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

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

1 DSP和單片機簡介

　　1.1 TMS320F2xxDSP的特點

　　采用哈佛體系結構、多處理單元、流水線結構及硬件乘法器,使大部分指令可在單指令周期內完成,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,能夠滿足大多數的控制。另外,由于其存在時間長,因而可供利用的經驗及資源很多,利于產品的開發。

　　DSP和單片機結構上的不同決定了應用場合的不同,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 數控改造的方法

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

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

3 實例系統的構成

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

　　3.1 系統硬件構架

　　該系統將顯示與控制任務分別由單片機和DSP完成,而公共的數據通過雙口RAM進行傳遞。由于DSP的高速運算能力,在系統中用于實現插補運算,完成實時的運算,為準確的控制創造條件。而單片機在系統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來實現的原因在于:第一,將運算和鍵盤顯示分開有利于加速開發過程,便于分工協作,實現同時開發不同部分,從而加快進度;第二,由于DSP和單片機分別實現不同的功能,因而互不干擾,這樣編程相對簡單;第三,可以減輕DSP的負擔,實現更精確的控制;第四,對于增加系統的靈活性有好處,為今后系統的升級創造條件。

　　另外對于多處理器的系統結構之間的通信(數據交換) ,方法有:

　　(1) 串行通信。其缺點就是需要串并轉換,降低傳送速度;優點是適合于遠程的數據交換。因而它不適合非分布式結構的系統。

　　(2) 并行傳送,占用通道多。

　　(3) 采用公用存儲器實現。

　　目前,已有的主從CPU 間的通信方式,或因結構復雜,或因傳遞效率低,都不能很好地滿足本系統的要求,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據線、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,系統采用雙口RAM進行數據的傳遞,簡單并且易于實現,工作可靠,無論從硬件上講,還是從軟件上數據的傳遞都很方便快捷。數控系統的構成框圖。

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

　　由于機床工作環境復雜,電機的啟停等外部干擾都會對系統的工作產生影響,為了防止外部干擾,在抗干擾方面,系統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速并進行反饋,以便在對主軸轉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。而主軸的轉速我們利用其中的一路PWM3 /CMP3,在不影響電機的轉動狀況的前提下,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速,從而實現主軸轉速的無級調速。另外,對于一些開關量的輸入和輸出,采用隔離驅動,保證系統的安全以及可靠的動作,如主軸的開與關,刀架的正轉與反轉等。

　　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Flash在斷電時保存關鍵數據,有效地防止了加工數據的意外丟失。通過RS232 /RS485接口,可將數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機中寫好的數控程序傳送到數控系統中,使得程序的輸入更加快捷方便,這樣可以在多個數控系統之間進行加工程序的傳送。

　　此系統可以實現數控中常用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,能夠滿足中小企業多品種、小批量生產的需要,因為對于中小企業而言,在保證可靠性的前提下經濟性是至關重要的,而數控系統具有的功能的多寡并不是最主要因素。

　　3.2 軟件設計

　　軟件的設計采用模塊化設計,每種功能都由相應的子程序相對應,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據的顯示,DSP根據輸入的數控程序實時運算出軌跡控制機床托板的運動,在對轉速要求均勻的場合,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速均勻時才進行加工。

　　軟件是系統正常工作的又一重要基礎,因而在抗干擾方面,系統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 系統性能

　　該系統在武義機床廠進行了實地加工,達到實用性要求。該系統能夠實現單軸運動和雙軸聯動,可進行直線、圓弧、螺紋等加工;實現八工位回轉刀架的自動換刀;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;系統故障自診斷等。

　　系統可控制兩軸聯動,可最小設定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,該系統還將陸續在其它廠家進行實際加工。

4 結論及展望

　　系統采用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,即考慮到數控機床實時性的要求,又保證了一定的系統功能擴充的空間,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、軟件升級方便等優點;與使用工控機的實現方案相比在基本不降低系統性能的情況下可節省大量產品成本,因而,該產品即可用于普通機床的數控改造,又可用于機床生產廠家配套構成數控機床產品,因而適合于對我國中小企業進行數控改造或是用于生產數控機床的廠家使用。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,保證在加工現場工作的可靠性。該系統在武義機床廠等生產的數控機床進行實際加工測試時表現正常,能完成數控中常用G功能、M功能、T功能以及S功能,加工的產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,隨著進一步的發展,可考慮通過DSP具有的CAN接口,通過CAN總線完成網絡功能的添加,以滿足日益發展的網絡加工的需要。若想獲得更好的系統性能,可在此基礎上進行進一步的改進:如可以在本系統的基礎上繼續改進控制算法,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全閉環等。