一種基于sercos的模塊化可重構運動控制器體系結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種全軟件開放式數控中的運動控制器體系結構，具體涉及一種基于SERCOS的模塊化可重構運動控制器體系結構。
【背景技術】
[0002]開放式數控是目前數控技術的一個重大進展，它打破了過去世界上數控系統主要由幾個大跨國公司壟斷的局面，對我國這樣數控技術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控裝置(簡稱NC)，把很多原來要用硬件實現的功能由軟件代替，從而打破了長期制約我國數控技術發展的硬件瓶頸，并具有了許多傳統數控不具有的優點。開放式數控的實現，是建立在近年來PC機中CPU性能和速度飛躍式發展和豐富的配套軟件基礎上的。
[0003]開放式數控系統具有國際標準化組織(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。數控裝置簡稱NC，目前開放式數控系統主要類型有三種:①PC嵌入NC;②NC(實際上就是硬件運動控制器)嵌入PC;③全軟件型數控(SOFT NC)。其中全軟件型數控是目前開放式數控領域的最新進展，其特點是全部數控裝置(NC)的主要功能都由軟件在PC機中實現。
[0004]目前，數控裝置(包括傳統數控和各類開放式數控)與伺服執行機構之間符合國際標準的接口有兩種類型: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準(IEC61491)。
[0006]目前常用的插補方法有數字脈沖增量法和數據采樣法兩大類，每一大類又可以分成若干類型。前者每一步伺服進給都由數控系統完成，占用CPU時間較多，多用于早期的步進電機執行機構。后者把插補方法分成粗插補和精插補兩部分，粗插補由數控系統完成，精插補則由伺服系統的軟硬件完成。現代的數控系統無一例外都采用了后者。近年來還發展了一種NURBS插補，但要在CAD/CAM軟件支持下使用，無法單獨用于數控系統。
[0007]一個已有技術[I]，見《數控機床》(上海科學技術出版社2000.07出版，吳祖育，秦鵬飛主編)以及《現代數控原理及控制系統》(國防工業出版社2002.02出版，王愛玲，張吉堂，吳雁編著)等著作。在這類已有數控技術中，包括傳統數控和開放式數控，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)、以及伺服驅動器與運動控制器之間信號連接線的限制，已有技術[I]中，不管是傳統數控還是開放式數控，也不管采用脈沖增量法還是數據采樣法插補，均無法實現任意伺服軸之間可定義，可增減、可組合聯動的高度可重構性。
[0009]另一個已有技術[2]，見①《基于SERCOS的開放式數控系統研發》(西南大學碩士研宄生論文，2006.05發表，作者袁曉峰)②《開放式數控系統中的軟CNC的研宄開發》(北京工業大學工學碩士論文，2003.05發表，作者孫麗梅)③《開放式數控系統及SERCOS接口技術》(機械工業出版社2003.09出版，陳衛福，楊建武編著)④《基于SERCOS接口的開放式數控系統的研宄》一書(北京工業大學工學碩士學位論文，2002.05發表，作者李霞)⑤《數字伺服通訊協議SERCOS驅動程序設計及應用》(北京航空航天大學出版社2005.09出版，作者郇極，尹旭峰)等參考文獻。在這些基于SERCOS總線的全軟件開放式數控(已有技術[2])中，都采用現代數字伺服系統，插補方法都采用數據采樣法，即由PC機中的NC軟件完成復雜輪廓曲線的“粗插補”，生成一系列各個伺服軸每個插補周期內的位置增量的數字量如:Λ Χ0,Δ Υ0,Δ Ζ0、Λ Χ1、Λ Υ1、Λ Ζ1、…，再從PC機主站以SERCOS報文數據的形式發送到各伺服從站，由伺服從站系統的軟件或由專用硬件插補器實現“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字量表達和發送，數據可直接處理，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)，都可以達到相當于100M bit/s傳輸速率下工作的以太網(Ethernet)的數據處理速度。但是，這種基于數據采樣插補法的運動控制器的可重構性，受到從站伺服系統精插補模塊的軟硬件制約。每個從站伺服系統的精插補模塊中，可控制的伺服軸數量和它們間的聯動關系是固定的。因此，已有技術[2]具有一定的可重構性，能夠以單軸伺服或多軸聯動“精插補”模塊為對象，實現調換和增減，但受到精插補模塊中插補軸數固定的限制，無法實現任意軸組合聯動，可重構性受到一定限制。
[0010]另一種已有技術[3]，見圖4、5和《基于FPGA的硬件可重構數控系統研制》(〈〈儀器儀表學報》2002年zl期，作者秦興，王文，李為建，周川東)，以及《一種動態可重構IP系統設計研宄》(《小型微型計算機系統》2007年07期，作者蔡洪波，蔡啟先，黃曉璐，蔡啟仲)等參考文獻。其可重構性是通過硬件軟件化的方法，用硬件描述語言VHDL實現，再下載到FPGA/CPLD等可編程邏輯器件中實現，各軸間的聯動插補可通過VHDL編程來自由定義和組合實現，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軸聯動插補，另2個軸接口組成2軸聯動插補。但其可擴充性受到FPGA硬件模塊規模大小、硬件指令接口電路(如高速光耦，差分I/O芯片等)以及信號線數量的限制。
[0011]綜上所述，以上已有技術的可重構性和柔性均受到不同的限制。
【實用新型內容】
[0012]有鑒于此，本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種能實現任意伺服軸之間可定義和重定義、可增減、可組合聯動的，具有高度柔性的基于SERCOS的模塊化可重構運動控制器體系結構。
[0013]為實現以上目的，本實用新型采用如下技術方案:一種基于SERCOS的模塊化可重構運動控制器體系結構，該體系結構包括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；
[0014]該體系結構還包括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通信連接，每一個SERCOS從站上均連接有驅動伺服電機的伺服驅動器，運動控制器與伺服驅動器之間采用SERCOS報文通訊傳遞指令與反饋信息。
[0015]所述的運動控制器為含軟件插補器的運動控制器，該運動控制器內設有2軸?5軸的聯動插補軟件模塊，所述PLC調用2軸?5軸的聯動插補軟件模塊以組合數控生產線上各伺服軸執行機構，構成單軸運動或2軸?5軸聯動。
[0016]所述的聯動插補軟件模塊包括基于笛卡兒坐標系或極坐標系的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維以上的數學表達和列表點數據表達的曲線、曲面插補模塊。
[0017]所述的各插補模塊嵌入到數控系統中并在上位機中運行，各插補模塊之間可重復任意次數拷貝、采用不同的名稱和不同的SERCOS網絡通訊地址編號定義和重新定義、并可多次調用；各插補模塊的插補結果生成用串行序列位置指令報文數據結構表達各伺服驅動軸脈沖有無和脈沖方向。
[0018]所述串行序列位置指令報文數據結構中把數據字節一半的bit位用來表達進給脈沖的方向，定義“O”表示正方向