CN102354162B

CN102354162B - 一种运动控制接口及接口控制器

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Publication number: CN102354162B
Application number: CN 201110206677
Authority: CN
Inventors: 江俊逢
Original assignee: Individual
Current assignee: Digital Drive Technology Co ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: WO2013013523A1; CN102354162A

Abstract

本发明公开了开放式数控系统的一种运动控制接口及接口控制器。本发明按照辅助过程与加工过程的不同过程特征，将运动控制接口分为非实时串行接口与实时联动接口。所述联动接口以极为简单的技术手段解决了刀路曲线的实时控制问题，将复杂的实时控制过程与实时通信过程转化为最简单的联动命令的实时发送过程。所述联动接口具有开放的实时控制过程，不存在通信协议与通信周期，从而将复杂的多轴同步驱动技术转化为简单的常规技术。所述联动接口具有系统调试与运行维护简单，对用户完全开放，使用方便，价格低廉，可以标准化等显著优点。

Description

一种运动控制接口及接口控制器

技术领域

本发明属先进控制领域，具体涉及一种开放式数控系统中运动控制级的联动接口及其接口控制器。

技术背景

数控系统以控制机械系统之间的确定性运动关系以及辅助装置的逻辑控制为目标。前者就是所谓数字控制；后者归于PLC（programmable logiccontroller），即可编程序逻辑控制。

在文献中，伺服驱动装置通常称之为运动控制系统，数控系统与伺服驱动装置之间的界面则称为运动控制接口。

在早期，数控系统与伺服驱动装置之间采用数字脉冲方式连接，数控系统向伺服驱动装置发送“脉冲与方向”类型或“正反双脉冲”类型的关于坐标值的脉冲信号。这种连接方式的突出优点是系统调试与运行维护简单、不易产生干扰。然而，这种连接方式只适用于数控系统向伺服驱动装置单向分配发送关于坐标值的步进式数字信息，这是其主要缺点。

上世纪九十年代以来，许多厂商力求在运动控制接口使用现场总线（Field bus），并将现场总线接口技术视为开放式数控系统的标志之一。

例如，发明专利（CN 100524122C）基于现场总线，提出了总线式数控系统中的一种现场总线控制器。

现场总线的概念产生于1984年。根据国际电工委员会（InternationalElectrotechnical Commission，IEC）IEC61158的定义，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量设备与控制设备作为网络节点，用串行数字总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络式控制系统。

1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway WorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。

现场总线诞生的初衷是针对过程控制中的PLC控制，将PLC中由大量开关所控制的检测仪表以一种较简洁的方式连接起来是其主要功能。

在化工、轻工、医药等过程工业的生产过程中，通过温度、压力、流量、液位、成分等过程量对锅炉、蒸馏塔、反应炉等现场设备进行控制。所谓过程控制就是以温度、压力、流量、液位、成分等过程量作为被控变量的自动控制。这些过程量的载体就是检测仪表。PLC并非针对机械系统之间的确定性运动关系即运动控制问题，而是针对过程控制中涉及压力、流量、液位、成分等众多过程量的组合逻辑控制问题。

早期的检测仪表都是模拟式的，其功能仅局限于监测。模拟式检测仪表所监测的信息可以自动记录但必须由人工汇总。由此可见，与运动控制中的实时性相比，可以认为，过程控制中的过程量的组合逻辑控制不存在实时性问题。现场总线之英文为Field bus。Bus一词从语意上揭示了现场总线的起源。这就是说，由于检测仪表不存在实时性问题，现场总线是为了解决过程控制中的检测仪表在空间上的分散性而产生的。

70年代以后，微处理器的诞生导致模拟式检测仪表演进为数字化的智能仪表。智能仪表的产生为现场总线的发展奠定了基础。

作为一个嵌入式系统，智能化仪表拥有强大的信息处理能力。检测仪表的智能化使检测仪表不再只是现场设备的检测装置，而是兼有检测装置与控制装置之双重身份，从而对与之耦合紧密的现场设备可以完成某些控制功能。为了实现智能仪表与控制系统之间的信息交换，这就产生了具备通信功能的现场总线。

控制合理分散是现场总线的突出优越性。现场总线实现了智能仪表所监测的现场设备与控制系统之间的数字通信，将集中与分散控制相结合的集散式结构推向了全分散式结构，控制系统能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接依靠智能仪表实现对现场设备的某些基本控制功能，实现了合理的分散控制。

控制功能前移到智能仪表，依靠智能仪表对与之耦合紧密的现场设备实现了某些基本控制功能，避免了现场信息过多地往返传送。控制信息处理现场化成为现场总线的突出优越性。

信息处理现场化需要合理处理分散与集中的关系。重要的是，分散与集中的合理划分取决于被控过程的实际过程特征与控制系统的实际体系结构。

从现场设备获得丰富的信息是现场总线技术独有的本质优越性。检测仪表的智能化导致现场有越来越多的信息可以向上传送。采用现场总线后，可以从现场自动地、快速地从智能仪表得到现场设备在诊断、维护和管理等方面的丰富信息，用于诊断、维护和管理现场设备以及诊断、维护和管理整个控制过程，从而改善整个生产过程及其决策管理，实现了管控一体化。

