为适应当前市场发展的需要,传统制造业迫切需要改造升级,国家在对机械行业的产业政策中明确提出,要通过数控技术改造老设备等方式,使总体机床数控化普及率得到较大的提高,因而数控改造是大势所趋。然而,目前我国中小企业占有很大的比重,其加工特点是小批量、多品种,而对于这些企业要购买现成数控设备一次投资大,不适应我国国情,因而,改造是最好的方法。通过改造可以解决目前企业中普遍存在的矛盾:普通机床数量多与加工效率低的矛盾,数控机床费用高与企业资金缺乏的矛盾,市场竞争力日趋激烈与企业缺乏竞争力的矛盾等。
目前,市场上的数控系统虽然功能很多,但是价格高,其成本占整个改造成本的60%左右[ 1 ] ,作者针对中小企业的实际情况,提出一种基于嵌入式系统的数控系统解决方案,系统采用TMS320F2xxDSP和MCS - 51单片机为核心,具有灵活性高,性价比较高,软件升级方便等优点,即可用于普通机床的数控改造,又可用于机床生产厂家配套构成数控机床产品。
1 DSP和单片机简介
1.1 TMS320F2xxDSP的特点
采用哈佛体系结构、多处理单元、流水线结构及硬件乘法器,使大部分指令可在单指令周期内完成,因而具有运算速度快,适于进行密集运算的场合。
1.2 MCS251单片机的特点MCS251单片机相对DSP运算速度不快,然而它体积小、功能全、价廉,能够满足大多数的控制。另外,由于其存在时间长,因而可供利用的经验及资源很多,利于产品的开发。
DSP和单片机结构上的不同决定了应用场合的不同,单片机适合于控制密集的场合,而DSP适合于运算密集的场合。另外, DSP 的算法可以利用MATLAB编程简单,调试方便的特点进行模拟,从而保证了算法的正确性及可靠性。
2 数控改造的方法
目前的改造方法主要有:购买现成的数控系统+ PLC +伺服电机(含驱动器) +刀架电机(含驱动器) ;现有数控系统+步过电机(含驱动器) +刀架电机;工控机+DSP;工控机+现成数控系统+ PLC;PC /104 +现成数控系统。也就是说大部分的改造方案都是购买现成的数控系统。这样有一定的缺陷: (1)不便于今后升级; (2)未掌握核心技术,或无自主知识产权; (3)改造费用高。
基于DSP和单片机的数控系统,充分考虑价格因素。实践表明,该方案无论从经济性还是实用性方面讲都是可行的。
3 实例系统的构成
DSP和单片机均属于嵌入式系统的范畴, 用DSP和单片机作为数控系统的控制核心成功试制了一套数控系统,在武义机床厂试运行成功,该项目目前已进入验收阶段。该系统构成的嵌入式结构,具有结构灵活,升级方便,运行可靠等优点,该系统的进一步完善也在筹划之中,如果以此数控系统替代现有的系统可节约大量成本,提高该企业的市场竞争力。
3.1 系统硬件构架
该系统将显示与控制任务分别由单片机和DSP完成,而公共的数据通过双口RAM进行传递。由于DSP的高速运算能力,在系统中用于实现插补运算,完成实时的运算,为准确的控制创造条件。而单片机在系统中主要用于接收外部键盘的输入以及液晶屏幕的显示。不单纯用一块DSP来实现的原因在于:第一,将运算和键盘显示分开有利于加速开发过程,便于分工协作,实现同时开发不同部分,从而加快进度;第二,由于DSP和单片机分别实现不同的功能,因而互不干扰,这样编程相对简单;第三,可以减轻DSP的负担,实现更精确的控制;第四,对于增加系统的灵活性有好处,为今后系统的升级创造条件。
另外对于多处理器的系统结构之间的通信(数据交换) ,方法有:
(1) 串行通信。其缺点就是需要串并转换,降低传送速度;优点是适合于远程的数据交换。因而它不适合非分布式结构的系统。
(2) 并行传送,占用通道多。
(3) 采用公用存储器实现。
目前,已有的主从CPU 间的通信方式,或因结构复杂,或因传递效率低,都不能很好地满足本系统的要求,而近年来新型的双口RAM芯片却独具特点: ①具有两套完全独立的数据线、地址线、读/写控制线,允许两个CPU 对双端口存储器的同一单元进行同时存取; ②具有两套完全独立的中断逻辑来实现两个CPU 之间的握手控制信号; ③具有两套独立的“忙”逻辑,保证两个CPU 同时对同一单元进行读/写操作的正确性; ④兼容性强,读/写时序与普通单端口存储器完全一样,存取速度完全满足各种CPU 的要求。
因此,系统采用双口RAM进行数据的传递,简单并且易于实现,工作可靠,无论从硬件上讲,还是从软件上数据的传递都很方便快捷。数控系统的构成框图。
