引言

　　數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性、可重構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。開(kāi)放式數(shù)控的技術(shù)本質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)化，它的目標(biāo)是把復(fù)雜的數(shù)控技術(shù)產(chǎn)品體系分割開(kāi)，形成公認(rèn)的模塊化構(gòu)件，讓更多的廠商能夠參與到數(shù)控技術(shù)的廣闊市場(chǎng)中來(lái)。顯然，模塊化是開(kāi)放式控制的原始基礎(chǔ)和技術(shù)雛形，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是共同制定一個(gè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確地說(shuō)，就是制定一個(gè)共同遵循接口的標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)龐大數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)的分解和集成。

　　可重構(gòu)數(shù)控的技術(shù)本質(zhì)是柔性化。其實(shí)際上和原有的柔性制造系統(tǒng)一脈相承，只不過(guò)加入了管理學(xué)和運(yùn)籌學(xué)的技術(shù)內(nèi)容。不同的是，這種管理過(guò)程不是完全由人來(lái)主導(dǎo)，而是在人預(yù)先定義的決策下，由控制系統(tǒng)本身按照某種程度的自動(dòng)化來(lái)實(shí)施的，其目標(biāo)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)。重構(gòu)后的系統(tǒng)，可適應(yīng)新的制造環(huán)境，或提供更優(yōu)化的效率，這正是柔性制造的核心內(nèi)容。隨著高集成度、高速度和具備硬件可重構(gòu)能力的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gates array，fpga)器件的出現(xiàn)，利用其實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是一條快速、簡(jiǎn)捷、可靠的途徑。

　　隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和控制對(duì)象本身的日益龐雜，數(shù)控系統(tǒng)所包含的控制器、驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊、傳感器、執(zhí)行器之間需要更多的信息交互。采用傳統(tǒng)的模擬通道和并行連線的方式，不僅使得數(shù)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在信息交互密集的控制任務(wù)下，實(shí)時(shí)性無(wú)法得到保證，由此造成了數(shù)控系統(tǒng)控制能力的不可靠。另一方面，一些已經(jīng)具備獨(dú)立性的功能模塊迫切需要建立自己的處理運(yùn)算體系，需要單獨(dú)的控制器和運(yùn)算器的支持，以一種全新的優(yōu)化方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融入到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架中，形成具備網(wǎng)絡(luò)特征的數(shù)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，以使得數(shù)控系統(tǒng)在功能實(shí)現(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)配置、資源優(yōu)化方面適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和控制流程自動(dòng)化的柔性、復(fù)合型和綜合處理能力等多方面的技術(shù)和應(yīng)用需求。

　　由此，筆者提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線(processfield bus—dp，profibus—dp)的可重構(gòu)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。

1 基于先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集微處理器和運(yùn)動(dòng)控制芯片的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建

　　1．1 基于先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集微處理器和運(yùn)動(dòng)控制芯片的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　由于采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(reduced instruc—tion set computer，risc)架構(gòu)的先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集微處理器(advanced risc microprocessor，arm)具有如下特點(diǎn)：①體積小、低功耗、低成本、高性能；②支持thumb(16位)／arm(32位)雙指令集，能很好地兼容8位／16位器件；③大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；④大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；⑤尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；⑥指令長(zhǎng)度固定。因而，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用arm的全數(shù)字式的控制，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化與高速高精度。

　　為縮短開(kāi)發(fā)周期，提高控制性能和系統(tǒng)可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了運(yùn)動(dòng)控制芯片mcx314as。mcx314as是性能優(yōu)良、接口簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)單且工作可靠的運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，該芯片能夠控制4軸，并實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補(bǔ)。所有插補(bǔ)計(jì)算由芯片完成，且多軸插補(bǔ)控制功能特別突出。