因此，现场总线并不是为解决传统控制系统不能解决的问题而出现的。信息处理的现场化是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其他计算机通信技术的标志。

现场总线的优越性在于，一是控制信息处理现场化，从而导致控制功能的合理分散；二是自动地、快速地从现场设备获得诊断、维护和管理等方面的丰富信息；三是与企业管理自动化相结合，实现了管控一体化，为采用新型系统维护方式和企业管理模式提供了可能。

这就是说，现场总线的产生一方面反映了现场设备智能化的需要，另一方面也反映了企业管控一体化信息集成的要求。

现场总线注重的是系统整体性能的提高。现场总线存在的主要问题是，系统规模太小、系统不分散便无法发挥现场总线在空间上的优势，管控不一体化便无法提高系统的整体性能，从而无法发挥现场总线的最大效能。在这种情况下，现场总线的高价格、调试与运行维护费用高等缺点将导致现场总线产生的经济效益显著下降，与减少布线、节省电缆之所得相比，甚至为负效益。

综上所述，系统规模较小，现场设备分布比较集中，以及现场设备没有智能诊断和管理要求时，现场总线并不一定是最佳选择。

众所周知，厂级综合自动化信息网络可分为三级：工厂管理级、车间监控级、现场设备级。

数控设备（数控机床、搬运机器人等）属于车间监控级中的现场设备，数控系统只是数控设备的控制部件，运动控制级则是数控系统与伺服驱动装置之间的接口。至于“伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置”等只是在运动控制级与数控系统相连接的数控设备的功能部件。

IEEE（Institute of Electrical＆Electronics Engineers，国标电气与电子工程师协会）关于开放式系统的定义为：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”

中国国家标准《GB/T 18759.1-2002·机械电气设备·开放式数控系统·第1部分：总则》（简称国标）抓住IEEE定义的本质并遵循IEEE定义的基本原则，直截了当将开放性定义为应用软件的“即插即用”，将开放式数控系统定义为：“指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上的数控系统，使应用软件具备可移植性、互操作性和人机界面的一致性。”

国标《GB/T 18759.2-2006·机械电气设备·开放式数控系统·第2部分：体系结构》以基于IEEE定义的开放式数控系统的黑箱模型为参考，构建了一种面向对象的体系结构。

国标《GB/T 18759.3-2009.机械电气设备.开放式数控系统.第3部分：总线接口与通信协议》以ISO/OSI开放系统互联参考模型为基础，对现场总线（Field bus）予以规范，称之为“开放式数控系统总线”，用于连接“数控装置、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置”，以实现这些“装置间的数字式、双向、多点的通信”。另一种已公开的关于机床数控系统现场总线标准《机床数控系统NCUC-Bus现场总线协议规范（草案）》（简称国标草案）正在制定中、也是以ISO/OSI开放系统互联参考模型为基础。

从所述国标与国标草案关于所述开放式数控系统及其数字总线的定义可知，所谓开放式数控系统，其体系结构是面向对象的，由数控装置（数控系统）、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等组成，装置间通过所述现场总线来支持装置间的互操作。数控装置中的数控软件在实时操作系统的掌控下采用插补迭代控制算法产生伺服驱动装置所需要的关于坐标轴位置的数字控制信息，通过所谓数控系统现场总线向串接的伺服驱动装置实时分配发送数字控制信息，向伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等传输命令信息，所述命令信息包括参数调整、状态监控、故障诊断等信息。

开放式系统互联（Open System Interconnect，OSI）参考模型是ISO组织（国际标准化组织）针对计算机网络通信于1985年建立的网络互联模型。

现有数控系统现场总线以ISO/OSI开放系统互联参考模型为基础，将总线的体系结构简化为物理层、数据链路层、应用层，提出一种串行现场总线，用于数控设备内部处于控制流程的不同层次中的部件之间的“双向、多点通信”。所述物理层为数据传输提供可靠的外部环境，包括媒体（光纤、双绞线、同轴电缆等）、连接器（插头/插座）、接收器、发送器、中继器等；所述数据链路层为基于物理层的数据通道，用于数据链路的建立与拆除、对数据的检错与纠错；所述应用层为物理层、数据链路层之上，用户应用任务之下的所有部分，通过一系列的命令为用户进程提供接口和服务。

发明人发现，现有开放式数控系统是在实时操作系统掌控下的专用计算机系统，是IEEE定义的产物，采用通用计算机系统的体系结构，没有控制流程的概念，不是按照控制流程来配置控制资源。

数控系统与伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置都是数控设备的功能部件。从控制流程来看，伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等功能部件处于不同层次的控制流程中。

任何形式的通信都具有不确定性。

计算机网络通信系统具有站点高度分散、远距离、信息量极大、信息结构极为复杂等显著特点。因而，计算机网络之间的通信具有高度的不确定性。

然而，对于数控设备来说，数控系统在运动控制级向伺服驱动装置同步、高速、可靠地实时分配发送关于坐标轴位置的数字控制信息是计算机数字控制的基本任务，特别是，数字控制信息的分配发送过程并非通信过程，数字控制信息与数字控制信息的分配发送过程都是确定性的。这是数控设备区别于计算机网络的本质特征。

