對經濟型數控機床實行USB接口改造的實踐探索
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一、問題的提出
隨著網絡時代的到來，機械制造行業也面臨著如何適應網絡化制造的問題。于是將計算機技術、網絡技術和傳統的控制技術相結合，以采用PC為主控制器的數控系統正日益成為機械制造領域的熱點。PC化數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負責實現用戶接口、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化的操作系統，實現機床控制中的運動軌跡控制和開關量邏輯控制。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控系統。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，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為DNC技術，是構成網絡化制造的最基本的一項應用技術。我國早期的經濟數控系統大多由單板機改裝而成，需外接一個DNC接口板才能實現基本的DNC（下傳NC程序）功能，如圖1所示。
圖1 經濟型數控系統的基本DNC通信接口
(1)錄音接口，該接口為日本產老式經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。早期引進的數控系統通常具備該接口，如FANUC 7M系統。新開發的數控系統己基本淘汰了此接口，但我國企業中還有—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，新開發的數控系統幾乎都包含此類接口，它采用XON/XOFF、3964R、簡化3964等通信協議。
(4)DNC接口，如FANUC DNC2接口，這種接口可實現遠距離通信，具有出錯反饋與在線實時修改功能，便于遠程管理，但由于其結構復雜，通信軟件開發難度大，價格高，因此我國很少引進。
(5)網絡通信接口，主要有MAP接口、以太網接口和現場總線接口等，這類接口通信速率高、可靠性高，新開發的開放式數控系統大多具有以太網接口選件、但我國引進的數控系統中很少配備網絡通信接口。
(6)MAP網采用MAP2.1和MAP3.O制造自動化協議，是目前應用較廣泛的工業網，它將寬帶技術、總線技術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采用完整的七層協議，網絡存取費用高、傳輸效率低、實時性差，因此不適宜于數控加工設備的聯網。
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。在計算機技術日新月異的今天，RS232接口在計算機應用領域正在被一種新的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，那么在數控系統中，是否也可以采用這樣的一個新的USB接口技術呢？
DNC通信系統中，當多臺數控加工設備同時加工某復雜零件時，由于NC程序龐大，數控系統的內存無法存放整個NC程序，只能采取DNC傳輸方式加工，這就有可能出現數控加工設備因暫時缺乏NC程序而加工停頓的現象，這種現象稱為“通信競爭”。通信競爭在實際生產中往往會產生嚴重的后果，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”現象，從而直接影響沖壓零件質量。
引起通信競爭的因素大致如下：
(1)參與聯網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)現場總線傳輸速率、傳輸效率C和節點切換服務時間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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