一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构.pdf

本发明提供一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，该体系结构包括PLC、运动控制器以及SERCOS通信单元；所述运动控制器与所述SERCOS通信单元分别与所述PLC电连接；该体系结构还包括SERCOS主站、一个以上的SERCOS从站，所述SERCOS主站和所述一个以上的SERCOS从站之间通过光纤或铜双绞线闭环通信连接，每一个SERCOS从站上均连接有驱动伺服电机的伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器之间采用SERCOS报文通讯传递指令与反馈信息。本发明所阐述的基于SERCOS总线协议的运动控制器体系结构，具有完全的可重构特性和高度的柔性，特别适合于在不同位置的伺服同步控制，如分布式数控，组合式数控，高性能印刷设备等场合。

1.  一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其特征在于：该体系结构包括PLC、运动控制器以及SERCOS通信单元；所述运动控制器与所述SERCOS通信单元分别与所述PLC电连接；
该体系结构还包括SERCOS主站、一个以上的SERCOS从站，所述SERCOS主站和所述一个以上的SERCOS从站之间通过光纤或铜双绞线闭环通信连接，每一个SERCOS从站上均连接有驱动伺服电机的伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器之间采用SERCOS报文通讯传递指令与反馈信息。

2.  根据权利要求1所述的一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其特征在于：所述的运动控制器为含软件插补器的运动控制器，该运动控制器内设有2轴～5轴的联动插补软件模块，所述PLC调用2轴～5轴的联动插补软件模块以组合数控生产线上各伺服轴执行机构，构成单轴运动或2轴～5轴联动。

3.  根据权利要求2所述的一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其特征在于：所述的联动插补软件模块包括基于笛卡儿坐标系或极坐标系的2轴～3轴直线插补模块、2维～3维圆弧插补模块、2维～3维列表点曲线和曲面插补模块以及3维以上的数学表达和列表点数据表达的曲线、曲面插补模块。

4.  根据权利要求3所述的一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其特征在于：所述的各插补模块嵌入到数控系统中并在上位机中运行，各插补模块之间可重复任意次数拷贝、采用不同的名称和不同的SERCOS网络通讯地址编号定义和重新定义、并可多次调用；各插补模块的插补结果生成用串行序列位置指令报文数据结构表达各伺服驱动轴脉冲有无和脉冲方向。

5.  根据权利要求4所述的一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其特征在于：所述串行序列位置指令报文数据结构中把数据字节一半的bit位用来表达进给脉冲的方向，定义“0”表示正方向和“1”分别表示负方向，或者定义“0”表示负方向和“1”分别表示正方向；
把数据字节的另一半bit位用来表达进给脉冲的有无，定义“0”表示有进给脉冲和“1”分别表示无进给脉冲，或者定义0表示无进给脉冲和“1”分别表示有进给脉冲。

6.  根据权利要求5所述的一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其特征在于：将串行序列位置指令报文数据转换成常规伺服驱动器的脉冲/方向指令或正向/反向脉冲指令。

7.  根据权利要求1所述的一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，其特征在于：所述SERCOS通信单元采用的通讯控制芯片为SERCON816、SERCON410、Sercon100S-XC3S200或Sercon100S-XC3S400中的任一种。

