1、面向网络化制造开放式数控系统的设计1 前言1.1 数控系统的发展简史1946年世界上第一台电子计算机诞生了，他为人类进入信息社会奠定了基础。半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信息技术，既通过电视，现代通信等提高了人类生活的质量，还促进生产力飞速向前发展。六年后，即在1952年，网络化被用到了数控系统上。美国诞生了世界上第一台数控机床。网络技术及制造技术得到了很大发展，在整个机械制造业是一项很大的技术进步。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控机床发生了飞速的发展。19521970年是数控阶段的发展。由于当时的计算机技术还不成熟，不能够满足机床的实时控制。专家们就利用数字电路组成的
2、计算机作为当时的数控系统，在当时被称为数控。在这里数控系统发生了三个时代的变化：即电子管时代、晶体管时代和小部分的集成时代。这一阶段数控系统还是起步阶段，总的发展还比较缓慢。1970年至今被称为计算机数控阶段。当时计算机的运算速度有了很大的提高，而且成本比以前的要低，可靠性比以前的要高。1971年美国的INTEL公司将运算器和控制器采用大规模集成电路集成在一块电路上，制成了微处理器。1974年微处理器被应用于数控系统。到1990年个人计算机的功能已得到很快的发展，使得他成为数控系统的最主要部件，数控系统从这以后就进入PC机的时代。在这个阶段数控系统也发生了三个时代的变化，1970年是“小型计算
3、机”时代；1974年是“微处理器”时代；1990年是“基于PC机的时代。这一阶段数控系统得到了飞速的发展，也大规模的得到使用。我国从1958年起，开始了对数控系统的研制和开发。但当时的发展比较缓慢，水平也比较低。在改革开放以后，我国的数控技术逐步得到了发展。到1979年，我国数控水平大致达到了发达国家60年代后期的水平。从80年代开始，我国采取了新的发展方针，暂时引进国外的数控装置和伺服驱动系统，满足国产机配套的要求，取得了显著的成绩。尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。目前我国的国产数控系统主要为经济型，高档数控市场的95%仍
4、被国外占据。总之，由于网络化技术的发展，使得智能数控系统开始得到发展，他打破了以前各数控厂家采用互不兼容的专用系统的发展模式，提供了开放式的基础，是升级换代及系统的维护变得非常的灵活方便，也使得数控系统的使用率和加工效率得到了很大的提高1。1.2 开放式数控系统的发展现状及趋势自1949年美国帕森斯公司试制成功了世界上第一台数控机床以来，数控系统的硬件发生了很大的变化。从一开始的采用电子元件，到现在的采用微型电子计算机和微处理器组成的系统。近些年，大部分数控系统生产商开发了新的数控系统技术，而这些都是基于个人计算机丰富的资源，基于PC-NC技术的智能数控系统开始得到发展。开放式体系结构使数控系
5、统有更好的通用性、柔性、适应性，并向智能化、网络化方向大大发展，目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。随着现代技术的不断发展和进步，开放式数控将成为数控技术发展的必然趋势。开放式数控机床将向着高速化方向发展，大幅度的提高加工效率，还可以提高零件的加工精度。随着人工智能在计算机领域的不断发展，数控系统将会朝着智能化方向发展。例如：程序的编写；操作界面的简化；工艺参数的自动生成；电机参数的自适应运算等等都将会是智能化。另外，在未来，数控系统还会向着信息化和网络化的方向不断发展。数控系统方面的变化主要有：主控机向多位微处理机方向发展；数控装置向集成化、智能化、信息化方向发展；数控系统向模块化结构设计
6、方向的发展；数控程序的编写向图形化及智能化方向发展；数控系统将更加注重人机交互的宜人性2。1.3 数控系统的网络化随着计算机技术的发展，自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成为基础的信息系统。数控系统的网络化就是在这种趋势发展下新型的技术，他以其开放式、数字化、信息化、智能化等技术推动了工业自动化的发展。网络化制造技术是基于Internet技术的发展而发展起来的。包括有企业与企业之间的网络化可以实现企业间的资源共享，实现优势互补；通过网络实现产品的异地制造，降低生产成本；有制造环境及整个企业的网络化来实现企业的工程设计及信息管理系统的集成；网络化制造模式的不断扩大。通过建立网络化的数控程序
