一種基于sercos的模塊化可重構(gòu)運動控制器體系結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全軟件開放式數(shù)控中的運動控制器體系結(jié)構(gòu)，具體涉及一種基于SERCOS的模塊化可重構(gòu)運動控制器體系結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]開放式數(shù)控是目前數(shù)控技術(shù)的一個重大進(jìn)展，它打破了過去世界上數(shù)控系統(tǒng)主要由幾個大跨國公司壟斷的局面，對我國這樣數(shù)控技術(shù)原本比較落后的國家，是一個重大的機遇。它的最主要特點就是用廉價的通用PC機軟硬件取代過去昂貴的數(shù)控裝置(簡稱NC)，把很多原來要用硬件實現(xiàn)的功能由軟件代替，從而打破了長期制約我國數(shù)控技術(shù)發(fā)展的硬件瓶頸，并具有了許多傳統(tǒng)數(shù)控不具有的優(yōu)點。開放式數(shù)控的實現(xiàn)，是建立在近年來PC機中CPU性能和速度飛躍式發(fā)展和豐富的配套軟件基礎(chǔ)上的。
[0003]開放式數(shù)控系統(tǒng)具有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所提出的:“可互操作性、可移植性、可擴展性、可互換性”的特點，這實際上也是通用PC具有的特點。數(shù)控裝置簡稱NC，目前開放式數(shù)控系統(tǒng)主要類型有三種:①PC嵌入NC;②NC(實際上就是硬件運動控制器)嵌入PC;③全軟件型數(shù)控(SOFT NC)。其中全軟件型數(shù)控是目前開放式數(shù)控領(lǐng)域的最新進(jìn)展，其特點是全部數(shù)控裝置(NC)的主要功能都由軟件在PC機中實現(xiàn)。
[0004]目前，數(shù)控裝置(包括傳統(tǒng)數(shù)控和各類開放式數(shù)控)與伺服執(zhí)行機構(gòu)之間符合國際標(biāo)準(zhǔn)的接口有兩種類型:①通用的指令和反饋信號輸入/輸出接口，簡稱指令/反饋I/o接口，其指令信號又可分為± 1V模擬信號、脈沖/方向(Pulse/Dir)信號、正/反向脈沖(CW/CCW)信號三種，反饋信號多采用正交編碼器脈沖。②基于SERCOS總線協(xié)議，其指令和反饋信號都是SERCOS報文形式。
[0005]此外還有一些總線接口用于伺服控制，如MACRO、Fire Wire、CAN、MODBUS,Profibus等，但有的支持廠家有限，有的速度慢只能完成簡單點位控制和開關(guān)動作，其中只有SERCOS成為唯一用于運動控制的開放式接口國際標(biāo)準(zhǔn)(IEC61491)。
[0006]目前常用的插補方法有數(shù)字脈沖增量法和數(shù)據(jù)采樣法兩大類，每一大類又可以分成若干類型。前者每一步伺服進(jìn)給都由數(shù)控系統(tǒng)完成，占用CPU時間較多，多用于早期的步進(jìn)電機執(zhí)行機構(gòu)。后者把插補方法分成粗插補和精插補兩部分，粗插補由數(shù)控系統(tǒng)完成，精插補則由伺服系統(tǒng)的軟硬件完成。現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)無一例外都采用了后者。近年來還發(fā)展了一種NURBS插補，但要在CAD/CAM軟件支持下使用，無法單獨用于數(shù)控系統(tǒng)。
[0007]一個已有技術(shù)[I]，見《數(shù)控機床》(上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2000.07出版，吳祖育，秦鵬飛主編)以及《現(xiàn)代數(shù)控原理及控制系統(tǒng)》(國防工業(yè)出版社2002.02出版，王愛玲，張吉堂，吳雁編著)等著作。在這類已有數(shù)控技術(shù)中，包括傳統(tǒng)數(shù)控和開放式數(shù)控，均采用第一種通用指令/反饋I/O接口(見附圖1，2)。
[0008]由于受到硬件接口、信號類型(±10V、Pulse/Dir、CW/CCW)、以及伺服驅(qū)動器與運動控制器之間信號連接線的限制，已有技術(shù)[I]中，不管是傳統(tǒng)數(shù)控還是開放式數(shù)控，也不管采用脈沖增量法還是數(shù)據(jù)采樣法插補，均無法實現(xiàn)任意伺服軸之間可定義，可增減、可組合聯(lián)動的高度可重構(gòu)性。
[0009]另一個已有技術(shù)[2]，見①《基于SERCOS的開放式數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)》(西南大學(xué)碩士研宄生論文，2006.05發(fā)表，作者袁曉峰)②《開放式數(shù)控系統(tǒng)中的軟CNC的研宄開發(fā)》(北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士論文，2003.05發(fā)表，作者孫麗梅)③《開放式數(shù)控系統(tǒng)及SERCOS接口技術(shù)》(機械工業(yè)出版社2003.09出版，陳衛(wèi)福，楊建武編著)④《基于SERCOS接口的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研宄》一書(北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2002.05發(fā)表，作者李霞)⑤《數(shù)字伺服通訊協(xié)議SERCOS驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用》(北京航空航天大學(xué)出版社2005.09出版，作者郇極，尹旭峰)等參考文獻(xiàn)。