一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构
技术领域
本发明涉及一种全软件开放式数控中的运动控制器体系结构，具体涉及一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构。
背景技术
开放式数控是目前数控技术的一个重大进展，它打破了过去世界上数控系统主要由几个大跨国公司垄断的局面，对我国这样数控技术原本比较落后的国家，是一个重大的机遇。它的最主要特点就是用廉价的通用PC机软硬件取代过去昂贵的数控装置(简称NC)，把很多原来要用硬件实现的功能由软件代替，从而打破了长期制约我国数控技术发展的硬件瓶颈，并具有了许多传统数控不具有的优点。开放式数控的实现，是建立在近年来PC机中CPU性能和速度飞跃式发展和丰富的配套软件基础上的。
开放式数控系统具有国际标准化组织(ISO)所提出的：“可互操作性、可移植性、可扩展性、可互换性”的特点，这实际上也是通用PC具有的特点。数控装置简称NC，目前开放式数控系统主要类型有三种：①PC嵌入NC；②NC(实际上就是硬件运动控制器)嵌入PC；③全软件型数控(SOFT NC)。其中全软件型数控是目前开放式数控领域的最新进展，其特点是全部数控装置(NC)的主要功能都由软件在PC机中实现。
目前，数控装置(包括传统数控和各类开放式数控)与伺服执行机构之间符合国际标准的接口有两种类型：①通用的指令和反馈信号输入/输出接口，简称指令/反馈I/O接口，其指令信号又可分为±10V模拟信号、脉冲/方向(Pulse/Dir)信号、正/反向脉冲(CW/CCW)信号三种，反馈信号多采用正交编码器脉冲。②基于SERCOS总线协议，其指令和反馈信号都是SERCOS报文形式。
此外还有一些总线接口用于伺服控制，如MACRO、Fire Wire、CAN、MODBUS、Profibus等，但有的支持厂家有限，有的速度慢只能完成简单点位控制和开关动作，其中只有SERCOS成为唯一用于运动控制的开放式接口国际标准(IEC61491)。
目前常用的插补方法有数字脉冲增量法和数据采样法两大类，每一大类又可以分成若干类型。前者每一步伺服进给都由数控系统完成，占用CPU时间较多，多用于早期的步进电 机执行机构。后者把插补方法分成粗插补和精插补两部分，粗插补由数控系统完成，精插补则由伺服系统的软硬件完成。现代的数控系统无一例外都采用了后者。近年来还发展了一种NURBS插补，但要在CAD/CAM软件支持下使用，无法单独用于数控系统。
一个已有技术[1]，见《数控机床》(上海科学技术出版社2000.07出版，吴祖育，秦鹏飞主编)以及《现代数控原理及控制系统》(国防工业出版社2002.02出版，王爱玲，张吉堂，吴雁编著)等著作。在这类已有数控技术中，包括传统数控和开放式数控，均采用第一种通用指令/反馈I/O接口(见附图1，2)。
由于受到硬件接口、信号类型(±10V、Pulse/Dir、CW/CCW)、以及伺服驱动器与运动控制器之间信号连接线的限制，已有技术[1]中，不管是传统数控还是开放式数控，也不管采用脉冲增量法还是数据采样法插补，均无法实现任意伺服轴之间可定义，可增减、可组合联动的高度可重构性。
另一个已有技术[2]，见①《基于SERCOS的开放式数控系统研发》(西南大学硕士研究生论文，2006.05发表，作者袁晓峰)②《开放式数控系统中的软CNC的研究开发》(北京工业大学工学硕士论文，2003.05发表，作者孙丽梅)③《开放式数控系统及SERCOS接口技术》(机械工业出版社2003.09出版，陈卫福，杨建武编著)④《基于SERCOS接口的开放式数控系统的研究》一书(北京工业大学工学硕士学位论文，2002.05发表，作者李霞)⑤《数字伺服通讯协议SERCOS驱动程序设计及应用》(北京航空航天大学出版社2005.09出版，作者郇极，尹旭峰)等参考文献。在这些基于SERCOS总线的全软件开放式数控(已有技术[2])中，都采用现代数字伺服系统，插补方法都采用数据采样法，即由PC机中的NC软件完成复杂轮廓曲线的“粗插补”，生成一系列各个伺服轴每个插补周期内的位置增量的数字量如：△X0、△Y0、△Z0、△X1、△Y1、△Z1、…，再从PC机主站以SERCOS报文数据的形式发送到各伺服从站，由伺服从站系统的软件或由专用硬件插补器实现“精插补”(见附图3)。这样作最大的好处是：各轴位置增量都是采用数字量表达和发送，数据可直接处理，处理速度块，使得即使第一代SERCOS总线不太快的传输率(16M bit/s)，都可以达到相当于100M bit/s传输速率下工作的以太网(Ethernet)的数据处理速度。但是，这种基于数据采样插补法的运动控制器的可重构性，受到从站伺服系统精插补模块的软硬件制约。每个从站伺服系统的精插补模块中，可控制的伺服轴数量和它们间的联动关系是固定的。因此，已 有技术[2]具有一定的可重构性，能够以单轴伺服或多轴联动“精插补”模块为对象，实现调换和增减，但受到精插补模块中插补轴数固定的限制，无法实现任意轴组合联动，可重构性受到一定限制。
