PC机与CNC系统之间的数据传输.docx
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PC机与CNC系统之间的数据传输.docx
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PC机与CNC系统之间的数据传输
毕业设计任务书
题目
PC机与CNC系统之间的数据传输
专业
数控
技术
班级
学生姓名
所在系
机械
工程系
导师
姓名
导师
职称
讲师
一、设计内容
PC机与CNC系统之间的数据传输
主要内容有:
(1)PC与数控机床通信系统总体设计
(2)PC与数控机床的外部环境与常规故障
(3)PC与数控机床数据传输与方法
二、基本要求
(1)按照老师的要求设计独立完成
(2)零件图要求独立完成,严禁拷贝
(3)按学校规定,按时完成设计任务
(4)毕业设计要求3000字以上
(5)按正确的格式,完成设计
三、主要技术指标(或研究方法)
(1)广泛搜集相关资料;
(2)结合所学的知识进行整理;
(3)向指导老师请教有关问题;
(4)资料和建议进行整理修改;
四、应收集的资料及参考文献
[1]孙涵芳.MSC-51系列单片机的原理与应用[M].北京:
北京航空航天大学出版
社,1988[11]
[2]何希才.传感器及其应用电路[M].电子工业出版社,2001
[3]孙云霄,陈颖.RS485总线在数据采集系统中的应用[M].工矿自动化出版社,2001
[4]林颖,罗金炎,刘骄,陈忠,李伟光.基于RS485总线的PC机与多单片机系统的串行
通信[M].电子工业出版社,2004
[5]张旭梅,刘飞,杨萍等.DNC系统的通讯技术[J].机械与电子,1997,(5):
38-40
[6]王时龙刘飞.DNC集成技术的发展[J].中国机械工程1998,
(2):
54-56
五、进度计划
1、搜集资料,设计任务的确定(2天)
2、绘制零件图(1天)
3、设计PC与CNC的大概内容(7天)
4、撰写设计任务书,报告书,说明书(3天)
5、毕业设计资料整理(1天)
6、毕业设计答辩(1/2天)
教研室主任签字
时间
年月日
毕业设计开题报告
题目
PC与CNC系统之间的数据传输
专业
班级
学生姓名
一、文献综述(立论依据)
由在教材上的所学知识和所查阅的资料进行设计。
在数控加工中,有许多零件设计不易直接在CNC中完成,这就要用到PC机,PC机与CNC的数据连接,可以简单快捷的完成数控加工任务,根据资料进行设计,按时保质保量的完成任务
二、研究内容及预期目标
研究内容:
PC与CNC系统之间的数据传输
预期目标:
自己在老师和同学的帮助下独立完成本次毕业设计,更加熟练的掌握自己大学所学的内容
三、研究方案(研究方法)
(1)广泛搜集相关资料;
(2)结合所学的知识进行整理;
(3)向指导老师请教有关问题;
(4)资料和建议进行整理修改;
四、进度计划
1、搜集资料,设计任务的确定(2天)
2、绘制零件图(1天)
3、设计PC与CNC的大概内容(7天)
4、撰写设计任务书,报告书,说明书(3天)
5、毕业设计资料整理(1天)
6、毕业设计答辩(1/2天)
指导教师签字
时间
年月日
注:
可根据报告的内容加页
摘要
随着我国制造业的快速发展,对数控机床的使用越来越多,而数控机床的控制更趋于网络化、智能化。
本设计利用单片机为主要元器件设计出一个PC机与数控机床通信系统。
将生产车间分散的、不同型号的数控机床利用RS485总线与计算机联系起来构成一个分布式数据采集和控制系统。
本设计采用“PC机-单片机”主从结构模式,即以PC机为上位机,分布在各个车间的单片机控制单元为下位机的系统结构模式。
利用串行通信功能完成上位机(PC机)对下位机(单片机)的控制程序以及数据传输。
达到对数控机床状态的监控,以及温度的采集的功能。
文章重点介绍了RS-232与RS485转接卡的硬件设计,单片机RS-485通信端口的电路设计以及上位机和下位机的通信软件都做了详细的介绍,并参考了MODBUS通信协议单独定义了一个通信协议。
另外就系统的整体框架,具体解决方案也有一定的描述。
关键词:
PC机,CNC,系统控制,数据传输,点对点
4.2通讯线路的连接13
4.3设置PC机PCIN软件的通讯协议13
4.4数控系统的通讯协议14
第1章绪论
1.1PC与数控机床通信系统国内外发展状况
随着我国经济建设的快速发展,制造业也迎来了发展的黄金时期。
而制造的高速
发展必然对数控机床有更高的要求。
当前经济型数控机床在我国的制造行业中已经被
广泛使用。
在现代制造系统中,数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处
理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度、高效率、高柔性等特点,对制造业实现信息化、网络化、柔性化、集成化、智能化、绿色化方面起着举足轻重的作用。
数控机床自上世纪50年代问世到现在的半个世纪中,数控机床的品种得以不断发展几乎所有机床都实现了数控化。
目前,已经出现了包括生产决策、产品设计及制造和管理等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造CIMS(Computer
