李鴻祥 段元梅

（1.湖南科技學(xué)院智能制造學(xué)院 湖南·永州 425199；2.湖南科技學(xué)院信息工程學(xué)院 湖南·永州 425199）

0 前言

數(shù)控設(shè)備的運(yùn)動(dòng)單元簡(jiǎn)單包含數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、絲桿傳動(dòng)、軸移動(dòng)、光學(xué)尺檢測(cè)反饋。數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控設(shè)備的心臟，是數(shù)控設(shè)備優(yōu)良的重要指標(biāo)[1]。日本發(fā)那科公司是當(dāng)今世界上數(shù)控系統(tǒng)科研、設(shè)計(jì)、制造、銷售實(shí)力最強(qiáng)大的企業(yè)。掌握數(shù)控機(jī)床發(fā)展核心技術(shù)的發(fā)那科，不僅加快了日本本國(guó)數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，而且加快了全世界數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高。西門子數(shù)控系統(tǒng)是可滿足各種需求的創(chuàng)新型數(shù)控系統(tǒng)。西門子數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有可擴(kuò)縮性，融合了用于機(jī)床的多種產(chǎn)品。無論是否部署用于標(biāo)準(zhǔn)化車床和銑床，作為功能強(qiáng)大的、基于驅(qū)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，或作為基于PC的解決方案，選擇該數(shù)控系統(tǒng)都會(huì)使設(shè)備運(yùn)行更富有創(chuàng)新性，更具競(jìng)爭(zhēng)力。發(fā)格自動(dòng)化是蒙德拉貢集團(tuán)的子公司。蒙德拉貢集團(tuán)是西班牙第10大、巴斯克地區(qū)第一大的集團(tuán)公司，目前雇員超過74000人[2]。發(fā)格自動(dòng)化在研發(fā)和制造機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，軟件開發(fā)能力強(qiáng)大產(chǎn)品線豐富，可按客戶需要提供量身定制的解決方案。發(fā)格數(shù)控系統(tǒng)基于強(qiáng)大的功能組件的支持，發(fā)格數(shù)控系統(tǒng)可裝備任何要求苛刻的機(jī)床設(shè)備?？梢詾楦叨思庸ぶ行暮透叨塑囅髦行奶峁┩暾墓た亟鉀Q方案。對(duì)話式編程功能專門解決小批量工件編程問題、高速高精功能、納米級(jí)分辨率控制可凸顯機(jī)床的高技術(shù)含量、專用功能或特殊應(yīng)用功能如激光切割機(jī)床專用功能。華中數(shù)控自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)具高、中、低三個(gè)檔次，公司在前期技術(shù)積累基礎(chǔ)上，整合國(guó)家重大專項(xiàng)3個(gè)課題的研發(fā)任務(wù)，瞄準(zhǔn)國(guó)外高檔數(shù)控系統(tǒng)的最高水平。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的伺服驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)裝置性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[3]，自主研制的五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控系統(tǒng)已有數(shù)百臺(tái)在汽車、能源、航空等領(lǐng)域成功應(yīng)用。華中數(shù)控研制的60多種專用數(shù)控系統(tǒng)，應(yīng)用于紡織機(jī)械、木工機(jī)械、玻璃機(jī)械、注塑機(jī)械[4]。

1 單片機(jī)與上位機(jī)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用Delphi開發(fā)，采用串口與單片機(jī)通信。其中的波特率為1200，沒有校驗(yàn)位，包含一位結(jié)束位。本文設(shè)計(jì)使用了第三方控件Spcomm。而串口通信協(xié)議采用不定長(zhǎng)設(shè)計(jì)。第一個(gè)字節(jié)表示消息頭，每個(gè)消息為定長(zhǎng)，消息最小長(zhǎng)度為2字節(jié)，默認(rèn)為0。一些重要的消息在消息頭后面緊跟一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位。在設(shè)計(jì)過程中還有如下的問題。首先，單片機(jī)不能向上位機(jī)發(fā)送0x17，發(fā)送的所有0x17不論在何位置均消失。解決方法是繞過0x17。其次，串口通信失效。解決的方法是降低波特率，在單片機(jī)函數(shù)加上reentrant關(guān)鍵字，中斷處理調(diào)用的函數(shù)體內(nèi)屏蔽串口中斷；上位機(jī)檢測(cè)串口異常，自動(dòng)重新打開串口。第三，控制柜的輸入檢測(cè)失效。解決的方式是將上位機(jī)檢測(cè)改為單片機(jī)檢測(cè)。但在單片機(jī)檢測(cè)導(dǎo)致重復(fù)發(fā)送問題，解決方法是加一個(gè)延時(shí)。第四，上位機(jī)不能發(fā)送多字節(jié)。解決的方法是每發(fā)送一個(gè)字節(jié)延時(shí)1ms。

