一種基于串口通信的數控手輪連接方案

0    引言
        隨著計算機技術和通訊技術的不斷進步,PC數控水平也在飛速發展,尤其是以EtherCAT工業以太網為代表的現場總線技術和以SoftServoSystem為代表的開放式純軟件數控系統的廣泛運用,使數控機床向著性能卓越、結構簡潔可靠和成本低廉的方向前進了一大步。
        EtherCAT網絡控制技術具有靈活的拓撲結構,硬件結構簡單,在工業PC與伺服模塊之間經一塊標準的NIC網卡用RJ45以太網電纜線連接,避免了以往傳統數控系統繁雜的通訊模塊和布線,且信號的干擾和衰減極低,從而克服了脈沖長線傳輸的缺點,數據容量大,伺服電機運行平穩,控制精度極高。
        但是,由于普通I/O模塊的掃描周期僅為8ms左右,難以滿足手輪脈沖信號實時、高速響應處理的要求,EtherCAT通訊平臺等控制總線系統尚無很好的手輪連接解決方案,目前的做法是在工業PC中額外增加一塊專用通訊板卡用于手輪的連接,這就增加了硬件數量和成本。SoftServoSystem的手輪通過板卡FP-75的高速I/O端口及PCI插槽與PC相連接,將手輪信號送至數控系統內核進行實時處理。這種方法雖然能夠滿足系統的使用要求,但增加了硬件的數量和成本。
        本研究提出一種新型的手輪連接方式,以解決總線模式數控系統中手輪信號采集傳輸難的問題。
1    基于串口通信實現手輪連接的基本設想
        針對手輪的特殊使用要求和現有的硬件條件,本研究提出了一種基于串口通信的數控手輪連接方案,即:經簡單的電路處理,將手輪脈沖信號發送至計算機串口,再由特定的信號處理程序讀取和解析手輪脈沖信號,并將結果交給數控系統內核以完成相應的實時控制操作。
        該方案的優點在于無需電平轉換芯片MAX232實現TTL與RS-232之間的電平轉換,直接利用TTL信號控制光耦,然后由光耦控制RS232本身信號的通斷,其響應速度快,硬件簡潔。同時,處理軟件具有較好的嵌入性,能充分利用數控系統的源函數,實現讀取信號和執行命令的無縫連接。
2    實驗電路設計
        本實驗采用的數控手輪是臺灣FutureLifeTech-nology有限公司的雙相脈沖發生器ManualPulseGen-erator,內置一個GP1A70R光電轉換頭,工作電壓為5V,A/B兩相TTL脈沖輸出,高電平為5V,低電平為0V,兩相脈沖的相位差為90b以區別轉向。旋轉一圈產生A/B兩相各100個TTL脈沖。此手輪的工作方式經過三菱FX1S系列PLC的雙相雙計數高速計數器C251的檢測,證明上述參數正確無誤。
        計算機串口為通用的9針RS-232口,高電平為-3V~-15V,實際測量為-11V,低電平為3V~+15V,實際測量為+11V。因為實驗手輪無軸選項和倍率選項,僅需要給手輪提供電源和接收手輪的兩相脈沖,所以按照各引腳功能,選擇由計算機控制的第7腳RTS,由外界控制的第1腳和第6腳。為了保護計算機的主板,轉換電路中采用2個PC817光耦開關來控制1、6腳電路的開斷,光耦的反應速度[20Ls,完全滿足TTL信號的最大發生頻率。
3    信號處理程序開發
        信號處理程序采用VB編程開發。本實驗主要運用了VisualBasic串口通訊控件MSComm,涉及到CommEvent、CommPort、PortOpen、RT-SEnable等4個屬性。測試中,為了實現更直觀形象的效果,本研究在VB窗體中添加了2個Shape控件,用顏色的變化來顯示1、6引腳的狀態變化,當Shape為紅色時(燈亮),表示對應串口腳處于高電平,而另一腳處于低電平,否則為白色(燈滅),TextBox控件用來實時顯示當前脈沖數,程序以極高的頻率不斷地檢測1、6腳的電平狀態并做相應的處理。經過反復驗證,此程序能準確、可靠地處理兩相TTL信號。
        上述測試程序的頻率為計算機主板的工作頻率,正常情況下都為幾百兆,完全能適應手輪信號的變化。
4    實際運行與測試結果
        筆者將上述設計方案應用于模擬數控實驗臺,數控系統為美國SoftServoSystem公司的純軟件開放式數控系統,本系統的二次開發包(SDK)也由VB語言編寫而成,所以,只需要在SDK中插入測試程序,當脈沖數量發生變化時,觸發增量精確點動函數SSSPos-Start命令,實現機床軸的同步精確點動,旋轉手輪的頻率與機床軸的移動快慢成正比。
        可以看出,手輪脈沖數和機床走過的位移一致,達到了預定目標。
        此外,一般的數控系統都會提供兩種手輪工作方式,即無累加方式和累加方式。上面的測試是模擬手輪工作在無累加方式時的情況,當脈沖當量較大時,例如為1mm,則機床執行一次脈沖需要較長時間,如果機床正在執行當前的一個脈沖,則會忽略下一個已經發送過來的脈沖,從而造成所謂的脈沖丟步現象。
        為解決這個問題,可以在程序中添加一個周期為30ms的時鐘子程序來實現累加工作方式。經驗證,通過添加上述程序能很好地實現累加工作方式。
5    結束語
        由上述實驗結果及實際應用情況可知,用計算機串口讀取并處理數控手輪的方法是可行的,但是與實際使用的手輪相比,此次實驗的手輪無倍率選擇和軸選擇功能,還有待于在以后的實驗中進一步論證完善,且RS-232的9針接口可能不夠用,需要換成25針以提供更多的接口。串口接手輪的方案目前還沒有得到實際應用,但是隨著現場總線時代的來臨,這種新方案肯定會為總線的手輪信號處理提供一種啟發和選擇,同時,也可以推廣到光柵尺等具有編碼器性質的其他數字儀器上的連接使用。