IntegratedManufacturingSystem),以实现工厂生产自动化。
数控机床的应用领域已从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等机械制造行业,出现了金属成型类数控机床、特种加工数控机床还有数控绘图机、数控三坐标测量机等对一个制造企业来说提高生产能力往往从生产管理、制造工艺、生产设备等方面入手进行技术改造,而这几部分内容又是互为影响和制约的。
在技改中对生产设备、数控机床的更新、维修、采购等的选择上必须考虑到要在什么样环境下使用、如何管理、怎样能达到最好的经济效果等问题。
近几十年来,计算机技术、通信技术和网络技术得到迅的猛发展,制造业也发生
了巨大的变革,逐步走向了集成化、网络化、全球化的发展方向。
数控机床作为制造
系统的自动化装备,利用现有的技术实现对其远程操作、远程监控、远程故障诊断等
远程控制,对于现代远程设备维修和网络化制造有着重要的意义。
计算机及网络技术
的飞速发展使其几乎应用到我们日常工作生活的各个领域。
将计算机应用与数控机床
是必然趋势。
数控机床正朝着高精度、高速度、高柔性、高可靠性、网络化、复合加
工和基于工业PC机的开放式智能数控系统方向发展。
单片机是一种集成电路芯片采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算、逻辑运算、数据传送、中处理)的微处理器,随机存取数据存储器(RAM),只读程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O口),可能还包括定时计数器,串行通信,(SCI),显示驱动电路(LCD或LED驱动电路),脉宽调制电路(PWM),模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上,构成一个最小然而完善的计算机系统.这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
单片机有别于微处理器的是,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制
功能,然而单片机又不同于单板机,芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路如果赋予它特定的程序,它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统,它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别,单片机的应用属于芯片级应用,需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术,用这样特定的芯片设计应用程序,从而使该芯片具备特定的功能。
单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统,可以软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的用领域越来越广泛。
单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益,更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想,是控制技术的一次革命,是一座重要的里程碑
1.2PC与数控机床通信系统发展前景
随着数控机床的发展,数控机床在模具、航空、航天等行业的广泛应用,在产品
更新周期进一步缩短,加工质量要求越来越高,零件越来越复杂等情况下,将计算机与数控机床联结起来,实现高效的数据交换或高一级的控制管理,从根本上提高数控机床的执行效率,一直是制造业的研究内容。
经过几十年计算机技术的发展计算机通信技术已经日趋成熟,串行通信作为一种灵活、方便、可靠的通信方式,被广泛应用于工业控制中,数据处理以及控制信号的产生与传输等功能。
同时串行通信还应用于交通控制、分布数据采集系统、通信距离扩展、电力系统数据采集与控制系统、高速公路收费系统、远程控制、保密通信系统和教学实验等等。
用PC机对数控机床进行实时监控,完成PC与数控机床之间的程序或数据传输。
从而提高数控机床的自动化程度以及工作效率。
计算机控制系统由控制部分和被控对象组成,其控制部分包括硬件部分和软件部分这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。
计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。
系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等,它们通常由计算机制造厂为用户配套,有一定的通用性。
应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序,如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。
它们.及被控对象的自身特征和控制策略等,由实施控制系统的专业人员自行编制。