　　系統(tǒng)硬件采用主從式雙cpu結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，分為基于arm和現(xiàn)場(chǎng)總線的主控模塊、基于mcx314as的運(yùn)動(dòng)控制模塊、基于fpga的可配置模塊、交互模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊。主cpu為arm處理器，用于鍵盤、顯示、文件存取、網(wǎng)絡(luò)通訊等管理工作；而從cpu為mcx314as運(yùn)動(dòng)控制芯片，專門負(fù)責(zé)完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制的處理工作。

　　mcx314as與arm的通訊是靠讀寫總線上的幾個(gè)地址來(lái)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。圖1為基于這種思想開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　1．2可重構(gòu)制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　可重構(gòu)制造系統(tǒng)能夠通過(guò)重組或改變自身部件，快速調(diào)整生產(chǎn)能力和功能，以適應(yīng)新的生產(chǎn)環(huán)境需要。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(national researchcouncil)發(fā)表了題為《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)設(shè)想》的報(bào)告，其中將可重構(gòu)制造系統(tǒng)列為優(yōu)先考慮的領(lǐng)域之一。對(duì)一個(gè)制造系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要想滿足系統(tǒng)重構(gòu)要求，它的子系統(tǒng)或部件應(yīng)具有重構(gòu)能力，而作為制造系統(tǒng)的關(guān)鍵單元，數(shù)控系統(tǒng)也必須具備重構(gòu)能力。就重構(gòu)角度而言，把能夠通過(guò)重組或改變自身構(gòu)件，快速調(diào)整控制能力，以適應(yīng)制造系統(tǒng)整體重構(gòu)需要的數(shù)控系統(tǒng)稱為可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)。在可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的研究方面，國(guó)內(nèi)外主要采用軟件的途徑，而隨著fpga的出現(xiàn)，利用其構(gòu)造數(shù)控系統(tǒng)的控制內(nèi)核，并充分利用它的硬件可重構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能的重構(gòu)，是可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的一條途徑。

　　按照文獻(xiàn)[3]對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)特征的定義，可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)具備模塊化、可集成、可轉(zhuǎn)換、可維護(hù)和可定制的特征。采用fpga構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)能夠很好地體現(xiàn)這些特征。

　　(1)模塊化可對(duì)數(shù)控系統(tǒng)按功能劃分模塊，然后采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行邏輯描述，制成專門的數(shù)控ip。

　　(2)集成化使用專門的綜合軟件，將從其他ip供應(yīng)商購(gòu)買到的ip和自己開(kāi)發(fā)的數(shù)控ip集成為數(shù)控系統(tǒng)。

　　(3)可配置fpga是基于靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(static random access memory，sram)編程的，而硬件描述語(yǔ)言支持參數(shù)化設(shè)計(jì)，只要模塊接口定義開(kāi)放，也可以通過(guò)修改數(shù)控ip和整合不同的ip來(lái)改變?cè)O(shè)計(jì)，下載不同的配置數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)柔性化的設(shè)計(jì)。

　　(4)可定制fpga能夠通過(guò)裁減和重整不同的ip，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能定制，滿足特定的加工要求，避免功能的冗余。

　　(5)可維護(hù)性fpga能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程和在系統(tǒng)重構(gòu)，因而可以通過(guò)重新下載配置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本地或遠(yuǎn)程升級(jí)與維護(hù)。

　　fpga的上述優(yōu)點(diǎn)可滿足實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)重構(gòu)的硬件需要。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)用戶需求對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)或邏輯開(kāi)關(guān)量等外部硬件進(jìn)行擴(kuò)展或重構(gòu)后，fpga在外部邏輯的控制下可通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)于e2prom存儲(chǔ)器中的fpga配置數(shù)據(jù)重新下載，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯電路更新，從而使數(shù)控系統(tǒng)的邏輯電路也完成相應(yīng)的重構(gòu)。

基于fpga的可重構(gòu)設(shè)計(jì)，可按需要實(shí)時(shí)地調(diào)整系統(tǒng)的控制邏輯，因而可大大增加計(jì)算機(jī)數(shù)控(computer numerical control，cnc)系統(tǒng)的柔性和現(xiàn)場(chǎng)可重構(gòu)性。如圖2為基于fpga的可重構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床和數(shù)控車床的重構(gòu)設(shè)計(jì)。

基于fpga的可重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 放大圖片

圖2基于fpga的可重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　這種新型的數(shù)字邏輯系統(tǒng)從資源利用率來(lái)講，可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)地復(fù)用資源，資源利用率將成倍地提高，所需的硬件規(guī)模也將大大下降。同時(shí)，由于不是采用指令運(yùn)算而是采用硬件復(fù)用原理，在某種意義上還有助于系統(tǒng)工作速度的提高。

