方稱生，高偉強(qiáng)，胡澤華

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)需求的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)向著高精度、高速度、柔性化方向發(fā)展。 在高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)中控制器和設(shè)備層之間需要高速、高效和高可靠的數(shù)據(jù)交換，以保證系統(tǒng)的加工效率和加工精度。 高速實(shí)時(shí)信息交換是有效協(xié)調(diào)同步各軸運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)高精度的多軸數(shù)控的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

實(shí)時(shí)以太網(wǎng)采用了完全的數(shù)字信號通訊，在數(shù)字傳輸過程中具有高抗干擾能力和魯棒性，特別適合高速、高可靠、高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸場合。它解決了高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。 目前有10 種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)被列為了國際標(biāo)準(zhǔn)，例如EtherCAT，PROFINET，ETHERNET POWERLINK，SERCOSIII 等[2]。

本文基于EtherCAT 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提出一個(gè)能夠滿足實(shí)時(shí)通信要求的高性能數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)平臺。 該平臺具有控制軟件可自主開發(fā)、插補(bǔ)周期小、通信周期短、同步精度誤差小、容錯(cuò)能力強(qiáng)、軟硬件易重組等特點(diǎn)。

2 對實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的要求

2.1 對設(shè)備層實(shí)時(shí)通信的要求

多軸的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制是數(shù)控系統(tǒng)的核心任務(wù)。 在高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)中多軸的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制不僅要求對控制數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)處理，而且要求數(shù)控系統(tǒng)與執(zhí)行環(huán)節(jié)之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息的高速實(shí)時(shí)交互。 實(shí)時(shí)通信的等待延遲、同步?jīng)_突、偏置和抖動(dòng)都將嚴(yán)重影響多軸數(shù)控系統(tǒng)的控制性能。高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)對于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的要求主要體現(xiàn)在實(shí)時(shí)通信的高速性、實(shí)時(shí)性和同步性。

高速性要求是保證多軸數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速高精度加工的基礎(chǔ)。當(dāng)插補(bǔ)精度要求小于0.1 μm時(shí)，插補(bǔ)周期就必須小于1 ms，而通信周期應(yīng)該小于1 ms[3]。 而傳統(tǒng)的脈沖方式其通信速率僅有幾百kbit/s，無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?因此要求實(shí)時(shí)以太網(wǎng)具有傳輸速率以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備與驅(qū)動(dòng)裝置之間高速信息傳遞。

實(shí)時(shí)性要求是保證多軸數(shù)控系統(tǒng)控制過程確定性的基礎(chǔ)。 在數(shù)控系統(tǒng)中，通信周期的延遲和抖動(dòng)，都會(huì)影響插補(bǔ)周期的延長和不確定，進(jìn)而影響加工精度。 此外在高頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集過程中，通信周期的抖動(dòng)勢必造成采樣數(shù)據(jù)的丟失和錯(cuò)誤。 因此實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性保證采樣周期和通信周期的準(zhǔn)確性，這樣才能滿足高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)中對控制精度和加工精度的要求。

同步性要求是保證多軸數(shù)控系統(tǒng)輪廓精度的基礎(chǔ)。在多軸運(yùn)動(dòng)控制過程中，伺服軸的聯(lián)動(dòng)控制尤為重要，精確的同步性將會(huì)減小工件的輪廓誤差。 例如，當(dāng)插補(bǔ)精度要求小于0.1 μm 時(shí)，同步精度必須小于1 μs[4]。 因此實(shí)時(shí)以太網(wǎng)應(yīng)具有嚴(yán)格精確地時(shí)鐘系統(tǒng)以保證各運(yùn)動(dòng)模塊的精確同步。

除了滿足運(yùn)動(dòng)控制要求外，設(shè)備層還需要滿足大量I/O 控制的要求。 這些I/O 控制包括：數(shù)字量I/O，滿足限位、閥門等開關(guān)信號的測控；模擬量I/O，滿足壓力、溫度等傳感信號的測控；脈沖及計(jì)數(shù)器I/O，滿足手輪、編碼器和步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備的測控要求。

此外，系統(tǒng)應(yīng)滿足開放性、柔性、可重構(gòu)要求，使各功能模塊可互換，硬件設(shè)備可更換，以適應(yīng)系統(tǒng)控制任務(wù)的變化。

2.2 高性能多軸開放式數(shù)控平臺的目標(biāo)

