基于嵌入式硬件的總線式數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具研究

摘 要：隨著數(shù)控系統(tǒng)往總線化方向發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器間因總線協(xié)議而綁定。在機(jī)床動(dòng)態(tài)性能不理想時(shí)，無法區(qū)分是數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制上的原因，還是伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)性的原因。為排除數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制算法等的影響，將耦合問題解耦，研發(fā)了一款基于嵌入式硬件的支持EtherCAT總線和MetroLink-Ⅲ總線的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具。該測試工具可替代數(shù)控系統(tǒng)控制伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，可自由配置總線過程數(shù)據(jù)，可自由調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，并存儲(chǔ)機(jī)床位置反饋元件反饋位置信息，對典型運(yùn)動(dòng)進(jìn)行直觀的圖形化顯示，便于測試結(jié)果的呈現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的調(diào)優(yōu)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);機(jī)床動(dòng)態(tài)性能;嵌入式硬件;實(shí)時(shí)工業(yè)總線;模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TG659 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.001

0 ? ?引言

數(shù)控機(jī)床正逐漸向總線化方向發(fā)展，總線式數(shù)控系統(tǒng)具有可靠性高、可遠(yuǎn)距離傳輸、安裝維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)?？偩€式數(shù)控系統(tǒng)的控制器與從站之間采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)連接，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)因其低成本、高通信效率等優(yōu)點(diǎn)，近年來被越來越多地使用[1]。國內(nèi)已有機(jī)床廠商推出基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的機(jī)床產(chǎn)品，比如華中數(shù)控、廣州數(shù)控、大連科德等[2]。

EtherCAT[3]和MetroLink-Ⅲ是兩種相對使用較為廣泛的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線。EtherCAT是德國倍福研發(fā)的一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，具有高速和高帶寬、高效率的特點(diǎn)。EtherCAT支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的從站設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)線和主站連接。通信時(shí)主站下發(fā)報(bào)文給第一個(gè)從站，從站直接處理接收的報(bào)文，并從報(bào)文中提取或插入相關(guān)的用戶數(shù)據(jù)，然后將報(bào)文傳輸?shù)较乱慌_(tái)從站設(shè)備，最后一個(gè)EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的報(bào)文，由第一個(gè)從站作為相應(yīng)報(bào)文將其發(fā)送給主站。MetroLink-Ⅲ是日本安川電機(jī)開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制現(xiàn)場總線協(xié)議，其通信速率高達(dá)100 Mb/s，能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制信息（位置、速度、力矩、I/O等）的實(shí)時(shí)通信，其主站實(shí)現(xiàn)方式為安川專用芯片JL101A。

基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的總線式數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器之間通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)連接，總線上每個(gè)通信周期都傳輸著目標(biāo)位置/速度并反饋電機(jī)編碼器位置，因此驅(qū)動(dòng)器所使用的總線種類需要與數(shù)控系統(tǒng)一致。由于種種原因，一臺(tái)數(shù)控機(jī)床所采用的數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商與伺服驅(qū)動(dòng)器廠商可能不一致，當(dāng)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能不理想時(shí)，無法區(qū)分是數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制上的原因，還是伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)性的原因。為了排除數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制算法、前瞻插補(bǔ)算法等的影響，將耦合問題解耦，需要專門的機(jī)床性能測試工具，有學(xué)者基于LabVIEW研發(fā)了機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具[4]。

為了實(shí)現(xiàn)低成本全自主可控的軟硬件方案，本文研發(fā)了一款基于嵌入式硬件的支持EtherCAT總線和MetroLink-Ⅲ總線的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具。

1 ? ?嵌入式硬件方案設(shè)計(jì)

本文研究的總線式數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具需滿足機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試的相關(guān)需求，其他需求包含工業(yè)實(shí)時(shí)總線的支持、觸摸屏的連接、存儲(chǔ)卡等外設(shè)的使用。在滿足以上要求的基礎(chǔ)上，硬件方案的整體配置清單如表1所示。

在硬件方案設(shè)計(jì)中，需滿足測試工具的外設(shè)需求，常用外設(shè)包含觸摸式顯示屏、TF存儲(chǔ)卡、EtherCAT總線從站、MetroLink-Ⅲ總線從站、鍵盤等，調(diào)試用外設(shè)包含串口調(diào)試工具、OTG調(diào)試工具、鼠標(biāo)等。

硬件整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

在工業(yè)總線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)上，由于需要同時(shí)支持EtherCAT和MetroLink-Ⅲ兩種總線，因此選用并口進(jìn)行連接，采用分別片選的方式切換總線類型，如圖2所示。

本文所研究測試工具基于使用便利性和經(jīng)濟(jì)性考慮，選取了10.1英寸TFT LCD顯示屏，分辨率為1 280×800像素，262K colors（RGB-6bit）。如圖3所示，顯示屏組建與主控電路板采用單路8位LVDS接口連接，顯示屏背光采用+12 V供電，3.3 V顯示供電，可通過PWM調(diào)節(jié)背光亮度。Ethernet通信模塊、USB擴(kuò)展模塊、TF卡存儲(chǔ)擴(kuò)展模塊、串口模塊、復(fù)位模塊、急停輸出模塊、電源模塊等也進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)，因不在本文主要研究范圍內(nèi)，此處不再贅述。

