基于ethercat總線技術(shù)的pc數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

1、基于EtherCAT總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景何珊珊（測試計量技術(shù)及儀器，機(jī)電工程系，19920121152701）摘要目前國產(chǎn)數(shù)控裝置與伺服驅(qū)動之間的接口仍然采用 “脈沖量或模擬量接口”標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足高速高精數(shù)控系統(tǒng)的通信要求，已經(jīng)成為高檔數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸。而國外高檔數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的通信大都采用數(shù)字式現(xiàn)場總線，解決了通信瓶頸問題。但是這些現(xiàn)場總線多采用專用的硬件設(shè)備，技術(shù)保密，互不兼容，開發(fā)成本高。相對而言，以太網(wǎng)技術(shù)成熟、開放性好、兼容性強(qiáng)、成本低?；贓therCAT總線技術(shù)更是具有很多不可替代的優(yōu)勢。因此將以太網(wǎng)技術(shù)引入數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場級實時通信與同

2、步是我國下一代高檔數(shù)控系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容，論文圍繞這個主題展開研究。Abstract The pulse or analog interface standard is still used in communication between CNC (Computer Numerical Control) equipment and servos in domestic CNC systems. The behindhand standard has become the bottleneck to the development of high capability CNC system b

3、ecause they cannot meet the requirement of high speed and high precision. To cope with the bottleneck, most of foreign companies use fieldbus for CNC communication among the inner modules. However, these fieldbuses use special hardware equipment, which made them incompatible and high costs. Comparat

4、ively, Ethernet technology is mature, low cost and good compatibility. Therefore, the fieldbus for CNC system based on Ethernet technology is one of most important researches for the next generation CNC system. Here, the topic of “Ethernet based CNC fieldbus system” is proposed, and the research is

5、outspread around this topic.關(guān)鍵字 數(shù)控系統(tǒng) EtherCAT 總線技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀 1 引言隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密測量技術(shù)的不斷發(fā)展和迅速應(yīng)用，在制造業(yè)中，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床不斷更新?lián)Q代，正向著高速度、多功能、智能化、開放型以及高可靠性等方面迅速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)量和數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用已成為衡量一個國家工業(yè)化程度和技術(shù)水平的重要標(biāo)志。為了同時保證加工的高速度和高精度，控制系統(tǒng)必須在第一時間掌握加工狀況，并能在最短時間內(nèi)將控制命令發(fā)送到伺服系統(tǒng)中。因此要求數(shù)控系統(tǒng)能在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)的能力，即，在加工過程中能準(zhǔn)確及時的將加工信息向控制系統(tǒng)反饋，控

6、制系統(tǒng)迅速的做出反應(yīng)，調(diào)整控制策略。這要求數(shù)控系統(tǒng)有高速的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。高速高精加工要求控制系統(tǒng)能實時得到現(xiàn)場設(shè)備的反饋信息，并及時的做出響應(yīng)，才能在復(fù)雜加工環(huán)境下保證加工質(zhì)量，這要求控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的通訊具備高速、實時性能。由于加工現(xiàn)場存在不同的信號干擾，為避免傳輸干擾，保證控制、測量精度，控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的通訊最好使用數(shù)字化的方式。后來控制、計算機(jī)、通信、電子、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息交流溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，從工段、車間、工廠、企業(yè)到世界各地的市場。信息技術(shù)的飛快發(fā)展，導(dǎo)致了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，而逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)

7、。在數(shù)控系統(tǒng)中，個人計算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)越來越緊密地結(jié)合，由此而產(chǎn)生的具有開放性的pc數(shù)控系統(tǒng)，正在取代傳統(tǒng)形式的數(shù)控系統(tǒng)，并成為市場的主流產(chǎn)品。當(dāng)前高速發(fā)展的裝備制造技術(shù)，要求控制器必須滿足高速高精高效化、柔性加工、工藝復(fù)合和多軸化和實時智能控制。數(shù)控系統(tǒng)本身也朝著開放化(open architecture)、智能化(intelligence)、平臺化(standardized platform)、網(wǎng)絡(luò)化(network)和CAD+CAM+CNC無縫整合方向發(fā)展。因此，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)控制接口(模擬式、脈沖式)方式，已不能滿足高速、高精、多通道、復(fù)合化的要求，未來必然將被淘汰。根據(jù)國際數(shù)控系統(tǒng)技

