CN101013316A - 一种总线式数控系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控系统，其中上位机(1)和总线控制器(2)构成主设备；该主设备通过传输线依次串接包括所述伺服驱动器(3)、PLC的从设备并连接回主设备从而构成一个闭合环路；主设备和从设备之间通过以物理层+传输介质连接的链路传输数据；正常状态下，上位机发出信息仅单向依次传送到各个从设备，各个从设备响应信息并且将反馈信息依次通过下级的从设备送回到上位机；各种信息在传输线中以数据电报的形式传输，主要包括主设备的命令信息和从设备返回的数据以及触发从设备执行命令的数据。根据本发明实现的数控系统具有卓越的高速控制能力，能使得数控机床在高速进给情况下，获得极高的加工精度。

Description

一种总线式数控系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业机械电气设备控制领域，更具体地说，涉及一种实现多电机控制的数控系统。

背景技术

数字伺服装置是数控发展史上一个重要的里程碑。采用数字伺服装置，使所有指令值和实际值都能在一个微控制器内完成。不但能实现传统的扭矩环和速度环控制，而且能在极短时间内完成精插补，实现位置环控制。与传统的模拟伺服装置相比，采用数字伺服装置能获得更高的加工速度和加工精度，且控制硬件简单，系统的复杂性和成本都大大降低

伴随着数字伺服装置的发展，如何实现控制单元与数字伺服装置之间的数据通信成为一个关键问题。必须为控制单元和数字伺服装置配合合适的数字接口，设计适当的系统结构，才能保证遵循一定标准开发出的相关设备具有良好的互换性。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种数控系统的体系结构，依靠为数控设备专门设计的通信协议，针对系统的拓扑结构、数据传输线的组成、信号编码格式、电报结构、工作时序、接口初始化、周期数据的配置和传输、伺服运行模式的设置以及故障诊断和处理等问题，旨在提供一套完善的数控体系。

为了解决在建立系统过程中出现的上述问题，本发明构造了一种总线式数控系统，包括装有数控软件的上位机、全数字伺服驱动器、电机以及可编程序控制器PLC。上位机和总线控制器构成主设备；从设备包括伺服驱动器和PLC。伺服驱动器向电机发送驱动信号，同时电机通过线路将位置检测装置反馈的信号送回伺服驱动器。本发明数控系统的特点在于，主设备依次串接多个从设备并最终连接回主设备从而构成一个闭合环路，而主设备和从设备之间通过以物理层和传输介质连接的链路传输数据。信息的传输过程中，主设备仅向与之直接连接的第一级从设备发出主信息，这个主信息包括与所有从设备相关的信息，如命令信息、数据信息以及触发某一级从设备执行命令的信息。而且主信息将根据串接从设备的顺序仅能够依次单向传送到各个从设备。相应地，某一级从设备接收、响应主信息中与之相关的信息并给出反馈信息；各个从设备的反馈信息根据串接从设备的顺序依次单向通过下级每一个从设备转发回主设备。

上述数据通信只在主设备和从设备之间进行，传输过程中从设备只接收主设备对自身的命令和操作数据并进行处理，对其他从设备的数据只进行转发，不进行处理，从设备之间不进行单独数据交换。

本发明构造了一种总线式数控系统，其特点还在于，物理层的传输介质选用以太网物理层或1394物理层或USB物理层。优选方式下，物理层的传输介质选用以太网物理层。

本发明构造了一种总线式数控系统，其进一步改进在于，在出现断线情况下，从设备通过传输线反向数据传输，从而与主设备构成闭环以便进一步的故障处理。

本发明构造了一种总线式数控系统，其进一步改进还在于，总线控制器设置有通过传输线直接连接机床键盘的接口；串接的伺服驱动集成了PLC功能；而上述从设备的反馈信息包括电源电压异常信息、编码器断线信息、通信数据错误信息、伺服装置报警信息、PLC报警信息等。

