針對數(shù)控加工中復雜曲面的大數(shù)據(jù)量傳輸速度慢，造成通信競爭的缺陷，本文提出了在數(shù)控系統(tǒng)中的上位計算機與數(shù)控機床之間采用一種新的接口——USB接口來改造經(jīng)濟型數(shù)控機床的思想，并對相應的軟硬件的改進進行了論證。文中指出了數(shù)控機床實現(xiàn)USB接口的方法，并給出了在Windows系統(tǒng)下的USB驅(qū)動程序。由于采用USB接口后數(shù)據(jù)的傳輸顯著加快了，同時提高了經(jīng)濟型數(shù)控與PC相配置的靈活性和多樣性，從而為經(jīng)濟型數(shù)控機床拓展了網(wǎng)絡功能，解決了網(wǎng)絡化制造中因傳輸速率慢而導致的數(shù)據(jù)通信競爭的問題。 一、問題的提出 隨著網(wǎng)絡時代的到來，機械制造行業(yè)也面臨著如何適應網(wǎng)絡化制造的問題。于是將計算機技術、網(wǎng)絡技術和傳統(tǒng)的控制技術相結合，以采用PC為主控制器的數(shù)控系統(tǒng)正日益成為機械制造領域的熱點。PC化數(shù)控可以分為三種類型，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的擴展槽中。PC負責實現(xiàn)用戶接口、文件管理以及通信等功能，NC板則負責機床的運動控制和開關量控制。 2. 軟件CNC型 軟件CNC可以理解為用PC的概念和手段實現(xiàn)CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機，充分利用了PC的不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制和開關量邏輯控制。目前這一方案還有許多問題尚待解決，還停留在實驗室研究階段。 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，同時又得到了PC的柔性與開放性。 本文所討論的USB接口技術正是基于這種數(shù)控系統(tǒng)。這種連接數(shù)控設備與上位控制計算機的基本方法稱為DNC技術，是構成網(wǎng)絡化制造的最基本的一項應用技術。我國早期的經(jīng)濟數(shù)控系統(tǒng)大多由單板機改裝而成，需外接一個DNC接口板才能實現(xiàn)基本的DNC（下傳NC程序）功能，如圖1所示。 [align=center] 圖1 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的基本DNC通信接口[/align] 計算機與數(shù)控加工設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)濟型數(shù)控系統(tǒng)的通信接口。 （2）紙帶閱讀機輸入接口和紙帶穿孔機輸出接口。早期引進的數(shù)控系統(tǒng)通常具備該接口，如FANUC 7M系統(tǒng)。新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)己基本淘汰了此接口，但我國企業(yè)中還有—定數(shù)量包含此接口的數(shù)控加工設備。 （3）異步串行通信接口，如RS232、R5422、R485等。這是應用最普遍的一種通信接口，新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)幾乎都包含此類接口，它采用XON/XOFF、3964R、簡化3964等通信協(xié)議。 （4）DNC接口，如FANUC DNC2接口，這種接口可實現(xiàn)遠距離通信，具有出錯反饋與在線實時修改功能，便于遠程管理，但由于其結構復雜，通信軟件開發(fā)難度大，價格高，因此我國很少引進。 （5）網(wǎng)絡通信接口，主要有MAP接口、以太網(wǎng)接口和現(xiàn)場總線接口等，這類接口通信速率高、可靠性高，新開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)大多具有以太網(wǎng)接口選件、但我國引進的數(shù)控系統(tǒng)中很少配備網(wǎng)絡通信接口。 （6）MAP網(wǎng)采用MAP2.1和MAP3.O制造自動化協(xié)議，是目前應用較廣泛的工業(yè)網(wǎng)，它將寬帶技術、總線技術和無源工作站融為一體，從而保證信息無錯傳輸。但當要求MAP實現(xiàn)與加工同步傳輸NC程序時，它很難達到實時性要求，這是由于MAP采用完整的七層協(xié)議，網(wǎng)絡存取費用高、傳輸效率低、實時性差，因此不適宜于數(shù)控加工設備的聯(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。在計算機技術日新月異的今天，RS232接口在計算機應用領域正在被一種新的USB接口所代替，從鍵盤、鼠標到打印機、掃描儀，眾多基于USB的外設取代了昔日采用RS232接口的設備，那么在數(shù)控系統(tǒng)中，是否也可以采用這樣的一個新的USB接口技術呢？ DNC通信系統(tǒng)中，當多臺數(shù)控加工設備同時加工某復雜零件時，由于NC程序龐大，數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)存無法存放整個NC程序，只能采取DNC傳輸方式加工，這就有可能出現(xiàn)數(shù)控加工設備因暫時缺乏NC程序而加工停頓的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“通信競爭”。通信競爭在實際生產(chǎn)中往往會產(chǎn)生嚴重的后果，例如，汽車覆蓋件沖壓模具橫加工的中途停頓會造成覆蓋件局部“聚光”現(xiàn)象，從而直接影響沖壓零件質(zhì)量。 