近年来,由于PC机(个人计算机)优越的性价比和丰富的软件资源,已成为计算机应用的主流机种。
而单片机在工业控制系统中也越来越得到广泛的应用,它以价格低、功能全、体积小、抗干扰能力强、开发应用方便等特点已渗透到各个开发领域。
特别是利用其能直接进行全双工通信的特点在数据采集、智能仪表仪器、家用电器和过程控制中作为智能前沿机。
但由于单片机计算能力有限,难以进行复杂的数据处理因此应用高性能的计算机对系统的所有智能前沿机进行管理和控制,已成为一种发展方向。
在功能较复杂的控制系统中,通常以PC机为主机,单片机为从,由单片机完成数据的采集及对装置的控制,而由主机完成各种复杂的数据处理和对单片机的控制。
所以计算机与单片机之间的数据通信越发显得重要。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能
化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
1、在智能仪器仪表上的应用。
2、
在工业控制中的应用。
3、在家用电器中的应用。
4、在计算机网络和通信领域中的应
用。
5、单片机在医用设备领域中的应用。
此外,单片机在工商、金融、科研、教育、
国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
现在可以说单片机是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。
1.3本文的主要内容及安排
本文的主要任务是设计一个PC与数控机床通信系统。
完成PC与数控机床之间程
序的传输,以及对数控机床状态的监控。
要求有较高的传输速率及大于500m的传输
距离。
根据任务要求本设计上位机与下位机之间采用RS-485总线进行通信。
当控制计算机与各数控机床相距较远时,一般采用串行通信方式而不采用并行通信方式。
这是因为并行通信系统的造价较高、众多的连线不仅容易引入干扰,也容易发生线路故障。
串行通信由于接线少、成本低,在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。
本文针对任务要求,利用PC机提供的RS-232通信接口,通过RS-232与RS-485转接,完成电平的转换。
选用VB软件开发上位机管理程序,从而解决了一台计算机与多台数控机床进行通信的问题,提高了系统资源的利用率,还为进一步构建车间级制造管理系统创造了条件。
设计拟采用单片机设计该系统。
用一个单片机作为数控机床的通信接,利用串行通信技术完成PC与单片机之间的通信。
采用分布式布局,多台数机床通过一条总线完成与单片机的通信。
论文的第一章就PC与数控机床通信系统的内外发展现状及发展前景做了介绍。
第二章主要从系统的整体结构及设计分析方面做了描述。
给出了整体设计方案。
分析了硬件设计的芯片选型和软件设计的思路。
第三章是具体的对PC与数控机床通信系统的外部环境与故障进行了分析。
第四章是对PC与数控机床通信系统的详细解说。
给出了PC与CNC的数据传输与方法。
第2章PC与通讯系统总体设计
2.1设计需求及分析
本设计的主要任务是设计一个PC与数控机床的通信系统,完成PC与数控机床之
间程序的传输,以及对数控机床状态的监控。
系统拟达到的技术指标为:
1、用一台计算机或网络对多台数控机床进行综合控制,完成数控程序传输、机床状态监控等功能
2、通信距离要求大于500m
3、通信波特率大于4800b/s
4、必须采用总线式结构
5、可以采用成熟的通信协议,也可以自定义通信协议
要实现数控机床与PC连接起来,首先要实现数控机床与PC之间的通信问题。
单
片机的出现与发展给PC与数控机床通信系统的设计提供了一个很好的解决途径。
上位机与各下位机相距较远时,一般采用串行通信方式而不采用并行通信方式。
这是因为并行通信系统的造价较高、众多的连线不仅容易引入干扰,也容易发生线路
故障。
串行通信由于接线少、成本低、在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。
串行通信接口标准经过使用和发展,目前已经有几种。
但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。
所以,以RS-232C为主来讨论。
RS-323C标准是美国EIA(电子工业联合会,与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。
这个标准对串行通信接口的有关问题如信号线功能、电器特性都作了明确规定。
由于通信设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备,因此,它作为一种标准,目前已在微机通信中广泛采用。
RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
由于RS-232C接口标准出现较早难免有不足之处,主要有以下四点:
1、接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL电平兼容故需使
用电平转换电路方能与TTL电路连接。
2、传输速率较低在异步传输时,波特率为20Kbps。