2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)的研究

　　2．1 profibus總線簡(jiǎn)介

　　開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的兩個(gè)重要內(nèi)涵是自身接口的標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)議化和分布式體系的模塊互連結(jié)構(gòu)，這實(shí)際上與現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)綱領(lǐng)是一致的，即開(kāi)放的、互聯(lián)的接口規(guī)范和通信規(guī)范所組成的控制系統(tǒng)模型。因此，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建開(kāi)放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是一種必然的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，而且這種趨勢(shì)定位在體系結(jié)構(gòu)這個(gè)級(jí)別上，由此會(huì)徹底影響數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作和配置等一系列特征，它正在觸發(fā)傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的重大變革，特別是伴隨著開(kāi)放式數(shù)控技術(shù)的研究和應(yīng)用的升溫，以數(shù)控系統(tǒng)為控制中心的控制系統(tǒng)和控制平臺(tái)框架正在形成。

　　profibus是一種國(guó)際性的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，目前已廣泛應(yīng)用于加工制造和過(guò)程控制，屬于成熟的總線技術(shù)，世界上眾多自動(dòng)化技術(shù)生產(chǎn)廠家都為他們的設(shè)備提供了profibus接口。profi—bus—dp是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)化系統(tǒng)和分散的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間通信而設(shè)計(jì)，特別是加工制造過(guò)程的控制，因此是分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x，而且profibus—dp定義了非常適合于數(shù)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的專用行規(guī)。所謂行規(guī)，就是根據(jù)應(yīng)用的行業(yè)，對(duì)用戶數(shù)據(jù)的含義進(jìn)行了具體的、有針對(duì)性的定義和說(shuō)明，從而使不同生產(chǎn)商的自動(dòng)化設(shè)備只要遵循行規(guī)的格式描述，就可以實(shí)現(xiàn)互換。profibus—dp共有3個(gè)特別為數(shù)控應(yīng)用定義的行規(guī)：

　　(1)nc／rc行規(guī)(文件編號(hào)：3．052) 描述了如何通過(guò)profibus—dp對(duì)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床機(jī)型進(jìn)行控制，提供了詳細(xì)的順序圖解，從高級(jí)自動(dòng)化的角度描述了機(jī)械運(yùn)動(dòng)和過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)。

　　(2)編碼器行規(guī)(文件編號(hào)：3．062) 描述了帶單轉(zhuǎn)或多轉(zhuǎn)分辨率的旋轉(zhuǎn)編碼器、角度編碼器和線性編碼器與profibus—dp的連接，并為這些設(shè)備分兩種等級(jí)定義了基本功能和附加功能，如標(biāo)定、中斷處理和擴(kuò)充的診斷。編碼器正是數(shù)控系統(tǒng)中各類伺服電機(jī)和主軸電機(jī)測(cè)量位置和速度的核心測(cè)量傳感器。

　　(3)變速傳動(dòng)行規(guī)(文件編號(hào)：3．071) 描述了傳動(dòng)設(shè)備如何參數(shù)化以及如何傳送設(shè)定值和收集實(shí)際值，它包括對(duì)速度控制和定位控制的必要規(guī)格參數(shù)規(guī)定基本的傳動(dòng)功能，又為特殊的應(yīng)用擴(kuò)展和進(jìn)一步協(xié)議進(jìn)化留有余地。

　　可見(jiàn)，采用profibus—dp作為基礎(chǔ)，進(jìn)行分布式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是最合適的，而且符合未來(lái)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　2．2 profibus—dp總線時(shí)間特性分析

　　profibus—dp采用單一的總線存取協(xié)議，通過(guò)開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)(0pen system interconnect，osi)參考模型的第2層實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理。在profibus—dp中，這一層被稱為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路(fieldbus datalink，fdl)，但實(shí)際上由介質(zhì)存取控制(mediumaccess control，mac)子層來(lái)具體控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?，并且保證在任何時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。這也是profibus—dp協(xié)議設(shè)計(jì)旨在滿足的基本要求。

　　在復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)(主站)間通信，必須保證在確切的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)都要有足夠的時(shí)間來(lái)完成通信任務(wù)；而在復(fù)雜的主控制器和簡(jiǎn)單的i／o設(shè)備之間，應(yīng)盡可能快速而又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。因此，profibus—dp的總線存取協(xié)議包括主站與主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。

