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对经济型数控机床实行USB接口改造的实践探索

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一、问题提出网络时代到来，机械制造行业也面临着如何适应网络化制造问题。将计算机技术、网络技术和传统控制技术相结合，以采用PC为主控制器数控系统正日益成为机械制造领域热点。PC化数控可以分为三种类型，下面我们分别予以介绍。1.NC板插入型这种数控系统是指将数控核心功能板卡化，并将其插入PC扩展槽中。PC负责实现用户接口、文件管理以及通信等功能，NC板则负责机床运动控制和开关量控制。2.软件CNC型软件CNC可以理解为用PC概念和手段实现CNC功能。这种CNC装置主体是PC机，充分利用了PC不断提高计算速度、不断扩大存储量和性能不断优化操作系统，实现机床控制中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，还停留实验室研究阶段。3.将PC板嵌入CNC中这是目前广泛采用数控系统。CNC上前端接口与PC相连，这虽燃是一种折中方案，但可以继承原有成熟CNC技术，同时又到了PC柔性与开放性。本文所讨论USB接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基本方法称为DNC技术，是构成网络化制造最基本一项应用技术。我国早期经济数控系统大多由单板机改装而成，需外接一个DNC接口板才能实现基本DNC（下传NC程序）功能，如图1所示。
图1经济型数控系统基本DNC通信接口计算机与数控加工设备通信方式取决于数控系统通信接口和通信协议。数控系统提供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。早期引进数控系统通常具备该接口，如FANUC7M系统。新开发数控系统己基本淘汰了此接口，但我国企业中还有—定数量包含此接口数控加工设备。(3)异步串行通信接口，如RS232、R5422、R485等。这是应用最普遍一种通信接口，新开发数控系统几乎都包含此类接口，它采用XON/XOFF、3964R、简化3964等通信协议。(4)DNC接口，如FANUCDNC2接口，这种接口可实现远距离通信，具有出错反馈与线实时修改功能，便于远程管理，但其结构复杂，通信软件开发难度大，价格高，我国很少引进。(5)网络通信接口，主要有MAP接口、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，新开发开放式数控系统大多具有以太网接口选件、但我国引进数控系统中很少配备网络通信接口。(6)MAP网采用MAP2.1和MAP3.O制造自动化协议，是目前应用较广泛工业网，它将宽带技术、总线技术和无源工作站融为一体，保证信息无错传输。但当要求MAP实现与加工同步传输NC程序时，它很难达到实时性要求，这是MAP采用完整七层协议，网络存取费用高、传输效率低、实时性差，不适宜于数控加工设备联网。由上分析可知，异步串行通信接口RS232是最常用数控系统通信接口，几乎所有数控系统都包含此接口。同样，图1中DNC接口板也是采用RS232接口。计算机技术日新月异今天，RS232接口计算机应用领域正被一种新USB接口所代替，从键盘、鼠标到打印机、扫描仪，众多基于USB外设取代了昔日采用RS232接口设备，那么数控系统中，是否也可以采用这样一个新USB接口技术呢？DNC通信系统中，当多台数控加工设备同时加工某复杂零件时，NC程序庞大，数控系统内存无法存放整个NC程序，只能采取DNC传输方式加工，这就有可能出现数控加工设备因暂时缺乏NC程序而加工停顿现象，这种现象称为“通信竞争”。通信竞争实际生产中往往会产生严重后果，例如，汽车覆盖件冲压模具横加工中途停顿会造成覆盖件局部“聚光”现象，直接影响冲压零件质量。引起通信竞争因素大致如下：(1)参与联网数控加工设备数量m，数量越多，引起通信竞争可能性越大。(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比例。(3)各数控加工设备通信传播速率vi和传输效率ei(i=1～m)。vi通常为9600b/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pi，即数控系统每秒执行程序位(bit)数。pi波动较大，但每个系统都有一个较确定最大pi值；(5)数控系统通信数据缓冲区BUFFER大小Qi；(6)各DNC通信前端单元数据缓冲区BUFFER大小Si。Si是需要优化量，建立数学模型，可以到：
由式(1)可知，DNC通信前端单元数据缓冲区S上限与Q、v、c、p相关：Q、v、c越大，P越小，则S上限越大。S下限还与m、t相关：m