摘要：本文基于華中數(shù)控（HNC）系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)與開發(fā)了一款國(guó)產(chǎn)CMC芯片的低成本數(shù)控裝置,并詳細(xì)介紹了該裝置的硬件設(shè)計(jì)原理和軟件設(shè)計(jì)原理。其功能與性能經(jīng)過實(shí)際測(cè)試與驗(yàn)證，滿足數(shù)控系統(tǒng)車削和銑削加工的需求，為CMC芯片在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個(gè)方案。
關(guān)鍵詞：CMC芯片；數(shù)控裝置；數(shù)控系統(tǒng) 文／武漢華中數(shù)控股份有限公司 謝淑蓮 李理 徐建春
Abstract: This paper based on software and hardware platform of HNC, one kind of numerical control device with low cost was designed and developed. Especially the principle of the hardware and software of the NC device were introduced on detail. Through practical function and reliability test and certification, It can meet turning and milling machining of numerical control system. The result demonstrated that one method can be provided for CMC chip’s application in numerical control field.
Keywords: CMC chip； numerical control device； numerical control system
1. 引言
目前，國(guó)產(chǎn)低檔數(shù)控裝置在市場(chǎng)上居統(tǒng)治地位。但中高檔數(shù)控裝置市場(chǎng)基本被Fanuc和Siemens所壟斷，其中中檔數(shù)控裝置國(guó)外占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)80%以上的市場(chǎng)，而高檔數(shù)控裝置的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)幾乎被國(guó)外產(chǎn)品全部占領(lǐng)。這種現(xiàn)狀不僅對(duì)我國(guó)民族數(shù)控產(chǎn)業(yè)本身的發(fā)展不利，對(duì)制造裝備業(yè)發(fā)展不利，而且難以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大行業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控裝置的需求。隨著航空航天、船舶工業(yè)、重大裝備、汽車及零部件制造業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大行業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控裝置需求的增加，如果這些裝備的高檔數(shù)控裝置（特別是核心芯片）繼續(xù)依賴進(jìn)口，勢(shì)必將影響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的持續(xù)健康發(fā)展。國(guó)產(chǎn)CMC芯片應(yīng)用，將突破國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)外國(guó)芯片的依賴，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)核心部件的國(guó)產(chǎn)化，給國(guó)家和民族制造業(yè)帶來可觀的效益。同時(shí)也達(dá)到“研制先進(jìn)的、具有自主核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的片上控制模塊（Control Module on Chip，簡(jiǎn)稱CMC）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CMC系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)新一代控制系統(tǒng)的技術(shù)變革，形成完全分布、獨(dú)立而又聯(lián)合的新一代控制體系結(jié)構(gòu)，初步建立我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的片上工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，大幅度提高我國(guó)先進(jìn)控制系統(tǒng)水平，使我國(guó)在工業(yè)控制技術(shù)上走向國(guó)際前列”的最終目標(biāo)。
2. 國(guó)產(chǎn)CMC芯片簡(jiǎn)介
