對經(jīng)濟型數控機床實(shí)行USB接口改造的實(shí)踐探索
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一、問(wèn)題的提出
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的到來(lái)，機械制造行業(yè)也面臨著(zhù)如何適應網(wǎng)絡(luò )化制造的問(wèn)題。于是將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和傳統的控制技術(shù)相結合，以采用PC為主控制器的數控系統正日益成為機械制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)。PC化數控可以分為三種類(lèi)型，下面我們分別予以介紹。
1. NC板插入型
這種數控系統是指將數控的核心功能板卡化，并將其插入PC的擴展槽中。PC負責實(shí)現用戶(hù)接口、文件管理以及通信等功能，NC板則負責機床的運動(dòng)控制和開(kāi)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(shí)現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，實(shí)現機床控制中的運動(dòng)軌跡控制和開(kāi)關(guān)量邏輯控制。目前這一方案還有許多問(wèn)題尚待解決，還停留在實(shí)驗室研究階段。
3. 將PC板嵌入CNC中
這是目前廣泛采用的數控系統。通過(guò)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(shí)又得到了PC的柔性與開(kāi)放性。
本文所討論的USB接口技術(shù)正是基于這種數控系統。這種連接數控設備與上位控制計算機的基本方法稱(chēng)為DNC技術(shù)，是構成網(wǎng)絡(luò )化制造的最基本的一項應用技術(shù)。我國早期的經(jīng)濟數控系統大多由單板機改裝而成，需外接一個(gè)DNC接口板才能實(shí)現基本的DNC（下傳NC程序）功能，如圖1所示。
圖1 經(jīng)濟型數控系統的基本DNC通信接口
(1)錄音接口，該接口為日本產(chǎn)老式經(jīng)濟型數控系統的通信接口。
(2)紙帶閱讀機輸入接口和紙帶穿孔機輸出接口。早期引進(jìn)的數控系統通常具備該接口，如FANUC 7M系統。新開(kāi)發(fā)的數控系統己基本淘汰了此接口，但我國企業(yè)中還有—定數量包含此接口的數控加工設備。
(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(kāi)發(fā)的數控系統幾乎都包含此類(lèi)接口，它采用XON/XOFF、3964R、簡(jiǎn)化3964等通信協(xié)議。
(4)DNC接口，如FANUC DNC2接口，這種接口可實(shí)現遠距離通信，具有出錯反饋與在線(xiàn)實(shí)時(shí)修改功能，便于遠程管理，但由于其結構復雜，通信軟件開(kāi)發(fā)難度大，價(jià)格高，因此我國很少引進(jìn)。
(5)網(wǎng)絡(luò )通信接口，主要有MAP接口、以太網(wǎng)接口和現場(chǎng)總線(xiàn)接口等，這類(lèi)接口通信速率高、可靠性高，新開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數控系統大多具有以太網(wǎng)接口選件、但我國引進(jìn)的數控系統中很少配備網(wǎng)絡(luò )通信接口。
(6)MAP網(wǎng)采用MAP2.1和MAP3.O制造自動(dòng)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(xiàn)技術(shù)和無(wú)源工作站融為一體，從而保證信息無(wú)錯傳輸。但當要求MAP實(shí)現與加工同步傳輸NC程序時(shí)，它很難達到實(shí)時(shí)性要求，這是由于MAP采用完整的七層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )存取費用高、傳輸效率低、實(shí)時(shí)性差，因此不適宜于數控加工設備的聯(lián)網(wǎng)。
由上分析可知，異步串行通信接口RS232是最常用的數控系統通信接口，幾乎所有的數控系統都包含此接口。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(pán)、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，那么在數控系統中，是否也可以采用這樣的一個(gè)新的USB接口技術(shù)呢？
DNC通信系統中，當多臺數控加工設備同時(shí)加工某復雜零件時(shí)，由于NC程序龐大，數控系統的內存無(wú)法存放整個(gè)NC程序，只能采取DNC傳輸方式加工，這就有可能出現數控加工設備因暫時(shí)缺乏NC程序而加工停頓的現象，這種現象稱(chēng)為“通信競爭”。通信競爭在實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì )產(chǎn)生嚴重的后果，例如，汽車(chē)覆蓋件沖壓模具橫加工的中途停頓會(huì )造成覆蓋件局部“聚光”現象，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)的數控加工設備的數量m，數量越多，引起通信競爭的可能性越大。
(2)現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸速率、傳輸效率C和節點(diǎn)切換服務(wù)時(shí)間t。傳輸效率是指傳輸有效字節數占總傳輸字節的比例。
(3)各數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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