此外，在宏观上，数控系统、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等数控设备的这些功能部件处于控制流程的不同层次中，在空间与时间方面存在极大的差异。分散性是空间上的差异，实时性是时间上的差异。在微观上，数控设备的这些功能部件之间的信息交换在信息量、信息结构、信息传输方式、安全性与可靠性等方面同样存在极大的差异。

发明人进而发现，现有数控系统现场总线完全忽视了数控系统的结构及功能特点，完全忽视了数控设备及数控系统所固有的上述问题，特别是完全忽视了数控设备区别于计算机网络的本质特征，产生了下述缺陷。

1、数字控制的过程特征

利用坐标轴的机械运动来合成刀路（Tool Path）曲线，是数控机床等数控设备在结构及功能上的特点，将坐标轴的坐标值离散为数字控制信息则是数控系统在结构及功能上的特点。数字控制是所述数字控制信息的生成、分配、发送与执行的过程，称之为控制流程。这是计算机数字控制系统在结构及功能上的本质特征。

现有开放式数控系统的体系结构基于IEEE关于开放式系统的定义，是面向对象的，将数字控制的整个控制流程视为若干对象，没有控制流程的观念。根据“数控系统的结构及功能特点制定的”现有数控系统现场总线也是面向对象的，完全忽视了数控系统的过程特征。

2、多轴同步驱动

在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，多轴联动技术既涉及实时操作系统掌控下的插补迭代实时控制过程，又涉及现场总线的周期通信中的实时通信过程，故号称最尖端技术。

现有数控系统现场总线必须耗费大量昂贵的软硬资源构建实时同步机制，以解决多轴同步驱动问题。

3、系统与单机

数控机床之类的数控设备属于车间监控级中的现场设备，对车间监控级而言并非系统，而是规模很小的单机。数控系统、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置都是数控设备的功能部件。

现有数控系统现场总线针对数控机床之类的单机，套用计算机网络中的总线体系结构，用于数控设备内部的功能部件之间的互联，忽视了数控设备不是规模较大的系统，而是规模很小的单机。

4、确定性

与计算机网络不同，数控系统、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等功能部件之间的信息传输，特别是，在运动控制级，数控系统向伺服驱动装置分配发送的数字控制信息与数字控制信息的分配发送过程都是确定性的。

现有数控系统现场总线忽视了数字控制信息与数字控制信息的分配发送过程所具有的确定性。

5、分散性

与计算机网络、过程控制系统相比，数控设备是规模很小的单机，数控系统、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等功能部件也不是分散的现场装置，而是处于一台单机内部的高度集中的现场装置。

现有数控系统现场总线忽视了数控系统、伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等功能部件的内部集中性。

6、实时性

所谓实时性（real time），是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件作出响应的能力。

在计算机网络中存在通信的不确定性，因而不存在实时性问题。

实时性是数控设备与计算机网络的重要区别，特别是，伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等功能部件对实时性的要求存在极大的差异，其中，传感器装置、伺服驱动装置对实时性的要求最高，主轴驱动装置次之；至于I/O装置，与上述装置相比，可以说，不存在实时性问题。

现有数控系统现场总线忽视了数控设备的实时性，特别是忽视了伺服驱动装置、主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置等功能部件在实时性方面的差异。

7、信息结构的简单性

与计算机网络中高度复杂的信息结构（图像、声音、文字等）不同，在数控设备中，只有数字控制信息与命令信息两种结构，二者与机器指令类似，其数据结构与命令格式极为简单。

现有数控系统现场总线忽视了数字控制信息与命令信息在信息结构上的简单性。

8、分配发送过程的单向性

数控系统的基本功能是向伺服驱动装置同步、高速、可靠地实时分配发送数字控制信息。其特点在于，数字控制信息的实时分配发送过程是数控系统对伺服驱动装置的单向、多点发送，并非“双向、多点通信”。

现有数控系统现场总线忽视了数字控制信息的分配发送过程的单向性。

9、命令信息的辅助性

数字控制信息的单向、多点的实时分配发送是数控系统的基本功能。至于参数调整、状态监控、故障诊断等命令信息，只是在辅助过程中用于实现诊断、维护和管理等辅助功能。

现有数控系统现场总线忽视了数字信息的主体性与命令信息的辅助性。

10、跨层次传输问题

在数控设备中，所谓传感器主要是光栅、数字编码器等位置检测装置，位于控制流程的底层，一般附属于伺服驱动装置。

按照控制功能前移的原则，作为底层控制信息，光栅、数字编码器等位置检测装置产生的控制信息应尽可能实现控制信息处理现场化。

现有数控系统现场总线将光栅、数字编码器等位置传感器装置所产生的控制信息上传，与控制功能前移原则相反，产生了跨层次传输问题。

11、纠错与重发

在计算机网络中，需要通过物理层不同的多个中继站或服务器远距离多次转发信息结构极为复杂的海量信息。在不同物理介质中传输信息极易产生差错。为此，采用复杂的校验控制算法进行检错与纠错成为数据链路层的基本任务之一。由于计算机网络不存在实时性问题，重发成为纠错的有力技术手段。

