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1、SoftSERCANS技术及其在数控系统中的应用第10卷第11期2004年11月计算机集成制造系统ComputerIntegratedManufacturingSystemsVoI.10NO.11NOV.2004文章编号:100659ll(2004)ll一143304SoftSERCANS技术及其在数控系统中的应用梁宏斌,王永章(哈尔滨工业大学机械制造及自动化系,黑龙江哈尔滨150001)摘要:SERCOS接口是用于数控系统和数字式伺服驱动器之间通信的唯一国际标准,目前已经在世界范围内得到广泛应用;而SoftSERCANS是SERCOS接口的软件进化.概述了SERCOS接口的产生背景,发展过程
2、及应用特点;分析了SoftSERCANS的通讯机理和工作过程;阐明了SoftSERCANS的实时性,并结合自行开发的开放式全数字三轴数控铣床介绍了SoftSERCANS在数控领域的具体应用;最后,指出了SoftSERCANS技术的应用前景及对数控市场的重大影响.SoftSERCANS技术的应用,不仅提升数控技术,还有可能改变数控系统的生产方式,进而改变数控系统的市场现状.关键词:数控;接口;实时性中图分类号:TP273.5文献标识码:A0引言数控系统包括控制器和伺服传动系统,它们之间的信息交换能力直接影响数控系统的性能.从20世纪70年代起,控制器已由硬件电路控制提升为计算机数字控制(Comp
3、uterNumericControl,CNC).而近些年来,数字式伺服系统由于具有高速,高精度和无漂移等特点,发展非常迅速,已经在数控系统中得到广泛应用.目前,数字式控制器和数字式伺服系统之间传统的+/一IOV模拟接口已经成为制约数控系统发展的瓶颈.为了解决这个问题,很多伺服系统和CNC制造商都制定了自己的数字通信协议,但采用这些协议进行通信的系统是典型的封闭式系统,各厂家的产品不具备互换性,限制了它们更广泛的应用.直到出现SERCOS接口,这个瓶颈才真正地被打碎l_2.1SERCOS的演化及SoftSERCANS的特点1.1SERCOS的发展历史及其接口特点SERC0S是一种用于CNC和数字
4、伺服传动系统之间通信的数字接口和数据交换协议,能够实现工业控制计算机与数字伺服系统,传感器和可编程控制器I/0口之间的实时数据通信.1990年,德国一些着名CNC和伺服系统制造商与斯图加特大学等共同制定了SERCOS协议,该协议规定了CNC和伺服系统间接口的传输介质,拓扑结构,报文格式,数据内容及数据交换协议等.1995年,SERCOS接口协议被确定为国际标准,它也是目前用于数字伺服和传动数据通讯的唯一国际标准.SERCOS接口具有以下应用特点:(1)环形拓扑结构使配线减少到最少,使用光缆使系统避免了电磁干扰并保证了同步高速数据交换率.(2)在标准化的运行环境下交换所有的数据,参数和指令.(3
5、)使众多诊断数据的导人和伺服系统参数设定成为可能.(4)来自不同制造商的CNC和伺服系统能结收稿日期:20031030;修订日期:20040303作者简介:梁宏斌(1967一),男,辽宁鞍山人,哈尔滨工业大学机械制造及自动化系博士研究生,主要从事开放式数控系统,可重构制造系统和CIMS等研究.Email:.第11期梁宏斌等:SoftsERcANs技术及其在数控系统中的应用SERCANS的参数,而不需了解SoftSERCANS卡的具体结构及硬件地址.2.2通讯阶段系统只有在完成SoftSERCANS初始化过程后,才能传输实时数据.整个过程分为五个阶段:(1)通讯阶段0SoftSERCANS检查光
6、纤环是否闭合.如果光纤环是闭合的,SoftSERCANS进入通讯阶段1.(2)通讯阶段1检查光纤环上的所有伺服驱动器,并将其地址保存在系统参数中.(3)通讯阶段2自通讯阶段2起,CNC能读写所有的伺服驱动器参数.在本阶段,SoftSERCANS完成以下工作:通过CNC或用户接口给定操作模式(位置控制,速度控制,扭矩控制等);从伺服驱动器中读出计算时间片所需的所有数据;检查命令值配置表和实际值配置表;计算AT和MDT的报文发送时间;将计算后的通讯参数发送到伺服驱动器;将报文结构参数发送到伺服驱动器;过渡检查命令S一00127在所有伺服驱动器中被执行.如果检查通过,则进入通讯阶段3.(4)通讯阶段
7、3SoftSERCANS通过服务通道或用户接口传递参数,参数传递完毕后,过渡检查命令S一00128在所有伺服驱动器中被执行.如果检查通过,则进入通讯阶段4.(5)通讯阶段4这是正常的工作状态,实时数据(周期性数据)交换只能在这个阶段进行.3SoftSERCANS的实时性数控系统是典型的实时控制系统,对CNC的插补任务及伺服系统位控功能的实时性要求很高.目前,SoftSERCANS支持下列通讯周期时间:500/xs,75Os,1ms,32ms.通讯速率为2Mb/S,4Mb/s,8Mb/s和16Mb/s可选.SERCOS技术工作组提供了如下数据_g:周期时间500/xs,通讯速率16Mb/s,每个
8、驱动器数据(MDT和AT)32B,驱动器数量14,MST时间4s,MDT时间155las,AT时问1414196S;抖动延迟时间16232雎S.在一个500las的通讯周期中,报文传送时间为355/xs,预留保险时间为32s,则空闲时间为113s,SoftSERCANS工作负荷为71.这意味着采用SoftSERCANS数控系统,当SERCOS通讯周期为500Fs时,控制的运动轴数量可多达14个.一般情况下,CNC的插补周期,伺服系统的采样周期和SoftSERCANS的通讯周期是相等的.也就是说,采用SoftSERCANS数控系统的插补周期可以小至500/as,即插补频率为2000Hz.在一个插