8、術(shù)發(fā)展的趨勢，下一代數(shù)控系統(tǒng)的控制接口應(yīng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)的控制接口?，F(xiàn)場總線支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸，線纜大大簡化，具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)和較高的實時性和高可靠性等特點，適合數(shù)控機(jī)床不斷發(fā)展的高速、高精度的加工要求。計算機(jī)總線結(jié)構(gòu)變革，必將影響數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，串行總線的應(yīng)用將極大地改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。2 基于總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)以及傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的比較2.1 基于總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)在計算機(jī)系統(tǒng)中，總線對整個系統(tǒng)的性能和功能都有直接影響，有關(guān)專家預(yù)測，串行總線將逐漸取代并行總線。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和每臺伺服單元相連都需要一根電纜線，系統(tǒng)連接比較復(fù)雜， 若改用高速串行總線

9、連接，僅需要一根光纜就可以連接8個伺服單元。大大簡化了電氣配線，整個系統(tǒng)連接非常簡單，從而降低了成本和維修難度，提高了可靠性和靈活性。隨著電子技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，國外高性能數(shù)控系統(tǒng)越來越多的使用現(xiàn)場總線的方式實現(xiàn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備間的通訊，現(xiàn)場總線的技術(shù)特點如下：（1）“高速性”：現(xiàn)場總線的傳輸速度雖然沒有其他高速網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)）快，但完全能應(yīng)付工業(yè)上小數(shù)據(jù)量、高頻率的數(shù)據(jù)傳輸。如CAN總線的傳輸速率達(dá)到1Mb/s，而Profibus的傳輸速率更是達(dá)到12Mb/s。（2）“數(shù)字化”:現(xiàn)場總線用數(shù)字化通信取代4-20mA模擬儀表，傳統(tǒng)的自動化控制技術(shù)中現(xiàn)場設(shè)備與控制設(shè)備是通過一對一的方式

10、(一個I/O點對現(xiàn)場設(shè)備的一個測控點)連接，即所謂I/O接線方式，信號以4-20mA (傳送模擬信號)或24VDC(傳送開關(guān)量信號)傳遞?，F(xiàn)場總線技術(shù)采用一條通信電纜連接控制設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備，使用數(shù)字化通信完成對現(xiàn)場設(shè)備的聯(lián)絡(luò)和控制。利用數(shù)字信號代替模擬信號，其傳輸抗干擾性強(qiáng)，測量精度高，大大提高了系統(tǒng)性能。（3）“底層智能控制站點”:通過控制功能的下移，實現(xiàn)徹底的分散控制?，F(xiàn)場總線技術(shù)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場級的延伸，因此它可以把DCS控制站的功能分散地分配給現(xiàn)場儀表，構(gòu)成虛擬的控制站，這樣就廢棄了DCS的I/O單元和控制站?，F(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制或運算功能，通過微處理器能夠

11、完成諸如PIS等算法和邏輯控制，實現(xiàn)一表多能，測量控制一體化。通過現(xiàn)場儀表和裝置就可以構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了控制系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。（4）“互操作性”：現(xiàn)場總線由于功能分散在多臺現(xiàn)場儀表中，并且可以統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活地選用各種功能模塊，因此現(xiàn)場儀表或設(shè)備通過一對傳輸線互連就可實現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品的交互操作和互換，將各廠商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)“即接即用”，即所謂互操作性。這樣，用戶也能自由地集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，這是將來數(shù)控系統(tǒng)可重構(gòu)性創(chuàng)造了條件。（5）“真正的開放式系統(tǒng)”:現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，所有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都是公開的，用戶可以自由地集成不同廠商