國(guó)產(chǎn)CMC運(yùn)動(dòng)控制芯片（以下簡(jiǎn)稱“芯片”）是將組態(tài)處理、程序存儲(chǔ)、信號(hào)輸入輸出、控制算法、通訊接口等全部集成在一個(gè)芯片中的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)的主要功能可以簡(jiǎn)述為:片內(nèi)邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制，程序處理及調(diào)度管理，數(shù)字量信號(hào)處理，多種數(shù)據(jù)接口通信。使用芯片的組態(tài)軟件進(jìn)行邏輯控制程序和運(yùn)動(dòng)控制程序的編程，將編寫的程序下載到芯片的片內(nèi)存儲(chǔ)器中。根據(jù)用戶的程序，對(duì)輸入的各種信號(hào)（包括從通信接口傳入的信號(hào)）進(jìn)行處理運(yùn)算，并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)輸出。
邏輯控制主要包括對(duì)上層用戶編寫并經(jīng)過編譯的邏輯控制程序（如梯形圖、IL、ST等）進(jìn)行執(zhí)行處理。運(yùn)動(dòng)控制主要包括對(duì)上層用戶編寫并經(jīng)過編譯的運(yùn)動(dòng)控制程序（如G代碼）進(jìn)行執(zhí)行處理。數(shù)字量處理主要包括開關(guān)信號(hào)、頻率信號(hào)處理，脈沖信號(hào)輸入輸出，PWM輸出，正交編碼器輸入等。
芯片集成了Flash、SRAM、通用定時(shí)器、PLL、實(shí)時(shí)鐘，以及以太網(wǎng)MAC、UART、CAN、SPI、I2C等多種通信接口。
3. CMC數(shù)控裝置硬件設(shè)計(jì)
3.1 CMC控制系統(tǒng)整體框架
基于CMC的嵌入式控制器以CMC芯片作為CPU（Central Processing Unit）主控制單元，運(yùn)行內(nèi)部FLASH中的代碼程序，能以脈沖指令方式控制電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置，具有PLC控制功能，連接HMI設(shè)備，通過HMI傳輸G代碼，控制機(jī)床運(yùn)行。
整個(gè)CMC控制系統(tǒng)包括基于CMC的運(yùn)動(dòng)控制單元、HMI單元（Human Machine Interface）、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、主軸驅(qū)動(dòng)和主軸控制單元、以及手持控制單元。如圖1所示。
系統(tǒng)中CMC運(yùn)動(dòng)控制芯片為系統(tǒng)中的主控芯片，外部掛接三個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，用于位置控制；并掛接一個(gè)變頻器，用于主軸速度控制。運(yùn)動(dòng)控制器包含32路IO輸入及32路IO輸出，用于檢測(cè)機(jī)床限位、回零、報(bào)警，控制機(jī)床上電、使能、刀架及潤(rùn)滑、冷卻等點(diǎn)位功能。
3.2 CMC數(shù)控裝置硬件設(shè)計(jì)
基于CMC芯片，集成數(shù)控裝置相關(guān)硬件模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線接口及USB、NC鍵盤、LCD等外設(shè)接口，研制出的數(shù)控裝置分為兩大部分，第一部分HMI單元部分，包括LCD模塊、MCP鍵盤模塊、顯示控制模塊、NC鍵盤模塊。第二部分運(yùn)動(dòng)控制部分（NC單元），主要由基于CMC的NC模塊實(shí)現(xiàn)。整體設(shè)計(jì)方案框圖如圖2所示。
如圖2所示，NC單元可提供CMC芯片的運(yùn)動(dòng)控制功能和邏輯運(yùn)算功能接口，包括32路I/O量輸入輸出；脈沖量的軸功能控制；各4路模擬量A/D、D/A；手持單元控制接口以及程序數(shù)據(jù)交換接口，如以太網(wǎng)接口、RS232接口、CAN接口等。
因CMC運(yùn)動(dòng)控制器自身并不具備圖形設(shè)備接口，系統(tǒng)中使用網(wǎng)口外部掛接HMI單元，通過MODBUS/TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、代碼下載等功能。HMI單元從CMC運(yùn)動(dòng)控制器中獲取系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及信息，顯示給用戶，同時(shí)HMI負(fù)責(zé)G代碼存儲(chǔ)、編輯、編譯工作。
另外，CMC運(yùn)動(dòng)控制器通過SPI總線掛接了數(shù)控系統(tǒng)MCP鍵盤，CMC運(yùn)動(dòng)控制器將鍵盤點(diǎn)位映射到PLC層，通過編程，實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。
4. CMC數(shù)控裝置軟件設(shè)計(jì)
因CMC芯片可提供運(yùn)動(dòng)控制和PLC邏輯控制功能，但人機(jī)交互界面HMI和G代碼解釋器不支持。所以本軟件采用上下位機(jī)的架構(gòu)模式，下位機(jī)以CMC芯片作為運(yùn)動(dòng)控制模塊，上位機(jī)采用通用CPU平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)一種低成本、高可靠性的，滿足基本車削和銑削加工需求的數(shù)控裝置。
