對經(jīng)濟型數(shù)控機床實行USB接口改造的實踐探索
一、問題的提出
隨著網(wǎng)絡時代的到來,機械制造行業(yè)也面臨著如何適應網(wǎng)絡化制造的問題。于是將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和傳統(tǒng)的控制技術(shù)相結(jié)合,以采用PC為主控制器的數(shù)控系統(tǒng)正日益成為機械制造領(lǐng)域的熱點。PC化數(shù)控可以分為三種類型,下面我們分別予以介紹。
1. NC板插入型
這種數(shù)控系統(tǒng)是指將數(shù)控的核心功能板卡化,并將其插入PC的擴展槽中。PC負責實現(xiàn)用戶接口、文件管理以及通信等功能,NC板則負責機床的運動控制和開關(guān)量控制。
2. 軟件CNC型
軟件CNC可以理解為用PC的概念和手段實現(xiàn)CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機,充分利用了PC的不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng),實現(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制和開關(guān)量邏輯控制。目前這一方案還有許多問題尚待解決,還停留在實驗室研究階段。
3. 將PC板嵌入CNC中
這是目前廣泛采用的數(shù)控系統(tǒng)。通過CNC上的前端接口與PC相連,這雖燃是一種折中的方案,但可以繼承原有的成熟的CNC技術(shù),同時又得到了PC的柔性與開放性。
本文所討論的USB接口技術(shù)正是基于這種數(shù)控系統(tǒng)。這種連接數(shù)控設備與上位控制計算機的基本方法稱為DNC技術(shù),是構(gòu)成網(wǎng)絡化制造的最基本的一項應用技術(shù)。我國早期的經(jīng)濟數(shù)控系統(tǒng)大多由單板機改裝而成,需外接一個DNC接口板才能實現(xiàn)基本的DNC(下傳NC程序)功能,如圖1所示。
圖1 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的基本DNC通信接口
(1)錄音接口,該接口為日本產(chǎn)老式經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的通信接口。
(2)紙帶閱讀機輸入接口和紙帶穿孔機輸出接口。早期引進的數(shù)控系統(tǒng)通常具備該接口,如FANUC 7M系統(tǒng)。新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)己基本淘汰了此接口,但我國企業(yè)中還有—定數(shù)量包含此接口的數(shù)控加工設備。
(3)異步串行通信接口,如RS232、R5422、R485等。這是應用最普遍的一種通信接口,新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)幾乎都包含此類接口,它采用XON/XOFF、3964R、簡化3964等通信協(xié)議。
(4)DNC接口,如FANUC DNC2接口,這種接口可實現(xiàn)遠距離通信,具有出錯反饋與在線實時修改功能,便于遠程管理,但由于其結(jié)構(gòu)復雜,通信軟件開發(fā)難度大,價格高,因此我國很少引進。
(5)網(wǎng)絡通信接口,主要有MAP接口、以太網(wǎng)接口和現(xiàn)場總線接口等,這類接口通信速率高、可靠性高,新開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)大多具有以太網(wǎng)接口選件、但我國引進的數(shù)控系統(tǒng)中很少配備網(wǎng)絡通信接口。
(6)MAP網(wǎng)采用MAP2.1和MAP3.O制造自動化協(xié)議,是目前應用較廣泛的工業(yè)網(wǎng),它將寬帶技術(shù)、總線技術(shù)和無源工作站融為一體,從而保證信息無錯傳輸。但當要求MAP實現(xiàn)與加工同步傳輸NC程序時,它很難達到實時性要求,這是由于MAP采用完整的七層協(xié)議,網(wǎng)絡存取費用高、傳輸效率低、實時性差,因此不適宜于數(shù)控加工設備的聯(lián)網(wǎng)。
由上分析可知,異步串行通信接口RS232是最常用的數(shù)控系統(tǒng)通信接口,幾乎所有的數(shù)控系統(tǒng)都包含此接口。同樣,圖1中的DNC接口板也是采用的RS232接口的。在計算機技術(shù)日新月異的今天,RS232接口在計算機應用領(lǐng)域正在被一種新的USB接口所代替,從鍵盤、鼠標到打印機、掃描儀,眾多基于USB的外設取代了昔日采用RS232接口的設備,那么在數(shù)控系統(tǒng)中,是否也可以采用這樣的一個新的USB接口技術(shù)呢?
DNC通信系統(tǒng)中,當多臺數(shù)控加工設備同時加工某復雜零件時,由于NC程序龐大,數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存無法存放整個NC程序,只能采取DNC傳輸方式加工,這就有可能出現(xiàn)數(shù)控加工設備因暫時缺乏NC程序而加工停頓的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為“通信競爭”。通信競爭在實際生產(chǎn)中往往會產(chǎn)生嚴重的后果,例如,汽車覆蓋件沖壓模具橫加工的中途停頓會造成覆蓋件局部“聚光”現(xiàn)象,從而直接影響沖壓零件質(zhì)量。
引起通信競爭的因素大致如下:
(1)參與聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控加工設備的數(shù)量m,數(shù)量越多,引起通信競爭的可能性越大。
(2)現(xiàn)場總線傳輸速率、傳輸效率C和節(jié)點切換服務時間t。傳輸效率是指傳輸有效字節(jié)數(shù)占總傳輸字節(jié)的比例。
(3)各數(shù)控加工設備的通信傳播速率vi和傳輸效率ei(i=1~m)。vi通常為9600b/s,但復雜型面型腔精加工則要求認達到19200b/s以上。
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