針對(duì)數(shù)控加工中復(fù)雜曲面的大數(shù)據(jù)量傳輸速度慢，造成通信競(jìng)爭(zhēng)的缺陷，本文提出了在數(shù)控系統(tǒng)中的上位計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)床之間采用一種新的接口——USB接口來(lái)改造經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的思想，并對(duì)相應(yīng)的軟硬件的改進(jìn)進(jìn)行了論證。文中指出了數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)USB接口的方法，并給出了在bbbbbbs系統(tǒng)下的USB驅(qū)動(dòng)程序。由于采用USB接口后數(shù)據(jù)的傳輸顯著加快了，同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控與PC相配置的靈活性和多樣性，從而為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床拓展了網(wǎng)絡(luò)功能，解決了網(wǎng)絡(luò)化制造中因傳輸速率慢而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)通信競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。 

    一、問(wèn)題的提出 

    隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，機(jī)械制造行業(yè)也面臨著如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化制造的問(wèn)題。于是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)的控制技術(shù)相結(jié)合，以采用PC為主控制器的數(shù)控系統(tǒng)正日益成為機(jī)械制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)。PC化數(shù)控可以分為三種類(lèi)型，下面我們分別予以介紹。 

    1. NC板插入型 

    這種數(shù)控系統(tǒng)是指將數(shù)控的核心功能板卡化，并將其插入PC的擴(kuò)展槽中。PC負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶接口、文件管理以及通信等功能，NC板則負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機(jī)，充分利用了PC的不斷提高的計(jì)算速度、不斷擴(kuò)大的存儲(chǔ)量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制中的運(yùn)動(dòng)軌跡控制和開(kāi)關(guān)量邏輯控制。目前這一方案還有許多問(wèn)題尚待解決，還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。 

    3. 將PC板嵌入CNC中 

    這是目前廣泛采用的數(shù)控系統(tǒng)。通過(guò)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(shù)，同時(shí)又得到了PC的柔性與開(kāi)放性。 

    本文所討論的USB接口技術(shù)正是基于這種數(shù)控系統(tǒng)。這種連接數(shù)控設(shè)備與上位控制計(jì)算機(jī)的基本方法稱(chēng)為DNC技術(shù)，是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化制造的最基本的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。我國(guó)早期的經(jīng)濟(jì)數(shù)控系統(tǒng)大多由單板機(jī)改裝而成，需外接一個(gè)DNC接口板才能實(shí)現(xiàn)基本的DNC（下傳NC程序）功能，如圖1所示。

圖1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的基本DNC通信接口

    計(jì)算機(jī)與數(shù)控加工設(shè)備的通信方式取決于數(shù)控系統(tǒng)的通信接口和通信協(xié)議。數(shù)控系統(tǒng)提供的通信接口和通信協(xié)議有以下幾種： 

    (1) 錄音接口，該接口為日本產(chǎn)老式經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的通信接口。 

    (2) 紙帶閱讀機(jī)輸入接口和紙帶穿孔機(jī)輸出接口。早期引進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)通常具備該接口，如FANUC 7M系統(tǒng)。新開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)己基本淘汰了此接口，但我國(guó)企業(yè)中還有—定數(shù)量包含此接口的數(shù)控加工設(shè)備。 

    (3) 異步串行通信接口，如RS232、R5422、R485等。這是應(yīng)用最普遍的一種通信接口，新開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)幾乎都包含此類(lèi)接口，它采用XON/XOFF、3964R、簡(jiǎn)化3964等通信協(xié)議。 

    (4) DNC接口，如FANUC DNC2接口，這種接口可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，具有出錯(cuò)反饋與在線實(shí)時(shí)修改功能，便于遠(yuǎn)程管理，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通信軟件開(kāi)發(fā)難度大，價(jià)格高，因此我國(guó)很少引進(jìn)。 

    (5) 網(wǎng)絡(luò)通信接口，主要有MAP接口、以太網(wǎng)接口和現(xiàn)場(chǎng)總線接口等，這類(lèi)接口通信速率高、可靠性高，新開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)大多具有以太網(wǎng)接口選件、但我國(guó)引進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)中很少配備網(wǎng)絡(luò)通信接口。 

    (6) MAP網(wǎng)采用MAP2.1和MAP3.O制造自動(dòng)化協(xié)議，是目前應(yīng)用較廣泛的工業(yè)網(wǎng)，它將寬帶技術(shù)、總線技術(shù)和無(wú)源工作站融為一體，從而保證信息無(wú)錯(cuò)傳輸。但當(dāng)要求MAP實(shí)現(xiàn)與加工同步傳輸NC程序時(shí)，它很難達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，這是由于MAP采用完整的七層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)存取費(fèi)用高、傳輸效率低、實(shí)時(shí)性差，因此不適宜于數(shù)控加工設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。 