引起通信競爭的因素大致如下： （1）參與聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控加工設備的數(shù)量m，數(shù)量越多，引起通信競爭的可能性越大。 （2）現(xiàn)場總線傳輸速率、傳輸效率C和節(jié)點切換服務時間t。傳輸效率是指傳輸有效字節(jié)數(shù)占總傳輸字節(jié)的比例。 （3）各數(shù)控加工設備的通信傳播速率vi和傳輸效率ei（i=1～m）。vi通常為9600b/s，但復雜型面型腔精加工則要求認達到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波動較大，但每個系統(tǒng)都有一個較確定的最大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，通過建立數(shù)學模型，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：Q、v、c越大，P越小，則S上限越大。S的下限還與m、t相關：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)控加工設備而又不發(fā)生通信競爭的最大數(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)控加工設備臺數(shù)不滿足式（2），則該系統(tǒng)一定會出現(xiàn)通信競爭，這時只能通過降低所有或部分數(shù)控加工設備的進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)中的通信競爭問題。 二、技術分析 USB接口相對于RS232接口的優(yōu)勢在于： （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，高速數(shù)據(jù)傳輸具有明顯的優(yōu)勢。 （2）USB理論上可支持多達127個外設，相對于RS232的點對點連接，采用USB接口的系統(tǒng)有可能實現(xiàn)一臺PC控制多臺NC，從而可大大提高效率、降低成本、便于控制，更有利于實現(xiàn)協(xié)同制造。 （3）USB的有效連接距離是5m，可以通過集線器擴展連接，最多可以擴展到5級，達到30m的距離，而RS232在數(shù)據(jù)傳輸時最大距離僅為15m。Icron公司開發(fā)了Exterme USB技術，更是可以將USB設備擴展到距離為500～2000m處。 （4）USB的另一個顯著特點是支持熱拔插，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，當需要增減NC或者NC出現(xiàn)故障需要停機維修時，可以直接將設備接入系統(tǒng)，一定可使生產(chǎn)調(diào)整時間大大降低。 （5）USB還具有低價位、易使用、傳輸數(shù)據(jù)有較好的容錯性等特點。 　　從以上分析不難看出，數(shù)控系統(tǒng)采用USB接口是具有很多便利的，相對于RS232接口是一種技術提高。我們更進一步地提出一種便捷的中小型加工制造網(wǎng)絡的模式，如圖2所示。 [align=center] 圖２ 采用USB接口后的網(wǎng)絡拓撲結構[/align] 三、技術改造方法 將經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)上的RS232接口改造成USB接口，需要從軟、硬件兩個方面進行。 1. 硬件改造 在PC端，一般時下主流機型都支持USB接口，部分高檔PC甚至支持USB2.0。對于不支持USB的PC也可以采用主板插入USB擴展卡的辦法解決。關鍵改造在于DNC接口板。一種方法是采用USB/RS232的轉(zhuǎn)換器，其結構如圖3所示。 [align=center] 圖3 USB/RS232的轉(zhuǎn)換器結構圖[/align] USB/RS232轉(zhuǎn)換器一般由USB接口模塊、UART接口模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和協(xié)議控制單元組成。USB接口模塊主要提供與USB總線的連接，它實現(xiàn)一般USB設備的所有功能，與PC上的USB口相連；UART接口則實現(xiàn)標準RS232接口的所有功能，與DNC接口板的RS232接口相連；協(xié)議控制單元通過接受USB接口的命令，對UART接口進行配置（配置通信波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、起始/停止位、流控信號等）。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用來臨時保存雙方的數(shù)據(jù)傳輸工程中的數(shù)據(jù) 另一種改造方法是直接改造DNC接口板，增加USB模塊。圖4是改造后的硬件結構。 [align=center] 圖4 改造后的DNC接口板結構[/align] 其中，SIE是串行接口引擎，是USB接口的核心模塊。如果CPU包含了USB接口，則CPU直接與負責實現(xiàn)USB協(xié)議要求主要功能的SIE核心模塊連接，否則，CPU則需通過串行總線，如I2C或數(shù)據(jù)地址線I/O口與SIE相連。 兩種硬件改造在USB接口實現(xiàn)上有本質(zhì)的區(qū)別：前者USB/RS232轉(zhuǎn)換器所用的USB芯片屬于USB接口芯片，從硬件結構上來說僅包含USB的串行接口引擎（SIE）、FIFO內(nèi)存、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器等芯片；后者則屬于內(nèi)含USB單元的微處理器（MPU），即芯片包含了增強版的8051核心，可以通過I/O與原有CPU相連，甚至可以直接去驅(qū)動步進電機，完成數(shù)控任務。 