在開環(huán)控制的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，經(jīng)常采用PC作為上位機來編制數(shù)控程序和發(fā)送控制命令，其數(shù)據(jù)通過串口通信傳至單片機，單片機作為下位機讀取PC發(fā)過來的各種插補數(shù)據(jù)和指令，以驅(qū)動電機。數(shù)控程序一般由G代碼、M指令、F、S、T等功能組成，而在計算機中，字符大多采用ASCII編碼方案和EBCDIC編碼方案，如果直接將這種編碼傳到單片機，由單片機來識別和譯碼，勢必會增加性能有限的單片機的負擔(dān)。此外NC程序有較為固定的編程格式，基于此，可以按照NC編程的規(guī)范來設(shè)計一種方案，將NC代碼在PC機上轉(zhuǎn)化為以幀(不同于異步通信中的“幀”概念)為單位的二進制編碼，每幀數(shù)據(jù)的格式參照NC程序格式來設(shè)計。這樣，在PC機上做譯碼工作相對方便和容易，對單片機而言也有兩個明顯的優(yōu)點：一是容易識別；二是方便處理，提高了效率。單片機按照幀格式，順序提取相關(guān)數(shù)據(jù)。進行計算和控制。
1 譯碼方案設(shè)計及實現(xiàn)
譯碼的基本思路是根據(jù)NC代碼的特點，將其進行分類處理，提取有用的信息，將這些信息按照設(shè)計的幀格式組成幀數(shù)據(jù)，發(fā)送給下位機，如圖1所示。
1.1 數(shù)控代碼分析
NC指令有200余條，為了數(shù)據(jù)處理的方便，可以根據(jù)其特點進行簡單的歸類，從處理方式上可以分為直接控制指令和間接控制指令。
上位機要發(fā)送的是控制信息。而NC程序中有許多指令不屬于直接控制的指令，它們僅僅是一些中間(輔助)信息，并不需要發(fā)送給下位機。因此，根據(jù)NC指令的特點，將其按處理方式劃分為直接控制指令和間接控制指令兩類。如COO、G01、G02、C03等要直接處理，屬于直接控制指令；而G90、G91、G92、G42、G41、G42等則要轉(zhuǎn)化處理，屬于間接控制指令。例如G90是表示絕對尺寸，G91表示增量尺寸，由于下位機統(tǒng)一采用增量尺寸來進行控制，所以在PC上對G90的處理是：1)提取絕對尺寸；2)計算增量尺寸；3)保存增量尺寸(用于發(fā)送的數(shù)據(jù))。而對G91的處理是：直接保存增量尺寸。刀補指令要加上偏置量。
一般直接控制指令是需要發(fā)送給單片機的，而間接控制指令是需要先轉(zhuǎn)化處理的，不在直接發(fā)送的數(shù)據(jù)之列。以表1為例，將常用的數(shù)控代碼按直接控制和間接控制分類，并說明了對指令的處理。
對直接控制的指令又可細分為三類。
1)G功能和M代碼：如G00、G01、G02、G03、M03、M04、M05、M07、M08、M10等；
2)坐標類：X、Z、R(平面兩軸插補，本文以數(shù)控車兩軸為例，其余類推)；
3)輔助功能類：主軸(s)、進給(F)、刀具(T)。
1.2 幀格式設(shè)計
根據(jù)上文可以知道，NC程序中指令、數(shù)據(jù)雖然很多，但不是每個都需要傳送，相反每次都只有很少的幾類指令和數(shù)據(jù)需通過串口傳送到下位機。三類的直接控制指令是必須要發(fā)送的，NC程序最終都要轉(zhuǎn)化為這三類數(shù)據(jù)，所以設(shè)計幀格式如表2，說明如下。
1)G指令和M代碼：G指令和M代碼各100條，分別用一個字節(jié)來表達G或M功能；
2)坐標類：X、Z、R，這些坐標均用三個字節(jié)表示，可表示的增量坐標范圍為：一2”一+223(一8 131一+8 m)；
3)主軸、進給、刀具：S、F、T用單字節(jié)表示，可以有2S=256種不同的值。
4)在幀的控制數(shù)據(jù)之前，設(shè)置一個幀頭，占一個字節(jié)，以作信息位。
1.2.1 設(shè)置幀頭
NC指令中許多是模態(tài)代碼，即在下一段程序中可能不出現(xiàn)上段程序中相同的指令，為方便處理，用幀頭的8個位來標識幀中各項數(shù)據(jù)的有無，如表3。幀頭中每位對應(yīng)幀格式中的直接控制指令的數(shù)據(jù)類型，用于標識本幀數(shù)據(jù)中是否存在該項，若所標識的對象數(shù)據(jù)存在并要發(fā)送，則標識位置“1”，否則清“0”。另外，如果下段NC程序段中G、M、X、Z、I、K、F、S、T的數(shù)據(jù)沒有改變，則可認為該幀中不存在對應(yīng)項(無變化不發(fā)送)，所以幀的長度是不固定的，幀的長度可以從幀頭得知，幀字節(jié)最長為15個。
