一種總線式數控系統的製作方法

2023-04-25 05:38:41 4

專利名稱：一種總線式數控系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業機械電氣設備控制領域，更具體地說，涉及一種實現多 電機控制的數控系統。
背景技術：
數字伺服裝置是數控發展史上一個重要的裡程碑。採用數字伺服裝置，使 所有指令值和實際值都能在一個微控制器內完成。不但能實現傳統的扭矩環和速度環控制，而且能在極短時間內完成精插補，實現位置環控制。與傳統的模 擬伺服裝置相比，採用數字伺服裝置能獲得更高的加工速度和加工精度，且控 制硬體簡單，系統的複雜性和成本都大大降低伴隨著數字伺服裝置的發展，如何實現控制單元與數字伺服裝置之間的數 據通信成為一個關鍵問題。必須為控制單元和數字伺服裝置配合合適的數字接 口，設計適當的系統結構，才能保證遵循一定標準開發出的相關設備具有良好 的互換性。發明內容本實用新型針對上述問題，提出了一種數控系統的體系結構，依靠為數控 設備專門設計的通信協議，針對系統的拓樸結構、數據傳輸線的組成、信號編 碼格式、電報結構、工作時序、接口初始化、周期數據的配置和傳輸、伺服運
行模式的設置以及故障診斷和處理等問題，旨在提供一套完善的數控體系。為了解決在建立系統過程中出現的上述問題，本實用新型構造了一種總線 式數控系統，包括裝有數控軟體的上位機、全數字伺服驅動器、電機以及可編程序控制器PLC。上位機和總線控制器構成主設備；從設備包括伺服驅動器和 PLC。伺服驅動器向電機發送驅動信號，同時電機通過線路將位置檢測裝置反饋 的信號送回伺服驅動器。本實用新型數控系統的特點在於，主設備依次串接多 個從設備並最終連接回主設備從而構成一個閉合環路，而主設備和從設備之間 通過以物理層和傳輸介質連接的鏈路傳輸數據。信息的傳輸過程中，主設備僅 向與之直接連接的第 一級從設備發出主信息，這個主信息包括與所有從設備相 關的信息，如命令信息、數據信息以及觸發某一級從設備執行命令的信息。而 且主信息將根據串接從設備的順序僅能夠依次單向傳送到各個從設備。相應地， 某一級從設備接收、響應主信息中與之相關的信息並給出反饋信息；各個從設 備的反饋信息根據串接從設備的順序依次單向通過下級每一個從設備轉發回主 設備。上述數據通信只在主設備和從設備之間進行，傳輸過程中從設備只接收主 設備對自身的命令和操作數據並進行處理，對其他從設備的數據只進行轉發， 不進行處理，從設備之間不進行單獨數據交換。本實用新型構造了一種總線式數控系統，其特點還在於，物理層的傳輸介 質選用乙太網物理層或1394物理層或USB物理層。優選方式下，物理層的傳 輸介質選用乙太網物理層。本實用新型構造了一種總線式數控系統，其進一步改進在於，在出現斷線 情況下，從設備通過傳輸線反向數據傳輸，從而與主設備構成閉環以便進一步 的故障處理。
本實用新型構造了一種總線式數控系統，其進一步改進還在於，總線控制器設置有通過傳輸線直接連接工具機鍵盤的接口；串接的伺服驅動集成了 PLC功 能；而上述從設備的反饋信息包括電源電壓異常信息、編碼器斷線信息、通信 數據錯誤信息、伺服裝置報警信息、PLC報警信息等。本實用新型還公開了基於上述總線式數控系統實現數控設備控制的方法， 如上所述，在系統中，包括了上位機、總線控制器的主設備與包括了伺服驅動 器、PLC的從設備農次串接構成環路。