2. 軟件設計 （1）USB/RS232 這種結構可以直接使用，不需要另外編制驅(qū)動程序。 （2）對直接改造DNC接口板的，要采用EZ-USB的固件開發(fā) 可以使用Cypress USB仿真器軟件——Cypress Lab中的Keil C Complier工具。該應用程序是由Cypress半導體公司為配合USB芯片組的開發(fā)所研制出來的。通過編制相應程序，可將編譯后的文件直接燒錄至EEPROM中，從而完成USB的固件設計。也可以采用CYASM匯編語言，這是一種只有38個精簡指令的編譯器程序，同樣將編譯好的16進制格式文件（.hex）燒錄至EEPROM中使用。其主要功能是控制EZ-USB芯片接受并處理USB驅(qū)動程序的請求（請求設備描述符、請求或設置設備狀態(tài)、請求設備設置、請求或設置設備接口等共11種USBl.1標準請求）；控制EZ-USB芯片接受應用程序的控制指令；控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集；通過EZ-USB存儲數(shù)據(jù)并實時上傳PC機。 （3）在Windows系統(tǒng)下編制USB驅(qū)動程序 USB總線是支持熱插拔的，當Windows檢測到一個新的USB外設時，必須做的一件事情是找出應該使用哪個設備驅(qū)動應用軟件來與設備通信，然后再載入選定的驅(qū)動。這是Windows設備管理器的工作，設備管理器使用類、設備安裝器和INF文件來找到這個匹配。當Windows列舉新的USB設備時，設備管理器把所有INF文件中的數(shù)據(jù)（設備供應商和產(chǎn)品的ID，也稱作VID和HD，以及制造商、供應商名字和描述符等）與在列舉時從設備獲得的描述符中的信息做比較。找到匹配之后，Windows系統(tǒng)注冊表將保存所有已安裝設備的信息。在位置HKEY_L0CAL_ MACHINE\Enum\ USB處，將列出所有的USB設備。 由于在Windows 98中提供了USBD（USB系統(tǒng)驅(qū)動程序），且USBD又給用戶提供了直接支持的USB DI，用戶在編寫USB驅(qū)動程序時，只需配置滿足USB要求的URB（USB請求塊），并通過USB DI發(fā)送下去，即可實現(xiàn)對USB設備的控制。設備驅(qū)動是保證應用程序訪問硬件設備的軟件組件，一個設備驅(qū)動使得應用程序不必知道物理連接、信號和與一個設備通信需要的協(xié)議等的細節(jié)。應用程序可以使用一套操作系統(tǒng)支持的函數(shù)與設備驅(qū)動進行通信。用于讀寫USB設備的API函數(shù)是Creat Ne、Device Io Control或Read File和Write File。 把所有與設備有關的驅(qū)動操作編譯為DLL，提供給應用程序使用。應用程序無需知道操作設備的細節(jié)，只需知道DLL的接口函數(shù)即可。下面給出對USB設備基本操作函數(shù)的例子。 CreateFile（TEXT（"\\\\.\\Ez-USB"）,GENERIC_READ,FILE_SHARE_ READ|FIlE_SHARE_WRITE，NULL,OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED,NULL） 第1個參數(shù)是需打開的設備名；第2和第3個參數(shù)分別為授權讀寫和共享模式；第4個參數(shù)為安全屬性，一般為NULL；第5個參數(shù)為打開方式（對USB設備來說應該是打開已存在的）；第6個參數(shù)是異步交替模式；第7個參數(shù)為模板文件，這里并不需要。函數(shù)返回值為設備指針。 Device Io Control（hUSB, （DWORD）wFuncNum, （PVOID）pParam, （DWORD） dwSize,NULL,0,&Returned,NULL） USB為通過CreatFile所獲得的設備指針；wFunHum為設備操作代碼，具體可查閱CYPRESS公司或USBD提供的標準代碼；pParam為執(zhí)行操作的請求數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針；dwSize為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小，緊跟其后的兩個參數(shù)分別為操作的輸出數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)指針和大小，一般為NULL和0即可；Returned為操作返回指針；最后一個參數(shù)為異步操作，為NULL即可。 使用前先定義好請求數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，獲得設備指針后即可用相應的操作代碼對USB設備進行操作了。 以上的設備驅(qū)動程序和上層應用軟件已在VC6．0下調(diào)試通過。 四、總結 通過上述的軟\硬件改造，使經(jīng)濟型數(shù)控與PC之間具備了一個新的接口——USB接口。這種改造有助于提高經(jīng)濟數(shù)控系統(tǒng)與PC相配置的靈活性和多樣性，甚至我們可以用1臺PC來控制一條小型流水線上的所有NC。這不僅大大減少了安裝、配置時間，降低了故障率，減少了操作工人數(shù)量，更可以與相關軟件配合，實現(xiàn)并行制造，使ＮＣ的利用率達到最大，并使經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)擴展了網(wǎng)絡功能，可以通過PC連入Internet/Intranet，實現(xiàn)網(wǎng)絡化制造。