另一种已有技术[3]，见图4、5和《基于FPGA的硬件可重构数控系统研制》(<<仪器仪表学报>>2002年z1期，作者秦兴,王文,李为建,周川东)，以及《一种动态可重构IP系统设计研究》(《小型微型计算机系统》2007年07期，作者蔡洪波，蔡启先，黄晓璐，蔡启仲)等参考文献。其可重构性是通过硬件软件化的方法，用硬件描述语言VHDL实现，再下载到FPGA/CPLD等可编程逻辑器件中实现，各轴间的联动插补可通过VHDL编程来自由定义和组合实现，例如图3中，5个轴输出接口中，可任意指定其中三个组成3轴联动插补，另2个轴接口组成2轴联动插补。但其可扩充性受到FPGA硬件模块规模大小、硬件指令接口电路(如高速光耦，差分I/O芯片等)以及信号线数量的限制。
综上所述，以上已有技术的可重构性和柔性均受到不同的限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能实现任意伺服轴之间可定义和重定义、可增减、可组合联动的，具有高度柔性的基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，该体系结构包括PLC、运动控制器以及SERCOS通信单元；所述运动控制器与所述SERCOS通信单元分别与所述PLC电连接；
该体系结构还包括SERCOS主站、一个以上的SERCOS从站，所述SERCOS主站和所述一个以上的SERCOS从站之间通过光纤或铜双绞线闭环通信连接，每一个SERCOS从站上均连接有驱动伺服电机的伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器之间采用SERCOS报文通讯传递指令与反馈信息。
所述的运动控制器为含软件插补器的运动控制器，该运动控制器内设有2轴～5轴的联动插补软件模块，所述PLC调用2轴～5轴的联动插补软件模块以组合数控生产线上各伺服轴执行机构，构成单轴运动或2轴～5轴联动。
所述的联动插补软件模块包括基于笛卡儿坐标系或极坐标系的2轴～3轴直线插补模块、2维～3维圆弧插补模块、2维～3维列表点曲线和曲面插补模块以及3维以上的数学表达和列表点数据表达的曲线、曲面插补模块。
所述的各插补模块嵌入到数控系统中并在上位机中运行，各插补模块之间可重复任意 次数拷贝、采用不同的名称和不同的SERCOS网络通讯地址编号定义和重新定义、并可多次调用；各插补模块的插补结果生成用串行序列位置指令报文数据结构表达各伺服驱动轴脉冲有无和脉冲方向。
所述串行序列位置指令报文数据结构中把数据字节一半的bit位用来表达进给脉冲的方向，定义“0”表示正方向和“1”分别表示负方向，或者定义“0”表示负方向和“1”分别表示正方向；把数据字节的另一半bit位用来表达进给脉冲的有无。定义“0”表示有进给脉冲和“1”分别表示无进给脉冲，或者定义0表示无进给脉冲和“1”分别表示有进给脉冲。将串行序列位置指令报文数据转换成常规伺服驱动器的脉冲/方向指令或正向/反向脉冲指令。
所述SERCOS通信单元采用的通讯控制芯片为SERCON816、SERCON410、Sercon100S-XC3S200或Sercon100S-XC3S400中的一种。
本发明所阐述的基于SERCOS总线协议的运动控制器体系结构，具有完全的可重构特性和高度的柔性，特别适合于在不同位置的伺服同步控制，如分布式数控，组合式数控，高性能印刷设备等场合。
附图说明
图1是现有的传统数控体系结构及其伺服接口示意图；
图2是现有的一般开放式数控(NC嵌入PC)体系结构及其伺服接口示意图；
图3是现有的基于SERCOS总线协议的开放式数控体系结构结构示意图；
图4、5是现有的基于FPGA的可重构数控系统体系结构及伺服接口示意图；
图6是本发明基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构结构示意图；
图7是本发明基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构之基于脉冲增量法的串行系列数据结构；
图8是本发明基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构之实施例一；