12、的通信網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連。它的實施有利于解決工廠各層次的信息集成及支撐技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)問題，有利于構(gòu)筑CIMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并有效地發(fā)揮作用。此外，用戶可以很方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。集現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體，現(xiàn)場總線技術(shù)采用計算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)連接現(xiàn)場設(shè)備?？刂圃O(shè)備可以很便捷地從現(xiàn)場設(shè)備獲取所需的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息的快速傳送，完成對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障的診斷工作。（6）“簡易的連接方式”:一對一傳輸線互連多臺儀器，雙向傳輸多個信號，可大大減少連線數(shù)量，使系統(tǒng)的安裝成本降低，易于推廣維護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。使用現(xiàn)場總線不但可以很

13、好的解決高速高精加工對通訊技術(shù)的要求，更使數(shù)控系統(tǒng)的開放性能、可靠性大大提高，已成為目前高性能數(shù)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。國內(nèi)對基于現(xiàn)場總線的數(shù)控系統(tǒng)已有研究，但是目前還未能推出成熟產(chǎn)品。華中數(shù)控有限公司作為我國自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)公司，自上世紀(jì)90年代以來推出多款自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，在國內(nèi)市場上占有一定市場，并享有較高聲譽。以目前華中數(shù)控推出的世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)為例，世紀(jì)星系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的通訊方式主要有兩種：（1）模擬量控制，直接輸出電流，對電機(jī)進(jìn)行速度控制。（2）脈沖數(shù)字控制，向步進(jìn)電機(jī)或者數(shù)字伺服電機(jī)發(fā)出脈沖數(shù)據(jù)，進(jìn)行位置增量控制。模擬量控制容易被外界干擾，而且對控制系統(tǒng)的要求較高，目前

14、正在被數(shù)字控制所取代。對于脈沖數(shù)字控制，脈沖的發(fā)送與接收速度有限難以提高電機(jī)的響應(yīng)速度，例如，實現(xiàn)60m/min的進(jìn)給速度，需要控制系統(tǒng)以1000p/ms速率發(fā)出脈沖，發(fā)送頻率達(dá)到1MHz，如果需要更高的速度，則發(fā)送頻率超過1MHz，對于脈沖方式來說，現(xiàn)有的設(shè)備難以實現(xiàn)這個目標(biāo)；此外，使用脈沖方式受脈沖分頻器的限制，發(fā)送周期的精度難以保高速高精加工要求控制系統(tǒng)能實時得到現(xiàn)場設(shè)備的反饋信息，并及時的做出響應(yīng)，才能在復(fù)雜加工環(huán)境下保證加工質(zhì)量，這要求控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的通訊具備高速、實時性能。由于加工現(xiàn)場存在不同的信號干擾，為避免傳輸干擾，保證控制、測量精度，控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的通訊最好使用數(shù)字化

15、的方式。數(shù)控系統(tǒng)的平臺由硬件平臺和通用的軟件模塊組成。在硬件平臺方面,個人計算機(jī)已發(fā)展到以Pentium為主流,標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存配置為64M128M或更高；性能的快速提高,使它可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。此外, PC機(jī)生產(chǎn)批量大,價格便宜。高標(biāo)準(zhǔn)的硬件結(jié)構(gòu)、配置及優(yōu)異的性能價格比,使得PC機(jī)理所當(dāng)然地成為開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的首選硬件平臺,在PC機(jī)上開發(fā)CNC,已成為大多數(shù)國家數(shù)控同行的共識。歐盟的OSACA項目所制定的開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范即以PC為標(biāo)準(zhǔn)平臺。1994年,基于PC的CNC控制器在美國首先亮相市場,并在此后獲得了高速發(fā)展。1996年芝加哥和1997年北京的國際機(jī)床展覽會中,一個十分顯

16、著的特征,就是出現(xiàn)了越來越多的以個人計算機(jī)為基礎(chǔ)(PC2based)的控制器。過去生產(chǎn)專用控制器的幾家大制造商,也紛紛推出以個人計算機(jī)為基礎(chǔ)的控制器新產(chǎn)品系列。我國在“八五”期間提出了以自主版權(quán)為目標(biāo),以平臺為基礎(chǔ)的發(fā)展戰(zhàn)略,在攻關(guān)過程中,瞄準(zhǔn)或調(diào)整到以PC機(jī)為基礎(chǔ)的發(fā)展路線上,形成了兩種平臺,開發(fā)出了4個基本系統(tǒng),其中華中I型和中華I型是將數(shù)控專用模板嵌入通用PC機(jī)構(gòu)成的單機(jī)數(shù)控系統(tǒng),航天I型和藍(lán)天I型是將PC機(jī)嵌入到數(shù)控之中構(gòu)成的多機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。國內(nèi)其它單位也都先后加入了開放式體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的開發(fā),如:沈陽數(shù)控研究中心開發(fā)的具有自主版權(quán)的CNCLT28520/8530；沈陽數(shù)字控制股份有限公司