9、补周期内,用于计算各运动轴位移增量的速度值是恒定的,因此CNC在一个插补周期内的运动轨迹是一微小直线段.在进给速度不变的情况下,插补周期越小,这一微小直线段就越短,数控系统的精度也就越高.这意味着插补周期是影响数控系统控制精度和切削速度的关键因素.它们之间的关系为:1000F6O.式中,厂为插补频率,F为切削速度,为插补点处被插补曲线的曲率半径,为插补误差.因为i.,所以在插补周期为500S的数控系统上,以F一30m/min的进给速度(满足高速加工要求的进给速度)加工小曲率半径(p<15mm)轮廓时,轮廓插补误差一一_o.Oo052mm2000518D181另外,SERCOS伺服驱动器通
10、常都提供微插补(microinterpolation)功能,以平滑插补结果.例如,Kollmorgen公司的伺服驱动器利用相邻的两个采样点的位置和速度值形成四个约束条件,构造出三次多项式曲线(对应插补周期中的直线段),从而进一步减小加工轮廓误差.综上所述,SoftSERCANS具有很好的实时性能,不仅适用于常规的多轴数控系统,同时也能满足高速加工系统的实时性要求.4应用实例图4为利用SoftSERCANS技术自行开发的三轴全数字式铣削数控系统.系统的硬件包括PC机,被动式SERCANS插卡及RexrothIndramat公司的ECODRIVE03数字式伺服系统.系统软件是Windows2000
11、操作系统和VenturCom公司的RTX5.1软件windows的实时扩展软件.CNC软件是用VisualC+6.0开发的.除完成程序输入,译码,刀具补偿及插补功能外,还利用SoftSERCANS提供的DLL函数实现CNC和计算机集成制造系统第10卷图4基于SoftSERCANS的三轴全数字式数控铣床控制原理图ECODRIVE03的实时数据(指令值和反馈值)交换.应用SoftSERCANS传输命令值和反馈值的程序流程如图5所示.I启动s.ftSERCANSJl进行s.ftsERcANs的初始化s.ftSERCANS1nit0bject0查询SoftSERCANS状态SoftSERCANSSta
12、te0:N.:.:Yes转到通讯阶段2设置系统参数:1.设定操作模式2.进行MDT,AT报文配置报警3.其他参数设定上终止程序转到通讯阶段4进行周期性数据传输打开MDT,AT报文通道按照预设的插补周期(通过定时中断信号)周期性地交换命令值和反馈值SynsCycleData0关闭MOT,AT报文通道终止SoftSERCANS的实时应用程序TerminateSoftSERCANS0释放内存空间SoftSERCANSUninit0bject0图5应用SoftSERCANS传输命令值和反馈值的程序框图5结束语SoftSERCANS实现了软件和硬件的彻底分离,使SERCOS的内部机制对CNC开发人员透明
13、,因此,利用SoftSERCANS可以开发出模块化的,开放式的CNC软件模块.随着这些软件模块进入市场,CNC开发人员就可以选用这些带有基本功能的标准模块,只需开发那些依靠生产经验和技术技能的应用程序.可以预期,将来CNC控制器的开发工作量将明显减少,从而极大地降低数控系统市场的入口门槛.目前的数控系统市场不能提供足够的专用数控系统,原因是只有几家大公司主导这个市场,利润最大化的要求使其只开发销量最大的软件,因此很多用户的特殊要求得不到满足.采用SoftSERCANS等技术的新的底层结构,使那些具有专业领域经验的小公司可以在一个通用的控制器平台上开发专用数控软件,这些小公司专注于特定的应用领域
14、,可以满足一些特殊的需要.SoftSERCANS的应用不仅是数控技术的提升,还有可能改变数控系统的生产方式,从而改变数控系统的市场现状.参考文献:1ELLISG.Comparisonofdriveandcontrollerarchitecture:SERCOSandanalog-AJ.PCIMc0nferencec.Nuremberg,Germany:PCIMEurope,1998.2BERARDINISLA.SERCOSlightsthewayfordigitaldrivesJ.MachineDesignInternationa1,1994,66(16):5264.3HIBBARDS.The
15、SERCOSinterfacestandardJ.GearTechnology,1996,13(1):2932.(下转第1453页)第11期谭文安等:面向烟草的行业CIMS体系结构研究1453ResearchonarchitectureofCIMSfortobaccoindustryTANWen-an.XUEJinsong.WANGJinliang(1.Inst.ofSoftwareEng.,Col1.ofComputerScience,ZhejiangNormalUniv.,Jinhua321004,China;2.ShenyangInst.ofAutomation,ChineseAcade
16、myofSciences,Shengyang110016,China;3.Info.Cent.,StateTobaccoMonopolyAdministration,Beijing100080,China)Abstract:Theconceptofcontemporaryintegratedmanufacturesystemintobaccoindustry,theinformationconstructionsituationwasanalyzedandtheintegratedpatternswerepresented.ResearchesonCIMSintegrationanditssu