图9是本发明基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构之实施例二。具体实施方式如图6所示，本发明提供了一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，该体系结构包括PLC、运动控制器以及SERCOS通信单元；所述运动控制器与所述SERCOS通信单元分别与所述PLC电连接；该体系结构还包括SERCOS主站、一个以上的SERCOS从站，所述SERCOS主站和所述一个以上的SERCOS从站之间通过光纤或铜双绞线闭环通信连接，每一个SERCOS从站上均连接有驱动伺服电机的伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器之间采用SERCOS报文通讯传递指令与反馈信息。
如图6所示，该体系结构还包括人机交互界面(HMI)、数控G代码和M代码编译、插补指令和开关指令与外部的通讯软件模块、刀具补偿软件模块、故障诊断软件模块以及其它的一些辅助模块各硬件接口电路。
本实施例中提供的这种体系结构的运动控制器是模块化、可重构的。也就是说，其控制的伺服轴之间的联动关系是可以任意定义、组合的；各插补模块是可调用、可撤销、可编辑(增、删、减、拷贝)的；
动控制器与伺服驱动器之间采用SERCOS报文通讯传递指令与反馈信息，不受固定接线的限制。可控伺服轴的数量，理论上每环最多可带254个，而实际工程中伺服轴数远小于这个数量，因而可以说基本上是不会受数量限制。伺服轴驱动器与运动控制器点到点距离SERCOS可达800米(光纤)，SERCOSIII光纤可达2000米，铜双绞线可达100米，可满足实际使用要求。用户可根据产品和加工工艺的要求，通过调用和定义不同软件插补模块，就可任意组合数控生产线上各伺服轴执行机构，构成单轴运动或2轴～5轴联动，完成从简单到高度复杂零件的加工，从而具有高度的柔性。当一批产品加工完还可重新组合成新产品的数控系统和数控生产线。从而大大节省了数控硬件资源。
所述的运动控制器为含软件插补器的运动控制器，该运动控制器内设有2轴～5轴的联动插补软件模块，所述PLC调用2轴～5轴的联动插补软件模块以组合数控生产线上各伺服轴执行机构，构成单轴运动或2轴～5轴联动。
所述的联动插补软件模块包括基于笛卡儿坐标系或极坐标系的2轴～3轴直线插补模块、2维～3维圆弧插补模块、2维～3维列表点曲线和曲面插补模块以及3维以上的数学表达和列表点数据表达的曲线、曲面插补模块。
需要说明的是，各插补模块均由软件设计构成，嵌入到软数控系统(SOFT CNC)中并在上位机中运行；各软件插补模块的伺服轴可由用户自由定义，定义的内容为各实际的物理伺服驱动器在SERCOS通讯网络中的通讯地址编号；插补生成的数据既不同于数据采样法中粗插补生成的各轴位置增量的数字量表达，也不同于一般脉冲增量法的脉冲量表达，而是采用一种用串行序列表达各轴脉冲有无和脉冲方向的，符合SERCOS协议的位置指令报文数据结构。各软件插补模块可重复任意次数拷贝、采用不同的名称和不同的SERCOS网络通讯地址编号定义和重新定义、并可多次调用。从而构成具有高度柔性和高度开放性的可重构软运动控制器体系结构。
本实施例中上述各插补模块的插补结果生成用串行序列位置指令报文数据结构表达各伺服驱动轴脉冲有无和脉冲方向。所述串行序列位置指令报文数据结构中把数据字节一半 的bit位用来表达进给脉冲的方向，定义“0”表示正方向和“1”分别表示负方向，或者定义“0”表示负方向和“1”分别表示正方向；把数据字节的另一半bit位用来表达进给脉冲的有无。定义“0”表示有进给脉冲和“1”分别表示无进给脉冲，或者定义0表示无进给脉冲和“1”分别表示有进给脉冲。将串行序列位置指令报文数据转换成常规伺服驱动器的脉冲/方向指令或正向/反向脉冲指令。
指令脉冲的周期可由SERCOS通讯接收到的速度命令确定，二者成线性比例关系。硬件特征为：以单片机或ARM芯片或DSP芯片为CPU，以SERCOS通讯控制芯片(如SERCON816、SERCON410、Sercon100S-XC3S200、Sercon100S-XC3S400等)与SERCOS主站通讯，与传统伺服驱动器(不带SERCOS通讯的)采用常规接口(如光耦，差分芯片，RS485接口等)
本发明的体系结构也是基于SERCOS运动控制总线通讯协议，但具有与已有技术[1]～[3]不同的特征：
①各个伺服轴既可以设定为单轴运动，也可根据加工产品的不同，通过调用不同的插补软件模块，把任意指定的几个轴设为同步联动关系，形成二维～五维及以上加工坐标系，这些坐标系可以采用笛卡儿坐标系，也可采用极坐标系。
②各坐标系中各伺服轴(X、Y、Z…)均采用其物理伺服驱动器在SERCOS通讯网络地址表(Y-0-0025)中的地址编号(xx)进行定义。
③在一个SERCOS通讯网络环中，允许存在多个相同维数的联动组合模块，各联动组所控制的伺服轴可以有不同的定义和地址。以上的定义和联动组合均可在PC机中实现编辑修改、增减、删除、重新定义和组合并进行在线配置，从而达到高度的可重构性。
与已有技术[2]不同，本发明不采用数据采样插补法，而使用数字脉冲增量插补法。这样做的目的是为了在上位PC机中实现具有最高的柔性和最大的可重构性能。