根據(jù)上述要求，本文對高性能多軸數(shù)控平臺的設(shè)計(jì)提出下列目標(biāo)：1）實(shí)現(xiàn)5 軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制，插補(bǔ)周期小于125 μs，聯(lián)動(dòng)軸具有高同步性要求，運(yùn)動(dòng)軸數(shù)可裁剪、可擴(kuò)展，各軸的聯(lián)動(dòng)類型可重構(gòu)；2）具有PLC 功能，能夠?qū)崿F(xiàn)各類開關(guān)量的邏輯控制，例如啟停、油液氣閥門開關(guān)、限位開關(guān)的控制；3）具有電流、電壓模擬量輸入/輸出控制。 將系統(tǒng)中的壓力、溫度等物理量采樣反饋到系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償控制。 采用模擬量對變頻主軸進(jìn)行控制；4）具有脈沖量/計(jì)數(shù)器I/O 接口，實(shí)現(xiàn)諸如電子手輪、步進(jìn)電機(jī)、變頻器等數(shù)據(jù)交互以及外部編碼器信號的采集；5）所有I/O 點(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展、可裁剪，實(shí)現(xiàn)柔性可重構(gòu)。

3 EtherCAT 總線的特點(diǎn)

EtherCAT 總線是德國Beckhoff 公司2003年提出的一種開放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議，并成為國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC/PAS62407-Type12）。 EtherCAT 總線是基于以太物理層的現(xiàn)場總線技術(shù)，使用主-從站模式介質(zhì)訪問控制方式（MAC）。

3.1 EtherCAT 通訊具有高確定性和高效性

EtherCAT 總線使用“集總幀”的技術(shù)思想，其原理如圖1所示。 以太幀由主站發(fā)出，報(bào)文經(jīng)過從站時(shí)均從以太網(wǎng)幀上取走與該站有關(guān)的數(shù)據(jù)，或者插入該站要輸出的數(shù)據(jù)，最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過全部處理的報(bào)文，并由第1 個(gè)從站作為響應(yīng)將報(bào)文發(fā)送給主站控制器[3]。 通訊的整個(gè)過程由硬件處理完成，報(bào)文只有幾ns 的時(shí)間延遲。 1 個(gè)以太網(wǎng)幀最大可進(jìn)行1 486 字節(jié)的過程數(shù)據(jù)交換，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時(shí)僅為150 μs。100個(gè)伺服軸的通訊也僅為100 μs。傳輸速度為100 Mbit/s，傳輸效率高達(dá)90%[5-6]。

圖1 EtherCAT 工作原理Fig.1 The EtherCAT working principle

3.2 EtherCAT 的同步機(jī)制

EtherCAT 采用精確排列分布時(shí)鐘方式進(jìn)行時(shí)鐘同步，以第1 個(gè)從站本地時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘，該參考時(shí)鐘為網(wǎng)絡(luò)提供系統(tǒng)時(shí)鐘以同步其他設(shè)備和主站的從時(shí)鐘。 由于通訊采用了邏輯環(huán)結(jié)構(gòu)（借助于全雙工快速以太網(wǎng)的物理層），主站時(shí)鐘可以簡單、精確地確定各個(gè)從站時(shí)鐘傳播的延遲偏移，另外主站會(huì)計(jì)算出參考時(shí)鐘與每個(gè)從站時(shí)鐘的漂移，通過該機(jī)制進(jìn)行從站時(shí)鐘漂移補(bǔ)償。 這就意味可以在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使用非常精確的、小于1 μs 的、確定性的同步誤差時(shí)間基，其時(shí)間戳分辨率達(dá)到10 ns，精度小于100 ns[5，7]。

另外在EtherCAT 的應(yīng)用層中還嵌入SERCOS 和CANopne 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 在EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中稍加改動(dòng)便可輕松地選擇CANopen 設(shè)備作為擴(kuò)展對象。 在高性能運(yùn)動(dòng)控制場合中EtherCAT 幀可以傳送AT 和MDT 形式的SERCOS 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對伺服位置、速度或轉(zhuǎn)矩選擇性控制。 結(jié)合這些伺服驅(qū)動(dòng)協(xié)議的EtherCAT 技術(shù)不僅保證了多軸運(yùn)動(dòng)控制的精確同步，而且可以充分利用現(xiàn)有工控設(shè)備進(jìn)行輕松擴(kuò)展。

4 高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)平臺

針對高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)對于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性，同步性的要求，結(jié)合EtherCAT 總線的通信高確定性、 高效性以及高同步精度等特點(diǎn)，搭建了基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT 的高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)平臺。

