基于現(xiàn)場總線的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的研究

對于一個單主站的數(shù)控系統(tǒng)方案，包含1個CNC控制器主站、4個伺服驅(qū)動器從站(4軸控制)、1個主軸驅(qū)動器從站、2個I／O模塊從站、1個人機(jī)交互(Human Machine Interface，HMI)單元、2個監(jiān)控單元從站，則共有1個主站，10個從站。假定每個從站有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。

一般來說，數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行位置控制時，要求位置環(huán)的閉合時間在2 ms以內(nèi)，所以上面的系統(tǒng)設(shè)計在1．5 M波特率時，無法滿足要求。因此，要么提高總線傳輸速度到12 M波特率的水平，要么簡化從站的輸入輸出字節(jié)的數(shù)量。

2．3基于現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

現(xiàn)場總線也是一種被標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的串行工業(yè)總線形式，采用數(shù)據(jù)通訊的形式，總線接口精簡為只有通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收定義。而且現(xiàn)場總線具備長距離連接的能力，可以采用串級連接的形式，以方便組建分布式的數(shù)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制的數(shù)控設(shè)備。

圖5描述了基于PROFIBUS總線的數(shù)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，將數(shù)控系統(tǒng)簡化為包含CNC控制器、人機(jī)接口(Human Machine Interface，HMI)系統(tǒng)、輸入輸出單元I／O、驅(qū)動器單元DRIVE和電機(jī)單元。每個模塊具備獨(dú)立的處理能力和智能特征，通過現(xiàn)場總線串聯(lián)起來，成為總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的一個站點。站點有主從之分，但都遵循完全一樣的總線通信協(xié)議，因此，總線上傳輸?shù)男盘柖急硎緮?shù)據(jù)而不存在專門的控制信號。這些數(shù)據(jù)信號必須經(jīng)過特定的譯碼后，才能變成每一個模塊單元可以直接在內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)的集中式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，CNC控制器的地位發(fā)生了變化，它從核心模塊變成了現(xiàn)場總線中的一個節(jié)點，雖然仍是整個系統(tǒng)中的控制主體，但通訊方式的改變使其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上與其他外圍設(shè)備節(jié)點處于同等地位。CNC控制器可配置為現(xiàn)場總線數(shù)控系統(tǒng)中的主設(shè)備，負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的發(fā)起和控制數(shù)據(jù)的生成，以及采集監(jiān)控其他節(jié)點模塊的返回數(shù)據(jù)。

圖5基于PROFIBus總線的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各模塊的功能描述如下：

CNC控制器作為整個現(xiàn)場總線系統(tǒng)的主機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)控加工任務(wù)的規(guī)劃、指令和數(shù)據(jù)的生成、計算和輸出，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化、發(fā)起任務(wù)、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)下載等工作。交互系統(tǒng)HMI則負(fù)責(zé)數(shù)控加工數(shù)據(jù)的輸入，處理與用戶操作和監(jiān)控有關(guān)的系統(tǒng)功能，一般具備顯示功能、鍵盤處理、用戶數(shù)據(jù)傳輸，以及簡單的數(shù)據(jù)處理功能。傳統(tǒng)集中式數(shù)控系統(tǒng)中CNC控制器的CPU在擔(dān)負(fù)起人機(jī)交互任務(wù)的同時，還要進(jìn)行運(yùn)動控制任務(wù)。這就要求必須用嚴(yán)格的實時任務(wù)調(diào)度來解決任務(wù)問共用處理器資源和共享數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的沖突。而分布式的設(shè)計方案則使HMI模塊本身具備充分的處理和運(yùn)算能力，它可以獨(dú)立地向其他模塊查詢數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，無須通過CNC控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制。這種數(shù)據(jù)的傳輸根據(jù)具體的現(xiàn)場總線協(xié)議不同而具備不同的封裝形式，因此，只要符合該數(shù)據(jù)格式的傳輸設(shè)備都可以直接與HMI建立數(shù)據(jù)通訊關(guān)系，完成用戶數(shù)據(jù)設(shè)定和所需數(shù)據(jù)的查詢。這種模塊化設(shè)計，可使HMI模塊根據(jù)實際現(xiàn)場的需要具備多種形式，包括顯示格式、數(shù)據(jù)類型、參數(shù)格式、圖形化顯示等眾多功能，且都可以不依賴于CNC控制器而自由定制。