　　數(shù)控系統(tǒng)在處理某些連續(xù)任務(wù)過(guò)程中，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，如復(fù)雜軌跡曲線連續(xù)控制和現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵信號(hào)的采集等。因此，必須對(duì)profibus—dp的時(shí)間特性進(jìn)行分析，為數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　圖3是一個(gè)單主站profibus—dp系統(tǒng)在不同通訊速率下，總線通信循環(huán)時(shí)間隨從站點(diǎn)數(shù)量增加的變化趨勢(shì)。假設(shè)每個(gè)dp從設(shè)備有2 byte的輸入和2 byte的輸出數(shù)據(jù)，最小的從間隔時(shí)間是200μs，tid1一75 tbit，tsdr一11 tbit。顯然，從站數(shù)量是決定總線循環(huán)時(shí)間的主要因素，但相對(duì)而言，高速傳輸受到的影響就很小。圖4描述了總線上用戶數(shù)據(jù)通訊流程和數(shù)據(jù)格式，以此為例來(lái)計(jì)算和分析總線上的信息循環(huán)時(shí)間。

一個(gè)8位二迸制數(shù)(1 byte)按11位傳輸，電文頭和尾由11 byte或9 byte組成，因此，當(dāng)波特率為1．5 m時(shí)，1 tbit為0．666 7μs(1個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)-11 tbit-7．33μs)；當(dāng)波特率為12 m時(shí)，1 tbit為83 ns(1個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)-11 tbit—0．913μs)。

　　一般考慮到現(xiàn)場(chǎng)傳輸環(huán)境和延遲，在實(shí)施中還要加上約10％～20％的余量。主從通訊信息循環(huán)時(shí)間的具體計(jì)算公式如下：

　　tmc-(tsyn+tid1+tsdr+hender+i×11+o×11)×slaves。

　　式中,tmc為信息循環(huán)時(shí)間，按位時(shí)間計(jì)；tsyn為同步時(shí)間，典型的為33 tbit；tid1為在主站的空閑時(shí)間，典型的為75 tbit；tsdr為在從站的站延遲時(shí)間，最小值為11 tbit，最大為60 tbit至800 tbit不等，典型的為11 tbit；hender為在請(qǐng)求和響應(yīng)幀中的電文頭，198 tbit；i為每個(gè)從站的輸入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；o為每個(gè)從站的輸出數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；slaves為從站個(gè)數(shù)。

　　對(duì)于一個(gè)單主站的數(shù)控系統(tǒng)方案，包含1個(gè)cnc控制器主站、4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器從站(4軸控制)、1個(gè)主軸驅(qū)動(dòng)器從站、2個(gè)i／o模塊從站、1個(gè)人機(jī)交互(human machine interface，hmi)單元、2個(gè)監(jiān)控單元從站，則共有1個(gè)主站，10個(gè)從站。假定每個(gè)從站有10 byte的輸入和10 byte的輸出，則tmc-(33+75+11+198+110+110)×20=10 740 tbit。

　　1．5 m波特率下，1 tbit需要0．66μs，從而10 740 tbit需要10 740×0．66μs=7．1 ms；

　　12 m波特率下，1tbit需要0．083μs，從而10 740 tbit需要10 740×0．083μs=0．9 ms。

　　一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行位置控制時(shí)，要求位置環(huán)的閉合時(shí)間在2 ms以內(nèi)，所以上面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)在1．5 m波特率時(shí)，無(wú)法滿足要求。因此，要么提高總線傳輸速度到12 m波特率的水平，要么簡(jiǎn)化從站的輸入輸出字節(jié)的數(shù)量。

　　2．3基于現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線也是一種被標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的串行工業(yè)總線形式，采用數(shù)據(jù)通訊的形式，總線接口精簡(jiǎn)為只有通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收定義。而且現(xiàn)場(chǎng)總線具備長(zhǎng)距離連接的能力，可以采用串級(jí)連接的形式，以方便組建分布式的數(shù)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制的數(shù)控設(shè)備。