4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件平臺結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。 硬件系統(tǒng)由主站和從站兩部分組成，主站和從站采用EtherCAT 間環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2 NC system platform structure chart

主站為該平臺提供了控制軟件的運(yùn)行環(huán)境。EtherCAT 主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，任何支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器的工控機(jī)，如：工業(yè)PC 機(jī)，嵌入式工控機(jī)等，都可以作為系統(tǒng)主站。 為獲得較高運(yùn)算處理能力，本文采用了以Intel Core 2 Duo雙核處理器的工業(yè)PC 作為系統(tǒng)主站，主站帶有集成兩個(gè)以太網(wǎng)控制器用以實(shí)現(xiàn)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果采用嵌入式控制器作為主站，控制器應(yīng)該具備標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)控制器。 為保障嵌入式主站的性能，可采用如圖3所示的雙處理器結(jié)構(gòu)。 其中ARM 主控制單元用于代碼文件的讀取編輯解析、反饋信息顯示控制、面板鍵盤的控制以及系統(tǒng)管理等弱實(shí)時(shí)功能；DSP 單元用于處理插補(bǔ)計(jì)算、高速實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)，并提供與設(shè)備層相連的標(biāo)準(zhǔn)以太控制接口，實(shí)現(xiàn)EtherCAT 的實(shí)時(shí)通信。

圖3 嵌入式主站架構(gòu)Fig.3 Embedded main controller structure chart

EtherCAT 從站采用專用的通訊控制芯片ESC 處理數(shù)據(jù)幀。本文搭建的實(shí)驗(yàn)平臺從站主要采用德國Backhoff 公司的商業(yè)自動(dòng)化控制模塊，用以構(gòu)建真實(shí)數(shù)控機(jī)床控制本體。 從站模塊如下：1）在數(shù)字、脈沖輸入輸出模塊中，由EL1008、EL2008、EL2521 以及EL5101 等模塊組成，用于數(shù)字、脈沖信號的采集和輸出。其中EL1008 和EL2008 是1 個(gè)帶有濾波功能的8 通道和16 通道的數(shù)字I/O模塊，可以實(shí)現(xiàn)各類開關(guān)量（如急停開關(guān)、限位開關(guān)）的實(shí)時(shí)采集。 EL2521 是16 位帶差分的脈沖輸出模塊，可以直接用于控制步進(jìn)電機(jī)。 EL5101是16 位增量編碼器接口模塊，該模塊可以接收來自于光柵尺，圓盤光柵編碼器的高精度信號實(shí)現(xiàn)外部編碼器的反饋控制；2）在模擬量4 軸控制模塊中，由EM7004 模塊組成，提供控制模擬量的輸入和輸出。該模塊是4 軸接口模塊，它集成了4個(gè)增量式編碼器，16 個(gè)DC24 V 數(shù)字量輸入和輸出，4 個(gè)10 V 模擬量輸出。 不僅可以用于模擬量的輸入輸出控制，還可以用于4 軸的模擬量伺服運(yùn)動(dòng)控制；3）在電壓、 電流輸入輸出模塊中，由EL3102，EL3122，EL4134 以及EL4124 等模塊組成，主要實(shí)現(xiàn)電流、 電壓等模擬量的輸入輸出。EL3102，EL4134 是16 位帶有差分功能的電壓輸入/輸出模塊。 EL3122，EL4124 是16 位帶有差分功能的電流輸入/輸出模塊。這些高精度模擬量模塊能夠采集諸如熱電偶、振動(dòng)以及電機(jī)加速等模擬量數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的智能控制；4）在伺服控制模塊中，由1 個(gè)AX5112 和2 個(gè)AX5206伺服驅(qū)動(dòng)單元組成，提供5 軸進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)。 其中AX5206 是一款數(shù)字式緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)器，帶有雙軸驅(qū)動(dòng)模塊。 在總電流不變的情況下，實(shí)現(xiàn)不同功率的2 軸電機(jī)控制，節(jié)省成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

另外各端子模塊之間采用E-BUS 的連接方式，安裝在DIM 導(dǎo)軌上，這樣便于I/O 模塊的擴(kuò)展和裁剪。 平臺采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，該連接方式可以提高整個(gè)系統(tǒng)的通信錯(cuò)誤冗余能力。 使用EtherCAT 總線端子或路由交換器可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接形式的多樣化，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，如菊花形連接。

