引言

　　數(shù)控系統(tǒng)的開放性、可重構(gòu)設(shè)計、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。開放式數(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，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)的廣闊市場中來。顯然，模塊化是開放式控制的原始基礎(chǔ)和技術(shù)雛形，而實現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是共同制定一個產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確地說，就是制定一個共同遵循接口的標(biāo)準(zhǔn)，以實現(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。其實際上和原有的柔性制造系統(tǒng)一脈相承，只不過加入了管理學(xué)和運籌學(xué)的技術(shù)內(nèi)容。不同的是，這種管理過程不是完全由人來主導(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化來實施的，其目標(biāo)是系統(tǒng)實現(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)場可編程門陣列(field programmable gates array，fpga)器件的出現(xiàn)，利用其實現(xiàn)可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是一條快速、簡捷、可靠的途徑。

　　隨著工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，數(shù)控系統(tǒng)所包含的控制器、驅(qū)動器、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，實時性無法得到保證，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)具備獨立性的功能模塊迫切需要建立自己的處理運算體系，需要單獨的控制器和運算器的支持，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)在功能實現(xiàn)、現(xiàn)場配置、資源優(yōu)化方面適應(yīng)生產(chǎn)過程自動化和控制流程自動化的柔性、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)場總線(processfield bus—dp，profibus—dp)的可重構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)。

1 基于先進(jìn)精簡指令集微處理器和運動控制芯片的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)平臺的構(gòu)建

　　1．1 基于先進(jìn)精簡指令集微處理器和運動控制芯片的數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計

　　由于采用精簡指令集計算機(reduced instruc—tion set computer，risc)架構(gòu)的先進(jìn)精簡指令集微處理器(advanced risc microprocessor，arm)具有如下特點：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尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；⑥指令長度固定。因而，在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用arm的全數(shù)字式的控制，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化與高速高精度。

　　為縮短開發(fā)周期，提高控制性能和系統(tǒng)可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計中采用了運動控制芯片mcx314as。mcx314as是性能優(yōu)良、接口簡單、編程簡單且工作可靠的運動控制專用芯片，該芯片能夠控制4軸，并實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，可實現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補。所有插補計算由芯片完成，且多軸插補控制功能特別突出。

　　系統(tǒng)硬件采用主從式雙cpu結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，分為基于arm和現(xiàn)場總線的主控模塊、基于mcx314as的運動控制模塊、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運動控制芯片，專門負(fù)責(zé)完成復(fù)雜的運動控制的處理工作。

　　mcx314as與arm的通訊是靠讀寫總線上的幾個地址來進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸。圖1為基于這種思想開發(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

　　可重構(gòu)制造系統(tǒng)能夠通過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。美國國家研究委員會(national researchcouncil)發(fā)表了題為《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)設(shè)想》的報告，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。對一個制造系統(tǒng)來說，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)硬件實現(xiàn)的一條途徑。

　　按照文獻(xiàn)[3]對可重構(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)模塊化可對數(shù)控系統(tǒng)按功能劃分模塊，然后采用硬件描述語言進(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)商購買到的ip和自己開發(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)隨機存儲器(static random access memory，sram)編程的，而硬件描述語言支持參數(shù)化設(shè)計，只要模塊接口定義開放，也可以通過修改數(shù)控ip和整合不同的ip來改變設(shè)計，下載不同的配置數(shù)據(jù)以實現(xiàn)柔性化的設(shè)計。

　　(4)可定制fpga能夠通過裁減和重整不同的ip，實現(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)，因而可以通過重新下載配置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)本地或遠(yuǎn)程升級與維護(hù)。

　　fpga的上述優(yōu)點可滿足實現(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)用戶需求對伺服驅(qū)動或邏輯開關(guān)量等外部硬件進(jìn)行擴展或重構(gòu)后，fpga在外部邏輯的控制下可通過對存儲于e2prom存儲器中的fpga配置數(shù)據(jù)重新下載，實現(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，可按需要實時地調(diào)整系統(tǒng)的控制邏輯，因而可大大增加計算機數(shù)控(computer numerical control，cnc)系統(tǒng)的柔性和現(xiàn)場可重構(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)可實現(xiàn)對數(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。

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)從資源利用率來講，可以動態(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，由于不是采用指令運算而是采用硬件復(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)場總線的數(shù)控系統(tǒng)的研究