与单处理器方案相比,用此系统实现数控改造是经济而且实用的方案,在基本不增加硬件成本的条件下,可以大幅提升系统的控制精度。而且根据对加工的精度要求,可选用步进电机或是伺服电机,因而具有一定的灵活性。
由于机床工作环境复杂,电机的启停等外部干扰都会对系统的工作产生影响,为了防止外部干扰,在抗干扰方面,系统采用了一系列的抗干扰措施,如采用隔离变压器、光电隔离、滤波器等,提高了系统的可靠性,达到实用性的要求,其中芯片电源部分。
对于DSP的输入输出信号采用光耦隔离,有效地保证了DSP的安全。刀架电机与DSP之间的光耦隔离电路图。
外部主轴编码器可以实时测量主轴转速并进行反馈,以便在对主轴转速要求高的加工场合,比如螺纹的加工时,可以达到很高的精度。而主轴的转速我们利用其中的一路PWM3 /CMP3,在不影响电机的转动状况的前提下,我们改变PWM3 /CMP3的脉冲占空比,以期达到输出有效值的改变来控制机床主轴变频电机的变频控制器的有效输入,进而完成控制主轴电机的转速,从而实现主轴转速的无级调速。另外,对于一些开关量的输入和输出,采用隔离驱动,保证系统的安全以及可靠的动作,如主轴的开与关,刀架的正转与反转等。
使用液晶显示器作为人机交互的中面界面,操作方便,界面友好,其中液晶所需的负电源。利用片内Flash在断电时保存关键数据,有效地防止了加工数据的意外丢失。通过RS232 /RS485接口,可将数控加工程序通过串口以文件的形式保存在PC机中,也可以将PC机中写好的数控程序传送到数控系统中,使得程序的输入更加快捷方便,这样可以在多个数控系统之间进行加工程序的传送。
此系统可以实现数控中常用G功能、M功能、T功能以及S功能,采用X 轴和Z 轴的联动,可以使刀具完成直线、圆弧线及其组合的运动,通过主轴编码器的配合,可以完成螺纹以及攻牙等功能,也能完成一些常用组合加工功能,能够满足中小企业多品种、小批量生产的需要,因为对于中小企业而言,在保证可靠性的前提下经济性是至关重要的,而数控系统具有的功能的多寡并不是最主要因素。
3.2 软件设计
软件的设计采用模块化设计,每种功能都由相应的子程序相对应,方便程序的修改及再利用。其中单片机完成与PC机的通讯,键盘的输入以及屏幕数据的显示,DSP根据输入的数控程序实时运算出轨迹控制机床托板的运动,在对转速要求均匀的场合,如螺纹的加工时,从主轴编码器实时反馈来的信号能够保证在转速均匀时才进行加工。
软件是系统正常工作的又一重要基础,因而在抗干扰方面,系统中软件也采取了一系列抗干扰措施,如看门狗、软件陷阱、冗余语句等措施,保证软件的正常运行。
3.3 系统性能
该系统在武义机床厂进行了实地加工,达到实用性要求。该系统能够实现单轴运动和双轴联动,可进行直线、圆弧、螺纹等加工;实现八工位回转刀架的自动换刀;刀具偏差自动补偿;丝杆机械间隙自动补偿;掉电情况,自动保护用户程序;系统故障自诊断等。
系统可控制两轴联动,可最小设定1m单位,最大编程尺寸为8000. 000mm,切削速度6000mm /min,加工程序容量24KB。
另外,该系统还将陆续在其它厂家进行实际加工。
4 结论及展望
系统采用TMS320F2xxDSP和MCS251单片机为核心,充分利用DSP强大的运算功能完成实时的插补运算,从而实现高精度的控制,而将显示和与用户人机交互部分交由51单片机处理,即考虑到数控机床实时性的要求,又保证了一定的系统功能扩充的空间,是较为实用的方案,与仅用DSP或仅用51单片机相比具有灵活性高、性价比较高、实用性强、软件升级方便等优点;与使用工控机的实现方案相比在基本不降低系统性能的情况下可节省大量产品成本,因而,该产品即可用于普通机床的数控改造,又可用于机床生产厂家配套构成数控机床产品,因而适合于对我国中小企业进行数控改造或是用于生产数控机床的厂家使用。通过硬件及软件方面的一系列抗干扰措施可以有效地提高整机的可靠性,保证在加工现场工作的可靠性。该系统在武义机床厂等生产的数控机床进行实际加工测试时表现正常,能完成数控中常用G功能、M功能、T功能以及S功能,加工的产品能够达到实用的要求,表明该方案是可行的,也是可靠的。
另外,随着进一步的发展,可考虑通过DSP具有的CAN接口,通过CAN总线完成网络功能的添加,以满足日益发展的网络加工的需要。若想获得更好的系统性能,可在此基础上进行进一步的改进:如可以在本系统的基础上继续改进控制算法,使用更准确和智能化的精度和误差补偿算法;在机床托板X 轴和Z 轴方向上考虑安装实际位置检测装置实现全闭环等。
(审核编辑: 智汇张瑜)
