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(yīng)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bbbbbbs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(luò)功能，解決了網(wǎng)絡(luò)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(luò)時代的到來，機械制造行業(yè)也面臨著如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化制造的問題。于是將計算機技術(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)正日益成為機械制造領(lǐng)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(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(guān)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(shù)，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(shù)正是基于這種數(shù)控系統(tǒng)。這種連接數(shù)控設(shè)備與上位控制計算機的基本方法稱為DNC技術(shù)，是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化制造的最基本的一項應(yīng)用技術(shù)。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。

圖1 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的基本DNC通信接口

    計算機與數(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(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(jié)構(gòu)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(luò)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(luò)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(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(luò)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(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。在計算機技術(shù)日新月異的今天，RS232接口在計算機應(yīng)用領(lǐng)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(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新的USB接口技術(shù)呢？ 

    DNC通信系統(tǒng)中，當多臺數(shù)控加工設(shè)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(shè)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(shè)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(wù)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(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(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(shè)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(shè)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(shù)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(shè)，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(shù)，更是可以將USB設(shè)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(shè)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。