7、加工系统，就可以充分利用互联网制造资源，把分布在不同地区的生产设备资源进行整合，充分利用资源互补的优势，实现网络化设计、网络化制造、网络监控、网络营销及网络管理等功能，从而提高机床的使用效率和加工效率，降低产品的加工成本，充分的利用生产设备，提高企业的经济效益。网络化制造开放式数控系统是目前数控系统的研究热点，网络数控系统以其开放式和网络功能为数控系统的发展提供了很好的技术条件。在未来，网络化将会成为数控系统的主要发展方向3。1.4 国内网络化制造数控系统技术的发展现状及趋势我国的数控技术近20年的发展，基本上掌握了关键技术，并初步形成了自己的数控产业。国内对网络制造的研究非常重视，其中网络化
8、知道模式在企业里得到越来越广泛的关注和应用。国内众多专家和学者对这一技术进行了深入的研究，阐述了网络经济时代的变化和特点，指出网络化制造模式的必然性，归纳出了支撑网络化制造的技术体系4。但我国的电子工业基础薄弱，系统的可靠性和智能化发展还比较缓慢，低档的经济型数控机床所占的比重较大。总体的技术水平和世界发达国家相比还有一定距离。我国是个制造业大国，数控技术的发展直接反应一个国家制造业发展的水平。所以我国制造业面临着调整和优化的艰巨任务。由于我国各个生产单位采用不同的生产标准，所以不同的设备之间无法实现信息交换，不同的软件无法实现信息的传输和数据的共享。如今，我国使用的机床多数都带有如RS232
9、的通信接口。可以通过对数控机床内部的改造使其具有网络化制造功能。对于单台的加工中心，可以通过RS232接口直接和计算机相连实现通信功能。对于大型工厂来说可以组建局域工业网或以太网，来实现数控机床与计算机之间的连接。因此，我国网络化制造数控系统技术可以朝一下几方面方向研究：1) 利用数控机床与计算机之间的通讯软件进行数据传输，实现并行作业。2) 根据设计路线和程序编制建立网络服务器，实现计算机的联网控制。3)建立机床和网络的并行控制，创建网络化数控实训基地。4)通过仿真预先验证加工程序的正确性。5)在验证的基础上，对所取得的数据信息进行分析，总结出总的设计方向。1.5 课题研究的意义和内容网络化
10、制造开放式数控系统使得各个生产设备之间能进行信息的交换和数据的传送。他研究意义为： 1) 我国是制造业大国，对网络化制造开放式数控系统有很大的需求和推动力。 2) 我国数控系统技术的发展还比较缓慢。 3) 对于激烈的国际市场竞争，通过对系统的研发，可以提高我国制造的产品在国际市场的竞争力。 4) 网络化制造开放式数控系统具有高精度、高效率、柔性自动化等很多优点。本课题研究的是以一种经济可行的方法应用于现代数控机床，使其适应计算机网络化制造的需要。通过对于作为异步串口通信RS-232的机床的设计，采用串行服务器，实现数据之间的传输。数控系统的远程调用主要就是实现对NC程序的上传和下送，而这些是在
11、网络化数控机床在生产时不太容易实现的。依据机床的生产效率，合理的分配各个机床的加工步骤，将程序储存在机床中。通过远程网络将这些程序调用到各台机床，使得各台机床能联网工作5。2 X-Y轴铣床数控工作台的设计2.1 设计的主要参数设计一台X-Y轴铣床数控工作台，设计的主要参数为： 1)最大加工尺寸为210210mm； 2)Z向最大切削力2000N,X、Y向最大切削力为1500N； 3)工作台的重量为900N； 4)伺服驱动使用步进电机； 5)快速移动速度为3m/min,最大进给速度1.0m/min,启动加速时间为30ms； 6)使用年限为10年，每年工作300天，每天单班工作6。2.2 选择脉冲当
12、量根据机床精度要求，适当确定脉冲当量：纵向为0.01mm/步，横向为0.01mm/步。2.3 切削力的选择根据机床要求，查阅相关资料7，选取切削力为：Fz=2000(N)；Fx=Fy=1500(N) 。 2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型2.4.1 纵向进给丝杆（Y向）的计算和选型(1) 计算进给牵引力Fm（N）。纵向进给为综合型导轨 Fm=KFy + f(Fz + G) =1.151500+0.16(2000+900)=2189(N) （2.1）式中 K考虑颠覆力矩影响实验系数，综合导轨取K=1.15； f滑动导轨摩擦系数：0.150.18；滚动导轨：f=0.00250.005； G溜板及刀
