專利名稱：基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
由信號(hào)正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)。這是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中包括功率放大和反饋，使輸出變量的值響應(yīng)輸入變量的值。數(shù)控裝置發(fā)出指令脈沖后，當(dāng)指令值送到位置比較電路時(shí)，此時(shí)若工作臺(tái)沒有移動(dòng)，即位置反饋信號(hào)不變時(shí)，指令和反饋差值經(jīng)放大器放大后使伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過齒輪、滾珠絲杠螺母副等傳動(dòng)元件帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。裝在機(jī)床工作臺(tái)上的位置測(cè)量元件，測(cè)出工作臺(tái)的實(shí)際位移量后，反饋到數(shù)控裝置的比較器中與指令信號(hào)進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制。若兩者存在差值，經(jīng)放大器后放大，再控制伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零時(shí)，工作臺(tái)才停止移動(dòng)。目前的光柵閉環(huán)控制主要采用兩種方法實(shí)現(xiàn)1.伺服驅(qū)動(dòng)器直接帶光柵控制接口 ；2.采用現(xiàn)場(chǎng)總線通過光柵適配器與光柵連接通信。方法I主要存在不能靈活適配各種光柵設(shè)備的缺點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)多重系統(tǒng)保護(hù)功能，并增加伺服驅(qū)動(dòng)的運(yùn)算負(fù)荷；方法2主要存在現(xiàn)場(chǎng)總線通信速率較低，通信數(shù)據(jù)量小，很難實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)與光柵設(shè)備數(shù)據(jù)的高速交叉通信的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于上述控制系統(tǒng)的控制方法。為了達(dá)到上述第一目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與各從站設(shè)備環(huán)形拓?fù)溥B接，從站包括順序連接的IO單元、數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器、進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器和光柵適配器從站rou，所述光柵適配器從站rou連接直線光柵和角度光柵。優(yōu)選的，所述光柵適配器從站PDU包括FPGA主芯片，串行存儲(chǔ)器EPCS和SDRAM存儲(chǔ)器，以太網(wǎng)物理芯片與雙網(wǎng)絡(luò)接口、電源轉(zhuǎn)換以及光柵設(shè)備串行接口。優(yōu)選的，所述FPGA主芯片采用片上系統(tǒng)SOC技術(shù)，可靈活配置軟硬件系統(tǒng)框架，硬件框架構(gòu)造包括軟核主CPU、與軟核主CPU連接的內(nèi)部RAM、定時(shí)器、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口及光柵通信協(xié)議模塊，通過內(nèi)部Avalon總線互連通信；由軟核主CPU控制程序，通過光柵通信協(xié)議模塊及光柵接口與光柵設(shè)備實(shí)時(shí)通信，并通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口與主站CNC系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互通信，將光柵設(shè)備數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)反饋給主系統(tǒng)。優(yōu)選的，所述數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器連接主軸電機(jī)，所述進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器連接進(jìn)給軸電機(jī)，所述IO單元連接輸入輸出信號(hào)，通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與主系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，有效控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和IO信號(hào)的正常運(yùn)行。為了達(dá)到上述第二目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，包括下述步驟S11、基于工業(yè)以太網(wǎng)的CNC系統(tǒng)主站和伺服驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器、IO單元以及光柵適配器從站的環(huán)形拓?fù)溥B接；S12、光柵適配器從站連接絕對(duì)光柵設(shè)備，光柵適配器從站采用Altera FPGA提供的Quartus-1i及SOPC Builder開發(fā)環(huán)境，建立系統(tǒng)硬件工程，所述系統(tǒng)硬件工程具體包括軟核主CPU、EPCS存儲(chǔ)芯片接口、片上RAM、SDRAM控制器接口、與海德漢絕對(duì)光柵通信的Endat2. 