17、消化吸收引進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)了S2PBC數(shù)控系統(tǒng)；北京機(jī)床研究所引進(jìn)了德國PA公司的開放式CNC系統(tǒng)PA8000的全套技術(shù),對其產(chǎn)品應(yīng)用進(jìn)行開發(fā);南京航空航天大學(xué)研制的基于PC平臺的超人計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)已調(diào)試成功并投入使用,可完成5軸控制,任意空間直線4軸插補,圓弧、橢圓、拋物線、樣條曲線插補等；在2001年的上海工博會上,上海第三機(jī)床廠推出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PC平臺開放式數(shù)控系統(tǒng)。2.2 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)（模擬/脈沖）數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高速、高精和高可靠性，而通訊方式的實時性、可靠性及并行處理的同步性是決定數(shù)控系統(tǒng)高速、高精和高可靠性的一個重要因素。目前的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)中,數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動器的通訊接口

18、形式主要有兩種：模擬量接口和脈沖量接口。模擬量接口遵循 EIA 的 RS-431 定義的標(biāo)準(zhǔn)，其電壓的幅值代表速度、極性代表方向，這個“速度命令”信號通常調(diào)整到 7-10V，該電壓代表電動機(jī)全速運轉(zhuǎn)，因而稱之為“正負(fù) 10V 命令”。模擬量接口的缺點是：模擬量電壓容易受到電磁干擾造成刀具移動速度產(chǎn)生波動，工件的加工表面不光滑；在 D/A 和 A/D 轉(zhuǎn)換過程中存在轉(zhuǎn)換誤差,機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)位置環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的實時指令數(shù)據(jù)在傳輸?shù)剿欧到y(tǒng)時產(chǎn)生誤差,影響了電機(jī)的控制性能,難于實現(xiàn)高精度加工控制過程；只能從控制器到驅(qū)動器單向傳送一條指令，嚴(yán)重限制了信息量；接線復(fù)雜，布線成本高，大量的接線加上缺乏診斷能力

19、常常導(dǎo)致故障檢測困難。脈沖量接口把移動速度轉(zhuǎn)化為脈沖頻率,把運動位置轉(zhuǎn)化為脈沖個數(shù),最后以“脈沖+方向”或“正負(fù)脈沖”的形式把速度和位置信息傳給伺服驅(qū)動器。這種接口的缺點是傳輸線容易受到干擾，因而丟失脈沖,造成刀具不能移動到指定位置；對脈沖頻率有限制,因而其加工速度低；采用脈沖接口方式的數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng),不能進(jìn)行位置補償,導(dǎo)致其加工精度不高。長期以來,我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu),CNC只能作為非智能的機(jī)床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定,加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié),整個制

20、造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下,加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù),無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實時動態(tài)調(diào)整,更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量,因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見,傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu),限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展,己不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程,因此,大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為我們國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。對于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，其具有如下的缺點：1）脈沖數(shù)據(jù)

21、傳送頻率限制：發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)的最高頻率一般在1MHz左右，即1毫秒傳送1000個脈沖，例如，華中數(shù)控M22型世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)脈沖發(fā)生器一個周期最多能發(fā)送4096個脈沖，周期為4ms，對2500線的電機(jī)而言速度不超過3000p/min。2）脈沖發(fā)生器分頻限制：脈沖發(fā)生器收到數(shù)據(jù)指令后需要將數(shù)據(jù)分頻發(fā)出，由于脈沖發(fā)生模塊晶振頻率固定，而發(fā)送數(shù)據(jù)是不同的，根據(jù)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻將導(dǎo)致每次發(fā)送脈沖的周期不能精確相同，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的插補周期不同。3）用戶的應(yīng)用，維護(hù)以及操作人員培訓(xùn)完全依賴于數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，系統(tǒng)維護(hù)費用較高。4）系統(tǒng)功能的擴(kuò)充以及更新完全依賴于公司的技術(shù)水平，周期比較長。5）大量市售廉價通用

