基于現場(chǎng)總線(xiàn)的可重構數控系統的研究

對于一個(gè)單主站的數控系統方案，包含1個(gè)CNC控制器主站、4個(gè)伺服驅動(dòng)器從站(4軸控制)、1個(gè)主軸驅動(dòng)器從站、2個(gè)I／O模塊從站、1個(gè)人機交互(Human Machine Interface，HMI)單元、2個(gè)監控單元從站，則共有1個(gè)主站，10個(gè)從站。假定每個(gè)從站有10 byte的輸入和10 byte的輸出，則TMc-(33+75+11+198+110+110)×20=10 740 TBit。

1．5 M波特率下，1 TBit需要0．66μs，從而10 740 TBit需要10 740×0．66μs=7．1 ms；

12 M波特率下，1TBit需要0．083μs，從而10 740 TBit需要10 740×0．083μs=0．9 ms。

一般來(lái)說(shuō)，數控系統在進(jìn)行位置控制時(shí)，要求位置環(huán)的閉合時(shí)間在2 ms以?xún)?，所以上面的系統設計在1．5 M波特率時(shí)，無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此，要么提高總線(xiàn)傳輸速度到12 M波特率的水平，要么簡(jiǎn)化從站的輸入輸出字節的數量。

2．3基于現場(chǎng)總線(xiàn)的結構方案設計

現場(chǎng)總線(xiàn)也是一種被標準化和通用化的串行工業(yè)總線(xiàn)形式，采用數據通訊的形式，總線(xiàn)接口精簡(jiǎn)為只有通信數據的發(fā)送和接收定義。而且現場(chǎng)總線(xiàn)具備長(cháng)距離連接的能力，可以采用串級連接的形式，以方便組建分布式的數控系統和遠程控制的數控設備。

圖5描述了基于PROFIBUS總線(xiàn)的數控系統拓撲結構方案，將數控系統簡(jiǎn)化為包含CNC控制器、人機接口(Human Machine Interface，HMI)系統、輸入輸出單元I／O、驅動(dòng)器單元DRIVE和電機單元。每個(gè)模塊具備獨立的處理能力和智能特征，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)串聯(lián)起來(lái)，成為總線(xiàn)拓撲結構上的一個(gè)站點(diǎn)。站點(diǎn)有主從之分，但都遵循完全一樣的總線(xiàn)通信協(xié)議，因此，總線(xiàn)上傳輸的信號都表示數據而不存在專(zhuān)門(mén)的控制信號。這些數據信號必須經(jīng)過(guò)特定的譯碼后，才能變成每一個(gè)模塊單元可以直接在內部使用的數據。相對于傳統的集中式數控系統結構，CNC控制器的地位發(fā)生了變化，它從核心模塊變成了現場(chǎng)總線(xiàn)中的一個(gè)節點(diǎn)，雖然仍是整個(gè)系統中的控制主體，但通訊方式的改變使其在拓撲結構上與其他外圍設備節點(diǎn)處于同等地位。CNC控制器可配置為現場(chǎng)總線(xiàn)數控系統中的主設備，負責系統任務(wù)的發(fā)起和控制數據的生成，以及采集監控其他節點(diǎn)模塊的返回數據。

圖5基于PROFIBus總線(xiàn)的數控系統結構圖

各模塊的功能描述如下：

CNC控制器作為整個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)系統的主機，負責數控加工任務(wù)的規劃、指令和數據的生成、計算和輸出，負責網(wǎng)絡(luò )系統的初始化、發(fā)起任務(wù)、狀態(tài)查詢(xún)、數據下載等工作。交互系統HMI則負責數控加工數據的輸入，處理與用戶(hù)操作和監控有關(guān)的系統功能，一般具備顯示功能、鍵盤(pán)處理、用戶(hù)數據傳輸，以及簡(jiǎn)單的數據處理功能。傳統集中式數控系統中CNC控制器的CPU在擔負起人機交互任務(wù)的同時(shí)，還要進(jìn)行運動(dòng)控制任務(wù)。這就要求必須用嚴格的實(shí)時(shí)任務(wù)調度來(lái)解決任務(wù)問(wèn)共用處理器資源和共享數據可能產(chǎn)生的沖突。而分布式的設計方案則使HMI模塊本身具備充分的處理和運算能力，它可以獨立地向其他模塊查詢(xún)數據和發(fā)送數據，無(wú)須通過(guò)CNC控制器進(jìn)行轉發(fā)控制。這種數據的傳輸根據具體的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議不同而具備不同的封裝形式，因此，只要符合該數據格式的傳輸設備都可以直接與HMI建立數據通訊關(guān)系，完成用戶(hù)數據設定和所需數據的查詢(xún)。這種模塊化設計，可使HMI模塊根據實(shí)際現場(chǎng)的需要具備多種形式，包括顯示格式、數據類(lèi)型、參數格式、圖形化顯示等眾多功能，且都可以不依賴(lài)于CNC控制器而自由定制。