控制過程為1、主設備發送包括命令信 息、數據信息的數據電報；2、從設備查詢並接收包含所述命令信息、數據信息 的電報；3、主設備發送包括執行命令信息的數據電報；4、從設備查詢並接收 包含執行命令信息的數據電報，某一從設備在確定需要執行命令的狀態下，鎖 定傳輸數據並執行相應操作。所謂鎖定數據是指當前不再向下級從設備轉發信 息。上述本實用新型總線式數控系統對數控設備的控制方法，其進一步改進在 於，在步驟4中，從設備將反饋信息依次通過下級的從設備傳送回主設備，反 饋信息包括電源電壓異常信息、編碼器斷線信息、通信數據錯誤信息、伺服裝 置報警信息、PLC報警信息，從而主設備根據所述反饋信息再次發送命令信息。 而在出現斷線情況下，從設備依次通過上級從設備反向將故障信息傳輸回主設 備，從而與主設備構成閉環以便進行故障處理。此外，總線控制器通過傳輸線 直接連接工具機鍵盤，從而主設備以最高優先級狀態響應工具機鍵盤的控制輸入。在控制過程中，初始開機狀態下，主設備訪問第一級從設備並為其分配基 地址並作以記錄，根據這一記錄訪問第二級從設備按順序分配基地址再次記錄； 此後依次根據上級的記錄為下級從設備按順序分配基地址，完成初始化配置。通過上述技術方案，根據本實用新型數控系統的拓樸結構，可以獲得高檔 的總線式數控系統體系，能夠達到如下的有益效果1、 環形開放總線結構，可以靈活的配置從設備總線結構中的從設備數量可以根據需要，在數控系統設計時進行配置。例 如工具機的控制軸數量有3軸，PLC點數要求72輸入/48輸出的時候，從設備數 量配置程6個(假設總線協議將24輸入/16輸出將PLC設定為一個從設備，72 輸入/48輸出等效為3個PLC類型的從設備)。工具機設計時，可控軸或者控制的 坐標數目發生改變的時候，可以根據需要將總線上的從設備配置進行相應更新。2、 向速可根據需要採用高速物理層，最高傳輸速率可以達到800Mbps3、 控制精度高該系統數控軟體的數據通過總線以數字方式發送給驅動器，不受DA和AD 轉換器件的限制，根據控制精度和需要設定數據傳輸有效位數，能有效提高傳 輸精度。同時由於有別於傳統模擬量控制，能夠避免模擬量控制時出現的模擬 數據在數字-〉模擬_ 〉數字轉化過程中的誤差和放大環節的飄移，以及其他千 擾引起的信號突變等誤差，降低了系統調試複雜度。設計位置和數度傳輸精度 達到16bit，位置檢測裝置反饋的數據位數達到24bit。4、 可靠性好沒有模擬量傳輸環節，數位訊號可以從根本上的避免傳輸過程中受千擾信 號的影響引起的模擬量誤差幹擾。總線協議中設置差錯控制和校驗控制算法， 可以有效地抑制傳輸過程中的誤碼和幹擾。5、 系統組裝調試簡單，成本低相對傳統數控體系結構，省掉中間模擬控制部分，安裝調試難度明顯降低, 成本也隨之有效減少
6、 伺服系統集成度高伺服系統中集成了 PLC輸入輸出設備，省掉外置PLC輸入輸出配置，集 成度提高，成本降低。7、 可控從設備數量達到24個，可以5軸聯動實現複雜的數控系統需求。8、 執行能力為NC指令2000^a/秒，PLC指令40微秒/千條；9、 卓越的高速控制能力解析度lnm時，進給速度可達240m/min;10、 最多可控制6個主軸，最多可支持3個手輪；11、 高速PLC符合IEC61131-3標準。12、 可定製用戶特殊功能，可定製用戶人機界面；13、 可擴展NC代碼的存儲容量，達40GB以上14、 能夠運行諸多的CAM和CAD軟體，進行前期模擬加工和3D仿真。