22、軟硬件在專用的數(shù)控系統(tǒng)上無法使用，功能比較單一。上述缺點使得脈沖數(shù)據(jù)傳送方式難以滿足高速高精加工要求，必須使用其他通訊方式，因此，現(xiàn)場總線技術(shù)順運而生。針對高速高精數(shù)控系統(tǒng)對通訊技術(shù)的要求，將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)（下位機(jī)）與現(xiàn)場設(shè)備（伺服系統(tǒng)）的通訊中，保證數(shù)控系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備間通訊的高速、實時性能。使用總線實現(xiàn)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備通訊原理圖如圖2.1所示。2.3 基于總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)以及傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的比較根據(jù)上兩節(jié)對基于總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)和傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的描述后，本小節(jié)將對兩代新舊數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行較為詳細(xì)的對比。首先從宏觀的角度對傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和基于總線的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對比，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

23、及可伸縮性、系統(tǒng)可維護(hù)性、軟件開發(fā)難易性、特殊專用系統(tǒng)開發(fā)、聯(lián)網(wǎng)性、PLC軟件、接口、程序容量等方面進(jìn)行比較，如表2.1所示。圖2.1 總線實現(xiàn)控制系統(tǒng)通訊原理圖3 基于開放式EtherCAT總線與其他總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)的對比3.1 現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點現(xiàn)場總線是以單個分散的數(shù)字化智能化的測量控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，現(xiàn)場總線技術(shù)具有如下的特點。1） 系統(tǒng)的開放性傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是個自我封閉的系統(tǒng)，一般只能通過工作站的串口或并口對外通信。在現(xiàn)場總線技術(shù)中，用戶可按自己的需要和對象，將來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品

24、組成大小隨意的系統(tǒng)。2） 可操作性與可靠性現(xiàn)場總線在選用相同的通信協(xié)議情況下，只要選擇合適的總線網(wǎng)卡、插口與適配器即可實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳輸與溝通，大大減少接線與查線的工作量，有效提高控制的可靠性。3） 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的信號傳遞是模擬信號的單向傳遞，信號在傳遞過程中產(chǎn)生的誤差較大，系統(tǒng)難以迅速判斷故障而帶故障運行。而現(xiàn)場總線中采用雙向數(shù)字通信，將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。表2.1 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)和基于總線的數(shù)控系統(tǒng)對比比較項傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及可伸縮性硬件專用軟件，不易伸縮

25、硬件基于PC，軟件基于通用操作系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)需要進(jìn)行伸縮系統(tǒng)可維護(hù)性隨著技術(shù)進(jìn)步，需開發(fā)、生產(chǎn)專用的硬件，難于適應(yīng)競爭的日益劇烈要求緊跟PC技術(shù)發(fā)展，容易升級軟件開發(fā)難易性軟件為CNC制造商獨占，機(jī)床廠、用戶難于進(jìn)行二次開發(fā)，以引進(jìn)獨創(chuàng)部分使用開放軟件平臺，機(jī)床制造商、用戶可以根據(jù)需要開發(fā)自己的軟件特殊專用系統(tǒng)開發(fā)對特殊、專用系統(tǒng)開發(fā)不容易，需花大量時間使用開放軟件平臺和C+等高級語言，容易開發(fā)聯(lián)網(wǎng)性須用專用硬件和專有通訊技術(shù)（方法），聯(lián)網(wǎng)成本高與PC聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相同，聯(lián)網(wǎng)成本高PLC軟件須用制造商專用語言，難以移植，維修困難使用符合標(biāo)準(zhǔn)的PLC，可移植性強(qiáng)，容易開發(fā)接口用專用接口，只能使用特定