1.2.2 G、M指令編碼
G指令和M指令各100條，而一個字節(jié)8位能表示256種情況，所以分別用一個字節(jié)來表示G指令和M代碼。直接用二進制數(shù)字對應(yīng)字地址G和M的地址值。如G90對應(yīng)編碼為0101 1010。
1.2.3 實例
例：對如下數(shù)控代碼進行轉(zhuǎn)換：
G00，G90，G42，X35000，Z160000，F(xiàn)50，S07，T33，M03，LF
該行代碼中帶下畫線的指令為直接控制指令，地址值是要發(fā)送的數(shù)據(jù)，其余是間接控制指令，需要在PC機中先行處理，其中G90為絕對坐標編程，計算時要轉(zhuǎn)化為相對增量，假設(shè)刀具前一位置在原點，增量即為35 000和160 000；G42是右刀補，假設(shè)刀具半徑為5000個單位，則實際上X增量為35000+5 000=40 000，Z增量為160 000 4-5 000=165 000。
1)確定要發(fā)送的數(shù)據(jù)：G、M、X、Z、F、S、T；
2)確定幀頭：0XF7(1111 0111 B)，這就是幀的首字節(jié)；
3)第二、三字節(jié)為G：OX00(coo)；M：0X03(M03)；
4)第四、五、六字節(jié)為X：OX00 0X9c 0X40(40 000的二進制碼)；
5)第七、八、九字節(jié)為Z：0X02 0X84 0X88(165 000的二進制碼)；
6)第十、十一、十二字節(jié)為FST：0X32 OX07 0X21。本行代碼成幀后為：F7 00 03 00 9e 40 02 8488 32 07 21共十二字節(jié)。
2 譯碼在數(shù)控技術(shù)中的應(yīng)用
根據(jù)設(shè)計的譯碼方案，在PC機中使用VC++等開發(fā)工具來實現(xiàn)，將每段NC程序段轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)幀，利用串口發(fā)送給以單片機作主控芯片的數(shù)控系統(tǒng)，單片機接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)幀頭，判別各項數(shù)據(jù)的有無，并取出數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的存儲單元中，做插補計算和控制的源數(shù)據(jù)用。在通信之前，先做好通信協(xié)議，規(guī)定握手協(xié)議、校驗方式、波特率等。采用數(shù)據(jù)校驗，可增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕惨驗椴捎眯ｒ灒黾恿藥拈L度，本文未討論數(shù)據(jù)校驗，有關(guān)校驗的問題可參考相關(guān)文獻。數(shù)據(jù)的發(fā)送以幀為單位采用握手方式一幀一幀進行，保證譯碼數(shù)據(jù)準確傳到單片機。
3 總結(jié)
本文闡述了一種NC代碼轉(zhuǎn)化通信編碼的譯碼方案，能有效地將數(shù)控程序轉(zhuǎn)化到固定幀格式的二進制數(shù)據(jù)，易于單片機的識別和處理。單片機接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)議規(guī)則，反向處理，很容易得到插補的類型、坐標、速度等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)插補。本文創(chuàng)新之處在于摒棄傳統(tǒng)的編碼方法，根據(jù)NC自身特點，設(shè)計專門的譯碼方案，能提高數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)控程序編譯和解釋的效率。
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本文標題：NC代碼譯碼的設(shè)計及在數(shù)控技術(shù)中的應(yīng)用
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