圖l是本實用新型數控系統中數據傳輸線的組成；圖2是本實用新型數控系統一種實施例的拓樸結構的示意圖；圖3是本實用新型數控系統第二種實施例的拓樸結構的示意圖；圖4是本實用新型數控系統第三種實施例的拓樸結構的示意圖；圖5是在本實用新型數控系統的一種實施例中實現的循環時序示意圖；圖6是與圖5同一實施例中實現的數據結構圖；圖7是與圖6同一實施例中實現的寫入部分數據組織結構圖；圖8是與圖6同一實施例中實現的讀出部分數據組織結構圖。
具體實施方式
為了實現本實用新型的數控系統，可以在物理層和數據鏈路層兩個方面定義一種傳輸協議，主要內容包括拓樸結構、數據傳輸線的組成、信號編碼格 式、電報結構、工作時序、非周期性數據傳輸、接口初始化、周期數據的配置 和傳輸、伺服裝置運行模式的設置以及故障診斷和處理等。本文僅就上述內容 提供一種可行方案，欲實現本實用新型，結合具體情況，協議的定義會發生變 化，但未脫離本實用新型保護要點的所有改進都嚢括在本實用新型的保護範圍 以內。1、 物理層物理層位於通信系統的最低層，是整個通訊的基礎，為設備之間的數據通 訊提供傳輸^f某介(電纜、光纖等)及互聯設備(插頭、插座等)，為數據傳輸提 供通路，負責數據傳輸及相關的管理工作。系統的物理層協議主要定義了拓樸 結構、數據傳輸線的組成和信號編碼格式等。2、 拓樸結構系統使用環路結構作為最基本的拓樸，環路由主、從設備和傳輸線組成， 每個環路只有一個主設備，其餘都為從設備。各設備之間通過乙太網物理層連 接的鏈路傳輸數據，數據在傳輸線上單向流動。如圖2所示，主設備(包括總線控制器)和從設備(包括全數字總線式伺 服控制器)的連接形式。 一個主設備可以帶多個從設備，目前設計最大可連如 環路的從設備為24個，留有可擴展餘地。注意雖然各個從設備之間是通過5類雙絞線互聯的，但是各個從設備之 間不能直接進行數據通訊，從設備只能接收主設備的命令和數據以及根據相應 命令作出相應的反應並返回數據。各個從設備的地址，按照鏈路上的連接順序
依次由低到高排列。3、 數據傳輸線的組成以乙太網物理層為例，具體到單條數據傳輸線，共由3部分組成。正向發 送端的乙太網物理層晶片，接收到上位控制晶片發送過來的標準數據，將該數 據轉化成串行數據進行傳送，如圖1所示，正向數據和反向數據同時發送，在 從設備沒有出現故障的情況下，只使用正向數據進行數據傳送，當遇到斷線或 者其他從設備不能通信的故障的時候，反向數據起到回傳數據，形成閉環作用， 以供處理故障使用。4、 信號編碼格式與所採用的物理層傳輸介質和協議有關，目前支持乙太網物理層，1394物 理層，USB物理層。採用乙太網物理層為例在物理層完成4B-5B碼制轉換， 5類雙絞線上實現差分曼徹斯特編碼傳輸。5、 電報基本結構在系統接口中，所有的數據都是以數據電報的形式進行傳輸。具體情況如 下所述。5.1傳輸協議的循環時序結構由圖5可以看出一個協議的循環由2次有間隔的數據發送組成 962位元組的數據幀、8位元組的快速字節幀。其中，962位元組的數據幀功能包括主 設備發給從設備的命令以及從設備返回的數據。8位元組快速字節幀的功能包括主 設備發送的命令和數據的同步使能，即指示命令執行的信息。具體幀結構描述如下962 ( 962 = 2 + 40x24 )字節數據幀以16進位AA, BB作為起始字節，之後 跟隨24個從設備的命令和數據幀，每個設備分配40個字節空間。