13、架重量：G=900N。(2) 计算最大动载荷C （2.2） （2.3） （2.4）式中 Lo滚珠丝杠导程，初选Lo=6mm； Vs 最大切削力下的进给速度，适当的选取最高速度的(1/21/3)；此处 Vs=1.0m/min; T 使用寿命，按24000h； fw 运转系数，按一般运转取fw=1.21.5； L 寿命，以106转为1单位。 （2.5）（2.6）（2.7）(3) 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅手册7，可选取W1L3006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为14200N，精度等级选3级(大致相当于老标准E级)。(4) 传动效率计算 （2.8）式中 螺旋升角，
14、W1L3006 =3o39； 摩擦角取10；滚动摩擦系数0.0030.004。 （2.9）2.4.2 横向进给丝杆（X向）的计算和选型(1) 计算进给牵引力Fm Fm=KFy + f(Fz + 3G) =1.151500+0.16(2000+2700)=2477(N) （2.10）(2) 计算最大动载荷C （2.11） （2.12） （2.13）(3) 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅手册7，可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动载荷为16400N，精度等级选3级(大致相当于老标准E级)。(4) 传动效率计算 （2.14） 2.5 步进电机的计算和选型2.5
15、.1 纵向进给步进电机的计算(1) 等效转动惯量计算查阅相关资料7,传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算：式中 JM步进电机转子转动惯量(kgm2) Js滚珠丝杠转动惯量(kgm2) 参考书目，初步选取反应式步进电机75BF003，其转子转动惯量JM=0.16kgcm2 Js=0.7810-33430=1.8954kgcm2 W=900N代入上式： =2.8937（kgcm2） （2.15）(2) 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各个阶段计算1) 快速空载起动力矩M起具体计算公式如下： M起=Ma max + Mf + M0 将前式数据代入，式中各符号意义
16、同前。 （2.16）启动加速时间ta=30ms （2.17）折算到电机轴上的摩擦力矩Mf （2.18）附加摩擦力矩M0 （2.19） M起=Mamax +M0=63.098（Ncm） （2.20）2) 快速移动时所需力矩M快。 M快=Mf + M0=55.41 + 16.556=71.966（Ncm） （2.21）3) 最大切削力负载时所需力矩M切 M切=Mf+ M0 + Mt M切=69.04（Ncm） （2.22） 上面计算可以看出，以这三种工况作为初选步进电机的依据。 当步进电机为三相六拍时最大静力矩 （2.23） 按此最大静转矩查出，75BF003型最大静转矩为88.2Ncm。故可选他
17、作为纵向进给步进电机。2.5.2 横向进给步进电机的计算(1) 等效转动惯量计算总的转动惯量： 参考同类型机床，初选反应式步进电机90BF004，其转子转动惯量JM=1.8（kgcm2） Js=0.7810-34430=5.9904（kgcm2） （2.24） W=900（N） （2.25） 代入上式： （2.26）(3) 电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各个阶段计算1) 快速空载起动力矩M起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M起=Ma max + Mf + M0将前式数据代入，式中各符号意义同前。 （2.27）启动加速时间ta=30ms
18、（2.28）折算到电机轴上的摩擦力矩Mf （2.29）附加摩擦力矩M0 （2.30） M起=Mamax +M0=188.138 + 18.74=206.878（Ncm） （2.31）2) 快速移动时所需力矩M快。 M快=Mf + M0=89.8 + 18.74=108.54（Ncm） （2.32）3) 最大切削力负载时所需力矩M切 M切=Mf+ M0 + Mt M切=194.336（Ncm） （2.33） 上面计算可以看出，以这三种工况作为初选步进电机的依据。当步进电机为五相十拍时 最大静力矩 （2.34）按此最大静转矩查出，90BF004型最大静转矩为245Ncm。故选他作为横向进给步进电机
