為適應(yīng)當前市場發(fā)展的需要,傳統(tǒng)制造業(yè)迫切需要改造升級,國家在對機械行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策中明確提出,要通過數(shù)控技術(shù)改造老設(shè)備等方式,使總體機床數(shù)控化普及率得到較大的提高,因而數(shù)控改造是大勢所趨。然而,目前我國中小企業(yè)占有很大的比重,其加工特點是小批量、多品種,而對于這些企業(yè)要購買現(xiàn)成數(shù)控設(shè)備一次投資大,不適應(yīng)我國國情,因而,改造是最好的方法。通過改造可以解決目前企業(yè)中普遍存在的矛盾:普通機床數(shù)量多與加工效率低的矛盾,數(shù)控機床費用高與企業(yè)資金缺乏的矛盾,市場競爭力日趨激烈與企業(yè)缺乏競爭力的矛盾等。

　　目前,市場上的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能很多,但是價格高,其成本占整個改造成本的60%左右[ 1 ] ,作者針對中小企業(yè)的實際情況,提出一種基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)解決方案,系統(tǒng)采用TMS320F2xxDSP和MCS - 51單片機為核心,具有靈活性高,性價比較高,軟件升級方便等優(yōu)點,即可用于普通機床的數(shù)控改造,又可用于機床生產(chǎn)廠家配套構(gòu)成數(shù)控機床產(chǎn)品。

1 DSP和單片機簡介

　　1.1 TMS320F2xxDSP的特點

　　采用哈佛體系結(jié)構(gòu)、多處理單元、流水線結(jié)構(gòu)及硬件乘法器,使大部分指令可在單指令周期內(nèi)完成,因而具有運算速度快,適于進行密集運算的場合。

　　1.2 MCS251單片機的特點MCS251單片機相對DSP運算速度不快,然而它體積小、功能全、價廉,能夠滿足大多數(shù)的控制。另外,由于其存在時間長,因而可供利用的經(jīng)驗及資源很多,利于產(chǎn)品的開發(fā)。

　　DSP和單片機結(jié)構(gòu)上的不同決定了應(yīng)用場合的不同,單片機適合于控制密集的場合,而DSP適合于運算密集的場合。另外, DSP 的算法可以利用MATLAB編程簡單,調(diào)試方便的特點進行模擬,從而保證了算法的正確性及可靠性。

2 數(shù)控改造的方法

　　目前的改造方法主要有:購買現(xiàn)成的數(shù)控系統(tǒng)+ PLC +伺服電機(含驅(qū)動器) +刀架電機(含驅(qū)動器) ;現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)+步過電機(含驅(qū)動器) +刀架電機;工控機+DSP;工控機+現(xiàn)成數(shù)控系統(tǒng)+ PLC;PC /104 +現(xiàn)成數(shù)控系統(tǒng)。也就是說大部分的改造方案都是購買現(xiàn)成的數(shù)控系統(tǒng)。這樣有一定的缺陷: (1)不便于今后升級; (2)未掌握核心技術(shù),或無自主知識產(chǎn)權(quán); (3)改造費用高。

　　基于DSP和單片機的數(shù)控系統(tǒng),充分考慮價格因素。實踐表明,該方案無論從經(jīng)濟性還是實用性方面講都是可行的。

3 實例系統(tǒng)的構(gòu)成

　　DSP和單片機均屬于嵌入式系統(tǒng)的范疇, 用DSP和單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的控制核心成功試制了一套數(shù)控系統(tǒng),在武義機床廠試運行成功,該項目目前已進入驗收階段。該系統(tǒng)構(gòu)成的嵌入式結(jié)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)靈活,升級方便,運行可靠等優(yōu)點,該系統(tǒng)的進一步完善也在籌劃之中,如果以此數(shù)控系統(tǒng)替代現(xiàn)有的系統(tǒng)可節(jié)約大量成本,提高該企業(yè)的市場競爭力。