I／O模塊同樣從傳統數控系統中的I／O點(diǎn)轉化成具備智能處理能力和通訊能力的控制單元。I／O智能模塊單元由于具備自己專(zhuān)門(mén)的處理器，而從集中式數控體系中獨立出來(lái)，它自身實(shí)現數字量的輸出、外部信號的采集，以及這個(gè)過(guò)程中所涉及到的信號的轉化和調整。I／O模塊單元與HMI和CNC控制器通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)可以直接建立聯(lián)系，所有對I／O端口的操作都會(huì )以命令的方式進(jìn)行傳輸，傳輸的周期和格式由現場(chǎng)總線(xiàn)具體的協(xié)議規范保證?，F場(chǎng)總線(xiàn)對I／O模塊的連接，通過(guò)一對屏蔽雙絞線(xiàn)即可實(shí)現。因此，系統的連接被簡(jiǎn)單化了，可靠性和靈活性都得到了很大的提高。而I／O模塊自身的處理能力可以獨立執行對現場(chǎng)I／O端口，包括執行器和傳感器的基本控制和實(shí)時(shí)事件處理，保證了現場(chǎng)設備的正常運行。

數字伺服驅動(dòng)器是數控系統操控電機運動(dòng)的功率單元，是運動(dòng)控制性能的關(guān)鍵部分，它是數控系統的運動(dòng)控制執行器，是與電機等執行裝置和機械設備的接口，負責將CNC控制器的任務(wù)和數據轉變成運動(dòng)控制輸出，實(shí)現弱信號對強電流的控制。數字主軸驅動(dòng)單元是數控系統的切削加工執行器，是與主軸電機等部件的直接接口，負責將CNC控制器對主軸的操作指令轉變成轉速或位置輸出。目前，驅動(dòng)器已從模擬式逐漸過(guò)渡到數字式，其主要標志是內部由模擬的開(kāi)關(guān)器件和功率器件，轉變?yōu)榛跀底中盘柼幚?Digital Signal Processing，DSP)的數字式、集成化智能控制器件。參數的整定和算法的實(shí)現，是從硬件電子電路轉化為基于軟件的實(shí)現，因此具備了更多的柔性和可配置性。驅動(dòng)器接受控制器發(fā)送的位置指令(脈沖串)或速度指令(模擬電壓信號)，通過(guò)內部控制器處理，控制電機精確運轉，并在伺服系統中通過(guò)位置和速度檢測裝置，實(shí)現基于跟隨誤差的系統精確隨動(dòng)控制。但是，目前驅動(dòng)器與控制器的連接仍是以并行連線(xiàn)為主，很多離散的輸入輸出信號必須通過(guò)一對一的連接關(guān)系進(jìn)行傳輸交互，當控制器和驅動(dòng)器安裝距離較遠時(shí)，這種連接方式非常不方便。因此，采用數據通訊的串行連接方式，實(shí)現驅動(dòng)器與控制器的信息交互，是簡(jiǎn)化系統結構、提高系統可靠性的有力措施。而現場(chǎng)總線(xiàn)正是實(shí)現這一接口方案的最佳選擇，它將所有的連接信號封裝成具有控制意義的特殊指令格式，在控制器和驅動(dòng)器之間傳輸，也可以在HMI，I／O單元和驅動(dòng)器之間傳輸，然后由各自模塊的處理單元解碼，轉換成內部所需的各類(lèi)控制信號。

監控診斷單元是數控系統的狀態(tài)監測與故障處理的獨立模塊，與現場(chǎng)的傳感裝置直接連接，負責實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)設備關(guān)鍵部位的工作數據，并能進(jìn)行預處理和應急處理，同時(shí)能夠在必要時(shí)與CNC控制器建立信息交互。

這便是全數字式的數控系統的基本要求，這樣的設計使得系統的結構不僅在硬件上得到了統一化，而且在軟件接口上也有了統一的形式，因為遵循相同的數據傳輸格式和編碼解碼過(guò)程，通訊接口單元可以被抽象出來(lái)，供每一個(gè)不同功能的數控控制實(shí)體利用。

3 結束語(yǔ)

本文介紹的方案已成功應用于機床數控系統中，如TDNC320車(chē)床、TDNCXl5A銑床等。在此基礎上，筆者快速重構出了可應用于一個(gè)4軸加工中心TDNC40A的數控系統，如圖6所示。實(shí)驗證明系統穩定可靠，可重構效果良好。

圖6數控系統用于4軸加工中心TDNC40A

MCX314AS是一款功能強大的運動(dòng)控制芯片，具有優(yōu)越的4軸控制及插補功能，可大大減輕研發(fā)任務(wù)，提高研發(fā)速度，在短時(shí)間內得到了控制性能較高的數控系統。而ARM處理器的強大功能保證了該系統的高速、高精度和實(shí)時(shí)性數控加工。FPGA的應用解決了由于現場(chǎng)伺服電機擴展后的邏輯電路變化的問(wèn)題，從硬件上實(shí)現了可重構性?，F場(chǎng)總線(xiàn)是數控系統向工業(yè)通信技術(shù)領(lǐng)域內尋求分布式解決方案的一條很有前景的途徑，其優(yōu)勢在于面向工業(yè)的標準化設計和市場(chǎng)產(chǎn)品線(xiàn)的支持體系?，F場(chǎng)總線(xiàn)的應用實(shí)現了數控系統底層單元的靈活配置功能和數控系統的開(kāi)放性。