19、。2.6 完成后的铣床工作台如下图：图2.1 X-Y轴数控铣床工作台3 数控系统网络化的实现3.1 引言数控机床具有很多优点，包括：自动化程度高、生产的产品质量稳定、加工误差小等等。近几年，数控机床在国内得到迅速的发展。但纵观国内数控机床的使用情况，有很大一部分机床的使用率还不高，效率也没有得到充分发挥，主要原因就是很多数控系统没有实现网络化，有的还没有通信接口。所以通过实现数控系统的网络化，利用数控机床和计算机之间的通讯软件来进行数据传送，让他们实现并行作业，可以提高数控机床的使用率和效率。3.2 异步串行接口的设计和研究 所谓异步串行通信是指具有不规则数据段传送特性的串行数据传输，异步通信
20、数据帧的第一位是开始位，当数据线上没有数据时处于逻辑“1”状态。当机器要发送一个数据时，首先会发送逻辑“0”信号，而这个逻辑低电平就是起始位。它通过传送线传向接收设备，当接收设备查收到逻辑低电平后，就会开始准备接收这个信号。所以，起始位的作用是表明字符传送开始。 3.2.1 RS-232C通信接口简介串行通信所需要的数据线少，在远距离传送时比并行通信造价低，但一个数据要经过若干次以后才可以传送完，速度比较慢。RS-232C是一种异步串行接口，目前，由于通信设备生产商生产的设备多数与RS-232C通信标准相兼容，使得该标准的应用范围非常广泛。RS-232C是计算机用来与modem(调制解调器)及
21、其它串行设备交谈或交换数据的接口。在PC的某处，一般是主板上的通用异步收发器（UART）芯片，计算机上的数据从它的数据终端设备（DTE）接口传送到一个内置或外置的modem上（或其他的串行设备）。另外，此接口可以连接各种不同类型的微型计算机，使它们可以直接通信8。3.2.2 RS-232C标准（协议）RS-232C标准协议一开始是为远程末端通信设备与数据通信设备而设定的。232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前有RS-232B和RS-232A。其中机械特性、电气特性、信号功能、引脚定义、传送过程以及连接电缆都是它规定的。3.2.2.1 RS-232C的电缆连接在两台
22、PC机之间，可省略调制解调器（DCE），在两个DTE可直接连接，这时的连接被称为“空MODEM”接法，也称双交叉环回接法。这种接法不仅满足实际的通信需要，还简化了通信设备、降低了成本，所以这种接法在通信中得到了广泛的应用。3.2.2.2 RS-232C的电气特性 电气特性是确定接口的电平和电压变化的定量关系。RS-232C标准将其定义如下：如果传输的电压的绝对值比3V大时，电路就可以检测出来。当它在-3V和3V之间时，是处于模糊区。在RXD和TXD上，逻辑1（MARK）在-3V到-15V之间，逻辑0（SPACE）在+3V到+15V之间。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上，当电压
23、在+3V和+15V之间时，表明信号有效（接通、ON状态、正电压）。在-3V和-15V之间时，表明信号无效（断开、OFF状态、负电压）。 上面的规定指出了RS-232C标准对应逻辑电压的规定。对于介于-3V+3V之间的电压处于模糊区电位，此部分电压将使得计算机无法正确判断输出信号的意义，可能得到0，也可能得到1，如此得到的结果是不可信的，在通讯时候体系的是会出现大量误码，造成通讯失败。因此，实际工作时，应保证传输的电平在+3+15V或-3V-15V之间。3.2.2.3 RS-232C机械特性RS-232C标准中出现了DB-9、DB-15、DB-25等各种类型的连接器。其机械特性和实际的连接有关。
24、其规定大体如下：RS-232C是一个具有25个引脚的连接器，每个引线都有了明确的安排。RS-232C的机械接口一般是有9针、15针和25针这些类型。一般来说，标准的RS-232C接口使用的是25针的连接器，如插座。下面介绍下最常用的两种连接器DB25和DB9：DB25连接器：它有25根信号线，被分为4组：有9个异步通信电压信号：2、3、4、5、6、7、8、20、22；9个20mA信号：12、13、14、15、16、17、19、23、24；空6个：9、10、11、18、21、25；保护地（PE）1个，它是用来给设备的接地端（1脚）。DB-9连接器：DB-9型连接器与DB-25型的引脚分配刚好完全