　　圖5描述了基于profibus總線的數(shù)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，將數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)化為包含cnc控制器、人機(jī)接口(human machine interface，hmi)系統(tǒng)、輸入輸出單元i／o、驅(qū)動(dòng)器單元drive和電機(jī)單元。每個(gè)模塊具備獨(dú)立的處理能力和智能特征，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線串聯(lián)起來(lái)，成為總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的一個(gè)站點(diǎn)。站點(diǎn)有主從之分，但都遵循完全一樣的總線通信協(xié)議，因此，總線上傳輸?shù)男盘?hào)都表示數(shù)據(jù)而不存在專門的控制信號(hào)。這些數(shù)據(jù)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)特定的譯碼后，才能變成每一個(gè)模塊單元可以直接在內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，cnc控制器的地位發(fā)生了變化，它從核心模塊變成了現(xiàn)場(chǎng)總線中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，雖然仍是整個(gè)系統(tǒng)中的控制主體，但通訊方式的改變使其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上與其他外圍設(shè)備節(jié)點(diǎn)處于同等地位。cnc控制器可配置為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)控系統(tǒng)中的主設(shè)備，負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的發(fā)起和控制數(shù)據(jù)的生成，以及采集監(jiān)控其他節(jié)點(diǎn)模塊的返回?cái)?shù)據(jù)。

　　各模塊的功能描述如下：

　　cnc控制器作為整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的主機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)控加工任務(wù)的規(guī)劃、指令和數(shù)據(jù)的生成、計(jì)算和輸出，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化、發(fā)起任務(wù)、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)下載等工作。交互系統(tǒng)hmi則負(fù)責(zé)數(shù)控加工數(shù)據(jù)的輸入，處理與用戶操作和監(jiān)控有關(guān)的系統(tǒng)功能，一般具備顯示功能、鍵盤處理、用戶數(shù)據(jù)傳輸，以及簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理功能。傳統(tǒng)集中式數(shù)控系統(tǒng)中cnc控制器的cpu在擔(dān)負(fù)起人機(jī)交互任務(wù)的同時(shí)，還要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。這就要求必須用嚴(yán)格的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度來(lái)解決任務(wù)問(wèn)共用處理器資源和共享數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的沖突。而分布式的設(shè)計(jì)方案則使hmi模塊本身具備充分的處理和運(yùn)算能力，它可以獨(dú)立地向其他模塊查詢數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)須通過(guò)cnc控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制。這種數(shù)據(jù)的傳輸根據(jù)具體的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議不同而具備不同的封裝形式，因此，只要符合該數(shù)據(jù)格式的傳輸設(shè)備都可以直接與hmi建立數(shù)據(jù)通訊關(guān)系，完成用戶數(shù)據(jù)設(shè)定和所需數(shù)據(jù)的查詢。這種模塊化設(shè)計(jì)，可使hmi模塊根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的需要具備多種形式，包括顯示格式、數(shù)據(jù)類型、參數(shù)格式、圖形化顯示等眾多功能，且都可以不依賴于cnc控制器而自由定制。

　　i／o模塊同樣從傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中的i／o點(diǎn)轉(zhuǎn)化成具備智能處理能力和通訊能力的控制單元。i／o智能模塊單元由于具備自己專門的處理器，而從集中式數(shù)控體系中獨(dú)立出來(lái)，它自身實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出、外部信號(hào)的采集，以及這個(gè)過(guò)程中所涉及到的信號(hào)的轉(zhuǎn)化和調(diào)整。i／o模塊單元與hmi和cnc控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線可以直接建立聯(lián)系，所有對(duì)i／o端口的操作都會(huì)以命令的方式進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)闹芷诤透袷接涩F(xiàn)場(chǎng)總線具體的協(xié)議規(guī)范保證?，F(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)i／o模塊的連接，通過(guò)一對(duì)屏蔽雙絞線即可實(shí)現(xiàn)。因此，系統(tǒng)的連接被簡(jiǎn)單化了，可靠性和靈活性都得到了很大的提高。而i／o模塊自身的處理能力可以獨(dú)立執(zhí)行對(duì)現(xiàn)場(chǎng)i／o端口，包括執(zhí)行器和傳感器的基本控制和實(shí)時(shí)事件處理，保證了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