2協(xié)議接口(或與發(fā)格絕對(duì)光柵通信的Feedat2. O協(xié)議接口)及GSK-Link工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口等構(gòu)成；S13、光柵適配器從站上電后,軟件初始化系統(tǒng)外圍設(shè)備,讀取各光柵設(shè)備的ID,光柵類型及光柵精度等信息，通過GSK-Link工業(yè)以太網(wǎng)總線，交互各光柵設(shè)備的通信和類型參數(shù)，并開啟光柵周期數(shù)據(jù)通信中斷和工業(yè)以太網(wǎng)總線中斷，然后系統(tǒng)進(jìn)入正常周期通信處理流程；S14、系統(tǒng)周期性的讀取各光柵設(shè)備的位置數(shù)據(jù)，并根據(jù)步驟S13中已得到的光柵類型和光柵精度信息，折算為實(shí)際光柵絕對(duì)位置，通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)反饋給CNC主系統(tǒng)；S15、系統(tǒng)周期讀取各光柵設(shè)備位置數(shù)據(jù)與速度數(shù)據(jù)的同時(shí)，也實(shí)時(shí)得到光柵的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)光柵設(shè)備異常報(bào)警時(shí)，也通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)反饋給CNC主系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。優(yōu)選的，步驟S14中，折算光柵實(shí)際絕對(duì)位置的具體方法如下S141、系統(tǒng)指令位置的指令精度單位和反饋位置數(shù)據(jù)的檢測(cè)精度單位保持一致，綜合實(shí)際使用需求，按照O.1um的精度單位進(jìn)行；S142、在步驟S13初始化中系統(tǒng)自動(dòng)得到光柵的類型和光柵精度信息，光柵類型主要包括直線光柵和角度光柵，對(duì)于直線光柵，單位為nm，角度光柵為每轉(zhuǎn)脈沖個(gè)數(shù)，因此直線光柵的計(jì)算因子為光柵精度數(shù)據(jù)/100(0.1um),而角度光柵計(jì)算因子為360*10000/光柵精度數(shù)據(jù)(O.1udeg)；S143、光柵絕對(duì)位置=光柵反饋位置數(shù)據(jù)*光柵計(jì)算因子。優(yōu)選的，所述控制方法為全閉環(huán)控制方法，全閉環(huán)控制方法具體步驟如下S21、通過工業(yè)以太網(wǎng)總線，CNC系統(tǒng)在初始階段或急停松開時(shí)，將反饋的各光柵設(shè)備的絕對(duì)位置作為系統(tǒng)機(jī)床坐標(biāo)位置；系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，系統(tǒng)指令位置與周期得到的各光柵設(shè)備的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)作位置PID閉環(huán)處理，得到的指令速度控制伺服系統(tǒng)的運(yùn)行，最終帶動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)；S22、各光柵軸設(shè)備通過參數(shù)選擇有效或無效，光柵軸設(shè)備選擇無效時(shí)，由伺服的反饋位置作半閉環(huán)處理，但相應(yīng)的光柵位置數(shù)據(jù)可通過診斷顯示出來；S23、光柵位置方向可通過參數(shù)設(shè)置選擇，確保光柵運(yùn)動(dòng)方向與伺服軸運(yùn)動(dòng)方向保持一致，從而保證PID位置閉環(huán)的有效運(yùn)行；S24、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙位置環(huán)功能，以解決全閉環(huán)控制下，對(duì)于間隙比較大的機(jī)床，在較高速度運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)的情況，機(jī)床運(yùn)動(dòng)移動(dòng)中獲得如同半閉環(huán)一樣的高控制性能，而在停止時(shí)使用光柵檢測(cè)的高精度定位；S25、系統(tǒng)提供設(shè)置機(jī)床零點(diǎn)功能，設(shè)置光柵零點(diǎn)時(shí)，設(shè)置光柵的零點(diǎn)偏置保存在CNC系統(tǒng)的鐵電內(nèi)存中，即使系統(tǒng)斷電也不消失，這樣周期反饋的光柵位置與零點(diǎn)偏置值之差就是實(shí)際的光柵反饋位置；S26、伺服系統(tǒng)采用絕對(duì)式編碼器，系統(tǒng)斷電重啟也能記憶伺服反饋位置，反饋的絕對(duì)光柵位置與伺服編碼器反饋的位置之差超過參數(shù)設(shè)置的容許范圍時(shí)，則產(chǎn)生報(bào)警；S27、開啟全閉環(huán)振動(dòng)抑制功能時(shí)，光柵適配器從站將光柵反饋速度通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)發(fā)送到相應(yīng)的伺服系統(tǒng)從站，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)總線從站之間實(shí)時(shí)高速交叉通信。伺服系統(tǒng)速度環(huán)PID控制中，通過納入光柵速度數(shù)據(jù)的計(jì)算，可有效抑制全閉環(huán)機(jī)床的振動(dòng)。優(yōu)選的，系統(tǒng)具有靜態(tài)超差和動(dòng)態(tài)超差參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，指令的位置值與反饋的光柵絕對(duì)位置值在靜態(tài)超差參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)PID閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)光柵位置值到指令的位置值，否則系統(tǒng)指令值跟隨光柵反饋位置值；系統(tǒng)靜止時(shí)，偏差最大值為靜態(tài)超差參數(shù)值，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則偏差最大值自動(dòng)切換到動(dòng)態(tài)超差參數(shù)值，如果系統(tǒng)指令位置值與光柵反饋位置值的偏差值超過偏差最大值時(shí)，啟動(dòng)超差報(bào)警。