基于SERCOS—II的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信與同步控制探析

魏建國(guó)

摘要：文從sERCos一Ⅱ與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的概述入手，隨后對(duì)基于sERCos一Ⅱ的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信及同步控制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，基于SERCoS一Ⅱ的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信與同步控制。

1.SERCOS II與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)概述

（1）SERCOS II

ICE61491中對(duì)SERCOS進(jìn)行了如下定義，它是一種專門用于多控制器同步控制機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。大量的實(shí)踐結(jié)果表明，采用SERCOS接口對(duì)數(shù)字伺服裝置以及控制單元進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)串行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信后，不但可以使接線和控制硬件獲得進(jìn)一步簡(jiǎn)化，而且調(diào)試也變得更加簡(jiǎn)單方便，除了能夠確保各種數(shù)據(jù)信息的有效傳輸之外，如指令、參數(shù)等等，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。SERCOS以其自身優(yōu)異的性能，獲得了世界各國(guó)機(jī)床生產(chǎn)制造商的認(rèn)可。SERCOS II具有較高的傳輸速率，可以達(dá)到16Mbit/s，這給數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性提供了可靠保障。通常情況下，在SERCOS II接口的系統(tǒng)當(dāng)中，伺服回路在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)全部處于閉合狀態(tài)，從而減輕了運(yùn)動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)器間的傳輸效應(yīng)，同時(shí)SERCOS II的通信周期長(zhǎng)短可隨意設(shè)置，一般周期設(shè)定的越短，系統(tǒng)所能夠達(dá)到的實(shí)時(shí)性就越高。SERCOS II的通信機(jī)制為TDMA，傳輸方式為周期報(bào)文。

（2）機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

本文所要研究的機(jī)床數(shù)字化控制系統(tǒng)主要是由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

1）主控制器模塊。該模塊具體負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)總線，并完成相關(guān)任務(wù)的調(diào)配，如零件加工程序譯碼、刀具長(zhǎng)度及半徑補(bǔ)償、加工軌跡粗插補(bǔ)等等。

2）運(yùn)動(dòng)控制器。這是機(jī)床實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃的核心模塊，其主要功能是識(shí)別及解釋數(shù)控加工程序，并通過計(jì)算對(duì)相關(guān)路徑進(jìn)行規(guī)劃，完成支線與圓弧的加速、減速控制和精插補(bǔ)，對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行細(xì)化，傳輸各種運(yùn)動(dòng)指令，控制機(jī)床各個(gè)部分的動(dòng)作協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3）伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)由位置檢測(cè)反饋裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置等部件構(gòu)成，它是機(jī)床運(yùn)動(dòng)的控制部分。

4）I/0模塊。具體負(fù)責(zé)限位開關(guān)、潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)等輔助裝置的管理。

5）主軸伺服系統(tǒng)。其具體是由主軸傳動(dòng)部、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制裝置等幾個(gè)部分構(gòu)成。通常情況下，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是以PLC作為主軸電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，借助編碼器對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給運(yùn)動(dòng)控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速度控制。

6）通信與人際接口模塊。主控制器與外界之間的實(shí)時(shí)通信是憑借通信模塊來實(shí)現(xiàn)的；LCD顯示器和操作鍵盤構(gòu)成了人機(jī)接口模塊。

通過對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其存在以下幾點(diǎn)問題：其一，很難實(shí)現(xiàn)分布式控制；其二，難以實(shí)現(xiàn)相關(guān)指令的同步執(zhí)行；其三，不具備自檢功能。為了有效解決上述幾點(diǎn)問題，可將SERCOS II引入到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，下面本文就此展開詳細(xì)論述。

2.基于SERCOS II的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信及同步控制研究

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信與同步控制，下面提出基于SERCOSⅡ的系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)。

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）主站通訊接口電路設(shè)計(jì)。在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中主站為運(yùn)動(dòng)控制器，它的電路圍繞SERCONSl6（第二代SERCOS協(xié)議）、DSP以及FPGA構(gòu)建平臺(tái)。在電路設(shè)計(jì)過程中，預(yù)留出一定的余地，這樣不但便于擴(kuò)展，而且還有助于系統(tǒng)軟硬件的升級(jí)、改造。SERCON816芯片采用的是QFP技術(shù)，芯片共有100個(gè)引腳，整個(gè)通訊接口電路由DSP、FPGA、SERCON816芯片和光纖收發(fā)器等幾個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)總線采用的是16位連接，并以5V電壓對(duì)SERCON816進(jìn)行供電，寄存器與RAM采用的是組合的方法進(jìn)行連接。

2）從站電路設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)伺服裝置的電機(jī)采用DSP+IPM的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，為達(dá)到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的精度要求，在基于SERCOSⅡ接口的設(shè)計(jì)過程中，從站應(yīng)當(dāng)滿足以下三個(gè)條件：控制精度、與主站的同步性、自診斷能力。鑒于此，從站中SERCON816與DSP之間的連接方式應(yīng)當(dāng)與主站保持一致。

（2）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的主站與從站，并在程序設(shè)計(jì)的過程中，完成SERCOSⅡ光纖環(huán)路總線的初始化，其中具體包括如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：寄存器與RAM配置及后期初始化配置。SERCOS II的通信模塊共分為三個(gè)層次，即物理層、鏈路層以及應(yīng)用層，在軟件程序編寫的過程中，為便于修改將應(yīng)用層細(xì)分為兩部分，一部分是底層接口，另一部分為應(yīng)用程序，前者能夠?yàn)楹笳咛峁┳x寫、控制、命令傳輸?shù)裙δ?。鏈路層主要是由SERCON816芯片將各類數(shù)據(jù)、參數(shù)等以報(bào)文的形式進(jìn)行收發(fā)，物理層則負(fù)責(zé)通信連接。

1）主站接口軟件。主站利用對(duì)MHS的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)新節(jié)拍的開始，同時(shí)，伺服裝置從MDT發(fā)現(xiàn)MHS翻轉(zhuǎn)之后，其便會(huì)作出響應(yīng)，并對(duì)主站發(fā)出的讀寫要求進(jìn)行處理，以此來完成相關(guān)動(dòng)作。而SERCOSⅡ的非周期性傳輸則是通過對(duì)MHS和AHS的節(jié)拍比較來實(shí)現(xiàn)同步與更新的。

2）從站接口軟件。從站的控制寄存器與RAM的配置基本上與主站相同，在初始化的過程中，從站在各個(gè)通信階段利用循環(huán)體的不斷掃描來實(shí)現(xiàn)MST電報(bào)的開始，并等待主站對(duì)服務(wù)通道進(jìn)行使用。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用效果

本文基于SERCOS II設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)現(xiàn)已在某制造企業(yè)的數(shù)控加工中心上運(yùn)行，它的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式控制和指令同步執(zhí)行，系統(tǒng)運(yùn)行至今并未出現(xiàn)任何異常狀況，加工中心生產(chǎn)出來的工件精度符合產(chǎn)品要求。

3.結(jié)論

綜上所述，本文基于SERCOSⅡ?qū)C(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信與同步控制進(jìn)行了研究，通過硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的實(shí)時(shí)通信與同步控制，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。應(yīng)用結(jié)果表明，可以滿足機(jī)床的加工精度要求，并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的推廣使用價(jià)值。

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