　　2．1 profibus總線簡介

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的兩個重要內(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)，這實際上與現(xiàn)場總線的技術(shù)綱領(lǐng)是一致的，即開放的、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)場總線技術(shù)構(gòu)建開放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是一種必然的技術(shù)發(fā)展趨勢，而且這種趨勢定位在體系結(jié)構(gòu)這個級別上，由此會徹底影響數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計、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)和控制平臺框架正在形成。

　　profibus是一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，目前已廣泛應(yīng)用于加工制造和過程控制，屬于成熟的總線技術(shù)，世界上眾多自動化技術(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)過優(yōu)化的高速廉價的通信連接，專為自動化系統(tǒng)和分散的現(xiàn)場控制設(shè)備之間通信而設(shè)計，特別是加工制造過程的控制，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)，對用戶數(shù)據(jù)的含義進(jìn)行了具體的、有針對性的定義和說明，從而使不同生產(chǎn)商的自動化設(shè)備只要遵循行規(guī)的格式描述，就可以實現(xiàn)互換。profibus—dp共有3個特別為數(shù)控應(yīng)用定義的行規(guī)：

　　(1)nc／rc行規(guī)(文件編號：3．052) 描述了如何通過profibus—dp對機器人和數(shù)控機床機型進(jìn)行控制，提供了詳細(xì)的順序圖解，從高級自動化的角度描述了機械運動和過程控制的實現(xiàn)。

　　(2)編碼器行規(guī)(文件編號：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)備分兩種等級定義了基本功能和附加功能，如標(biāo)定、中斷處理和擴充的診斷。編碼器正是數(shù)控系統(tǒng)中各類伺服電機和主軸電機測量位置和速度的核心測量傳感器。

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

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

　　2．2 profibus—dp總線時間特性分析

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

　　在復(fù)雜的自動化系統(tǒng)(主站)間通信，必須保證在確切的時間間隔中，任何一個站點都要有足夠的時間來完成通信任務(wù)；而在復(fù)雜的主控制器和簡單的i／o設(shè)備之間，應(yīng)盡可能快速而又簡單地完成數(shù)據(jù)的實時傳輸。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)過程中，對實時性的要求很高，如復(fù)雜軌跡曲線連續(xù)控制和現(xiàn)場關(guān)鍵信號的采集等。因此，必須對profibus—dp的時間特性進(jìn)行分析，為數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

　　圖3是一個單主站profibus—dp系統(tǒng)在不同通訊速率下，總線通信循環(huán)時間隨從站點數(shù)量增加的變化趨勢。假設(shè)每個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)時間的主要因素，但相對而言，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，以此為例來計算和分析總線上的信息循環(huán)時間。

一個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，1 tbit為0．666 7μs(1個8位二進(jìn)制數(shù)-11 tbit-7．33μs)；當(dāng)波特率為12 m時，1 tbit為83 ns(1個8位二進(jìn)制數(shù)-11 tbit—0．913μs)。

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

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

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

　　對于一個單主站的數(shù)控系統(tǒng)方案，包含1個cnc控制器主站、4個伺服驅(qū)動器從站(4軸控制)、1個主軸驅(qū)動器從站、2個i／o模塊從站、1個人機交互(human machine interface，hmi)單元、2個監(jiān)控單元從站，則共有1個主站，10個從站。假定每個從站有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。

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

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

　　現(xiàn)場總線也是一種被標(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，總線接口精簡為只有通信數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收定義。而且現(xiàn)場總線具備長距離連接的能力，可以采用串級連接的形式，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)簡化為包含cnc控制器、人機接口(human machine interface，hmi)系統(tǒng)、輸入輸出單元i／o、驅(qū)動器單元drive和電機單元。每個模塊具備獨立的處理能力和智能特征，通過現(xiàn)場總線串聯(lián)起來，成為總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的一個站點。站點有主從之分，但都遵循完全一樣的總線通信協(xié)議，因此，總線上傳輸?shù)男盘柖急硎緮?shù)據(jù)而不存在專門的控制信號。這些數(shù)據(jù)信號必須經(jīng)過特定的譯碼后，才能變成每一個模塊單元可以直接在內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)。相對于傳統(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)場總線中的一個節(jié)點，雖然仍是整個系統(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)點處于同等地位。cnc控制器可配置為現(xiàn)場總線數(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)點模塊的返回數(shù)據(jù)。