5.2從設備數據結構如圖6所示從設備數據共分配40位元組空間，其中前16位元組是來自主設備 的寫入數據，後24位元組是返回到主設備的數據。寫入數據部分數據組織結構如 圖7所示，讀出部分悽t據組織結構如圖8所示。6、 4矣口初始4匕和AU殳備的初始配置上電後所有從i殳備的基地址都將置為F8H。為了避免地址沖突，所有從設 備以環形形式連接，也就是說配置前上位機只能訪問第 一個從設備。配置的第一步是識別從設備，上位機訪問第一個從設備，若上位機讀取了 正確的標識碼。然後上位機給該從設備重新分配基地址。配置後該從設備在向 下一級傳輸的信號中作以標誌，以便下一個從設備根據這個標誌進行配置，而 後依次完成後續的從設備初始配置。7、 本實用新型數控系統協議的工作時序如圖5所示一個循環的時序結構，長數據幀的接收開始的頭字節為16進位 數據AA和BB,然後是第0個設備的第0個字節(從設備編號從0開始)，以 第2號從設備(物理地址是02)為例，在這個從設備傳遞轉發數據的過程中， 對當前傳遞的數據量進行計數。當計數到 2 *40 +2 =82 ( 52 HEX )時，開始接 收(複製，但是同時轉發)數據，計數到82+24=106 (6AHEX)時，停止接收， 開始向數據流填充數據，邊填充邊轉發。計數到106+24=138時，自身填充轉發 結束，繼續傳遞轉發其他設備數據，直到數據流結束。然後主設備發送一個8位元組的快速字節幀，從設備接收到開始標誌之後，開始計數；收到這個字節幀中對應於自己位置的命令數據，鎖定(使能)長數據幀傳過來的數據，並執行相應操作。長數據幀和快速幀操作都結束，完成一個循環。
8、故障診斷和處理
本系統的協議定義了專門的數據位對系統電源電壓異常，編碼器斷線，鏈
路斷路，通信數據錯誤，伺服裝置報警，PLC報警等都有相應的檢測和處理。
以上為實現本實用新型的數控系統設計的傳輸協議，並以此完成了數控系 統的基本任務，實現上述任務的方式可以根據需要變化，本實用新型的保護範 圍並不局限於某個具體數字和結構上。如報文結構、工作時序設置等可以根據 具體情況加以變化。 <旦系統的整體結構可以參見下述實施例的實現方式。
實施例1參見圖2，裝有數控軟體的上位機1 (通常為PC機)、全數字伺服 驅動器3、電機4以及可編程序控制器PLC是本實用新型系統中的必備設備。 其中，上位機1集成總線控制器2構成主設備。如圖所示，伺服驅動器3向電 機4發送驅動信號，同時電機4通過線路將編碼器反饋的信號送回伺服驅動器3。 其中，本實用新型並非限制於圖中的編碼器反饋信號，更確切地說，應是將如 增量編碼器、絕對值編碼器、光柵尺等位置檢測裝置的反饋信號送回伺服驅動 器3。圖中，主設備通過傳輸線依次串接包括伺服驅動器3、 PLC的從設備並連 接回主設備從而構成一個環路。在正常工作狀態下，上位機1發出信息僅單向 依次傳送到各個從設備，各個從設備響應信息並且將反饋信息依次通過下級的 從設備送回到上位機l。在圖2中，串接的伺服驅動器與PLC集成為一體。
此外，總線控制器一端設置有通過傳輸線直接連接工具機鍵盤的接口。工具機 鍵盤是作為一個標準PLC設備進行控制，這個PLC和數控軟體的軟PLC管理 程序之間遵循該數控系統支持的總線協議，通過該總線控制器能夠實現工具機實 時通信。由於工具機鍵盤對響應速度要求比較高，因此在數字總線式數控系統中 針對這個方面做了特殊設計，為工具機鍵盤預留一個單獨的總線接口，並為該接 口設計了最高響應和處理的優先級，從而保證工具機鍵盤和上位機之間的數據交
互的實時性。
實施例2參見圖3，其中系統中所用的傳輸協議根據上文所述定義即可。而 與實施例1的不同在於，PLC可以作為獨立的從設備串接於系統的環形結構中。 而且PLC可以作為第一從設備或中間級的從設備。圖中還可看出，本系統的環 形結構還可以嚢括基於本系統傳輸協議的其他模塊。