2 多按鍵處理

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的控制面板上包含了60多個(gè)按鍵、2個(gè)波動(dòng)開關(guān)和20多個(gè)開關(guān)位，大約一共80多個(gè)開關(guān)位。所有的按鍵不但要處理可能出錯(cuò)的錯(cuò)誤按鍵信息，還需要處理好同時(shí)按鍵的操作功能。在整個(gè)數(shù)床控制系統(tǒng)中，必須通過單片機(jī)芯片來擴(kuò)展I/O接口，這些芯片主要是8155芯片，同時(shí)本文將按鍵直接鏈接在8155的輸入輸出口上。接線方法要注意行線和列線，該行線和列線是由于接線按照矩形鍵盤設(shè)計(jì)的，其中行線由8155的PA口來完成，列線由PB和PC口負(fù)責(zé)。

具體方法描述如下。當(dāng)掃描鍵盤的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有按鍵被按，該按鍵可能是某個(gè)行線的PA的一個(gè)輸入輸出口。我們?cè)诖藢⑿芯€按序號(hào)進(jìn)行分類，比如設(shè)置為S，T。同理，我們要將列線也進(jìn)行編號(hào)，當(dāng)掃描的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)具體的某一根列線被按鍵了。

3 原理分析與實(shí)現(xiàn)

數(shù)控機(jī)床控制屬于一種開環(huán)控制，就是按照給好控制指令直接執(zhí)行。跟鬧鐘的控制原理差不多，先設(shè)定好什么時(shí)候響（這就是控制指令），到時(shí)間就響（執(zhí)行指令）。鬧鐘的聲音可認(rèn)為就是鬧鐘的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。比如把四方形的鐵安裝在機(jī)床固定位置，然后通過寫好的程序確定切四方形鐵的哪個(gè)位置以及切多少，啟動(dòng)后，機(jī)床負(fù)責(zé)切割部分（刀）按照給定的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最后就可以完成錘子的加工。在以上過程中，涉及如下幾個(gè)控制概念?？刂茖?duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制指令和控制器。指令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)象的控制。比如人轉(zhuǎn)方向盤讓輪子動(dòng)最終改變車子方向，人相當(dāng)于控制器，方向盤、輪子以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，車是被控對(duì)象。本文將87C52單片機(jī)組建成該系統(tǒng)控制面板的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)既包含了作為看門狗檢測(cè)系統(tǒng)的MAXA1232芯片還有相互傳遞信息的作為單片機(jī)的輸入輸出擴(kuò)展口的其他芯片，比如74LS245和8155芯片等。

作為開放的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開放性；對(duì)技術(shù)發(fā)展的適應(yīng)性；應(yīng)用范圍的廣泛性；生產(chǎn)廠和用戶兩方面的支持性；數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性。為了保證數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性，本文采用把工業(yè)控制用PC主板嵌入到專用數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)中。硬件的設(shè)計(jì)采用混合總線結(jié)構(gòu)，即采用專用CME總線和ISA總線混合?？偩€上有多個(gè)CME總線的插槽和一個(gè)ISA總線插槽。模塊化、平臺(tái)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可適應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。系統(tǒng)可以跟隨PC的發(fā)展而升級(jí)，系統(tǒng)配置靈活，其功能可以擴(kuò)展也可以剪裁，因而可以派生出多種不同功能的數(shù)控系統(tǒng)，形成CNC的系列產(chǎn)品，滿足不同類型機(jī)床的應(yīng)用要求。硬件配置如下。第一，All-In-One PC主卡（也稱半長(zhǎng)卡）。早期使用IPC，芯片采用80386＋80387、4MB RAM，而現(xiàn)在可以使用80486、80586、Pentium Ⅲ，主頻用66、100、450MHz或更高。RAM可選8MB。第二，VGA顯示卡。早期使用PC104總線VGA卡，現(xiàn)在已集成在PC主卡內(nèi)。第三，MFUN（多功能）模塊內(nèi)裝有1.4MB ROM電子盤，用于存儲(chǔ)控制程序和PLC程序。384KBRAM用于參數(shù)存儲(chǔ)和加工程序存儲(chǔ)。當(dāng)選用一個(gè)通道方式時(shí)，約有80KB作為參數(shù)存儲(chǔ)，并可存儲(chǔ)800m長(zhǎng)的加工程序，并可擴(kuò)展到3600m。多功能模板上裝有三軸位置控制模塊、鍵盤適配器等。第四，POS（位置控制）模板。該模板僅配置3軸位置控制功能，作為軸數(shù)擴(kuò)展模板。第五，DI／DO模板，是接口輸入輸出模板，最大輸入104點(diǎn)，最大輸出56點(diǎn)?？捎迷黾覦I／DO模板來擴(kuò)展輸入輸出點(diǎn)數(shù)。第六，CRT顯示和操作面板。CRT可選擇23cm（9in）、26cm（10in）或36cm（14in）單色和彩色顯示器，為了使整體結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)了專用的鍵盤。第七，總線模板?？偩€模板設(shè)計(jì)為無源總線，有10插槽和5插槽兩種，根據(jù)功能的多少來選擇總線模板的大小。模板為CME專用總線和ISA總線混合形式。第八，電源模塊。有＋5V、10A，±15V、0.2A，＋24V、2A，設(shè)有過電流、過欠電壓保護(hù)。第九，硬件配置沒有硬盤和軟驅(qū)，可選用軟驅(qū)用軟盤來傳送加工程序和調(diào)試程序。第十，可選用ARCNET網(wǎng)卡，用于CNC系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)FMS控制。