与计算机网络不同，对于数控机床之类的数控设备来说，任何差错都可能导致不能承受的严重后果。因而，提高可靠性的首要技术手段是发现物理层干扰与硬件失效的早期征兆，其处理方法不是纠错重发而是停机诊断与检修。

现有数控系统现场总线针对数控机床之类的实时加工设备，套用计算机网络中的总线体系结构，设置数据链路层并采用重发纠错的技术手段，耗费了大量计算资源反而削弱了实时性，降低了可靠性。

12、标准化困境

事实上，现场总线的国际标准已有12种之多，厂商的企业标准更多。不幸的是，多标准就意味着没有标准。

在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，实时通信接口极为复杂，难以标准化，只能耗费大量计算资源配置不同的通信系统。这种状况导致中国国家标准“GB/T 18759.2-2006·机械电气设备·开放式数控系统·第2部分体系结构”设置了5.6款，要求支持各类现场总线（例如CAN、Profibus、Sercos等）。这种状况也是国标《GB/T 18759.3-2009.机械电气设备.开放式数控系统.第3部分：总线接口与通信协议》刚刚颁布，《机床数控系统NCUC-Bus现场总线协议规范（草案）》又急于推出的原因。

运动控制接口采用现场总线产生上述标准化困境的根本原因在于网络通信的不确定性以及由此造成的现场总线自身的复杂性。现有数控系统现场总线针对数控机床之类的单机，套用计算机网络中的总线体系结构，导致运动控制接口复杂化，反而阻碍了数控系统的标准化。

上述缺陷表明，现有总线式数控系统基于IEEE定义，是一种实时的、高度集中的计算机控制系统。现有数控系统现场总线针对数控机床之类的单机，以ISO/OSI开放系统互联参考模型为基础，套用计算机网络中的总线体系结构，用于数控设备内部的功能部件之间的互联，完全忽视了计算机数字控制的过程特征，完全忽视了数控设备区别于计算机网络的本质特征。

现有数控系统现场总线不仅不能发挥现场总线在减少布线、节省电缆等空间优势，其复杂性反而耗费了大量计算资源导致高成本，其在系统调试与运行维护等方面的困难反而降低了数控系统的可靠性与开放性，造成了运动控制接口的标准化困境。

发明内容

运动控制级是数控系统与伺服驱动装置之间的接口。数控系统向伺服驱动装置同步、高速、可靠地实时分配发送关于坐标轴位置的数字控制信息是计算机数字控制的基本任务。数字控制信息的生成过程与数字控制信息的分配过程都是确定性的。对于刀路曲线的加工过程而言，数字控制信息的分配过程是单向的非实时发送过程，并非一种双向的实时通信过程，这是计算机数字控制中运动控制级接口的本质。

现有数控系统现场总线并未抓住这一本质，产生了许多缺陷。

本发明基于数据流关联控制，按照辅助过程与加工过程的不同过程特征，本发明将运动控制接口分为非实时串行接口与实时联动接口，为开放式数控系统提出一种运动控制接口及接口控制器。

特别是，本发明提出的联动接口舍弃了现场总线技术中的复杂的周期通信，不存在通信周期，将复杂的实时控制过程与实时通信过程转化为最简单的单向发送联动脉冲，为多轴联动提供了一种极为简单的实时同步机制。

本发明的技术方案说明如下。

一种运动控制接口，包括联动接口与串行接口；

所述联动接口包括状态字寄存器、T指针、T分割定时器、脉冲发生器；

所述状态字寄存器用于寄存状态字，指定联动的坐标轴；

所述T指针用于寄存随动表的当前地址；

所述T分割定时器用于寄存随动表当前地址中的△t_i（i=1，...,n），产生定时信号；

所述脉冲发生器用于根据所述T分割定时器中的定时信号产生脉冲；

按照随动表中△t_i（i=1，...,n）指定的控制节律，所述联动接口用于向所述状态字寄存器指定的伺服驱动装置发送联动命令；

所述串行接口用于向伺服驱动装置发送轴联动表；所述轴联动表用于存储坐标轴的L分割分量，控制该坐标轴产生轴位移。

进一步地，所述运动控制接口还包括用于存储随动表的随动表文件存储器、读取随动表的文件读取模块。

进一步地，所述串行接口为现场总线、RS232与RS485接口、USB接口或无线接口。

进一步地，所述联动接口为FPGA器件。

进一步地，所述联动接口的每个数据位分别连接一个伺服驱动装置。

开放式数控系统的一种接口控制器，包括微处理器、运动控制接口、实时控制模块；

所述运动控制接口包括随动表文件存储器、文件读取模块、联动接口、串行接口；

所述随动表文件存储器用于存储随动表；

所述文件读取模块用于读取所述随动表；

所述状态字寄存器用于寄存状态字，指定联动的坐标轴；

所述T指针用于寄存随动表的当前地址；

所述联动接口用于向所述状态字寄存器指定的伺服驱动装置发送联动命令；所述联动接口的每个数据位分别连接一个伺服驱动装置；

所述串行接口用于向伺服驱动装置发送轴联动表；所述轴联动表用于存储坐标轴的L分割分量，控制该坐标轴产生轴位移；

所述实时控制模块包括联动坐标轴设置模块、联动命令设置模块、节律控制模块、终点控制模块；

所述联动坐标轴设置模块用于根据轨迹指令的顺序码，将随动表的地址写入T指针，从所述随动表中读取状态字并写入状态字寄存器，指定联动的坐标轴；

所述联动命令设置模块用于根据所述T指针，读取随动表中的△t_i（i=1，...,n）并写入T分割定时器；

所述T分割定时器中的定时时间到，所述节律控制模块用于启动脉冲发生器输出脉冲，通过联动接口向所述状态字寄存器指定的伺服驱动装置发送联动命令；

根据所述T指针，所述终点控制模块用于控制所述轨迹指令的终点；如果所述T指针等于所述随动表的末地址，即到达所述轨迹指令的终点，关闭运行标志；否则，T指针指向下一个△t_i。