26、制造商產(chǎn)品使用標(biāo)準(zhǔn)化接口，容易與各類伺服、步進(jìn)電動驅(qū)動及主軸電機(jī)聯(lián)接程序容量專用RAM，通常只有128KB，擴(kuò)容成本高，對大型模具程序，需采用DNC通用RAM，內(nèi)存4M以上，可擴(kuò)至64MB，并可配置硬盤，一次性調(diào)入巨量程序4） 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性現(xiàn)場總線是作為適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線及電力線等，其具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足安全及防爆要求等?？傊跀?shù)控機(jī)床中，各種控制器、執(zhí)行器以及傳感器之間通過現(xiàn)場總線連接，線纜少、易敷設(shè)、實現(xiàn)成本低，而且系統(tǒng)設(shè)計更加靈活，信號傳輸可靠性高且抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)控機(jī)床基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)

27、將逐漸取代原有控制系統(tǒng)，復(fù)雜的線束將被現(xiàn)場總線所代替。據(jù)資料介紹，目前國內(nèi)已經(jīng)成功開發(fā)出應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床的總線式數(shù)控系統(tǒng)，具備支持32軸6通道、768IN/512OUT開關(guān)量控制，且支持用戶二次開發(fā)。3.2EtherCAT總線技術(shù)EtherCAT 是開放的實時以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，最初由德國倍福自動化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發(fā)。EtherCAT為系統(tǒng)的實時性能和拓?fù)涞撵`活性樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，同時，它還符合甚至降低了現(xiàn)場總線的使用成本。EtherCAT的特點還包括高精度設(shè)備同步，可選線纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。目前有多種用于提供實時功能的以太網(wǎng)方案

28、：例如，通過較高級的協(xié)議層禁止CSMA/CD存取過程，并使用時間片或輪詢過程來取代它。其它方案使用專用交換機(jī)，并采用精確的時間控制方式分配以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。盡管這些解決方案能夠比較快和比較準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送到所連接的以太網(wǎng)節(jié)點，但帶寬的利用率卻很低，特別是對于典型的自動化設(shè)備，因為即使對于非常小的數(shù)據(jù)量，也必須要發(fā)送一個完整的以太網(wǎng)幀。而且，重新定向到輸出或驅(qū)動控制器，以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需的時間主要取決于執(zhí)行方式。通常也需要使用一條總線，特別是在模塊化I/O系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)與Beckhoff K總線一樣，通過同步子總線系統(tǒng)加快傳輸速度，但是這樣的同步將無法避免引起通訊總線傳輸?shù)难舆t。通過采用Eth

29、erCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行解碼并復(fù)制為過程數(shù)據(jù)。當(dāng)幀通過每一個設(shè)備（包括底層端子設(shè)備）時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣，輸入數(shù)據(jù)可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過去的時候，從站會識別出相關(guān)命令，并進(jìn)行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現(xiàn)的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實時運行系統(tǒng)或處理器性能無關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個EtherCAT從站將經(jīng)過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應(yīng)報文由第一個從站返回到主站。從以太網(wǎng)的角度看，EtherCA

30、T總線網(wǎng)段只是一個可接收和發(fā)送以太網(wǎng)幀的大型以太網(wǎng)設(shè)備。但是，該“設(shè)備”不包含帶下游微處理器的單個以太網(wǎng)控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網(wǎng)一樣，EtherCAT不需要通過交換機(jī)就可以建立通訊，因而產(chǎn)生一個純粹的EtherCAT系統(tǒng)。EtherCAT協(xié)議針對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化，它被直接傳送到以太網(wǎng)幀，或被壓縮到UDP/IP數(shù)據(jù)報文中。UDP協(xié)議在其它子網(wǎng)中的 EtherCAT網(wǎng)段由路由器進(jìn)行尋址的情況下使用。以太網(wǎng)幀可能包含若干個EtherCAT報文，每個報文專門用于特定存儲區(qū)域，該存儲區(qū)域可編制大小達(dá)4GB的邏輯過程鏡像。由于數(shù)據(jù)鏈獨立于EtherCAT端子物理順序，