　　3.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

　　該系統(tǒng)將顯示與控制任務(wù)分別由單片機和DSP完成,而公共的數(shù)據(jù)通過雙口RAM進行傳遞。由于DSP的高速運算能力,在系統(tǒng)中用于實現(xiàn)插補運算,完成實時的運算,為準確的控制創(chuàng)造條件。而單片機在系統(tǒng)中主要用于接收外部鍵盤的輸入以及液晶屏幕的顯示。不單純用一塊DSP來實現(xiàn)的原因在于:第一,將運算和鍵盤顯示分開有利于加速開發(fā)過程,便于分工協(xié)作,實現(xiàn)同時開發(fā)不同部分,從而加快進度;第二,由于DSP和單片機分別實現(xiàn)不同的功能,因而互不干擾,這樣編程相對簡單;第三,可以減輕DSP的負擔(dān),實現(xiàn)更精確的控制;第四,對于增加系統(tǒng)的靈活性有好處,為今后系統(tǒng)的升級創(chuàng)造條件。

　　另外對于多處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的通信(數(shù)據(jù)交換) ,方法有:

　　(1) 串行通信。其缺點就是需要串并轉(zhuǎn)換,降低傳送速度;優(yōu)點是適合于遠程的數(shù)據(jù)交換。因而它不適合非分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

　　(2) 并行傳送,占用通道多。

　　(3) 采用公用存儲器實現(xiàn)。

　　目前,已有的主從CPU 間的通信方式,或因結(jié)構(gòu)復(fù)雜,或因傳遞效率低,都不能很好地滿足本系統(tǒng)的要求,而近年來新型的雙口RAM芯片卻獨具特點: ①具有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線、讀/寫控制線,允許兩個CPU 對雙端口存儲器的同一單元進行同時存取; ②具有兩套完全獨立的中斷邏輯來實現(xiàn)兩個CPU 之間的握手控制信號; ③具有兩套獨立的“忙”邏輯,保證兩個CPU 同時對同一單元進行讀/寫操作的正確性; ④兼容性強,讀/寫時序與普通單端口存儲器完全一樣,存取速度完全滿足各種CPU 的要求。

　　因此,系統(tǒng)采用雙口RAM進行數(shù)據(jù)的傳遞,簡單并且易于實現(xiàn),工作可靠,無論從硬件上講,還是從軟件上數(shù)據(jù)的傳遞都很方便快捷。數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。

　　與單處理器方案相比,用此系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控改造是經(jīng)濟而且實用的方案,在基本不增加硬件成本的條件下,可以大幅提升系統(tǒng)的控制精度。而且根據(jù)對加工的精度要求,可選用步進電機或是伺服電機,因而具有一定的靈活性。

　　由于機床工作環(huán)境復(fù)雜,電機的啟停等外部干擾都會對系統(tǒng)的工作產(chǎn)生影響,為了防止外部干擾,在抗干擾方面,系統(tǒng)采用了一系列的抗干擾措施,如采用隔離變壓器、光電隔離、濾波器等,提高了系統(tǒng)的可靠性,達到實用性的要求,其中芯片電源部分。

　　對于DSP的輸入輸出信號采用光耦隔離,有效地保證了DSP的安全。刀架電機與DSP之間的光耦隔離電路圖。

　　外部主軸編碼器可以實時測量主軸轉(zhuǎn)速并進行反饋,以便在對主軸轉(zhuǎn)速要求高的加工場合,比如螺紋的加工時,可以達到很高的精度。而主軸的轉(zhuǎn)速我們利用其中的一路PWM3 /CMP3,在不影響電機的轉(zhuǎn)動狀況的前提下,我們改變PWM3 /CMP3的脈沖占空比,以期達到輸出有效值的改變來控制機床主軸變頻電機的變頻控制器的有效輸入,進而完成控制主軸電機的轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速。另外,對于一些開關(guān)量的輸入和輸出,采用隔離驅(qū)動,保證系統(tǒng)的安全以及可靠的動作,如主軸的開與關(guān),刀架的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)等。

　　使用液晶顯示器作為人機交互的中面界面,操作方便,界面友好,其中液晶所需的負電源。利用片內(nèi)Flash在斷電時保存關(guān)鍵數(shù)據(jù),有效地防止了加工數(shù)據(jù)的意外丟失。通過RS232 /RS485接口,可將數(shù)控加工程序通過串口以文件的形式保存在PC機中,也可以將PC機中寫好的數(shù)控程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)中,使得程序的輸入更加快捷方便,這樣可以在多個數(shù)控系統(tǒng)之間進行加工程序的傳送。