I／O模塊同樣從傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中的I／O點轉(zhuǎn)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門的處理器，而從集中式數(shù)控體系中獨(dú)立出來，它自身實現(xiàn)數(shù)字量的輸出、外部信號的采集，以及這個過程中所涉及到的信號的轉(zhuǎn)化和調(diào)整。I／O模塊單元與HMI和CNC控制器通過現(xiàn)場總線可以直接建立聯(lián)系，所有對I／O端口的操作都會以命令的方式進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)闹芷诤透袷接涩F(xiàn)場總線具體的協(xié)議規(guī)范保證?，F(xiàn)場總線對I／O模塊的連接，通過一對屏蔽雙絞線即可實現(xiàn)。因此，系統(tǒng)的連接被簡單化了，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(dú)立執(zhí)行對現(xiàn)場I／O端口，包括執(zhí)行器和傳感器的基本控制和實時事件處理，保證了現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)行。

數(shù)字伺服驅(qū)動器是數(shù)控系統(tǒng)操控電機(jī)運(yùn)動的功率單元，是運(yùn)動控制性能的關(guān)鍵部分，它是數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動控制執(zhí)行器，是與電機(jī)等執(zhí)行裝置和機(jī)械設(shè)備的接口，負(fù)責(zé)將CNC控制器的任務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成運(yùn)動控制輸出，實現(xiàn)弱信號對強(qiáng)電流的控制。數(shù)字主軸驅(qū)動單元是數(shù)控系統(tǒng)的切削加工執(zhí)行器，是與主軸電機(jī)等部件的直接接口，負(fù)責(zé)將CNC控制器對主軸的操作指令轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)速或位置輸出。目前，驅(qū)動器已從模擬式逐漸過渡到數(shù)字式，其主要標(biāo)志是內(nèi)部由模擬的開關(guān)器件和功率器件，轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)的數(shù)字式、集成化智能控制器件。參數(shù)的整定和算法的實現(xiàn)，是從硬件電子電路轉(zhuǎn)化為基于軟件的實現(xiàn)，因此具備了更多的柔性和可配置性。驅(qū)動器接受控制器發(fā)送的位置指令(脈沖串)或速度指令(模擬電壓信號)，通過內(nèi)部控制器處理，控制電機(jī)精確運(yùn)轉(zhuǎn)，并在伺服系統(tǒng)中通過位置和速度檢測裝置，實現(xiàn)基于跟隨誤差的系統(tǒng)精確隨動控制。但是，目前驅(qū)動器與控制器的連接仍是以并行連線為主，很多離散的輸入輸出信號必須通過一對一的連接關(guān)系進(jìn)行傳輸交互，當(dāng)控制器和驅(qū)動器安裝距離較遠(yuǎn)時，這種連接方式非常不方便。因此，采用數(shù)據(jù)通訊的串行連接方式，實現(xiàn)驅(qū)動器與控制器的信息交互，是簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性的有力措施。而現(xiàn)場總線正是實現(xiàn)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(qū)動器之間傳輸，也可以在HMI，I／O單元和驅(qū)動器之間傳輸，然后由各自模塊的處理單元解碼，轉(zhuǎn)換成內(nèi)部所需的各類控制信號。

監(jiān)控診斷單元是數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障處理的獨(dú)立模塊，與現(xiàn)場的傳感裝置直接連接，負(fù)責(zé)實時采集現(xiàn)場設(shè)備關(guān)鍵部位的工作數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行預(yù)處理和應(yīng)急處理，同時能夠在必要時與CNC控制器建立信息交互。

這便是全數(shù)字式的數(shù)控系統(tǒng)的基本要求，這樣的設(shè)計使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不僅在硬件上得到了統(tǒng)一化，而且在軟件接口上也有了統(tǒng)一的形式，因為遵循相同的數(shù)據(jù)傳輸格式和編碼解碼過程，通訊接口單元可以被抽象出來，供每一個不同功能的數(shù)控控制實體利用。

3 結(jié)束語

本文介紹的方案已成功應(yīng)用于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，如TDNC320車床、TDNCXl5A銑床等。在此基礎(chǔ)上，筆者快速重構(gòu)出了可應(yīng)用于一個4軸加工中心TDNC40A的數(shù)控系統(tǒng)，如圖6所示。實驗證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可重構(gòu)效果良好。

圖6數(shù)控系統(tǒng)用于4軸加工中心TDNC40A

MCX314AS是一款功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制芯片，具有優(yōu)越的4軸控制及插補(bǔ)功能，可大大減輕研發(fā)任務(wù)，提高研發(fā)速度，在短時間內(nèi)得到了控制性能較高的數(shù)控系統(tǒng)。而ARM處理器的強(qiáng)大功能保證了該系統(tǒng)的高速、高精度和實時性數(shù)控加工。FPGA的應(yīng)用解決了由于現(xiàn)場伺服電機(jī)擴(kuò)展后的邏輯電路變化的問題，從硬件上實現(xiàn)了可重構(gòu)性。現(xiàn)場總線是數(shù)控系統(tǒng)向工業(yè)通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和市場產(chǎn)品線的支持體系。現(xiàn)場總線的應(yīng)用實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)底層單元的靈活配置功能和數(shù)控系統(tǒng)的開放性。