31、因此可以對EtherCAT端子進(jìn)行任意編址。從站之間可進(jìn)行廣播、多點傳送和通訊。該協(xié)議還可處理通常為非循環(huán)的參數(shù)通訊。參數(shù)的結(jié)構(gòu)和含義通過 CANopen設(shè)備行規(guī)進(jìn)行設(shè)定，這些設(shè)備行規(guī)用于多種設(shè)備類別和應(yīng)用。EtherCAT 還支持符合 IEC61491 標(biāo)準(zhǔn)的從屬行規(guī)。該行規(guī)以SERCOS 命名，被全球運動控制應(yīng)用領(lǐng)域普遍認(rèn)可。除了符合主站/從站原理的數(shù)據(jù)交換外，EtherCAT還非常適用于控制器之間（主站/主站）的通訊?？勺杂删幹返倪^程數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)變量以及各種參數(shù)化、診斷、編程和遠(yuǎn)程控制服務(wù)，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數(shù)據(jù)接口是相同的。EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了

32、一個新的高度。1000個分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30s，其中包括端子循環(huán)時間。通過一個以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過程數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300s。與100個伺服軸的通訊只需100s。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報告它們的實際位置和狀態(tài)。分布式時鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。E

33、therCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數(shù)據(jù)傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現(xiàn)的性能。這種網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢在有相對中等的計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環(huán)，可以在兩個控制循環(huán)之間完成。因此，控制器總有可用的最新輸入數(shù)據(jù)，輸出編址的延遲最小。在無需增強(qiáng)本身計算能力的基礎(chǔ)上，控制器的響應(yīng)行為得到顯著改善。EtherCAT技術(shù)的原理具備擴(kuò)展性，不束縛于100M帶寬擴(kuò)展至G兆位的以太網(wǎng)也是可能的。隨著PC組件小型化的加速發(fā)展，工業(yè)PC的體積主要取決于所需要的插槽數(shù)目。高速以太網(wǎng)帶寬以及EtherCAT通訊硬件（Et

34、herCAT從站控制器）數(shù)據(jù)帶寬的利用，開辟了新的應(yīng)用可能性：通常位于IPC中的接口被轉(zhuǎn)移到EtherCAT系統(tǒng)中的智能化接口端子上。除分散式I/O、軸和控制單元外，現(xiàn)場總線主站、高速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復(fù)雜系統(tǒng)可以通過PC上的一個以太網(wǎng)端口進(jìn)行尋址。甚至對無協(xié)議變體限制的其它以太網(wǎng)設(shè)備也可通過分布式交換機(jī)端子進(jìn)行連接。如圖3.1所示，工業(yè)PC主機(jī)體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網(wǎng)接口足以應(yīng)對所有的通訊任務(wù)。用以太網(wǎng)代替PCI現(xiàn)場總線設(shè)備（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通過分布式現(xiàn)場總線主站端子進(jìn)行集成。不使用現(xiàn)場總線主站節(jié)省了PC中的PCI

35、插槽。圖3.1 基于EtherCAT總線技術(shù)的PC數(shù)控系統(tǒng)3.3 其他典型總線技術(shù)3.3.1. CAN總線的應(yīng)用開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)已成為當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。CAN總線適用于數(shù)據(jù)交換簡短而頻繁的場合，是解決工業(yè)控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信的有效方式，可以方便有效地構(gòu)成分布式實時過程檢測與控制系統(tǒng)。由于基于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有高可靠性、實時性和靈活性等特點，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場自動化設(shè)備的互連，在汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)也是現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)之一(ISO11898)。圖3.2 CAN總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖3.2所示，CAN通過“無損的逐位仲裁”方法來使有最高優(yōu)先權(quán)

36、的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個29位數(shù)字的ID。CAN總線狀態(tài)取決于二進(jìn)制0而不是1，所以ID號越小，則報文擁有越高的優(yōu)先權(quán)。本通信系統(tǒng)共設(shè)置8個優(yōu)先級，CNC系統(tǒng)與主軸之間交換的數(shù)據(jù)設(shè)置為最高優(yōu)先級，即將其數(shù)據(jù)幀的仲裁段設(shè)置為全0。CNC系統(tǒng)與七個伺服軸之間交換的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級被分別依次設(shè)置為優(yōu)先級17?；贑AN總線的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)解決了局域網(wǎng)型數(shù)控機(jī)床的缺點，結(jié)構(gòu)簡單、實時性好、可靠性高、通信距離長、連接設(shè)備多。3.3.2. AS-Interface總線技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用在AS-Interface網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)控制著AS-Interface電纜的通信，一個網(wǎng)絡(luò)

