摘要：本文基于華中數(shù)控（HNC）系統(tǒng)軟硬件平臺，設計與開發(fā)了一款國產CMC芯片的低成本數(shù)控裝置,并詳細介紹了該裝置的硬件設計原理和軟件設計原理。其功能與性能經(jīng)過實際測試與驗證，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)領域的應用提供了一個方案。
關鍵詞：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)控裝置國外占領了國內80%以上的市場，而高檔數(shù)控裝置的國內市場幾乎被國外產品全部占領。這種現(xiàn)狀不僅對我國民族數(shù)控產業(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)濟重大行業(yè)對數(shù)控機床及數(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)濟重大行業(yè)對數(shù)控機床及數(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)依賴進口，勢必將影響我國國民經(jīng)濟和國防建設的持續(xù)健康發(fā)展。國產CMC芯片應用，將突破國產數(shù)控系統(tǒng)對外國芯片的依賴，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)核心部件的國產化，給國家和民族制造業(yè)帶來可觀的效益。同時也達到“研制先進的、具有自主核心技術和知識產權的片上控制模塊（Control Module on Chip，簡稱CMC）系統(tǒng)，實現(xiàn)了CMC系統(tǒng)在工業(yè)控制領域的廣泛應用，進而推動新一代控制系統(tǒng)的技術變革，形成完全分布、獨立而又聯(lián)合的新一代控制體系結構，初步建立我國具有完全自主知識產權的片上工業(yè)控制網(wǎng)絡技術體系結構，大幅度提高我國先進控制系統(tǒng)水平，使我國在工業(yè)控制技術上走向國際前列”的最終目標。
2. 國產CMC芯片簡介
國產CMC運動控制芯片（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品，實現(xiàn)的主要功能可以簡述為:片內邏輯控制和運動控制，程序處理及調度管理，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)軟件進行邏輯控制程序和運動控制程序的編程，將編寫的程序下載到芯片的片內存儲器中。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）進行處理運算，并進行相應的信號輸出。
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）進行執(zhí)行處理。運動控制主要包括對上層用戶編寫并經(jīng)過編譯的運動控制程序（如G代碼）進行執(zhí)行處理。數(shù)字量處理主要包括開關信號、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)控裝置硬件設計
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，運行內部FLASH中的代碼程序，能以脈沖指令方式控制電機、伺服驅動裝置，具有PLC控制功能，連接HMI設備，通過HMI傳輸G代碼，控制機床運行。
整個CMC控制系統(tǒng)包括基于CMC的運動控制單元、HMI單元（Human Machine Interface）、伺服驅動器、伺服電機、主軸驅動和主軸控制單元、以及手持控制單元。如圖1所示。
系統(tǒng)中CMC運動控制芯片為系統(tǒng)中的主控芯片，外部掛接三個伺服驅動器，用于位置控制；并掛接一個變頻器，用于主軸速度控制。運動控制器包含32路IO輸入及32路IO輸出，用于檢測機床限位、回零、報警，控制機床上電、使能、刀架及潤滑、冷卻等點位功能。
3.2 CMC數(shù)控裝置硬件設計
基于CMC芯片，集成數(shù)控裝置相關硬件模塊、現(xiàn)場總線接口及USB、NC鍵盤、LCD等外設接口，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。第二部分運動控制部分（NC單元），主要由基于CMC的NC模塊實現(xiàn)。整體設計方案框圖如圖2所示。
如圖2所示，NC單元可提供CMC芯片的運動控制功能和邏輯運算功能接口，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運動控制器自身并不具備圖形設備接口，系統(tǒng)中使用網(wǎng)口外部掛接HMI單元，通過MODBUS/TCP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、代碼下載等功能。HMI單元從CMC運動控制器中獲取系統(tǒng)運行的狀態(tài)及信息，顯示給用戶，同時HMI負責G代碼存儲、編輯、編譯工作。
另外，CMC運動控制器通過SPI總線掛接了數(shù)控系統(tǒng)MCP鍵盤，CMC運動控制器將鍵盤點位映射到PLC層，通過編程，實現(xiàn)鍵盤功能。
4. CMC數(shù)控裝置軟件設計
因CMC芯片可提供運動控制和PLC邏輯控制功能，但人機交互界面HMI和G代碼解釋器不支持。所以本軟件采用上下位機的架構模式，下位機以CMC芯片作為運動控制模塊，上位機采用通用CPU平臺，實現(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)控裝置軟件設計包括CMC平臺提供的組態(tài)軟件設計和HMI單元上位機軟件設計兩部分。軟件設計基本框架如圖3所示。
其中CMC系統(tǒng)組態(tài)軟件是一款為基于CMC芯片實現(xiàn)的控制設備，提供程序編輯、編譯、組態(tài)、調試服務的軟件，支持標準IEC61131-3編程語言，可實現(xiàn)邏輯控制任務的調度和邏輯控制程序（如LD、IL、ST等）的執(zhí)行處理。主要實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的PLC邏輯設計功能和運動控制功能。
PLC邏輯設計主要實現(xiàn)數(shù)控的自動、手動和手輪三種工作方式，每個方式下又需實現(xiàn)停止、運行和暫停三種狀態(tài)，這些功能主要在CMC系統(tǒng)組態(tài)軟件上編輯實現(xiàn)。
CMC組態(tài)軟件實現(xiàn)的數(shù)控的運動控制支持JB/T 3208-1999 標準G代碼程序，32位定長指令集格式，主要功能是對獨立的4個電機驅動軸進行插補控制和速度控制。
運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，負責基于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，能夠實現(xiàn)對伺服電機或步進電機進行插補驅動控制、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行自動判斷，通過識別指令標示符，自動的判斷讀取指令的條數(shù)，通過執(zhí)行標準或者非標準的G代碼指令，完成相應的運動控制功能。
本上位機軟件系統(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、人機交互層組成。
CMC通訊層主要功能為通過標準以太網(wǎng)接口與CMC芯片進行通訊，其通訊內容包含兩部分：（1）利用標準的modbus通訊協(xié)議，實現(xiàn)機床狀態(tài)數(shù)據(jù)的反饋。（2）利用普通的以太網(wǎng)UDP協(xié)議，實現(xiàn)運動控制指令的下發(fā)。
解釋器層：完成數(shù)控系統(tǒng)ISO的G代碼的譯碼任務，包含詞法分析、語法分析、刀具長度和半徑補償、MST輔助功能譯碼等。將G代碼解釋為運動控制指令，并通過CMC通訊層發(fā)送至CMC芯片進行插補運動。
人機交互層：采用跨平臺和模塊化的軟件技術，實現(xiàn)數(shù)控裝置的操作控制和狀態(tài)顯示。包含坐標顯示、G代碼顯示和編輯、報警顯示、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. 結語
本文所設計的CMC數(shù)控裝置經(jīng)過硬件測試，軟件測試以及與伺服驅動、伺服電機聯(lián)機調試并交與機床用戶實際使用驗證，功能正常，運行可靠，符合設計要求。滿足了用戶既實用，價格又低的要求。實現(xiàn)了CMC芯片在數(shù)控領域的應用，結果達到了預期的目標。
參考文獻
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