3、接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。
4、传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在50米左右。
针对RS-232C的不足,于是就不断出现了一些新的接,标准,RS-485总线就是其中之一,它具有以下特点:
1、RS-485的电气特性,逻辑”1″以两线间的电压差为+(2—6)V表示:
逻辑”0″以两线间的电压差为-(6—2)V表示。
接口信号电平比RS-232C降低了,就不易损坏接口电路芯片且该电平与TTL电平兼容可方便与TTL电路连接。
2、RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。
3、RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即抗噪
声干扰性好。
RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达3000米,
另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。
而RS-485接口在
总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的
RS-485接口方便地建立起设备网络。
因为RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
因为RS485接口组成的半双工网络,一般只需二根连线,所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。
而根据本设计所要达到的通信距离以及传输速率,RS-232总线达不到要求。
因此本设计采用的是RS-485串行总线标准。
RS-485是一个多引出线的接口,这种接口可以有多个驱动器和接受器,可以实现一台PC机与多台单片机间的通信,而且其通信距离可达1000m以上,适合远距离传输。
RS-485接口是20mA电流环路串行通信接口,它也是目前品行通信广泛应用的一种接口电路,其最大的优点是低阻传输对电报导噪声不敏感,而且易于实现光电隔离,非常适于长距离串行通信。
常用的RS-485接口芯片有很多,常用的有SN75176、75276、MAX1428、MAX1483、MAX485E、MAX3162E等。
2.2RS485总线的相关知识
1、RS-485总线的理论。
在自动化领域,随着分布式控制系统的发展,迫切需要
一种总线能适合远距离的数字通信。
在RS-422标准的基础上,EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。
RS-485标准采有用平衡式发送,差分式接收的数据收发器来驱动总线,具体规格要求:
⑴接收器的输入电阻RIN≥12kΩ
⑵驱动器能输出±7V的共模电压
⑶输入端的电容≤50pF
⑷在节点数为32个,配置了120Ω的终端电阻的情况下驱动器至少还能输出电压1.5V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关)
⑸接收器的输入灵敏度为200mV(即(V+)-(V-)≥0.2V,表示信号"0":
(V+)-(V-)≤-0.2V,表示信号"1")因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线成本低的特性,使得EIARS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。
基于此,RS-485的自动化领域的应用非常广泛,但是在实际工程中RS-485总线运用仍然存在着很多问题影响了工程的质量为工程施工带来了很多的不方便。
从理论上分析在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻就能有效的减少信号反射。
但是在实现应用中由于传输电缆的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关特性阻抗不可能与终端电阻完全相等因此或多或少的信号反射还会存在。
信号反射对数据传输的影响归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器使接收器收到了错误的信号导致CRC校验错误或整个数据帧错误。
这种情况是无法改变的只有尽量去避免它。
2、RS-485接地问题。
仅仅用一对双绞线将各个接口的A、B端连接起来而不
对RS-485通信链路的信号接地在某些情况下也可以工作但给系统埋下了隐患。
RS-485接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统只需检测两线之间的电位差就可以了。
但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围(-7V至+12V)的条件下才能正常工作。
当共模电压超出此范围就会影响通信的可靠直至损坏接口。