　　數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器是數(shù)控系統(tǒng)操控電機(jī)運(yùn)動(dòng)的功率單元，是運(yùn)動(dòng)控制性能的關(guān)鍵部分，它是數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行器，是與電機(jī)等執(zhí)行裝置和機(jī)械設(shè)備的接口，負(fù)責(zé)將cnc控制器的任務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)控制輸出，實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)電流的控制。數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)單元是數(shù)控系統(tǒng)的切削加工執(zhí)行器，是與主軸電機(jī)等部件的直接接口，負(fù)責(zé)將cnc控制器對(duì)主軸的操作指令轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)速或位置輸出。目前，驅(qū)動(dòng)器已從模擬式逐漸過(guò)渡到數(shù)字式，其主要標(biāo)志是內(nèi)部由模擬的開(kāi)關(guān)器件和功率器件，轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)字信號(hào)處理(digital signal processing，dsp)的數(shù)字式、集成化智能控制器件。參數(shù)的整定和算法的實(shí)現(xiàn)，是從硬件電子電路轉(zhuǎn)化為基于軟件的實(shí)現(xiàn)，因此具備了更多的柔性和可配置性。驅(qū)動(dòng)器接受控制器發(fā)送的位置指令(脈沖串)或速度指令(模擬電壓信號(hào))，通過(guò)內(nèi)部控制器處理，控制電機(jī)精確運(yùn)轉(zhuǎn)，并在伺服系統(tǒng)中通過(guò)位置和速度檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)基于跟隨誤差的系統(tǒng)精確隨動(dòng)控制。但是，目前驅(qū)動(dòng)器與控制器的連接仍是以并行連線為主，很多離散的輸入輸出信號(hào)必須通過(guò)一對(duì)一的連接關(guān)系進(jìn)行傳輸交互，當(dāng)控制器和驅(qū)動(dòng)器安裝距離較遠(yuǎn)時(shí)，這種連接方式非常不方便。因此，采用數(shù)據(jù)通訊的串行連接方式，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與控制器的信息交互，是簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性的有力措施。而現(xiàn)場(chǎng)總線正是實(shí)現(xiàn)這一接口方案的最佳選擇，它將所有的連接信號(hào)封裝成具有控制意義的特殊指令格式，在控制器和驅(qū)動(dòng)器之間傳輸，也可以在hmi，i／o單元和驅(qū)動(dòng)器之間傳輸，然后由各自模塊的處理單元解碼，轉(zhuǎn)換成內(nèi)部所需的各類控制信號(hào)。

　　監(jiān)控診斷單元是數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障處理的獨(dú)立模塊，與現(xiàn)場(chǎng)的傳感裝置直接連接，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備關(guān)鍵部位的工作數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行預(yù)處理和應(yīng)急處理，同時(shí)能夠在必要時(shí)與cnc控制器建立信息交互。

　　這便是全數(shù)字式的數(shù)控系統(tǒng)的基本要求，這樣的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不僅在硬件上得到了統(tǒng)一化，而且在軟件接口上也有了統(tǒng)一的形式，因?yàn)樽裱嗤臄?shù)據(jù)傳輸格式和編碼解碼過(guò)程，通訊接口單元可以被抽象出來(lái)，供每一個(gè)不同功能的數(shù)控控制實(shí)體利用。

    3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹的方案已成功應(yīng)用于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，如tdnc320車床、tdncxl5a銑床等。在此基礎(chǔ)上，筆者快速重構(gòu)出了可應(yīng)用于一個(gè)4軸加工中心tdnc40a的數(shù)控系統(tǒng)，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可重構(gòu)效果良好。

圖6數(shù)控系統(tǒng)用于4軸加工中心tdnc40a

　　mcx314as是一款功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制芯片，具有優(yōu)越的4軸控制及插補(bǔ)功能，可大大減輕研發(fā)任務(wù)，提高研發(fā)速度，在短時(shí)間內(nèi)得到了控制性能較高的數(shù)控系統(tǒng)。而arm處理器的強(qiáng)大功能保證了該系統(tǒng)的高速、高精度和實(shí)時(shí)性數(shù)控加工。fpga的應(yīng)用解決了由于現(xiàn)場(chǎng)伺服電機(jī)擴(kuò)展后的邏輯電路變化的問(wèn)題，從硬件上實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)性?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)控系統(tǒng)向工業(yè)通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)尋求分布式解決方案的一條很有前景的途徑，其優(yōu)勢(shì)在于面向工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和市場(chǎng)產(chǎn)品線的支持體系?，F(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)底層單元的靈活配置功能和數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性。