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)軟件在主站上開發(fā)，其中NC 代碼預(yù)處理、人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)前瞻、插補(bǔ)控制等與傳統(tǒng)CNC 系統(tǒng)類似，與傳統(tǒng)CNC 系統(tǒng)不同之處在于控制軟件的控制數(shù)據(jù)及控制命令采用完全數(shù)字通訊方式直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備層，徹底擯棄數(shù)字與脈沖交互的過程。

EtherCAT 主站可以在各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如，RT-Linux，INTime，VxWorks，Windows CE，Windows XP with TwinCAT RTE 等）上實(shí)現(xiàn)[5]。 基于Windows 的工業(yè)PC 作為主站可以采用TwinCAT等商業(yè)化軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。 TwinCAT 帶有基于Windows 操作系統(tǒng)的Beckhoff 實(shí)時(shí)內(nèi)核，具有任務(wù)執(zhí)行周期短的特點(diǎn)，最小PLC 任務(wù)執(zhí)行周期為50 μs，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的實(shí)時(shí)控制。 TwinCAT 擁有PLC，NCI，CNC 三大功能模塊，能夠滿足PLC，多軸點(diǎn)位控制和多軸數(shù)控插補(bǔ)等不同控制方式的需要。 另外該軟件自帶運(yùn)動(dòng)性能監(jiān)視器SCOPEVIEW，能夠通過圖像對運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測試和觀察。

除了采用商業(yè)化軟件外，主站控制軟件也可進(jìn)行自主研發(fā)。 在控制軟件的設(shè)計(jì)過程中首先根據(jù)EtherCAT 幀協(xié)議定義以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用以存儲發(fā)送和接收的EtherCAT 幀數(shù)據(jù)，其次根據(jù)初始化協(xié)議、 控制命令協(xié)議定義各類數(shù)據(jù)幀，同時(shí)對于接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 然后利用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，例如使用LibPcaP（the packet capture library，一個(gè)開源的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)開發(fā)包）。 例如在軟件中定義初始化幀對各從站進(jìn)行初始化。 最后利用硬件周期或者軟件的實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)的周期性收發(fā)。對于非周期性數(shù)據(jù)可以依據(jù)UDP/IP 協(xié)議進(jìn)行收發(fā)。 從而達(dá)到對各進(jìn)給軸和模塊的實(shí)時(shí)控制。

5 系統(tǒng)性能測試實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)原理圖，搭建了1 個(gè)具有控制信息可高速傳輸、可自由擴(kuò)展、具有靈活多樣的控制形式的高性能數(shù)控系統(tǒng)仿真平臺。

為驗(yàn)證高性能數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺的性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：讀取加工正弦線刀位點(diǎn)文件，并計(jì)算出各軸插補(bǔ)位置數(shù)據(jù)。 在TwinCAT 中的NC 模塊中利用其FIFO 功能，依據(jù)各軸插補(bǔ)位置數(shù)據(jù)對5 個(gè)軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制。 插補(bǔ)任務(wù)執(zhí)行周期為125 μs。 利 用TwinCAT 軟件的SCOPE VIEW 可以清楚地觀察到各軸速度，如圖4所示。從圖4中可以看出，在高速運(yùn)動(dòng)下各軸運(yùn)動(dòng)速度平滑。 說明該平臺達(dá)到高性能數(shù)控系統(tǒng)的要求。

圖4 各軸速度曲線圖Fig.4 The curves of speed chart

與傳統(tǒng)脈沖伺服傳輸相比，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)伺服數(shù)據(jù)傳輸是全數(shù)字編碼傳輸，錯(cuò)誤冗余能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸效率高，實(shí)時(shí)性、同步性好，并且主站可以實(shí)現(xiàn)軟件數(shù)控，具有較強(qiáng)的開放性，設(shè)備層物理連接簡單，容易實(shí)現(xiàn)重構(gòu)與擴(kuò)展。本文通過對EtherCAT 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性和同步性的分析，提出了基于EtherCAT 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的高性能多軸數(shù)控系統(tǒng)方案，搭建了一個(gè)軟件可自主開發(fā)、硬件可重構(gòu)的高性能多軸數(shù)控開放性平臺。 該平臺可以實(shí)現(xiàn)軸與軸之間的精確同步，各軸的高速運(yùn)動(dòng)以及數(shù)字量和模擬量的高速高精采集。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該平臺滿足實(shí)時(shí)通信的要求，為高性能數(shù)控算法的研究提供有利的仿真環(huán)境。

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