本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：

1、功能与结构高度简化、完全开放、使用方便、价格低廉

在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，采用数控系统现场总线作为运动控制接口，通信周期与插补周期一样，也成为一个系统参数。现有数控系统现场总线接口以ISO/OSI开放系统互联参考模型为基础，完全忽视了数控设备区别于计算机网络的本质特征，完全忽视了数控系统的过程特征，制约了实时控制过程的开放性，功能与结构极为复杂，调整维护困难，价格高昂。

本发明中的联动接口，其功能与结构高度简化，对用户完全开放，无须调整维护，同步脉冲的发送速度极高，使用方便，价格低廉。

2、高速高精度多轴同步能力

多轴同步驱动技术是现有数控技术中亟待解决的关键技术。国家“高档数控机床与基础制造装备”2009年度科技重大专项“课题18全数字高档数控装置”将双轴同步驱动技术列为现有数控技术中的一项关键技术。

在基于IEEE定义的开放式数控系统中，多轴同步取决于现场总线中周期通信的实时同步机制。

简单就是美。

在本发明中，多轴同步取决于通过联动接口实时发送的联动命令，联动的坐标轴则由状态字指定。所述联动命令为并行的同步脉冲，所述状态字为用户参数，所述联动接口类似于状态字控制下的并行接口。因此，本发明以极为简单的技术手段解决了多轴同步机制问题，具有高速高精度的同步能力，从而将复杂的多轴同步驱动技术转化为简单的常规技术。

3、高可靠性

通信过程暴露于恶劣的工业环境中，是影响可靠性的主要因素之一。在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，通信周期成为一个系统参数，通信协议的实时性、数据表示的兼容性等一系列问题导致内部通信高度复杂化，是影响可靠性的重要原因之一。现有数控系统现场总线设置了数据链路层，采用重发纠错的技术手段，耗费了大量计算资源反而削弱了实时性，降低了可靠性。

与现有数控系统现场总线中的周期通信中的实时过程对比，本发明中的联动接口只是简单地单向发送同步脉冲，功能与结构高度简化，具有高可靠性。

4、标准化

现场总线的国际标准多达12个，厂商的企业标准更多。这种状况导致中国国家标准“GB/T 18759.2-2006·机械电气设备·开放式数控系统·第2部分体系结构”设置了5.6款，要求支持各类现场总线（例如CAN、Profibus、Sercos等）。

不幸的是，多标准就意味着没有标准。

在本发明中，非实时接口为常规串行接口。与现有数控系统现场总线对比，重要的是，由于轴联动表的分配过程是非实时的，轴联动表为标准文件，非实时串行接口不存在实时性问题因而无须实时同步机制，不存在周期通信因而通信周期不再是系统参数，不存在规范通信协议的问题。因而，非实时串行接口可以是任何标准串行接口，包括现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器、无线接口等，不存在标准化的问题。

在本发明中，联动命令只是一个同步脉冲。在发送端，联动接口类似按△t_i（i=1，...,n）的节律不断地重复传输状态字的并行接口；在接收端，一个伺服驱动装置分别与联动接口的一个数据位连接，类似一根中断控制线。因此，所述联动接口极易标准化。

综上所述，与现有数控系统现场总线对比，本发明提出的运动控制接口具有开放的实时控制过程，不存在通信协议与通信周期，简单、高速、可靠的同步机制，系统调试与运行维护简单，使用方便，价格低廉，可以标准化等显著效果。

附图说明

图1为具体实施方式的功能模块图。

具体实施方式

工件的加工过程一般可划分为辅助过程、换刀过程与走刀过程。

辅助过程涉及由I/O装置控制的辅助功能与状态设置。

换刀过程涉及刀库控制。对于换刀过程，一般采用常规的PLC控制刀库，或采用软PLC生成组合逻辑的控制流来控制换刀过程。本发明不涉及PLC及I/O装置的控制方法。

因此，在工件的加工过程中，数控系统只有三种工作状态：辅助功能操作、开关量控制、刀路曲线的实时控制。数据流关联控制用状态指令、开关指令、轨迹指令三类运动指令来描述这三种工作状态。