本文硬件方案能夠有效支撐可觸摸操作的總線式機(jī)床性能測試工具的研制。

2 ? ?總線式數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文研究的總線式數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具可同時(shí)滿足EtherCAT和MetroLink-Ⅲ兩種總線協(xié)議，因EtherCAT使用廣泛，且無須專用主站芯片，研發(fā)難度更大，因此軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于EtherCAT總線介紹。

2.1 ? ?測試工具系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

EtherCAT總線軟件架構(gòu)如圖4所示，本文所研究的軟件架構(gòu)基于用戶空間、內(nèi)核空間和硬件基礎(chǔ)進(jìn)行分層，主要組成模塊包含測試工具界面模塊、實(shí)時(shí)任務(wù)應(yīng)用模塊、非實(shí)時(shí)任務(wù)應(yīng)用模塊。通過EtherCAT主站模塊對系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)時(shí)任務(wù)通過實(shí)時(shí)任務(wù)應(yīng)用模塊進(jìn)行周期性處理，非實(shí)時(shí)應(yīng)用調(diào)用Linux內(nèi)核。實(shí)時(shí)任務(wù)處理IgH狀態(tài)機(jī)任務(wù)，并進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的處理，底層通過網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)總線的傳輸。

為了支持滿足測試工具的需求，軟件體系需要能夠執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，能夠作為主站進(jìn)行EtherCAT總線的首發(fā)，能夠基于協(xié)議進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器的配置，還要滿足部分圖形化任務(wù)的需求。因此，軟件體系中需要選用相應(yīng)軟件模塊和解決方案以滿足相應(yīng)需求，本文選取了xenomai實(shí)時(shí)模塊和EtherLab推出的IgH EtherCAT主站方案。IgH EtherCAT主站方案選用CANopen over

EtherCAT（CoE）協(xié)議，CoE中設(shè)備描述文件以xml文件的形式進(jìn)行保存，因此本文所研究的軟件架構(gòu)中包含libxml2庫用于處理xml格式文件。為了支撐界面應(yīng)用，選取Qt庫和Qwt庫作為圖形化設(shè)計(jì)工具。

EtherCAT總線的周期性通信需要確保在周期內(nèi)完成，通信周期由FPGA給出的周期性中斷決定，本軟件需要在下一個(gè)中斷到來之前完成前一個(gè)周期的任務(wù)。而軟件中，坐標(biāo)顯示等為準(zhǔn)實(shí)時(shí)任務(wù)，其對實(shí)時(shí)性的要求不需要達(dá)到總線周期的時(shí)間量級，但也需要確保一定的刷新頻率。其他一些任務(wù)，比如鼠標(biāo)事件的響應(yīng)、界面的操作等均為非實(shí)時(shí)任務(wù)，不需要占用實(shí)時(shí)任務(wù)的資源。因此，在這個(gè)綱領(lǐng)下，本文所研究軟件需將各任務(wù)分為實(shí)時(shí)任務(wù)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)線程和其他非實(shí)時(shí)任務(wù)三個(gè)層次。為了簡化程序架構(gòu)，盡量減少實(shí)時(shí)任務(wù)負(fù)擔(dān)及實(shí)時(shí)任務(wù)間的沖突，本軟件最好僅采用一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)。在Qt開發(fā)框架下，主界面占據(jù)了操作的主線程，因此實(shí)時(shí)任務(wù)可以設(shè)計(jì)為通過線程管理QThread進(jìn)行開啟。在本程序開啟時(shí)，只運(yùn)行主界面的非實(shí)時(shí)任務(wù)，當(dāng)連接總線時(shí)，會(huì)開啟準(zhǔn)實(shí)時(shí)線程，準(zhǔn)實(shí)時(shí)線程中包含坐標(biāo)顯示和實(shí)時(shí)任務(wù)的開關(guān)控制。

2.2 ? ?測試工具用戶空間的軟件界面設(shè)計(jì)

測試工具采用觸摸屏進(jìn)行操作，也可以外接鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行操作。測試工具的主界面如圖5所示。

主界面左側(cè)為子頁面選擇區(qū)，子頁面包括狀態(tài)子頁面、參數(shù)配置子頁面、設(shè)備測試子頁面、示波器子頁面、錯(cuò)誤排查子頁面等。

程序啟動(dòng)后率先進(jìn)入狀態(tài)子頁面，本文所研究測試工具由于要面對各種不同類型機(jī)床，因此對編碼器/光柵分辨率、螺距都可以進(jìn)行自由配置。也可以選擇周期性速度同步指令（CoE中CSV模式）或周期性位置同步指令（CoE中CSP模式）作為控制模式，通信周期0.5～4 ms可調(diào)。為了保證機(jī)床調(diào)試的安全，可設(shè)置軟限位，系統(tǒng)會(huì)對位置/速度指令進(jìn)行判斷，超出限位時(shí)停止動(dòng)作。可設(shè)置直線運(yùn)動(dòng)的最大加速度和最大捷度（加加速度），在后續(xù)的運(yùn)動(dòng)測試中，會(huì)根據(jù)設(shè)置的最大加速度和最大捷度限制進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。本文所研究軟件為便于機(jī)床測試，可各個(gè)軸單獨(dú)使能，且具備手輪模式和連續(xù)運(yùn)動(dòng)模式，進(jìn)給速度均可調(diào)節(jié)。

