一种基于sercos的模块化可重构运动控制器体系结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种全软件开放式数控中的运动控制器体系结构，具体涉及一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构。
【背景技术】
[0002]开放式数控是目前数控技术的一个重大进展，它打破了过去世界上数控系统主要由几个大跨国公司垄断的局面，对我国这样数控技术原本比较落后的国家，是一个重大的机遇。它的最主要特点就是用廉价的通用PC机软硬件取代过去昂贵的数控装置(简称NC)，把很多原来要用硬件实现的功能由软件代替，从而打破了长期制约我国数控技术发展的硬件瓶颈，并具有了许多传统数控不具有的优点。开放式数控的实现，是建立在近年来PC机中CPU性能和速度飞跃式发展和丰富的配套软件基础上的。
[0003]开放式数控系统具有国际标准化组织(ISO)所提出的:“可互操作性、可移植性、可扩展性、可互换性”的特点，这实际上也是通用PC具有的特点。数控装置简称NC，目前开放式数控系统主要类型有三种:①PC嵌入NC;②NC(实际上就是硬件运动控制器)嵌入PC;③全软件型数控(SOFT NC)。其中全软件型数控是目前开放式数控领域的最新进展，其特点是全部数控装置(NC)的主要功能都由软件在PC机中实现。
[0004]目前，数控装置(包括传统数控和各类开放式数控)与伺服执行机构之间符合国际标准的接口有两种类型:①通用的指令和反馈信号输入/输出接口，简称指令/反馈I/o接口，其指令信号又可分为± 1V模拟信号、脉冲/方向(Pulse/Dir)信号、正/反向脉冲(CW/CCW)信号三种，反馈信号多采用正交编码器脉冲。②基于SERCOS总线协议，其指令和反馈信号都是SERCOS报文形式。
[0005]此外还有一些总线接口用于伺服控制，如MACRO、Fire Wire、CAN、MODBUS,Profibus等，但有的支持厂家有限，有的速度慢只能完成简单点位控制和开关动作，其中只有SERCOS成为唯一用于运动控制的开放式接口国际标准(IEC61491)。
[0006]目前常用的插补方法有数字脉冲增量法和数据采样法两大类，每一大类又可以分成若干类型。前者每一步伺服进给都由数控系统完成，占用CPU时间较多，多用于早期的步进电机执行机构。后者把插补方法分成粗插补和精插补两部分，粗插补由数控系统完成，精插补则由伺服系统的软硬件完成。现代的数控系统无一例外都采用了后者。近年来还发展了一种NURBS插补，但要在CAD/CAM软件支持下使用，无法单独用于数控系统。
[0007]一个已有技术[I]，见《数控机床》(上海科学技术出版社2000.07出版，吴祖育，秦鹏飞主编)以及《现代数控原理及控制系统》(国防工业出版社2002.02出版，王爱玲，张吉堂，吴雁编著)等著作。在这类已有数控技术中，包括传统数控和开放式数控，均采用第一种通用指令/反馈I/O接口(见附图1，2)。
[0008]由于受到硬件接口、信号类型(±10V、Pulse/Dir、CW/CCW)、以及伺服驱动器与运动控制器之间信号连接线的限制，已有技术[I]中，不管是传统数控还是开放式数控，也不管采用脉冲增量法还是数据采样法插补，均无法实现任意伺服轴之间可定义，可增减、可组合联动的高度可重构性。
[0009]另一个已有技术[2]，见①《基于SERCOS的开放式数控系统研发》(西南大学硕士研宄生论文，2006.05发表，作者袁晓峰)②《开放式数控系统中的软CNC的研宄开发》(北京工业大学工学硕士论文，2003.05发表，作者孙丽梅)③《开放式数控系统及SERCOS接口技术》(机械工业出版社2003.09出版，陈卫福，杨建武编著)④《基于SERCOS接口的开放式数控系统的研宄》一书(北京工业大学工学硕士学位论文，2002.05发表，作者李霞)⑤《数字伺服通讯协议SERCOS驱动程序设计及应用》(北京航空航天大学出版社2005.09出版，作者郇极，尹旭峰)等参考文献。