根据加工工艺确定的顺序，用户使用状态指令、开关指令、轨迹指令来描述工件的全部加工过程。

这种由加工工艺确定了顺序的运动指令之集合就是该工件加工过程的数控加工程序，本发明称之为DRC数控程序。

DRC数控程序是数字控制信息制造系统所制造的数字化产品，从而将控制信息的传统形态，如图纸、G代码程序等予以完全数字化。

走刀过程涉及刀路曲线的实时控制。

所谓数字控制就是将刀路曲线离散为坐标轴所需要的离散位置信息并以一定的时间间隔发送给伺服驱动装置，控制坐标轴的合成位移。坐标轴的这种按一定的时间间隔分布的离散位置信息称之为关联数据流。

在数字控制技术中，“1”“0”形式的离散位置信息应用广泛。然而，在许多情况下。离散位置信息不是“1”“0”形态，而是坐标值增量。“1”“0”形态的离散位置信息一般称为步进型关联数据流，由坐标值增量构成的关联数据流，则称之为增量型关联数据流。

在一般情况下，设联动的坐标轴为X、y、Z、A、B等5轴。刀路曲线（Tool Path）为X、y、Z、A、B等5个变量的函数。

表1为该刀路曲线的5轴联动关联数据流的示意图。

表1

表1中，时间T被离散分割为n个区间：△t_i（i=1，...,n），称之为该刀路曲线的T分割。X、y、Z、A、B等5个变量在△t_i内的坐标值增量为△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i，以△L_i（△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i）表之，微线段△L_i称之为该刀路曲线的L分割。

在实时控制过程中，X轴首先进给△X₁，经过△t₁后再进给△X₂，直到△X_n，y、Z、A、B等轴也是如此。因而，△t_n是冗余的故舍去。另外，为了统一控制步骤，增加△t₀。△t₀与刀路曲线无关，可适当设定，例如，将△t₀设定为△t_n。将下标0,1，...,n-1调整为1，...,n。为叙述的方便起见，且有别于插补周期，将T分割中的△t_i（i=1，...,n）称之为控制节律。

由此可见，刀路曲线的数字控制信息包括两部分。第一部分是L分割，描述相关坐标轴联动时的坐标值增量及其所要求的联动性，用于控制相关坐标轴联动以产生所要求的合成位移。第二部分是T分割，描述所述合成位移之间的随动性，用于控制所述合成位移之间的时间间隔。所述L分割还包括传动链之间的反向间隙、螺距误差、不垂直度与不平行度误差等确定性误差或热变形误差之类的准确定性误差。

L分割在存储空间的数字映像称之为刀路曲线的联动表；T分割在存储空间的数字映像称之为刀路曲线的随动表。

对于给定的T分割△t_i（i=1，...,n），坐标轴的坐标值增量△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i，通过运动控制接口传输给X、y、Z、A、B等伺服驱动器；X、y、Z、A、B等伺服驱动器将△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i写入各自的位置环，驱动X、y、Z、A、B等坐标轴进给，实现合成位移△L_i（△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i）。

在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，L分割是在实时控制过程中动态产生的。控制节律△t_i（i=1，...,n）称之为插补周期，是等长的。在实时操作系统的控制下，插补迭代控制算法在插补周期△t_i（i=1，...,n）中生成△L_i（△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i）。插补周期从而成为一个系统参数。

显然，在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，运动控制接口的通信能力，包括通信周期、通信协议的制订及划分、实时同步机制等都对数控系统的性能产生重大影响。

本技术基于数据流关联控制，按照数字控制信息的生成、分配、发送、执行的控制流程配置控制资源。

数字控制信息的生成过程与数字控制信息的分配过程都是确定性的。对于刀路曲线的加工过程而言，向伺服驱动装置分配坐标轴值增量是一种单向的非实时传输过程，并非一种双向的实时通信过程。这是计算机数字控制中运动控制接口的本质。因而，数字控制信息的生成与分配都是应该在辅助过程完成的非实时任务。

数字控制信息生成部件基于PC，采用离散几何规划生成刀路曲线的L分割并存储在联动表中；所述L分割用于控制坐标轴联动产生合成位移；采用离散运动规划生成刀路曲线的T分割并存储在随动表中；所述T分割用于控制所述轴位移之间的时间间隔。

随动表中设置状态字，用于标识该段曲线中联动的坐标。状态字为一个字节，字节的位数可以为32、16、8。例如，8位状态字可指定8个联动的坐标轴。从低位到高位，状态字的每位控制一个坐标轴的使能状态及数据通道。例如，状态字“11100000”指定X、y、Z等3轴、状态字“00011000”指定A、B等2轴。

状态字的位数与个数为用户参数。用户可通过状态指令设置状态字的位数与字节数。

进而，可将联动表中的L分割△L_i（△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i）按△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i分离为5个独立的轴联动表。如果将X、y、Z、A、B等5个轴联动表在辅助过程中分配给X、y、Z、A、B等伺服驱动装置并存储起来，从而将△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i的分配过程与实时控制过程分离。

轴联动表用于存储各个坐标轴的L分割分量，控制该坐标轴产生轴位移。所述轴联动表可以在辅助过程中事先分配给相关的伺服驱动装置。例如，通过诸如现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器、无线接口等串行接口，轴联动表非实时地分配给伺服驱动装置。

数字控制信息分配过程非实时化后，在刀路曲线的实时控制过程中，为控制相关坐标轴进行联动，只须按照状态字指定的坐标轴向相关伺服驱动装置发送同步脉冲。为叙述简单起见，将状态字控制下的这组同步脉冲称之为联动命令。