　　各模塊的功能描述如下：

　　cnc控制器作為整個現(xiàn)場總線系統(tǒng)的主機，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)起人機交互任務(wù)的同時，還要進(jìn)行運動控制任務(wù)。這就要求必須用嚴(yán)格的實時任務(wù)調(diào)度來解決任務(wù)問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)計方案則使hmi模塊本身具備充分的處理和運算能力，它可以獨立地向其他模塊查詢數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，無須通過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，可使hmi模塊根據(jù)實際現(xiàn)場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)控體系中獨立出來，它自身實現(xiàn)數(shù)字量的輸出、外部信號的采集，以及這個過程中所涉及到的信號的轉(zhuǎn)化和調(diào)整。i／o模塊單元與hmi和cnc控制器通過現(xiàn)場總線可以直接建立聯(lián)系，所有對i／o端口的操作都會以命令的方式進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)闹芷诤透袷接涩F(xiàn)場總線具體的協(xié)議規(guī)范保證?，F(xiàn)場總線對i／o模塊的連接，通過一對屏蔽雙絞線即可實現(xiàn)。因此，系統(tǒng)的連接被簡單化了，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立執(zhí)行對現(xiàn)場i／o端口，包括執(zhí)行器和傳感器的基本控制和實時事件處理，保證了現(xiàn)場設(shè)備的正常運行。

　　數(shù)字伺服驅(qū)動器是數(shù)控系統(tǒng)操控電機運動的功率單元，是運動控制性能的關(guān)鍵部分，它是數(shù)控系統(tǒng)的運動控制執(zhí)行器，是與電機等執(zhí)行裝置和機械設(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)變成運動控制輸出，實現(xiàn)弱信號對強電流的控制。數(shù)字主軸驅(qū)動單元是數(shù)控系統(tǒng)的切削加工執(zhí)行器，是與主軸電機等部件的直接接口，負(fù)責(zé)將cnc控制器對主軸的操作指令轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)速或位置輸出。目前，驅(qū)動器已從模擬式逐漸過渡到數(shù)字式，其主要標(biāo)志是內(nèi)部由模擬的開關(guān)器件和功率器件，轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)字信號處理(digital signal processing，dsp)的數(shù)字式、集成化智能控制器件。參數(shù)的整定和算法的實現(xiàn)，是從硬件電子電路轉(zhuǎn)化為基于軟件的實現(xiàn)，因此具備了更多的柔性和可配置性。驅(qū)動器接受控制器發(fā)送的位置指令(脈沖串)或速度指令(模擬電壓信號)，通過內(nèi)部控制器處理，控制電機精確運轉(zhuǎn)，并在伺服系統(tǒng)中通過位置和速度檢測裝置，實現(xiàn)基于跟隨誤差的系統(tǒng)精確隨動控制。但是，目前驅(qū)動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必須通過一對一的連接關(guān)系進(jìn)行傳輸交互，當(dāng)控制器和驅(qū)動器安裝距離較遠(yuǎn)時，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，實現(xiàn)驅(qū)動器與控制器的信息交互，是簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性的有力措施。而現(xiàn)場總線正是實現(xiàn)這一接口方案的最佳選擇，它將所有的連接信號封裝成具有控制意義的特殊指令格式，在控制器和驅(qū)動器之間傳輸，也可以在hmi，i／o單元和驅(qū)動器之間傳輸，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。

　　監(jiān)控診斷單元是數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障處理的獨立模塊，與現(xiàn)場的傳感裝置直接連接，負(fù)責(zé)實時采集現(xiàn)場設(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，同時能夠在必要時與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，因為遵循相同的數(shù)據(jù)傳輸格式和編碼解碼過程，通訊接口單元可以被抽象出來，供每一個不同功能的數(shù)控控制實體利用。

    3 結(jié)束語

　　本文介紹的方案已成功應(yīng)用于機床數(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4軸加工中心tdnc40a的數(shù)控系統(tǒng)，如圖6所示。實驗證明系統(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是一款功能強大的運動控制芯片，具有優(yōu)越的4軸控制及插補功能，可大大減輕研發(fā)任務(wù)，提高研發(fā)速度，在短時間內(nèi)得到了控制性能較高的數(shù)控系統(tǒng)。而arm處理器的強大功能保證了該系統(tǒng)的高速、高精度和實時性數(shù)控加工。fpga的應(yīng)用解決了由于現(xiàn)場伺服電機擴展后的邏輯電路變化的問題，從硬件上實現(xiàn)了可重構(gòu)性?，F(xiàn)場總線是數(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)勢在于面向工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和市場產(chǎn)品線的支持體系?，F(xiàn)場總線的應(yīng)用實現(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)的開放性。