如图2.2所示当发送器A向接收器B发送数据时发送器A的输出共模电压为VOS由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差VGPD那么接收器输入端的共模电压就会达到VCM=VOS+VGPD。
RS-485标准规定VOS≤3V但VGPD可能会有很大幅度(十几伏甚至数十伏)并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入VCM超出正常围在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信重则损坏设备。
3、RS-485的总线结构及传输距离。
RS-485支持半双工或全双工模式。
网络拓扑
一般采用终端匹配的总线型结构不支持环形或星形网络最好采用一条总线将各个节点串接起来。
从总线到每个节点的引出线长度应尽量短以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。
在使用RS485接口时对于特定的传输线经从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。
当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时假定最大允许的信号损失为6dBV时则电缆长度被限制在1200M。
实际上在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。
当使用不同线径的电缆。
则取得的最大电缆长度是不相同的。
RS485总线以双绞线为物理介质通常工作在半双工通信状态即在同一时刻总线上只能有1个节点为主节点且处于发送状态其他所有节点必须处于接收状态。
如果同一时刻有2个以上的节点处于发送状态将导致所有发送方的数据发送失败即所谓总线冲突。
为了避免总线冲突RS485总线一般工作在主从模式下。
整个通信总线系统由1个主节点若干个从节点组成按照轮询的方式以一定的时间间隔和从节点进行通信这样就解决了RS485总线的冲突问题。
第3章PC与CNC的外部环境与常规故障
3.1数控系统(CNC)与个人计算机(PC)连网实现数据交换的三种类型
1.点对点的通讯方式
PC与CNC通过RS一232C通讯接口,在软件的驱动下,实现数据的相互交换,或通过多路串行口服务器连接后接进以太网。
目前大部分数控机床都采用该数据通讯方式。
2.现场总线的通讯方式
该通讯方式是通过PROFIBUS一DP模块的两种接口(MPI、DP)均可以完成的较大型分布式结构系统。
3.以太网配置的局域网式的通讯方式
该通讯方式通过CNC具备以太网接口功能完成的局域网结构。
3.2介绍点对点的PC与CNC的连接
1.PC的条件
PC应具备两个串行接口COM1和COM2作为数据通讯(即RS一232C)用。
COM1为9针接口(与数控机床的CNC进行数据通讯常用此接口)。
COM2为25针接口(通常连接打印机接口的通讯)。
2.CNC的条件:
CNC至少配备有BS-232C数据串行接口,有9针或25针。
3.PC与CNC的连接
(1)PC与CNC的硬件连接(信号线长度≤5m) 以COM19针接口(其排列针号见图1)为例,该串行口信号的各针含义(I:
为输进信号;0:
为输出信号)为:
1.DCI——数据载波检测,I;2.RXD——接收数据,I;3.TXD——传送数据,0;4.DTR——数据终端停当,0;5.SG——信号地线;6.DSR——数据装置停当,I;7.RTS——请求传送,0;8.CPS——答应发送,1;9.KI——响铃指示,I。
(2)PC与CNC的软件连接
在PC上装载一种为PCIN.exe的操纵软件(该软件在WIN98版以下适用),当PC运行该操纵软件时,可在其操纵界面的V24-INI下拉菜单中对RS-232C接口进行参数设定;在CNC进行RS-232C接口参数设定。
PC的RS-232C接口参数的初始化设定内容包括:
①数据传输的波特率与机床参数设定的数据传输波特率的大小一致(通常为,500bps的传输速度);②传输文件代码的数据长度与机床传输文件代码的确定一致(通常为8位);③传输文件停止位数与机床传输文件停止位数一致(通常为1位);④通讯接口的设定是COM1或COM2的其中一个接口(通常是COM1接口)。
3.3参数设定
1.CNC的参数设定(以FANUC 16或160MC系列为例)
见下表,通过CNC系统的参数选择来保证与PC的软件连接。
2.PC参数设定
通过PCIN.exe程序对PC通讯参数进行设定。
3.4、数据操纵
将PCIN.exe程序拷贝到PC内,运行该程序,操纵界面如图3。
主菜单下面各自有该项的下拉菜单。
通过该程序可以完成外部PC与CNC的数据通讯,如:
DATA一IN:
把数据由PCIN程序装载到该PC内;
DATA一OUT:
把数据从PC传输到CNC;
FILE:
对数据进行编辑、处理。
3.5常见通讯接口故障分析及维护
1.PC外壳感应高压静电
由于PC供电电源没有接地造成的。
电源插头中只接了火线和零线,而地线空置没有使用,使PC外壳积累大量静电电荷而无法开释,产生高压静电,一旦进进通讯接口会击穿RS—232C接口中的MOS集成电路
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- PC CNC 系统 之间 数据传输