这样一来，所谓刀路曲线的实时控制过程，就是按照随动表中的控制节律△t_i（i=1，...,n），向状态字指定的伺服驱动装置单向发送联动命令，控制相关伺服驱动装置从其轴联动表中读取坐标值增量并写入其位置环的过程。

与现有数控系统现场总线对比，轴联动表非实时地分配给伺服驱动装置，需要实时传输的控制信息简化为联动命令，刀路曲线的实时控制过程得以高度简化，转化为最简单的联动命令的单向实时发送。

一条刀路曲线往往由多条曲线段构成。本发明不按照曲线的几何结构分段，而是按联动的坐标轴分段。每段曲线中联动的坐标轴相同，用一条轨迹指令来描述。因而，一条刀路曲线的加工过程往往使用多条轨迹指令。

轨迹指令为单字节指令，其指令码为：

B₇：轨迹指令的标识，例如，B₇=0；

B₆～B₀：7位顺序码，用于对轨迹指令编号。

轨迹指令的解释程序的地址码为系统参数，运行时由系统自动导入。

顺序码在刀路曲线的轨迹指令与其所携带的联动表、随动表之间建立一一对应关系。

DRC数控程序、随动表、轴联动表由PC系统生成。

DRC数控程序为可执行文件；轴联动表、随动表为数据文件。DRC数控程序、轴联动表、随动表均采用诸如FAT16、FAT32等文件系统。众所周知，文件系统是在磁盘上组织文件的方法。FAT（File Allocation Table）是一种广泛使用的标准化文件系统。为了实现单片机系统的海量数据存储并支持单片机系统与使用操作系统的计算机通过文件系统交换数据，已研发出一些文件管理模块，例如CH376，SL811、PB375A等。所述文件管理模块内置了FAT16、FAT32文件系统的硬盘扇区分析固件，用于读取FAT表、FDT表、BPB表等相关的扇区地址和数据区的地址，无须配置操作系统，从而独立地完成文件管理的全部功能：打开、新建或删除文件、枚举和搜索文件、支持长文件名等。

在开放式数控系统中，DRC数控程序的不同实施方案产生了不同的体系结构。

在本实施例中，DRC数控程序通过串行接口非实时地分配给下位机。该下位机虽然是一个嵌入式系统，但无须配置操作系统，因之，本发明称之为数据流控制器。

PC系统通过另一串行接口将随动表发送给运动控制接口，将DRC数控程序发送给数据流控制器。

数据流控制器运行DRC数控程序，执行DRC数控程序中的轨迹指令，完成该轨迹指令所描述的刀路曲线的实时控制过程。

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示的一种运动控制接口，包括联动接口1与串行接口2；

联动接口1包括状态字寄存器、T指针、T分割定时器、脉冲发生器；状态字寄存器用于寄存状态字，指定联动的坐标轴；T指针用于寄存随动表的当前地址；T分割定时器用于寄存随动表当前地址中的△t_i（i=1，...,n），产生定时信号；脉冲发生器用于根据所述T分割定时器中的定时信号产生脉冲；

按照随动表中△t_i（i=1，...,n）指定的控制节律，联动接口1用于向所述状态字寄存器指定的伺服驱动装置发送联动命令；联动接口1的每个数据位分别连接一个伺服驱动装置；

运动控制接口还包括用于存储随动表的随动表文件存储器、读取随动表的文件读取模块；

串行接口2用于向外部的伺服驱动装置100发送轴联动表；所述轴联动表用于存储坐标轴的L分割分量，控制该坐标轴产生轴位移。

如图1所示的开放式数控系统的一种接口控制器，包括微处理器3、运动控制接口、实时控制模块4

运动控制接口包括联动接口1、串行接口2、随动表文件存储器5、文件读取模块6。

实时控制模块4包括联动坐标轴设置模块41、联动命令设置模块42、节律控制模块43、终点控制模块44。

联动坐标轴设置模块41用于根据轨迹指令的顺序码，将随动表的地址写入T指针，从所述随动表中读取状态字并写入状态字寄存器，指定联动的坐标轴。

联动命令设置模块42用于根据所述T指针，读取随动表中的△t_i（i=1，...,n）并写入T分割定时器。

T分割定时器中的定时时间到，节律控制模块43用于启动脉冲发生器输出一个脉冲，通过联动接口向所述状态字寄存器指定的伺服驱动装置发送联动命令。

根据所述T指针，终点控制模块44用于控制所述轨迹指令的终点；如果所述T指针等于所述随动表的末地址，即到达所述轨迹指令的终点，关闭运行标志；否则，T指针指向下一个△t_i。

按照辅助过程与加工过程的不同过程特征，上述技术方案将运动控制接口分为非实时串行接口与实时联动接口。

串行接口用于在辅助过程向伺服驱动装置非实时地分配轴联动表。串行接口为常规串行接口。与现有数控系统现场总线对比，重要的是，由于轴联动表的分配过程是非实时的，轴联动表为标准文件，串行接口不存在实时性问题因而无须实时同步机制，不存在周期通信因而通信周期不再是系统参数，不存在另外制定通信协议的问题。因而，非实时串行接口可以是任何标准串行接口，包括现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器、无线接口等。换言之，在本技术方案中，串行接口不存在标准化的问题。