本发明还公开了基于上述总线式数控系统实现数控设备控制的方法，如上所述，在系统中，包括了上位机、总线控制器的主设备与包括了伺服驱动器、PLC的从设备依次串接构成环路。控制过程为：1、主设备发送包括命令信息、数据信息的数据电报；2、从设备查询并接收包含所述命令信息、数据信息的电报；3、主设备发送包括执行命令信息的数据电报；4、从设备查询并接收包含执行命令信息的数据电报，某一从设备在确定需要执行命令的状态下，锁定传输数据并执行相应操作。所谓锁定数据是指当前不再向下级从设备转发信息。

上述本发明总线式数控系统对数控设备的控制方法，其进一步改进在于，在步骤4中，从设备将反馈信息依次通过下级的从设备传送回主设备，反馈信息包括电源电压异常信息、编码器断线信息、通信数据错误信息、伺服装置报警信息、PLC报警信息，从而主设备根据所述反馈信息再次发送命令信息。而在出现断线情况下，从设备依次通过上级从设备反向将故障信息传输回主设备，从而与主设备构成闭环以便进行故障处理。此外，总线控制器通过传输线直接连接机床键盘，从而主设备以最高优先级状态响应机床键盘的控制输入。

在控制过程中，初始开机状态下，主设备访问第一级从设备并为其分配基地址并作以记录，根据这一记录访问第二级从设备按顺序分配基地址再次记录；此后依次根据上级的记录为下级从设备按顺序分配基地址，完成初始化配置。

通过上述技术方案，根据本发明数控系统的拓扑结构，可以获得高档的总线式数控系统体系，能够达到如下的有益效果：

1、环形开放总线结构，可以灵活的配置从设备

总线结构中的从设备数量可以根据需要，在数控系统设计时进行配置。例如机床的控制轴数量有3轴，PLC点数要求72输入/48输出的时候，从设备数量配置程6个(假设总线协议将24输入/16输出将PLC设定为一个从设备，72输入/48输出等效为3个PLC类型的从设备)。机床设计时，可控轴或者控制的坐标数目发生改变的时候，可以根据需要将总线上的从设备配置进行相应更新。

2、高速：

可根据需要采用高速物理层，最高传输速率可以达到800Mbps

3、控制精度高

该系统数控软件的数据通过总线以数字方式发送给驱动器，不受DA和AD转换器件的限制，根据控制精度和需要设定数据传输有效位数，能有效提高传输精度。同时由于有别于传统模拟量控制，能够避免模拟量控制时出现的模拟数据在数字->模拟->数字转化过程中的误差和放大环节的飘移，以及其他干扰引起的信号突变等误差，降低了系统调试复杂度。设计位置和数度传输精度达到16bit，位置检测装置反馈的数据位数达到24bit。

4、可靠性好

没有模拟量传输环节，数字信号可以从根本上的避免传输过程中受干扰信号的影响引起的模拟量误差干扰。总线协议中设置差错控制和校验控制算法，可以有效地抑制传输过程中的误码和干扰。