　　此系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)控中常用G功能、M功能、T功能以及S功能,采用X 軸和Z 軸的聯(lián)動,可以使刀具完成直線、圓弧線及其組合的運動,通過主軸編碼器的配合,可以完成螺紋以及攻牙等功能,也能完成一些常用組合加工功能,能夠滿足中小企業(yè)多品種、小批量生產(chǎn)的需要,因為對于中小企業(yè)而言,在保證可靠性的前提下經(jīng)濟性是至關(guān)重要的,而數(shù)控系統(tǒng)具有的功能的多寡并不是最主要因素。

　　3.2 軟件設(shè)計

　　軟件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計,每種功能都由相應(yīng)的子程序相對應(yīng),方便程序的修改及再利用。其中單片機完成與PC機的通訊,鍵盤的輸入以及屏幕數(shù)據(jù)的顯示,DSP根據(jù)輸入的數(shù)控程序?qū)崟r運算出軌跡控制機床托板的運動,在對轉(zhuǎn)速要求均勻的場合,如螺紋的加工時,從主軸編碼器實時反饋來的信號能夠保證在轉(zhuǎn)速均勻時才進行加工。

　　軟件是系統(tǒng)正常工作的又一重要基礎(chǔ),因而在抗干擾方面,系統(tǒng)中軟件也采取了一系列抗干擾措施,如看門狗、軟件陷阱、冗余語句等措施,保證軟件的正常運行。

　　3.3 系統(tǒng)性能

　　該系統(tǒng)在武義機床廠進行了實地加工,達到實用性要求。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單軸運動和雙軸聯(lián)動,可進行直線、圓弧、螺紋等加工;實現(xiàn)八工位回轉(zhuǎn)刀架的自動換刀;刀具偏差自動補償;絲桿機械間隙自動補償;掉電情況,自動保護用戶程序;系統(tǒng)故障自診斷等。

　　系統(tǒng)可控制兩軸聯(lián)動,可最小設(shè)定1m單位,最大編程尺寸為8000. 000mm,切削速度6000mm /min,加工程序容量24KB。

　　另外,該系統(tǒng)還將陸續(xù)在其它廠家進行實際加工。

4 結(jié)論及展望

　　系統(tǒng)采用TMS320F2xxDSP和MCS251單片機為核心,充分利用DSP強大的運算功能完成實時的插補運算,從而實現(xiàn)高精度的控制,而將顯示和與用戶人機交互部分交由51單片機處理,即考慮到數(shù)控機床實時性的要求,又保證了一定的系統(tǒng)功能擴充的空間,是較為實用的方案,與僅用DSP或僅用51單片機相比具有靈活性高、性價比較高、實用性強、軟件升級方便等優(yōu)點;與使用工控機的實現(xiàn)方案相比在基本不降低系統(tǒng)性能的情況下可節(jié)省大量產(chǎn)品成本,因而,該產(chǎn)品即可用于普通機床的數(shù)控改造,又可用于機床生產(chǎn)廠家配套構(gòu)成數(shù)控機床產(chǎn)品,因而適合于對我國中小企業(yè)進行數(shù)控改造或是用于生產(chǎn)數(shù)控機床的廠家使用。通過硬件及軟件方面的一系列抗干擾措施可以有效地提高整機的可靠性,保證在加工現(xiàn)場工作的可靠性。該系統(tǒng)在武義機床廠等生產(chǎn)的數(shù)控機床進行實際加工測試時表現(xiàn)正常,能完成數(shù)控中常用G功能、M功能、T功能以及S功能,加工的產(chǎn)品能夠達到實用的要求,表明該方案是可行的,也是可靠的。

　　另外,隨著進一步的發(fā)展,可考慮通過DSP具有的CAN接口,通過CAN總線完成網(wǎng)絡(luò)功能的添加,以滿足日益發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)加工的需要。若想獲得更好的系統(tǒng)性能,可在此基礎(chǔ)上進行進一步的改進:如可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)改進控制算法,使用更準確和智能化的精度和誤差補償算法;在機床托板X 軸和Z 軸方向上考慮安裝實際位置檢測裝置實現(xiàn)全閉環(huán)等。