魏建國

摘要：文從sERCos一Ⅱ與機床數(shù)控系統(tǒng)的概述入手，隨后對基于sERCos一Ⅱ的機床數(shù)控系統(tǒng)實時通信及同步控制進行了研究。結(jié)果表明，基于SERCoS一Ⅱ的機床數(shù)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實時通信與同步控制。

1.SERCOS II與機床數(shù)控系統(tǒng)概述

（1）SERCOS II

ICE61491中對SERCOS進行了如下定義，它是一種專門用于多控制器同步控制機械設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。大量的實踐結(jié)果表明，采用SERCOS接口對數(shù)字伺服裝置以及控制單元進行連接，實現(xiàn)串行實時數(shù)據(jù)通信后，不但可以使接線和控制硬件獲得進一步簡化，而且調(diào)試也變得更加簡單方便，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，還能實現(xiàn)遠程控制。SERCOS以其自身優(yōu)異的性能，獲得了世界各國機床生產(chǎn)制造商的認可。SERCOS II具有較高的傳輸速率，可以達到16Mbit/s，這給數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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)動器內(nèi)全部處于閉合狀態(tài)，從而減輕了運動控制與驅(qū)動器間的傳輸效應(yīng)，同時SERCOS II的通信周期長短可隨意設(shè)置，一般周期設(shè)定的越短，系統(tǒng)所能夠達到的實時性就越高。SERCOS II的通信機制為TDMA，傳輸方式為周期報文。

（2）機床數(shù)控系統(tǒng)

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

1）主控制器模塊。該模塊具體負責(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、刀具長度及半徑補償、加工軌跡粗插補等等。

2）運動控制器。這是機床實現(xiàn)軌跡規(guī)劃的核心模塊，其主要功能是識別及解釋數(shù)控加工程序，并通過計算對相關(guān)路徑進行規(guī)劃，完成支線與圓弧的加速、減速控制和精插補，對機床運動進行細化，傳輸各種運動指令，控制機床各個部分的動作協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。

3）伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)由位置檢測反饋裝置、伺服驅(qū)動裝置等部件構(gòu)成，它是機床運動的控制部分。

4）I/0模塊。具體負責(zé)限位開關(guān)、潤滑機構(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部、電動機、驅(qū)動控制裝置等幾個部分構(gòu)成。通常情況下，機床數(shù)控系統(tǒng)是以PLC作為主軸電動機的驅(qū)動控制裝置，借助編碼器對主軸電動機的實時運行速度進行檢測，并將檢測結(jié)果傳輸給運動控制器，進而實現(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時通信是憑借通信模塊來實現(xiàn)的；LCD顯示器和操作鍵盤構(gòu)成了人機接口模塊。

通過對機床數(shù)控系統(tǒng)的運行情況進行分析后發(fā)現(xiàn)，其存在以下幾點問題：其一，很難實現(xiàn)分布式控制；其二，難以實現(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問題，可將SERCOS II引入到機床數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，下面本文就此展開詳細論述。

2.基于SERCOS II的機床數(shù)控系統(tǒng)實時通信及同步控制研究

為了實現(xiàn)機床數(shù)控系統(tǒng)的實時通信與同步控制，下面提出基于SERCOSⅡ的系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計。

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

2）從站電路設(shè)計。數(shù)控系統(tǒng)伺服裝置的電機采用DSP+IPM的方式進行驅(qū)動控制，為達到機床數(shù)控系統(tǒng)的精度要求，在基于SERCOSⅡ接口的設(shè)計過程中，從站應(yīng)當(dāng)滿足以下三個條件：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

軟件設(shè)計主要針對數(shù)控系統(tǒng)的主站與從站，并在程序設(shè)計的過程中，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，前者能夠為后者提供讀寫、控制、命令傳輸?shù)裙δ堋ｆ溌穼又饕怯蒘ERCON816芯片將各類數(shù)據(jù)、參數(shù)等以報文的形式進行收發(fā)，物理層則負責(zé)通信連接。

1）主站接口軟件。主站利用對MHS的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)一個新節(jié)拍的開始，同時，伺服裝置從MDT發(fā)現(xiàn)MHS翻轉(zhuǎn)之后，其便會作出響應(yīng)，并對主站發(fā)出的讀寫要求進行處理，以此來完成相關(guān)動作。而SERCOSⅡ的非周期性傳輸則是通過對MHS和AHS的節(jié)拍比較來實現(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，從站在各個通信階段利用循環(huán)體的不斷掃描來實現(xiàn)MST電報的開始，并等待主站對服務(wù)通道進行使用。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用效果

本文基于SERCOS II設(shè)計的通信系統(tǒng)現(xiàn)已在某制造企業(yè)的數(shù)控加工中心上運行，它的應(yīng)用實現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式控制和指令同步執(zhí)行，系統(tǒng)運行至今并未出現(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床數(shù)控系統(tǒng)的實時通信與同步控制進行了研究，通過硬件和軟件設(shè)計，實現(xiàn)了機床的實時通信與同步控制，進一步提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。應(yīng)用結(jié)果表明，可以滿足機床的加工精度要求，并且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有一定的推廣使用價值。

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