5、系统组装调试简单，成本低

相对传统数控体系结构，省掉中间模拟控制部分，安装调试难度明显降低，成本也随之有效减少

6、伺服系统集成度高

伺服系统中集成了PLC输入输出设备，省掉外置PLC输入输出配置，集成度提高，成本降低。

7、可控从设备数量达到24个，可以5轴联动实现复杂的数控系统需求。

8、执行能力为：NC指令2000段/秒，PLC指令40微秒/千条；

9、卓越的高速控制能力：分辨率1μm时，进给速度可达240m/min；

10、最多可控制6个主轴，最多可支持3个手轮；

11、高速PLC符合IEC61131-3标准。

12、可定制用户特殊功能，可定制用户人机界面；

13、可扩展NC代码的存储容量，达40GB以上

14、能够运行诸多的CAM和CAD软件，进行前期模拟加工和3D仿真。

附图说明

图1是本发明数控系统中数据传输线的组成；

图2是本发明数控系统一种实施例的拓扑结构的示意图；

图3是本发明数控系统第二种实施例的拓扑结构的示意图；

图4是本发明数控系统第三种实施例的拓扑结构的示意图；

图5是在本发明数控系统的一种实施例中实现的循环时序示意图；

图6是与图5同一实施例中实现的数据结构图；

图7是与图6同一实施例中实现的写入部分数据组织结构图；

图8是与图6同一实施例中实现的读出部分数据组织结构图。

具体实施方式

为了实现本发明的数控系统，可以在物理层和数据链路层两个方面定义一种传输协议，主要内容包括：拓扑结构、数据传输线的组成、信号编码格式、电报结构、工作时序、非周期性数据传输、接口初始化、周期数据的配置和传输、伺服装置运行模式的设置以及故障诊断和处理等。本文仅就上述内容提供一种可行方案，欲实现本发明，结合具体情况，协议的定义会发生变化，但未脱离本发明保护要点的所有改进都囊括在本发明的保护范围以内。

1、物理层

物理层位于通信系统的最低层，是整个通讯的基础，为设备之间的数据通讯提供传输媒介(电缆、光纤等)及互联设备(插头、插座等)，为数据传输提供通路，负责数据传输及相关的管理工作。系统的物理层协议主要定义了拓扑结构、数据传输线的组成和信号编码格式等。

2、拓扑结构

系统使用环路结构作为最基本的拓扑，环路由主、从设备和传输线组成，每个环路只有一个主设备，其余都为从设备。各设备之间通过以太网物理层连接的链路传输数据，数据在传输线上单向流动。

如图2所示，主设备(包括总线控制器)和从设备(包括全数字总线式伺服控制器)的连接形式。一个主设备可以带多个从设备，目前设计最大可连如环路的从设备为24个，留有可扩展余地。

注意：虽然各个从设备之间是通过5类双绞线互联的，但是各个从设备之间不能直接进行数据通讯，从设备只能接收主设备的命令和数据以及根据相应命令作出相应的反应并返回数据。各个从设备的地址，按照链路上的连接顺序依次由低到高排列。

3、数据传输线的组成

以以太网物理层为例，具体到单条数据传输线，共由3部分组成。正向发送端的以太网物理层芯片，接收到上位控制芯片发送过来的标准数据，将该数据转化成串行数据进行传送，如图1所示，正向数据和反向数据同时发送，在从设备没有出现故障的情况下，只使用正向数据进行数据传送，当遇到断线或者其他从设备不能通信的故障的时候，反向数据起到回传数据，形成闭环作用，以供处理故障使用。

4、信号编码格式

与所采用的物理层传输介质和协议有关，目前支持以太网物理层，1394物理层，USB物理层。采用以太网物理层为例：在物理层完成4B-5B码制转换，5类双绞线上实现差分曼彻斯特编码传输。

5、电报基本结构

在系统接口中，所有的数据都是以数据电报的形式进行传输。具体情况如下所述。

5.1传输协议的循环时序结构

由图5可以看出一个协议的循环由2次有间隔的数据发送组成：962字节的数据帧、8字节的快速字节帧。其中，962字节的数据帧功能包括主设备发给从设备的命令以及从设备返回的数据。8字节快速字节帧的功能包括主设备发送的命令和数据的同步使能，即指示命令执行的信息。

具体帧结构描述如下：

962(962＝2+40×24)字节数据帧以16进制AA，BB作为起始字节，之后跟随24个从设备的命令和数据帧，每个设备分配40个字节空间。

5.2从设备数据结构

如图6所示从设备数据共分配40字节空间，其中前16字节是来自主设备的写入数据，后24字节是返回到主设备的数据。写入数据部分数据组织结构如图7所示，读出部分数据组织结构如图8所示。