CMC數(shù)控裝置軟件設(shè)計(jì)包括CMC平臺(tái)提供的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)和HMI單元上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分。軟件設(shè)計(jì)基本框架如圖3所示。
其中CMC系統(tǒng)組態(tài)軟件是一款為基于CMC芯片實(shí)現(xiàn)的控制設(shè)備，提供程序編輯、編譯、組態(tài)、調(diào)試服務(wù)的軟件，支持標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3編程語言，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制任務(wù)的調(diào)度和邏輯控制程序（如LD、IL、ST等）的執(zhí)行處理。主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的PLC邏輯設(shè)計(jì)功能和運(yùn)動(dòng)控制功能。
PLC邏輯設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控的自動(dòng)、手動(dòng)和手輪三種工作方式，每個(gè)方式下又需實(shí)現(xiàn)停止、運(yùn)行和暫停三種狀態(tài)，這些功能主要在CMC系統(tǒng)組態(tài)軟件上編輯實(shí)現(xiàn)。
CMC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)控的運(yùn)動(dòng)控制支持JB/T 3208-1999 標(biāo)準(zhǔn)G代碼程序，32位定長(zhǎng)指令集格式，主要功能是對(duì)獨(dú)立的4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行插補(bǔ)控制和速度控制。
運(yùn)動(dòng)控制支持兩種工作方式，一是寄存器命令控制，二是自動(dòng)讀取G指令執(zhí)行。在自動(dòng)讀取指令執(zhí)行的模式下，負(fù)責(zé)基于G代碼指令集的自動(dòng)讀取并執(zhí)行，基于獲取的指令參數(shù)，以脈沖串形式輸出特定頻率的脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)控制、速度控制、單軸位置控制等控制功能。它可以針對(duì)不定長(zhǎng)的指令進(jìn)行自動(dòng)判斷，通過識(shí)別指令標(biāo)示符，自動(dòng)的判斷讀取指令的條數(shù)，通過執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或者非標(biāo)準(zhǔn)的G代碼指令，完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制功能。
本上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要有三部分組成，分別為CMC通訊協(xié)議層、G代碼解釋器層、人機(jī)交互層組成。
CMC通訊層主要功能為通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口與CMC芯片進(jìn)行通訊，其通訊內(nèi)容包含兩部分：（1）利用標(biāo)準(zhǔn)的modbus通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的反饋。（2）利用普通的以太網(wǎng)UDP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制指令的下發(fā)。
解釋器層：完成數(shù)控系統(tǒng)ISO的G代碼的譯碼任務(wù)，包含詞法分析、語法分析、刀具長(zhǎng)度和半徑補(bǔ)償、MST輔助功能譯碼等。將G代碼解釋為運(yùn)動(dòng)控制指令，并通過CMC通訊層發(fā)送至CMC芯片進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。
人機(jī)交互層：采用跨平臺(tái)和模塊化的軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置的操作控制和狀態(tài)顯示。包含坐標(biāo)顯示、G代碼顯示和編輯、報(bào)警顯示、圖形顯示等一系列的頁面，滿足用戶對(duì)數(shù)控裝置的操作和診斷需求。
5. 結(jié)語
本文所設(shè)計(jì)的CMC數(shù)控裝置經(jīng)過硬件測(cè)試，軟件測(cè)試以及與伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試并交與機(jī)床用戶實(shí)際使用驗(yàn)證，功能正常，運(yùn)行可靠，符合設(shè)計(jì)要求。滿足了用戶既實(shí)用，價(jià)格又低的要求。實(shí)現(xiàn)了CMC芯片在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
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