圖6所示為參數(shù)配置子頁面，可以通過CoE對象字典對驅(qū)動(dòng)器參數(shù)進(jìn)行讀寫，對象字典是CANopen協(xié)議中最重要的部分。

本文所研究的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具包含單軸測試、雙軸同步測試和雙軸畫圓測試三種模式，插補(bǔ)方法均選用單位弧長增量插補(bǔ)法[5]。單軸測試主要對機(jī)床的單軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)做測試，速度規(guī)劃按照梯形加減速進(jìn)行，單軸測試結(jié)果可體現(xiàn)跟隨誤差、速度波動(dòng)、最大速度超調(diào)量、加速度超調(diào)量等信息，便于使用者對機(jī)床性能進(jìn)行判斷或?qū)λ欧?qū)動(dòng)速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以完成調(diào)優(yōu)。雙軸同步測試是考察交叉軸同步運(yùn)動(dòng)的場景，測試結(jié)果主要體現(xiàn)被測兩軸響應(yīng)速度的配合度，其誤差值可以理解為兩軸同步插補(bǔ)時(shí)兩軸響應(yīng)所帶來的誤差。雙軸畫圓測試主要體現(xiàn)雙軸進(jìn)行圓弧插補(bǔ)時(shí)的輪廓誤差以及圓弧過象限時(shí)的背隙誤差。

由于三種測試目標(biāo)與運(yùn)動(dòng)形式不同，因此其參數(shù)也不相同，具體參數(shù)設(shè)置如圖7所示，速度規(guī)劃的加速度、捷度限制在圖5所示的狀態(tài)子頁面中配置。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)采用本文所研究的總線式數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具對雙軸交叉運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了測試，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具備兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，均采用20位編碼器，即單圈分辨率為1 048 576，絲杠螺距為16 mm。采用本文所研制的測試工具分別進(jìn)行了三種測試。

圖8所示為該工作臺(tái)X單軸測試結(jié)果，移動(dòng)距離為10 mm，進(jìn)給速度為1 000 mm/min，最大加速度0.5g。如圖所示，跟隨誤差隨加速過程逐漸變大，在勻速運(yùn)動(dòng)后跟隨誤差趨于穩(wěn)定，在減速階段跟隨誤差逐漸減小。實(shí)際速度曲線略滯后于指令速度曲線，并在加速結(jié)束后有一定量的超調(diào)。

圖9為工作臺(tái)雙軸同步測試結(jié)果的圖形化展示，雙軸同步測試距離為10 mm，進(jìn)給速度為1 000 mm/min，其運(yùn)動(dòng)為兩個(gè)軸同步先往正向移動(dòng)10 mm，再移動(dòng)回起點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)兩軸的最大誤差為2.44 μm，兩軸間的誤差正負(fù)值較均勻，說明兩軸同步性較好。

圖10為工作臺(tái)雙軸畫圓測試結(jié)果的圖形化展示，圓弧半徑為10 mm，進(jìn)給速度為1 000 mm/min，畫圓運(yùn)動(dòng)會(huì)進(jìn)行兩圈，第一圈會(huì)進(jìn)行加速因此其結(jié)果不做保存，第二圈畫圓運(yùn)動(dòng)的編碼器位置反饋結(jié)果如圖10所示。為了顯示上的直觀，誤差在徑向上進(jìn)行了放大顯示，由圖可以看出在過象限，即一根軸換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖角，基于編碼器反饋的結(jié)果計(jì)算本次測試的最大圓弧跟隨誤差為5.18 μm。

4 ? ?結(jié)語

本文介紹了基于嵌入式硬件的總線式數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試工具的軟硬件架構(gòu)，為滿足機(jī)床幾種典型動(dòng)態(tài)性能測試，進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，并利用界面應(yīng)用形成完整的控制系統(tǒng)。在集合了直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、可變參數(shù)的速度規(guī)劃等功能后，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的單軸測試、雙軸同步測試和雙軸畫圓測試，以圖形化加分析結(jié)果的方式對機(jī)床動(dòng)態(tài)性能測試的結(jié)果進(jìn)行顯示。同時(shí)也可以通過EtherCAT總線郵箱通信，以對象字典方式對驅(qū)動(dòng)器三環(huán)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

本文所研究的測試工具在軟硬件架構(gòu)上可以支撐多軸聯(lián)動(dòng)加工數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，以本文研究為基礎(chǔ)添加G代碼解釋器、軟PLC等功能模塊，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能，可大幅度降低數(shù)控系統(tǒng)成本。

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收稿日期：2022-02-21

作者簡介：陳昊（1989—），男，安徽淮北人，博士，研究方向：數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床裝備。