6、接口初始化和从设备的初始配置

上电后所有从设备的基地址都将置为F8H。为了避免地址冲突，所有从设备以环形形式连接，也就是说配置前上位机只能访问第一个从设备。

配置的第一步是识别从设备，上位机访问第一个从设备，若上位机读取了正确的标识码。然后上位机给该从设备重新分配基地址。配置后该从设备在向下一级传输的信号中作以标志，以便下一个从设备根据这个标志进行配置，而后依次完成后续的从设备初始配置。

7、本发明数控系统协议的工作时序

如图5所示一个循环的时序结构，长数据帧的接收开始的头字节为1 6进制数据AA和BB，然后是第0个设备的第0个字节(从设备编号从0开始)，以第2号从设备(物理地址是02)为例，在这个从设备传递转发数据的过程中，对当前传递的数据量进行计数。当计数到2*40+2＝82(52 HEX)时，开始接收(复制，但是同时转发)数据，计数到82+24＝106(6A HEX)时，停止接收，开始向数据流填充数据，边填充边转发。计数到106+24＝138时，自身填充转发结束，继续传递转发其他设备数据，直到数据流结束。

然后主设备发送一个8字节的快速字节帧，从设备接收到开始标志之后，开始计数；收到这个字节帧中对应于自己位置的命令数据，锁定(使能)长数据帧传过来的数据，并执行相应操作。

长数据帧和快速帧操作都结束，完成一个循环。

8、故障诊断和处理

本系统的协议定义了专门的数据位对系统电源电压异常，编码器断线，链路断路，通信数据错误，伺服装置报警，PLC报警等都有相应的检测和处理。

以上为实现本发明的数控系统设计的传输协议，并以此完成了数控系统的基本任务，实现上述任务的方式可以根据需要变化，本发明的保护范围并不局限于某个具体数字和结构上。如报文结构、工作时序设置等可以根据具体情况加以变化。但系统的整体结构可以参见下述实施例的实现方式。

实施例1参见图2，装有数控软件的上位机1(通常为PC机)、全数字伺服驱动器3、电机4以及可编程序控制器PLC是本发明系统中的必备设备。其中，上位机1集成总线控制器2构成主设备。如图所示，伺服驱动器3向电机4发送驱动信号，同时电机4通过线路将编码器反馈的信号送回伺服驱动器3。其中，本发明并非限制于图中的编码器反馈信号，更确切地说，应是将如增量编码器、绝对值编码器、光栅尺等位置检测装置的反馈信号送回伺服驱动器3。图中，主设备通过传输线依次串接包括伺服驱动器3、PLC的从设备并连接回主设备从而构成一个环路。在正常工作状态下，上位机1发出信息仅单向依次传送到各个从设备，各个从设备响应信息并且将反馈信息依次通过下级的从设备送回到上位机1。在图2中，串接的伺服驱动器与PLC集成为一体。

此外，总线控制器一端设置有通过传输线直接连接机床键盘的接口。机床键盘是作为一个标准PLC设备进行控制，这个PLC和数控软件的软PLC管理程序之间遵循该数控系统支持的总线协议，通过该总线控制器能够实现机床实时通信。由于机床键盘对响应速度要求比较高，因此在数字总线式数控系统中针对这个方面做了特殊设计，为机床键盘预留一个单独的总线接口，并为该接口设计了最高响应和处理的优先级，从而保证机床键盘和上位机之间的数据交互的实时性。

实施例2参见图3，其中系统中所用的传输协议根据上文所述定义即可。而与实施例1的不同在于，PLC可以作为独立的从设备串接于系统的环形结构中。而且PLC可以作为第一从设备或中间级的从设备。图中还可看出，本系统的环形结构还可以囊括基于本系统传输协议的其他模块。