在這些基于SERCOS總線的全軟件開放式數(shù)控(已有技術(shù)[2])中，都采用現(xiàn)代數(shù)字伺服系統(tǒng)，插補方法都采用數(shù)據(jù)采樣法，即由PC機中的NC軟件完成復(fù)雜輪廓曲線的“粗插補”，生成一系列各個伺服軸每個插補周期內(nèi)的位置增量的數(shù)字量如:Λ Χ0,Δ Υ0,Δ Ζ0、Λ Χ1、Λ Υ1、Λ Ζ1、…，再從PC機主站以SERCOS報文數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到各伺服從站，由伺服從站系統(tǒng)的軟件或由專用硬件插補器實現(xiàn)“精插補”(見附圖3) ο這樣作最大的好處是:各軸位置增量都是采用數(shù)字量表達(dá)和發(fā)送，數(shù)據(jù)可直接處理，處理速度塊，使得即使第一代SERCOS總線不太快的傳輸率(16M bit/s)，都可以達(dá)到相當(dāng)于100M bit/s傳輸速率下工作的以太網(wǎng)(Ethernet)的數(shù)據(jù)處理速度。但是，這種基于數(shù)據(jù)采樣插補法的運動控制器的可重構(gòu)性，受到從站伺服系統(tǒng)精插補模塊的軟硬件制約。每個從站伺服系統(tǒng)的精插補模塊中，可控制的伺服軸數(shù)量和它們間的聯(lián)動關(guān)系是固定的。因此，已有技術(shù)[2]具有一定的可重構(gòu)性，能夠以單軸伺服或多軸聯(lián)動“精插補”模塊為對象，實現(xiàn)調(diào)換和增減，但受到精插補模塊中插補軸數(shù)固定的限制，無法實現(xiàn)任意軸組合聯(lián)動，可重構(gòu)性受到一定限制。
[0010]另一種已有技術(shù)[3]，見圖4、5和《基于FPGA的硬件可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)研制》(〈〈儀器儀表學(xué)報》2002年zl期，作者秦興，王文，李為建，周川東)，以及《一種動態(tài)可重構(gòu)IP系統(tǒng)設(shè)計研宄》(《小型微型計算機系統(tǒng)》2007年07期，作者蔡洪波，蔡啟先，黃曉璐，蔡啟仲)等參考文獻(xiàn)。其可重構(gòu)性是通過硬件軟件化的方法，用硬件描述語言VHDL實現(xiàn)，再下載到FPGA/CPLD等可編程邏輯器件中實現(xiàn)，各軸間的聯(lián)動插補可通過VHDL編程來自由定義和組合實現(xiàn)，例如圖3中，5個軸輸出接口中，可任意指定其中三個組成3軸聯(lián)動插補，另2個軸接口組成2軸聯(lián)動插補。但其可擴充性受到FPGA硬件模塊規(guī)模大小、硬件指令接口電路(如高速光耦，差分I/O芯片等)以及信號線數(shù)量的限制。
[0011]綜上所述，以上已有技術(shù)的可重構(gòu)性和柔性均受到不同的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能實現(xiàn)任意伺服軸之間可定義和重定義、可增減、可組合聯(lián)動的，具有高度柔性的基于SERCOS的模塊化可重構(gòu)運動控制器體系結(jié)構(gòu)。
[0013]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于SERCOS的模塊化可重構(gòu)運動控制器體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)包括PLC、運動控制器以及SERCOS通信單元；所述運動控制器與所述SERCOS通信單元分別與所述PLC電連接；
該體系結(jié)構(gòu)還包括SERCOS主站、一個以上的SERCOS從站，所述SERCOS主站和所述一個以上的SERCOS從站之間通過光纖或銅雙絞線閉環(huán)通信連接，每一個SERCOS從站上均連接有驅(qū)動伺服電機的伺服驅(qū)動器，運動控制器與伺服驅(qū)動器之間采用SERCOS報文通訊傳遞指令與反饋信息。
[0014]所述的運動控制器為含軟件插補器的運動控制器，該運動控制器內(nèi)設(shè)有2軸?5軸的聯(lián)動插補軟件模塊，所述PLC調(diào)用2軸?5軸的聯(lián)動插補軟件模塊以組合數(shù)控生產(chǎn)線上各伺服軸執(zhí)行機構(gòu)，構(gòu)成單軸運動或2軸?5軸聯(lián)動。
[0015]所述的聯(lián)動插補軟件模塊包括基于笛卡兒坐標(biāo)系或極坐標(biāo)系的2軸?3軸直線插補模塊、2維?3維圓弧插補模塊、2維?3維列表點曲線和曲面插補模塊以及3維以上的數(shù)學(xué)表達(dá)和列表點數(shù)據(jù)表達(dá)的曲線、曲面插補模塊。
[0016]所述的各插補模塊嵌入到數(shù)控系統(tǒng)中并在上位機中運行，各插補模塊之間可重復(fù)任意次數(shù)拷貝、采用不同的名稱和不同的SERCOS網(wǎng)絡(luò)通訊地址編號定義和重新定義、并可多次調(diào)用；各插補模塊的插補結(jié)果生成用串行序列位置指令報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)各伺服驅(qū)動軸脈沖有無和脈沖方向。
[0017]所述串行序列位置指令報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中把數(shù)據(jù)字節(jié)一半的bit位用來表達(dá)進(jìn)給脈沖的方向