17、pportingsoftware&hardwarewereconducted.Itemphasizedthatenterpriseapplicationsystemconstructionmodeshouldbechangedfromtraditionalpointlinetopointlineplane.Throughintegrationandindustrialinformationsystemconstructionshouldbestyledonthemodeofpointlineplanebody,amongCIMSintobaccoindustry,moderntobac
18、cosalessystemandoperationsupervisionsystemintobaccoindustrytoconstructoverallCIMSframeworkintobaccoindustry.Itisbeneficialforimprovingtotalcompetenceoftobaccoindustryandmorecohesionwithinindustrybyintegratedmanagementinthecigarettesfactories,businesscorpsandtobaccoindustrialmanagementdepartments.Key
19、words:architecture;integratedpattern;tobaccoindustry;contemporaryintegratedmanufacturingsystPT11Received13Nov.2003;accepted02Apr.2004.Foundationitem:ProjectsupportedbytheNationalHighTech.R&DProgramforCIMS,China(No.2001AA411160)(上接第1436页)41DanDAquila.MotiondigitalfutureJ.MotionControl,2001,(6):20
20、24.5RADLEYC.Ontherightbus?J.MotinSystemDesign,2001,(9):3137.61PARKERJW,PERRYMANR.CommunicationnetworkforbrushlessmotordrivesystemA.SixthInternationalConferenceonElectricalMachinesandDrivesConf.Rec.c.Oxf0rd,UK:IEEE,1993.641646.73BASSIE,BENzIF,LUSETTIL,eta1.CommunicationprotoeolsforelectricaldrivesrA.
21、IEEEIEC0NConferenceRecearchC.Orlando,FL,USA:IEEE,1995.706711.83AND()M.ThrivingintheageofITJ.MotionControl,2000,28(4):2023.9KYNASTR.SERCOSinterfacetechnicaloverviewEB/OL.http:/www.sercos.0rg/pdf/PraeSSERC0Soverview2.pdf,20031031.S0ftsERCANStechnologyanditsapplicationtoCNCsystemLIANGHongbin,WANGYongzh
22、ang(Dep.ofMechanicalEng.&Automatio,HarbinInst.ofTech.,Harbin150001,China)Abstract:TheSerialRealtimeCommunicationsStandard(SERCoS)interfaceprotocolistheuniquein-ternationalstandardappliedtonumericalcontrolsanddrivers,andithasbeenwidelyusedworldwide.SoftSERCSANSisatypeofSERCOSinterfaceevolution,wh
23、ichabstractstheinterfaceatthesoftwareleve1.Anoverviewofbackground,developmentandapplicationcharacteristicsofSERCOScommunicationinterfaceprotocolwereprovided.WorkingprinciplesandcommunicationphasesoftheSoftSERCANSwereanalyzed.ImplementationofanumericalcontrolledopenarchitectureCNCsystemforathreeaxism
24、illingmachinebasedontheSoftSERCANSwasdiscussed.AndtheoutlookfortheapplicationoftheSoftSERCANSandtheimpactofthisapplicationonCNCmarketweredescribed.ApplicationofSoftSERCANSwillnotonlyimprovenumericalcontroltechnologiesbutalsochangeproductionmodesofnumericalcontrolsystems,whichwil1directly1eadtomarketchangeinthisarea.Keywords:CNC;interface;realtimeReceived30Oct.2003;accepted03Mar.2004