实施例3参见图4，其中系统中所用的传输协议也可根据上文或类似方式定义。与实施例1、2的不同在于，伺服控制器通过独立的PLC(图中未示出)与电机相关联。而这种状态下，必然存在一个PLC作为从设备设置在本数控系统的环路中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1、一种总线式数控系统，包括装有数控软件的上位机(1)、全数字伺服驱动器(3)、电机(4)以及可编程序控制器PLC；所述上位机(1)和总线控制器(2)构成主设备；

所述伺服驱动器(3)向所述电机(4)发送驱动信号，同时所述电机(4)通过线路将位置检测装置反馈的信号送回所述伺服驱动器(3)；其特征在于：

所述主设备依次串接包括所述伺服驱动器(3)、PLC的从设备并连接回主设备从而构成一个闭合环路；所述主设备和从设备之间通过以物理层和传输介质连接的链路传输数据；

其中，所述主设备向与之直接连接的第一级从设备发出与所有从设备相关的主信息；所述主信息包括命令信息、数据信息以及触发某一级从设备执行命令的信息；而且所述主信息将根据串接从设备的顺序依次单向传送到各个从设备；

某一级从设备接收、响应所述主信息中与之相关的信息并给出反馈信息；所述反馈信息根据串接从设备的顺序依次单向通过各个下级的从设备转发回主设备。

2、根据权利要求1所述的总线式数控系统，其特征在于，所述物理层的传输介质选用以太网物理层或1394物理层或USB物理层。

3、根据权利要求2所述的总线式数控系统，其特征在于，所述物理层的传输介质选用以太网物理层。

4、根据权利要求3所述的总线式数控系统，其特征在于，在出现断线情况下，从设备通过传输线反向数据传输，从而与主设备构成闭环以便进一步的故障处理。

5、根据权利要求4所述的总线式数控系统，其特征在于，所述总线控制器设置接口通过以物理层和传输介质连接的链路直接连接机床键盘，所述上位机以最高优先级响应机床键盘。

6、根据权利要求1-5任一所述的总线式数控系统，其特征在于，串接的伺服驱动器集成了PLC功能。

7、根据权利要求6所述的总线式数控系统，其特征在于，从设备的反馈信息包括电源电压异常信息、编码器断线信息、通信数据错误信息、伺服装置报警信息、PLC报警信息。

8、一种上述总线式数控系统对数控设备的控制方法，在数控系统中，包括了上位机(1)、总线控制器(2)的主设备与包括了伺服驱动器(3)、PLC的从设备依次串接构成环路，其特征在于，控制过程包括如下步骤，

S1、所述主设备发送包括命令信息、数据信息的数据电报；

S2、所述从设备查询并接收包含所述命令信息、数据信息的电报；

S3、所述主设备发送包括执行命令信息的数据电报；

S4、所述从设备查询并接收包含所述执行命令信息的数据电报，某一从设备在确定需要执行命令的状态下，锁定传输数据并执行相应操作。

9、根据权利要求8所述总线式数控系统对数控设备的控制方法，其特征在于，在步骤S4中，从设备将反馈信息依次通过下级的从设备传送回主设备，所述反馈信息包括电源电压异常信息、编码器断线信息、通信数据错误信息、伺服装置报警信息、PLC报警信息，从而主设备根据所述反馈信息再次发送命令信息。

10、根据权利要求9所述总线式数控系统对数控设备的控制方法，其特征在于，在出现断线情况下，从设备依次通过上级从设备反向将故障信息传输回主设备，从而与主设备构成闭环以便进行故障处理。

11、根据权利要求10所述总线式数控系统对数控设备的控制方法，其特征在于，总线控制器(2)通过传输线直接连接机床键盘，从而主设备以最高优先级状态响应机床键盘的控制输入。

12、根据权利要求8-11任一所述总线式数控系统对数控设备的控制方法，其特征在于，在初始开机状态下，所述主设备访问第一级从设备并为其分配基地址并作以记录，根据这一记录访问第二级从设备按顺序分配基地址再次记录；此后依次根据上级的记录为下级从设备按顺序分配基地址，完成初始化配置。

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