在这些基于SERCOS总线的全软件开放式数控(已有技术[2])中，都采用现代数字伺服系统，插补方法都采用数据采样法，即由PC机中的NC软件完成复杂轮廓曲线的“粗插补”，生成一系列各个伺服轴每个插补周期内的位置增量的数字量如:Λ Χ0,Δ Υ0,Δ Ζ0、Λ Χ1、Λ Υ1、Λ Ζ1、…，再从PC机主站以SERCOS报文数据的形式发送到各伺服从站，由伺服从站系统的软件或由专用硬件插补器实现“精插补”(见附图3) ο这样作最大的好处是:各轴位置增量都是采用数字量表达和发送，数据可直接处理，处理速度块，使得即使第一代SERCOS总线不太快的传输率(16M bit/s)，都可以达到相当于100M bit/s传输速率下工作的以太网(Ethernet)的数据处理速度。但是，这种基于数据采样插补法的运动控制器的可重构性，受到从站伺服系统精插补模块的软硬件制约。每个从站伺服系统的精插补模块中，可控制的伺服轴数量和它们间的联动关系是固定的。因此，已有技术[2]具有一定的可重构性，能够以单轴伺服或多轴联动“精插补”模块为对象，实现调换和增减，但受到精插补模块中插补轴数固定的限制，无法实现任意轴组合联动，可重构性受到一定限制。
[0010]另一种已有技术[3]，见图4、5和《基于FPGA的硬件可重构数控系统研制》(〈〈仪器仪表学报》2002年zl期，作者秦兴，王文，李为建，周川东)，以及《一种动态可重构IP系统设计研宄》(《小型微型计算机系统》2007年07期，作者蔡洪波，蔡启先，黄晓璐，蔡启仲)等参考文献。其可重构性是通过硬件软件化的方法，用硬件描述语言VHDL实现，再下载到FPGA/CPLD等可编程逻辑器件中实现，各轴间的联动插补可通过VHDL编程来自由定义和组合实现，例如图3中，5个轴输出接口中，可任意指定其中三个组成3轴联动插补，另2个轴接口组成2轴联动插补。但其可扩充性受到FPGA硬件模块规模大小、硬件指令接口电路(如高速光耦，差分I/O芯片等)以及信号线数量的限制。
[0011]综上所述，以上已有技术的可重构性和柔性均受到不同的限制。
【发明内容】
[0012]有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能实现任意伺服轴之间可定义和重定义、可增减、可组合联动的，具有高度柔性的基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构。
[0013]为实现以上目的，本发明采用如下技术方案:一种基于SERCOS的模块化可重构运动控制器体系结构，该体系结构包括PLC、运动控制器以及SERCOS通信单元；所述运动控制器与所述SERCOS通信单元分别与所述PLC电连接；
该体系结构还包括SERCOS主站、一个以上的SERCOS从站，所述SERCOS主站和所述一个以上的SERCOS从站之间通过光纤或铜双绞线闭环通信连接，每一个SERCOS从站上均连接有驱动伺服电机的伺服驱动器，运动控制器与伺服驱动器之间采用SERCOS报文通讯传递指令与反馈信息。
[0014]所述的运动控制器为含软件插补器的运动控制器，该运动控制器内设有2轴?5轴的联动插补软件模块，所述PLC调用2轴?5轴的联动插补软件模块以组合数控生产线上各伺服轴执行机构，构成单轴运动或2轴?5轴联动。
[0015]所述的联动插补软件模块包括基于笛卡儿坐标系或极坐标系的2轴?3轴直线插补模块、2维?3维圆弧插补模块、2维?3维列表点曲线和曲面插补模块以及3维以上的数学表达和列表点数据表达的曲线、曲面插补模块。
[0016]所述的各插补模块嵌入到数控系统中并在上位机中运行，各插补模块之间可重复任意次数拷贝、采用不同的名称和不同的SERCOS网络通讯地址编号定义和重新定义、并可多次调用；各插补模块的插补结果生成用串行序列位置指令报文数据结构表达各伺服驱动轴脉冲有无和脉冲方向。
[0017]所述串行序列位置指令报文数据结构中把数据字节一半的bit位用来表达进给脉冲的方向