摘要：本文基于華中數(shù)控（HNC）系統(tǒng)軟硬件平臺，設(shè)計(jì)與開發(fā)了一款國產(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，國產(chǎn)低檔數(shù)控裝置在市場上居統(tǒng)治地位。但中高檔數(shù)控裝置市場基本被Fanuc和Siemens所壟斷，其中中檔數(shù)控裝置國外占領(lǐng)了國內(nèi)80%以上的市場，而高檔數(shù)控裝置的國內(nèi)市場幾乎被國外產(chǎn)品全部占領(lǐng)。這種現(xiàn)狀不僅對我國民族數(shù)控產(chǎn)業(yè)本身的發(fā)展不利，對制造裝備業(yè)發(fā)展不利，而且難以滿足國民經(jīng)濟(jì)重大行業(yè)對數(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)等國民經(jīng)濟(jì)重大行業(yè)對數(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，勢必將影響我國國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的持續(xù)健康發(fā)展。國產(chǎn)CMC芯片應(yīng)用，將突破國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)對外國芯片的依賴，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)核心部件的國產(chǎn)化，給國家和民族制造業(yè)帶來可觀的效益。同時也達(dá)到“研制先進(jìn)的、具有自主核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)的片上控制模塊（Control Module on Chip，簡稱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)，初步建立我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的片上工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，大幅度提高我國先進(jìn)控制系統(tǒng)水平，使我國在工業(yè)控制技術(shù)上走向國際前列”的最終目標(biāo)。
2. 國產(chǎn)CMC芯片簡介
國產(chǎn)CMC運(yùn)動控制芯片（以下簡稱“芯片”）是將組態(tài)處理、程序存儲、信號輸入輸出、控制算法、通訊接口等全部集成在一個芯片中的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)的主要功能可以簡述為:片內(nèi)邏輯控制和運(yùn)動控制，程序處理及調(diào)度管理，數(shù)字量信號處理，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)動控制程序的編程，將編寫的程序下載到芯片的片內(nèi)存儲器中。根據(jù)用戶的程序，對輸入的各種信號（包括從通信接口傳入的信號）進(jìn)行處理運(yùn)算，并進(jìn)行相應(yīng)的信號輸出。
邏輯控制主要包括對上層用戶編寫并經(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)動控制主要包括對上層用戶編寫并經(jīng)過編譯的運(yùn)動控制程序（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、頻率信號處理，脈沖信號輸入輸出，PWM輸出，正交編碼器輸入等。
芯片集成了Flash、SRAM、通用定時器、PLL、實(shí)時鐘，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CMC控制系統(tǒng)包括基于CMC的運(yùn)動控制單元、HMI單元（Human Machine Interface）、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)、主軸驅(qū)動和主軸控制單元、以及手持控制單元。如圖1所示。
系統(tǒng)中CMC運(yùn)動控制芯片為系統(tǒng)中的主控芯片，外部掛接三個伺服驅(qū)動器，用于位置控制；并掛接一個變頻器，用于主軸速度控制。運(yùn)動控制器包含32路IO輸入及32路IO輸出，用于檢測機(jī)床限位、回零、報(bào)警，控制機(jī)床上電、使能、刀架及潤滑、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HMI負(fù)責(zé)G代碼存儲、編輯、編譯工作。
另外，CMC運(yùn)動控制器通過SPI總線掛接了數(shù)控系統(tǒng)MCP鍵盤，CMC運(yùn)動控制器將鍵盤點(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)動控制模塊，上位機(jī)采用通用CPU平臺，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)動控制功能。
PLC邏輯設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控的自動、手動和手輪三種工作方式，每個方式下又需實(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)動控制支持JB/T 3208-1999 標(biāo)準(zhǔn)G代碼程序，32位定長指令集格式，主要功能是對獨(dú)立的4個電機(jī)驅(qū)動軸進(jìn)行插補(bǔ)控制和速度控制。
運(yùn)動控制支持兩種工作方式，一是寄存器命令控制，二是自動讀取G指令執(zhí)行。在自動讀取指令執(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)對伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)驅(qū)動控制、速度控制、單軸位置控制等控制功能。它可以針對不定長的指令進(jìn)行自動判斷，通過識別指令標(biāo)示符，自動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。
人機(jī)交互層：采用跨平臺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)過硬件測試，軟件測試以及與伺服驅(qū)動、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)。
參考文獻(xiàn)
1. 王挺；王紹亮；莊嚴(yán)；金偉江；何巧；基于CMC芯片的信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)；中國儀器儀表；2015年12期。
2. 侯世博；包偉華；丁戍衛(wèi)；基于CMC芯片的智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；中國儀器儀表；2015年11期。
3. 費(fèi)繼友；周茉；基于ARM+FPGA的嵌入式數(shù)控裝置設(shè)計(jì)；制造技術(shù)與機(jī)床；2010年12期 。
4. 黃兆斌；基于FPGA及NIOSⅡ的多軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]；浙江工業(yè)大學(xué)；2011年。
5. 陸俊；基于FPGA技術(shù)的高速插補(bǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]；南京理工大學(xué)；2011年。
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