25、不同。因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。9针接头定义：PIN1DCD；PIN2RXD；PIN3TXD；PIN4DTR；PIN5GND；PIN6DSR；PIN7RTS；PIN8CTS；PIN9RL。9芯D型信号名称与引脚分配如下表3.1。表3.1 9芯D型信号名称与引脚分配引脚信号名称信号方向说明1DCDMODEMPC数据载波检测2RxDMODEMPC接收数据3TxDMODEMPC发送数据4DTRMODEMPC发送终端准备5GNDMODEMPC信号地6DSRMODEMPC数据设备准备好7RTSMODEMPC请求发送8CTSMODEMPC清除发送9RIMODE
26、MPC振铃指示 25针的RS-232C和9针的RS-232C之间要用专业的电缆将其连接起来。DB25与DB9接口接线图如下图所示。GNDTXDRXDRSTCTSDSRDCDDTRGNDRXDTXDCTSRSTDCDDSRDTR DB25 DB9 7 5 2 2 3 3 4 8 5 7 6 1 8 6 20 4图3.1 DB25与DB9接口接线图3.2.2.4 RS-232C的功能特性RS-232C标准接口有25条线：4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线。常用的只有9根：数据装置准备好（DSR）有效时（ON）状态，表示MODEM是可以被使用的。数据终端准备好（DTR）有效时（
27、ON）状态，表明这时数据终端是可以被使用的。 请求发送（RTS）它是表示DTE来请求DCE给发送数据，即当终端要发数时，信号有效（ON状态），就会向MODEM请求发送数据。这是用来控制MODEM是否要准备发送。 允许发送（CTS）它是表明DCE准备好接受DTE发来的数据，这是对请求发信号的响应信号。当MODEM已弄好传输来的数据时，这个信号就会有效，并通知终端准备沿数据线TXD来传输数据。接收信号检出（RLSD）是用来表明DCE已接通数据链路，并告诉DTE准备来接收数据。当MODEM接收到由通信链路的另外一端（远地）的MODEM传送来的信号时，RLSD信号就会有效，这时会通知接收端接受数据，并
28、由MODEM将收到载波信号变换成数字量数据后沿数据线RXD送到终端。次线也叫做数据载波检出（DCD）线。 振铃指示（RI）当MODEM接收到交换台传送来的振铃指示信号时，这个信号就会有效（ON状态），并通知终端，表示被呼叫。 发送数据（TXD）表示通过TXD终端将数据信号传送到MODEM。接收数据（RXD）通过RXD线终端接收从MODEM发来的串行数据。两根地线SG线和PG线信号地和保护地信号线，无方向9。3.3 电路设计中主要元器件介绍3.3.1 单片机：AT89C51单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工
29、业控制领域。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。AT89C51是一款8位单片机，为许多嵌入式数控系统提供了不仅灵活而且价格便宜的方案。3.3.2 锁存器：74HC373 74HC373是一款8位锁存器，常用于地址所存及输出口的扩展，共有54/74S373 和 54/74LS373 两种线路。373的输出端O0O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可以用作驱动负载。当OE变为高电平时，O0O7呈高阻态，这时它即不被用来驱动总线，也不作为
30、总线的负载。而当锁存允许端LE变为高电平的时候，O就会随数据D的变化而变化。而当LE成为低电平的时候，O就会被锁存在已经建成的数据电平中。而当LE端触发器具有输入滞后作用时，使交流和直流噪声抗扰度会被改善 400mV。3.3.3存储器：62256 62256是一款32K的低功耗静态RAM储存器，采用单一+5V电源供电，双列直插式28引脚封。6255引脚功能如下表：表3.2 6255引脚功能A0A14地址总线D0/D7输入/输出口CS端口选择WE输入始能OE输出始能VCC电源始能VSS接地 3.3.4 74HC245 74HC245是总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。由于单片机等CPU的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。 图3. 2 74HC245实物图3.3.5三端稳压器7805 输入在7.5到24伏并且电流充足的情况下可以稳定5V输出。产品中经常见到的三