联动接口1每个数据位分别连接1个伺服驱动装置，在发送端，联动接口类似按控制节律△t_i（i=1，...,n）的节律不断地重复传输状态字的并行接口；在接收端，联动接口的每一位分别连接一个伺服驱动装置，类似一根中断控制线。因而，本技术方案所提出的联动接口为多轴联动提供了一种极为简单的实时同步机制，而且极易标准化。

在加工过程中，数据流控制器运行轨迹指令时，坐标轴联动的实时控制过程化为下述过程：

1）、发送联动命令

步骤1、联动坐标轴设置步骤

根据轨迹指令的顺序码，将随动表的首地址写入T指针，从随动表中读取状态字并写入状态字寄存器，指定联动的坐标轴；

步骤2、联动命令设置步骤

根据T指针，读取随动表中的△t_i（i=1，...,n）并写入T分割定时器；

步骤3、节律控制步骤

T分割定时器中的定时时间到，启动脉冲发生器输出一个脉冲，通过联动接口1向状态字寄存器指定的伺服驱动装置100发送联动命令；

步骤4、终点控制步骤

如果T指针等于随动表的末地址，即到达所述轨迹指令的终点，关闭运行标志；否则，T指针指向下一个△t_i，重复步骤2至步骤4。

2）、伺服驱动装置驱动坐标轴进给

伺服驱动装置接收轴联动表后，将执行标志置“1”；根据轨迹指令的轴联动表的顺序码，将轴联动表的首地址写入L指针。

伺服驱动装置接收联动命令后，跟随联动命令，根据L指针，从轴联动表中读取坐标值增量并写入位置环，驱动坐标轴进给产生合成位移；L指针加1，直至L指针等于轴联动表的末地址，将执行标志置“0”，准备执行下一条轨迹指令的轴联动表。

这样一来，所谓刀路曲线的实时控制过程，就是按照随动表中的控制节律△t_i（i=1，...,n），控制状态字寄存器指定的伺服驱动装置从轴联动表中读取坐标值增量并写入其位置环的过程。数据流控制器运行轨迹指令；接口控制器产生联动命令；伺服驱动装置跟随联动命令，不断地驱动坐标轴进给。如此周而复始，直至T指针到达随动表的末地址，即到达轨迹指令的终点。

例如，对于X、y、Z、A、B等5轴联动的刀路曲线，状态字寄存器指定的状态为“11111000”，其实时控制过程就是，数据流控制器运行描述该刀路曲线的轨迹指令，接口控制器不断地从随动表中读取△t_i（i=1，...,n）并写入T分割定时器，T分割定时器中的定时时间到，向状态字寄存器指定的X、y、Z、A、B伺服驱动装置发送联动命令；X、y、Z、A、B等伺服驱动装置不断地接收联动命令，按照△t_i（i=1，...,n）所指定的控制节律，从△X_i（i=1，...,n）、△y_i（i=1，...,n）、△Z_i（i=1，...,n）、△A_i（i=1，...,n）、△B_i（i=1，...,n）等5个轴联动表中读取△X_i、△y_i、△Z_i、△A_i、△B_i并写入位置环，驱动坐标轴进给。如此周而复始，直至刀路曲线的终点。

上述联动命令的发送过程可以固化。因而，数据流控制器运行轨迹指令时，只须将运行标志置“1”，然后查询运行标志，一旦运行标志为“0”，则执行下一条运动指令。

还可以采用FPGA器件来构造运动控制接口，特别是其中的联动接口，为用户的扩展使用提供方便的技术手段。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种运动控制接口，包括联动接口与串行接口；

所述状态字寄存器用于寄存状态字，指定联动的坐标轴；

所述T指针用于寄存随动表的当前地址；

2.如权利要求1所述的运动控制接口，其特征还在于，所述运动控制接口还包括用于存储随动表的随动表文件存储器、读取随动表的文件读取模块。

3.如权利要求2所述的运动控制接口，其特征还在于，所述串行接口为现场总线、RS232与RS485接口、USB接口或无线接口。

4.如权利要求3所述的运动控制接口，其特征还在于，所述联动接口为FPGA器件。

5.如权利要求4所述的运动控制接口，其特征还在于，所述联动接口的每个数据位分别连接一个伺服驱动装置。

6.一种开放式数控系统的接口控制器，其特征在于，包括微处理器、运动控制接口、实时控制模块；

所述随动表文件存储器用于存储随动表；

所述文件读取模块用于读取所述随动表；

所述联动接口包括状态字寄存器、T指针、T分割定时器、脉冲发生器；所述状态字寄存器用于寄存状态字，指定联动的坐标轴；所述T指针用于寄存随动表的当前地址；所述T分割定时器用于寄存随动表当前地址中的△t_i（i=1，...,n），产生定时信号；所述脉冲发生器用于根据所述T分割定时器中的定时信号产生脉冲；

7.如权利要求6所述的开放式数控系统的接口控制器，其特征在于，所述串行接口为现场总线、RS232与RS485接口、USB接口或无线接口。