實施例3參見圖4,其中系統中所用的傳輸協議也可才艮據上文或類似方式定 義。與實施例l、 2的不同在於，伺服控制器通過獨立的PLC (圖中未示出)與 電機相關聯。而這種狀態下，必然存在一個PLC作為從設備設置在本數控系統 的環路中。
以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範
圍內，根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都 應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1、一種總線式數控系統，包括裝有數控軟體的上位機(1)、全數字伺服驅動器(3)、電機(4)以及可編程序控制器PLC；所述上位機(1)和總線控制器(2)構成主設備；所述伺服驅動器(3)向所述電機(4)發送驅動信號，同時所述電機(4)通過線路將位置檢測裝置反饋的信號送回所述伺服驅動器(3)；其特徵在於所述主設備依次串接包括所述伺服驅動器(3)、PLC的從設備並連接回主設備從而構成一個閉合環路；所述主設備和從設備之間通過以物理層和傳輸介質連接的鏈路傳輸數據；其中，所述主設備向與之直接連接的第一級從設備發出與所有從設備相關的主信息；所述主信息包括命令信息、數據信息以及觸發某一級從設備執行命令的信息；而且所述主信息將根據串接從設備的順序依次單向傳送到各個從設備；某一級從設備接收、響應所述主信息中與之相關的信息並給出反饋信息；所述反饋信息根據串接從設備的順序依次單向通過各個下級的從設備轉發回主設備。
2、 根據權利要求1所述的總線式數控系統，其特徵在於，所述物理層的傳 輸介質選用乙太網物理層或1394物理層或USB物理層。
3、 根據權利要求2所述的總線式數控系統，其特徵在於，所述物理層的傳 輸介質選用乙太網物理層。
4、 根據權利要求3所述的總線式數控系統，其特徵在於，在出現斷線情況 下，從設備通過傳輸線反向數據傳輸，從而與主設備構成閉環以便進一步的故 障處理。
5、 根據權利要求4所述的總線式數控系統，其特徵在於，所述總線控制器 設置接口通過以物理層和傳輸介質連接的鏈路直接連接工具機鍵盤，所述上位機以最高優先級響應工具機鍵盤。
6、 根據權利要求l-5任一所述的總線式數控系統，其特徵在於，串接的伺 服驅動器集成了 PLC功能。
專利摘要本實用新型公開了一種數控系統，其中上位機(1)和總線控制器(2)構成主設備；該主設備通過傳輸線依次串接包括所述伺服驅動器(3)、PLC的從設備並連接回主設備從而構成一個閉合環路；主設備和從設備之間通過以物理層+傳輸介質連接的鏈路傳輸數據；正常狀態下，上位機發出信息僅單向依次傳送到各個從設備，各個從設備響應信息並且將反饋信息依次通過下級的從設備送回到上位機；各種信息在傳輸線中以數據電報的形式傳輸，主要包括主設備的命令信息和從設備返回的數據以及觸發從設備執行命令的數據。根據本實用新型實現的數控系統具有卓越的高速控制能力，能使得數控工具機在高速進給情況下，獲得極高的加工精度。
文檔編號G05B19/414GK201035392SQ200720010128
公開日2008年3月12日 申請日期2007年1月15日 優先權日2007年1月15日
發明者于德海, 超 吳, 張贊秋, 徐道明, 遊華雲, 王慶鵬, 鄭君民, 阮叄芽, 陳偉華 申請人:大連光洋科技工程有限公司