    由上分析可知，異步串行通信接口RS232是最常用的數(shù)控系統(tǒng)通信接口，幾乎所有的數(shù)控系統(tǒng)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(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的今天，RS232接口在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域正在被一種新的USB接口所代替，從鍵盤(pán)、鼠標(biāo)到打印機(jī)、掃描儀，眾多基于USB的外設(shè)取代了昔日采用RS232接口的設(shè)備，那么在數(shù)控系統(tǒng)中，是否也可以采用這樣的一個(gè)新的USB接口技術(shù)呢？ 

    DNC通信系統(tǒng)中，當(dāng)多臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備同時(shí)加工某復(fù)雜零件時(shí)，由于NC程序龐大，數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存無(wú)法存放整個(gè)NC程序，只能采取DNC傳輸方式加工，這就有可能出現(xiàn)數(shù)控加工設(shè)備因暫時(shí)缺乏NC程序而加工停頓的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“通信競(jìng)爭(zhēng)”。通信競(jìng)爭(zhēng)在實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，例如，汽車(chē)覆蓋件沖壓模具橫加工的中途停頓會(huì)造成覆蓋件局部“聚光”現(xiàn)象，從而直接影響沖壓零件質(zhì)量。 

    引起通信競(jìng)爭(zhēng)的因素大致如下：

    (1) 參與聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控加工設(shè)備的數(shù)量m，數(shù)量越多，引起通信競(jìng)爭(zhēng)的可能性越大。 

    (2) 現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸速率、傳輸效率C和節(jié)點(diǎn)切換服務(wù)時(shí)間t。傳輸效率是指?jìng)鬏斢行ё止?jié)數(shù)占總傳輸字節(jié)的比例。 

    (3) 各數(shù)控加工設(shè)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(fù)雜型面型腔精加工則要求認(rèn)達(dá)到19200b/s以上。 

    (4) 數(shù)控系統(tǒng)程序消耗率pi，即數(shù)控系統(tǒng)每秒執(zhí)行程序的位(bit)數(shù)。pi波動(dòng)較大，但每個(gè)系統(tǒng)都有一個(gè)較確定的最大pi值； 

    (5) 數(shù)控系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)BUFFER的大小Qi； 

    (6) 各DNC通信前端單元數(shù)據(jù)緩沖區(qū)BUFFER的大小Si。 

    Si是需要優(yōu)化的量，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，可以得到：

    由式(1)可知，DNC通信前端單元數(shù)據(jù)緩沖區(qū)S的上限與Q、v、c、p相關(guān)：Q、v、c越大，P越小，則S上限越大。S的下限還與m、t相關(guān)：m、t越小，則S的下限越小。 

    式(2)表明了DNC通信系統(tǒng)連接相同數(shù)控加工設(shè)備而又不發(fā)生通信競(jìng)爭(zhēng)的最大數(shù)量：v、c越大，p、t越小，則m越大。如果DNC通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控加工設(shè)備臺(tái)數(shù)不滿足式(2)，則該系統(tǒng)一定會(huì)出現(xiàn)通信競(jìng)爭(zhēng)，這時(shí)只能通過(guò)降低所有或部分?jǐn)?shù)控加工設(shè)備的進(jìn)給速度等手段以減小加工程序的消耗率p，或者采用較高的傳輸速率，即提高v，所以采用具有較高傳輸速率的USB總線及接口可以解決DNC通信系統(tǒng)中的通信競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。 

    二、技術(shù)分析 

    USB接口相對(duì)于RS232接口的優(yōu)勢(shì)在于： 

    (1) USB總線提供了3種不同的數(shù)據(jù)傳輸速率：1.5Mb/s的低速數(shù)據(jù)傳輸、12Mb/s的全速數(shù)據(jù)傳輸、480Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸（USB2.0支持），而RS232的速率最高只有20kb/s，USB在加工曲率變化很大的曲面的時(shí)，高速數(shù)據(jù)傳輸具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 

   (2) USB理論上可支持多達(dá)127個(gè)外設(shè)，相對(duì)于RS232的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，采用USB接口的系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PC控制多臺(tái)NC，從而可大大提高效率、降低成本、便于控制，更有利于實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造。 

    (3) USB的有效連接距離是5m，可以通過(guò)集線器擴(kuò)展連接，最多可以擴(kuò)展到5級(jí)，達(dá)到30m的距離，而RS232在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)最大距離僅為15m。Icron公司開(kāi)發(fā)了Exterme USB技術(shù)，更是可以將USB設(shè)備擴(kuò)展到距離為500～2000m處。 

    (4) USB的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是支持熱拔插，這種特性非常適用于生產(chǎn)布局調(diào)整頻繁的環(huán)境。試想，當(dāng)需要增減NC或者NC出現(xiàn)故障需要停機(jī)維修時(shí)，可以直接將設(shè)備接入系統(tǒng)，一定可使生產(chǎn)調(diào)整時(shí)間大大降低。

    (5) USB還具有低價(jià)位、易使用、傳輸數(shù)據(jù)有較好的容錯(cuò)性等特點(diǎn)。