞左堂亟堂僮迨塞 1 ) 它们完成一组同样的通信功能。 2 ) 这些功能分成相同层次，对等层提供相应功能。 3 ) 同层必须遵守共同的协议。 局域网络标准由i e e e 8 0 2 委员会提出，并己被i s o 采用。它只规定了链路 层和物理层的协议。它将数据链路层分为逻辑链路控制( l l c ) 和介质访问控 制( m a c ) 两个子层。m a c 子层根据采用的l a n 技术又分为：c s m a c d ( i e e e 8 0 2 3 ) ，令牌总线( t o k e nb u s 8 0 2 4 ) ，令牌环( t o k e nr i n 9 8 0 2 5 ) 。物 理层也可分为子层：介质存取单元( m a u ) 和传输载体( c a r r i e r ) 。m a u 分 为基带、载带和宽带传输。传输载体又有双绞线、同轴电缆、光导纤维等。 西门子公司开发了总线结构的s i n e ch l 工业局域网络，可联成f m s 。 s i n e ch i 是基于以太网的技术，其m a c 子层遵守c s m a c d 总线协议，采用 了自行研制的自动化协议s i n e ca p l 0 ( a u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 为了将s i n u m e r i k 8 5 0 系统连接到s i n e ch 1 工业局域网络，在8 5 0 系统中 插入专用的工厂自行接口板c p 5 3 5 。通过s i n e ch 1 工业局域网络，8 5 0 系统可 以与主控计算机交换信息，传送零件程序。接收命令，传送各种状态信息等。 此外，8 5 0 系统还可以通过插入a s 5 1 2 接口板接入星形网络，实现点对点通 信。 m a p 是美国g m 公司发起研究开发的应用于工厂车间环境的通用网络通信 标准，目前已成为工厂自动化的通信标准，为许多国家和厂家接受。它的特点 是： 1 ) 网络为总线结构，采用适合于工业环境的令牌通行网络访问方式。 2 ) 采用了适应工业环境的技术措施，提高了可靠性。如在物理层采用宽 带技术及同轴电缆以抗地磁干扰，传输层采用高可靠的传输服务。 3 ) 具有较完善的明确而针对性强的高层协议，以支持工业应用。 4 ) 具有完善的体系互联技术，使网络易于配置和扩展。低层应用可配置 最小的m a p ( 只配数据链路层、物理层和应用层) ，i 高层次应用可配置完整 的m a p ( 包括7 层协议) 。 5 ) m a p 是针对c i m s 需要开发的通信标准，因此最适用于集成制造系统 的通信。现在c n c 系统已有m a p 2 1 、m a p 3 0 r 口及其配套产品，可用于 c n c 系统的网络通信。 第1 5 页 麴控圭尘圆鳖通篮皇旦鲢一 第四章通信技术 4 1 数据通信系统基本组成 为进行成功的数据通信，一个数据通信系统至少应包括如下的四个部分： 数据、数据终端设备( d t e ) 、数据通信设备( d c e ) 和通信链路( l i n k ) ，这些部分相互配合实现数据终端设备之间的数据通信，图4 1 给出数 据通信系统的示意图。 匝卜恒乎片寒拳淘圈 c o m p u t e r m o d e m 图4 1 数据通信系统示意图 1 数据( d a t a l 从数据通信内部过程的角度，数据也可定义为任何种类的计算机可识别的 信息。它包括各种文本文件、电子邮件、数据文件、数据库文件、图形和二进 制文件等。 2 数据终端设备( d t 勘 d t e 通常指计算机或终端，主要是计算机，它是数据的源或目的地。 3 数据通信设备( o c e ) 它是d t e 和网络传输线路之间的一种转接设备，也可认为它是一种d t e 和 通信子网的接口设备。例如，对于模拟信道，d c e 就是m o d e m 。 4 通信链路( c o m m u n i c a t i o nl i n k ) 在数据通信中，通信双方之间必须建立一条物理的或逻辑的数据通道，用 以传送数据，这条数据通道通常称之为通信链路。常用的通信链路有：无 m o d e m 电缆、公用电话网、以及各种电信数字数据网。 4 2 传输方式 4 2 1 并行传输 目前计算机处理的数据采用八位格式。在进行数据通信时，如果在通信线 路上把表示一个字符的八位二进制数字同时传送出去，则称这种数据传输方式 为并行方式或并行传输。 第1 6 页 直鏖蓝窭航丞盍堂亟堂僮逾童 并行传输要求通信线路至少有八条线，用以传输表示个字符的八个数据 位，每位占用一条数据线。