為適應(yīng)當(dāng)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jī)床數(shù)量多與加工效率低的矛盾,數(shù)控機(jī)床費(fèi)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(shí)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(jī)為核心,具有靈活性高,性價比較高,軟件升級方便等優(yōu)點(diǎn),即可用于普通機(jī)床的數(shù)控改造,又可用于機(jī)床生產(chǎn)廠家配套構(gòu)成數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品。

1 DSP和單片機(jī)簡介

　　1.1 TMS320F2xxDSP的特點(diǎn)

　　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(yùn)算速度快,適于進(jìn)行密集運(yùn)算的場合。

　　1.2 MCS251單片機(jī)的特點(diǎn)MCS251單片機(jī)相對DSP運(yùn)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(jī)結(jié)構(gòu)上的不同決定了應(yīng)用場合的不同,單片機(jī)適合于控制密集的場合,而DSP適合于運(yùn)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(diǎn)進(jìn)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(jī)(含驅(qū)動器) +刀架電機(jī)(含驅(qū)動器) ;現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)+步過電機(jī)(含驅(qū)動器) +刀架電機(jī);工控機(jī)+DSP;工控機(jī)+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(fèi)用高。

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

3 實(shí)例系統(tǒng)的構(gòu)成

　　DSP和單片機(jī)均屬于嵌入式系統(tǒng)的范疇, 用DSP和單片機(jī)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(jī)床廠試運(yùn)行成功,該項目目前已進(jìn)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(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn),該系統(tǒng)的進(jìn)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(jī)和DSP完成,而公共的數(shù)據(jù)通過雙口RAM進(jìn)行傳遞。由于DSP的高速運(yùn)算能力,在系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算,完成實(shí)時的運(yùn)算,為準(zhǔn)確的控制創(chuàng)造條件。而單片機(jī)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(shí)現(xiàn)的原因在于:第一,將運(yùn)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(shí)現(xiàn)同時開發(fā)不同部分,從而加快進(jìn)度;第二,由于DSP和單片機(jī)分別實(shí)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(fù)擔(dān),實(shí)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(diǎn)就是需要串并轉(zhuǎn)換,降低傳送速度;優(yōu)點(diǎn)是適合于遠(yuǎn)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(shí)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(dú)具特點(diǎn): ①具有兩套完全獨(dú)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(jìn)行同時存取; ②具有兩套完全獨(dú)立的中斷邏輯來實(shí)現(xiàn)兩個CPU 之間的握手控制信號; ③具有兩套獨(dú)立的“忙”邏輯,保證兩個CPU 同時對同一單元進(jìn)行讀/寫操作的正確性; ④兼容性強(qiáng),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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞,簡單并且易于實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)控改造是經(jīng)濟(jì)而且實(shí)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(jìn)電機(jī)或是伺服電機(jī),因而具有一定的靈活性。

　　由于機(jī)床工作環(huán)境復(fù)雜,電機(jī)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(dá)到實(shí)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(jī)與DSP之間的光耦隔離電路圖。

　　外部主軸編碼器可以實(shí)時測量主軸轉(zhuǎn)速并進(jìn)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(dá)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(jī)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(dá)到輸出有效值的改變來控制機(jī)床主軸變頻電機(jī)的變頻控制器的有效輸入,進(jìn)而完成控制主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而實(shí)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(jī)交互的中面界面,操作方便,界面友好,其中液晶所需的負(fù)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(jī)中,也可以將PC機(jī)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(jìn)行加工程序的傳送。

　　此系統(tǒng)可以實(shí)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(yùn)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(jì)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(jī)完成與PC機(jī)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(yùn)算出軌跡控制機(jī)床托板的運(yùn)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(shí)時反饋來的信號能夠保證在轉(zhuǎn)速均勻時才進(jìn)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(yùn)行。

　　3.3 系統(tǒng)性能

　　該系統(tǒng)在武義機(jī)床廠進(jìn)行了實(shí)地加工,達(dá)到實(shí)用性要求。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單軸運(yùn)動和雙軸聯(lián)動,可進(jìn)行直線、圓弧、螺紋等加工;實(shí)現(xiàn)八工位回轉(zhuǎn)刀架的自動換刀;刀具偏差自動補(bǔ)償;絲桿機(jī)械間隙自動補(bǔ)償;掉電情況,自動保護(hù)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(jìn)行實(shí)際加工。

4 結(jié)論及展望

　　系統(tǒng)采用TMS320F2xxDSP和MCS251單片機(jī)為核心,充分利用DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能完成實(shí)時的插補(bǔ)運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制,而將顯示和與用戶人機(jī)交互部分交由51單片機(jī)處理,即考慮到數(shù)控機(jī)床實(shí)時性的要求,又保證了一定的系統(tǒng)功能擴(kuò)充的空間,是較為實(shí)用的方案,與僅用DSP或僅用51單片機(jī)相比具有靈活性高、性價比較高、實(shí)用性強(qiáng)、軟件升級方便等優(yōu)點(diǎn);與使用工控機(jī)的實(shí)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(jī)床的數(shù)控改造,又可用于機(jī)床生產(chǎn)廠家配套構(gòu)成數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品,因而適合于對我國中小企業(yè)進(jìn)行數(shù)控改造或是用于生產(chǎn)數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)床廠等生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)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(dá)到實(shí)用的要求,表明該方案是可行的,也是可靠的。

　　另外,隨著進(jìn)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(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn):如可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)改進(jìn)控制算法,使用更準(zhǔn)確和智能化的精度和誤差補(bǔ)償算法;在機(jī)床托板X 軸和Z 軸方向上考慮安裝實(shí)際位置檢測裝置實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)等。