数字脉冲增量法原先是为步进电机执行机构而设计的，每一步的进给脉冲都由NC给出，占用CPU时间较多，限制了NC功能的进一步扩大。现代数控系统都淘汰了数字脉冲增量法而采用数据采样法，并以高性能的伺服电机做执行机构。
但数字脉冲增量法可实现数控系统的高度可重构性和柔性是其最大的优点。由于目前先进的数字化伺服驱动器都具有“位置控制模式”，其编码器反馈信号在伺服驱动器内闭环，因此当伺服驱动器设为“位置控制模式”时，从上位PC机来看，伺服电机就相当于开 环的高速高精度步进电机，这就为在全软件数控系统中采用数字脉冲增量插补法提供了可能。
至于数字脉冲增量法占用CPU时间多的问题，可以用以下方法予以补救：①采用多核高性能CPU，CPU数据处理能力和处理速度已有了突飞猛进的进步，已不成为制约速度的瓶颈。②采用ARM芯片专门用于插补计算和输出③采用预插补技术。由于本发明采用SERCOS报文数据发送，并不需要象常规脉冲增量法那样发送实时脉冲信号，因此可采取在加工前“预插补”的方法生成数据，传送到从站的数据缓冲区，加工时再由从站缓冲区把数据转换成实时脉冲信号发送给伺服驱动器。④采用第三代SERCOSIII。SERCOSIII融合了工业以太网技术，传输速度已从早期SERCOS的16M bps提高的100M bps。另外由于工业以太网具有完全双向通讯的特点，能够支持设备间的直接横向联系和扩展的I/O，可以将多种不同功能的设备集合，实现控制任务的分散化处理。各外设之间的非插补信号可以直接交换，而不需要主设备的参与，这样就减少了CNC主站中的执行时间。这些都确保了本发明的体系结构在高速加工时的仍具有硬实时性。
本发明另一个要解决的问题是：传统脉冲增量法插补器产生的是直接送到进给机构的实时的“进给脉冲”信号，并不适合SERCOS报文数据传送。与已有技术[1]中脉冲增量法不同，本发明设计了专用数据处理模块，把脉冲数据转换成“串行序列表达各轴脉冲有无和脉冲方向的，符合SERCOS协议的位置指令报文数据结构”，见权利要求3。这种用脉冲串行序列表达的数据结构见附图6。图中为SERCOS默认的4字节位置指令，数据中中“1”和“0”所表达的含义也可以采用与附图6相反的，例如：正脉冲方向用“1”，负脉冲方向用“0”表示，有脉冲用“0”表示，无脉冲用“1”表示。表示脉冲有无和脉冲方向的字节位置也可对换。例如：高一半bit位表示脉冲有无，低一半bit位表示脉冲方向。早期的SERCOS通讯周期(最短环路循环时间)最小为62.5微秒，SERCOSIII则达到31.25微秒，默认的位置数据字长为4字节。在1个通讯周期内理论上可以访问254个轴。为了进一步提高进给速度，可通过设置用户自定义标准报文7和IDN00186等参数进行配置，从而加大位置数据的字长。加大字长就意味着增大每次周期发送的脉冲数，提高了进给速度。
本发明的插补软件模块中，坐标系中的坐标轴X、Y、Z、U、V、W…并不直接指向物理的I/O接口和物理的伺服驱动器，而是虚拟的。必须通过初始化，以物理的伺服驱动器在SERCOS网络中的地址进行定义或重定义后才能与实际的物理伺服轴建立起联系。另一个不同点是，软数控插补模块是可拷贝复制和调用的，拷贝和调用的三轴插补模块中，坐 标轴X、Y、Z…可以定义成与原来各不同的物理伺服轴从站地址，取不同的名称。例如在处于同一SERCOS通讯网络的一个数控生产线上，可以建立3个三坐标数控加工“从站”，分别定义1#～3#，8#～10#，12#～14#伺服轴，组成三座标数控立铣床，三座标数控镗床和三自由度上下料机械手。
实施例1：
根据本发明原理的一个具体实施例如附图7所示。该方案可用于分布式数控生产线。在这种生产线上往往有多个数控加工中心，如三坐标铣削中心、二坐标钻孔攻丝加工中心、二坐标车削中心、多自由度上下料机械手，多自由度喷漆机械手等。每个加工中心或机械手之间距离3米～20米不等，排列和加工顺序也可根据不同产品需要进行随时任意调整。在已有技术[1]、[3]中，由于硬件伺服接口和固定接线的限制，无法达到任意增减和调整。
实施例2：
根据本发明原理的另一个具体实施例如附图8所示。该方案可用于类似于传统组合机床的“数控组合机床”，把动力头、刀架、伺服机构和丝杆、伺服机构和齿轮齿条、伺服机构和涡轮蜗杆、伺服机构和定位盘机构等设计成可拆装和组合的标准结构，根据加工产品的需求，象搭积木一样“拼凑”出一台高效率的专用数控机床。然后通过重新定义各伺服轴和调用对应的联动插补软件模块来实现特定的数控功能。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明技术的高度柔性和可重构性的启示下构建出各种实施案例，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。