然而在并行传输时，并行线路往往采用九线制，而 非八线制。第九线用于传送一个控制信号，该信号称为选通或时钟信号，它在 八位数据信号发出之后传送，用以通知接收设备所有位都己发完。图4 2 是计 算机与其外部设备( 如并行打印机) 间通信的并行线路，其中l 8 是数据线， 传送二进制数据的各位：第九线是控制线，传送时钟信号。 b i t l 一 b i t 2 r _ b i l 3 - 一 计 b i t 4 外 一 算 一 b i t 5 - 机 b i 坫 设 一 b 椰 一 一 b i 如 b i l 9 - 图4 2 并行数据传输 在并行数据传输中，接收设备在收到这些数据之后，无需任何变换或转换 即可直接使用，所以它的传输效率远高于下文的串行传输。 由于并行传输具有上述的优点，所以计算机内部通信( 如c p u 和r a m 间 的通信) 和计算机与其外部设备( 如磁盘驱动器、显示器、并行打印机等) 间 的通信均采用并行传输方式。计算机的数据总线就是并行线路。 并行传输的主要缺点是它- 需要8 9 条或更多的数据线，硬件开销大，而且 传输距离也受到限制。 4 2 2 串行传输 串行传输是_ 种按位传输的方式，它把八位字符各数字位一位接一位地由 第1 7 页 垫撞士：垒圆堑道值皇趔 发送设备送往接收设备。 在串行通信中，无论是发送设各，还是接收设备都需要一个转换器，该转 换器实现并行数据和串行数据之间的转换。在数据通信领域，这种转换器称为 通信适配器，它在发送端把八位的并行数据转化为串行数据，而在接收端则把 串行数据转化为八位并行数据。 与并行传输比较，串行传输的效率是很低的，但它对通信硬件要求也比较 低，它不需要8 条线，只需二条线或四条线，其硬件开销远低于并行传输。因 此，串彳亍传输更具有经济性和实用性，且可支持远距离通信。本课题运用的就 是该项传输方式。下面将对它进行详细讨论。 4 3 串行数据通信 由上节的讨论可知，并行传输虽具有较高的传输效率，但其通信距离却被 限制在3 0 米( 1 0 0 f e e t ) 之内，所以它只适用于近距离传输。然而现存的问题 主要是远程通信，它必须采用串行传输方式，所以在数据通信领域中，串行通 信占突出的位置。 4 3 1 双工通信 “双工”既可以指通信线路结构，又可指与线路结构密切相关的的通信方 式，同时还可以指通信软件使用的双工参数。 “双工”包括“全双工”、“半双工”和“单工”。 1 双工通信方式 双工通信方式是对相互通信的二台通信设备( 如计算机) 间数据流向的描 述，或者说是对一台通信设备执行收发操作能力的描述。 1 )全双工方式 全双工方式指相互通信的二台通信设备可以同时发送数据和接收数据，也 即数据同时可在二个相反方向上传送，所以它们之间至少需要二条通信线路。 2 )半双工方式 半双工方式指二台相互通信的通信设备均具有收发数据的能力，但在某一 时间内它们只能执行一种操作( 收或发) ，不能同时执行收发二种操作；相应 地，在它们之间的通信线路上虽可在二个方向上传送时间，但在某一时间内却 只能在一个方向上传送数据。 第1 8 页 直塞照至题玉盍堂丝堂焦迨塞一 为实现半双工通信，二台通信设备问只需一条通信线路，但个通信设备必 须配备收发切换开关。 3 )单工方式 单工方式指二台通信设备间数据只能在一个方向上传送。在单工方式下， 二台通信设备中一台为发送设备，另一台必为接收设备，它们之间有一条通信 链路就够了。 图4 3 双工通信及其链路结构 2 双工链路结构 双工链路结构简称双工结构，它是对双工通信设备和通信设备间通信链路 的描述，包括支持全双工通信的全双工链路，支持半双工通信的半双工链路和 支持单工通信的单工链路。 双工通信方式、双工链路结构及其相互关系如图4 3 所示。 4 3 2 同步传输与异步传输 1 同步传输 同步数据传输也称同步通信，是一种面向块的串行传输方式，每次传送一 个数据块，一个数据块可包含多个字节，甚至是任意位数( 不是字节的整数 倍) 。在同步传输中，收、发设备使用公共时钟，如 虱4 - - 4 所示： 第1 9 页 塑撞主：坠圈终通筐蔓旦丝 图4 4n 步操作使用公菸时钟 2 异步传输 异步传输也称异步通信，它是一中面向字符的传输，每次只传送一个字 符。在串行异步传输中，收发双方使用各自的本地时钟，收发双方的同步( 收 发协调) 由异步数据链路控制协议实现，图4 5 描述了异步传输的时钟机制。 高电压 低电压 图4 5 异步操作使用本地时钟 塑避 p = 校验位或第八位 图4 6 异步传输的数据块结构 异步传输的数据链路控制协议也称起止位协议或起止位方法。在传输的8 位字前加l 位起始位，在8 位字符之末