37、最大可以連接62個模塊（V2.1以下版本），單個模塊最多可配置8個輸入信號或8個輸出信號，一共可以配置248個輸人信號和248個輸出信號。網(wǎng)關(guān)或掃描器按順序呼叫模塊并等待同應(yīng)，如果響應(yīng)失敗，則會重復(fù)呼叫；如果仍然沒有響應(yīng)，網(wǎng)關(guān)或掃描器會記錄模塊地址并反饋給PLC，網(wǎng)關(guān)或掃描器回繼續(xù)嘗試訪問未響應(yīng)的地址。每次循環(huán)，4個位的信息會被網(wǎng)關(guān)或掃描器傳送給模塊，然后另外4個位的信息被返回。在傳統(tǒng)的接線中，電源必須連接到每只傳感器或執(zhí)行器，并且信號線必須連接到I/O模塊中，這種連線方式的缺點是接線費用高和安裝時間長。如果使用遠(yuǎn)程I/O模塊，電纜的總量減少了但接點的總量保持相同。相對于以上兩種選擇，AS-I

38、nterface具有下列優(yōu)點：電源和信號在兩根導(dǎo)線上傳輸，減少了節(jié)點數(shù)日；用電纜穿刺技術(shù)減少了電纜的連接，電纜的高絕緣性能減小了額外保護(hù)并減少了安裝時間；省略了I/O模塊，AS-Interface主控機(jī)取代了模塊，并使數(shù)據(jù)能通過總線系統(tǒng)傳送到PLC。在小的系統(tǒng)中因為AS-Interface主控機(jī)集成成了PLC功能，故可省略PLC；少量的I/O模塊減少了或省略了電纜管和電柜。4 基于開放式EtherCAT總線 的PC數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展前景4.1數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展前景數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化, 使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,它對國計民生的一些

39、重要行業(yè)( IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用,因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展趨勢來看,其研究熱點有以下方面。1） 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)能極大地提高效率, 產(chǎn)品質(zhì)量和檔次,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此, 日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一, 國際生產(chǎn)工程學(xué)會( CIRP)將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。在轎車工業(yè)領(lǐng)域,年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40 s/輛, 且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域, 其加工的零部件多

40、為薄壁和薄筋, 剛度很差,材料為鋁或鋁合金, 只有在高切削速度和切削力很小的情況下, 才能對這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料掏空的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個零件通過眾多鉚釘、螺釘和其它聯(lián)結(jié)方式拼裝, 使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。在加工精度方面,近10年來, 普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度由10um提高到5um,精密級加工中心則從3 5um, 提高到1 1. 5um, 且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級( 0.01um)。在可靠性方面, 國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)到6000h以上, 伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h

41、以上, 表現(xiàn)出非常高的可靠性。為實現(xiàn)高速、高精加工, 與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速發(fā)展, 應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。2） 5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件加工, 可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削, 不僅光潔度高, 而且效率也大幅度提高。一般, 1臺5軸聯(lián)動機(jī)床的效率等于2臺3軸聯(lián)動機(jī)床, 特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時, 5軸聯(lián)動加工比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因, 其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍, 加之編程技術(shù)難度較大, 制約了5軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前, 由于電主軸的出現(xiàn),使得實現(xiàn)

42、5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化, 制造難度和成本大幅度降低,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床(含5面加工機(jī)床)的發(fā)展。3） 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢21世紀(jì)的數(shù)控裝備將具有一定智能化的系統(tǒng), 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化, 如加工過程的自適應(yīng)控制, 工藝參數(shù)自動生成; 為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化, 如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載、自動選定模型、自整定等; 簡化編程和操作方面的智能化, 如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等; 還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究,如美國的NGC( The Next Generation WorkStation/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、中國的ONC( Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已成為數(shù)控系統(tǒng)的未