優(yōu)選的，直線光柵的坐標(biāo)值與系統(tǒng)的指令坐標(biāo)值保持一致，因此可以直接采用PID閉環(huán)處理；而角度光柵反饋值總是在O至360度范圍內(nèi)變化，但指令坐標(biāo)值則可能與它不一致，因此不能直接采用PID閉環(huán)處理，還需要對(duì)反饋光柵坐標(biāo)值作相應(yīng)的匹配換算處理；換算的方法如下光柵多循環(huán)值(整型)=系統(tǒng)指令坐標(biāo)值/360 ；實(shí)際PID計(jì)算的反饋?zhàn)鴺?biāo)值=光柵多循環(huán)值*360+光柵反饋?zhàn)鴺?biāo)值；此時(shí)可進(jìn)行PID全閉環(huán)或雙位置環(huán)的運(yùn)算，這里需要注意的是，反饋的光柵坐標(biāo)值可能在O度與360度的小區(qū)間跳變，此時(shí)得到的PID計(jì)算的反饋?zhàn)鴺?biāo)值可能與指令坐標(biāo)值存在近360度的差值，因此需要考慮這個(gè)因素后的位置值才是最終PID計(jì)算的機(jī)床反饋?zhàn)鴺?biāo)值。優(yōu)選的，除使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議本身的CRC校驗(yàn)外，CNC系統(tǒng)與光柵適配器從站之間的實(shí)時(shí)通信協(xié)議通過雙向握手翻轉(zhuǎn)信號(hào)加以保護(hù)，即CNC系統(tǒng)的指令控制字和光柵適配器從站的反饋控制字周期通信翻轉(zhuǎn)握手，保證周期通信數(shù)據(jù)都具有翻轉(zhuǎn)握手信號(hào)才接收新的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)安全性。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果1、光柵適配器從站可以靈活適配各種光柵設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)更高的通信吞吐量、通信速率及更短的通信周期。2、伺服系統(tǒng)與光柵設(shè)備間能實(shí)現(xiàn)直接高速交叉通信，為閉環(huán)振動(dòng)抑制功能的實(shí)施提供簡(jiǎn)潔強(qiáng)大的技術(shù)支撐。3、閉環(huán)控制系統(tǒng)采用環(huán)形拓?fù)?，連接簡(jiǎn)便，從站設(shè)備可靈活擴(kuò)展。4、閉環(huán)控制系統(tǒng)具備多重系統(tǒng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)安全有效運(yùn)行。


圖1是本發(fā)明基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的系統(tǒng)拓?fù)溥B接圖2是光柵適配器從站軟硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明雙位置環(huán)控制方框圖；圖4光柵適配器(Endat2. 2/Feedat2. O)從站控制軟件處理流程。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例如圖1、圖2所示，本實(shí)施例基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與各從站設(shè)備環(huán)形拓?fù)溥B接，其特征在于，從站包括順序連接的IO單元、數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器、進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器和光柵適配器從站rou，所述光柵適配器從站rou連接直線光柵和角度光柵。所述光柵適配器從站PDU包括FPGA主芯片，串行存儲(chǔ)器EPCS和SDRAM存儲(chǔ)器，以太網(wǎng)物理芯片與雙網(wǎng)絡(luò)接口、電源轉(zhuǎn)換以及光柵設(shè)備串行接口。所述FPGA主芯片采用片上系統(tǒng)SOC技術(shù)，可靈活配置軟硬件系統(tǒng)框架，硬件框架構(gòu)造包括軟核主CPU、與軟核主CPU連接的內(nèi)部RAM、定時(shí)器、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口及光柵通信協(xié)議模塊，通過內(nèi)部Avalon總線互連通信；由軟核主CPU控制程序，通過光柵通信協(xié)議模塊及光柵接口與光柵設(shè)備實(shí)時(shí)通信，并通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口與主站CNC系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互通信，將光柵設(shè)備數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)反饋給主系統(tǒng)。所述數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器連接主軸電機(jī)，所述進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器連接進(jìn)給軸電機(jī)，所述IO單元連接輸入輸出信號(hào)，通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與主系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，有效控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和IO信號(hào)的正常運(yùn)行。如圖4所示，本實(shí)施例基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，包括如下的關(guān)鍵特性(I)基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的CNC系統(tǒng)主站和伺服、數(shù)字主軸、IO及光柵適配器從站的環(huán)行拓?fù)溥B接，系統(tǒng)主站在初始階段自動(dòng)識(shí)別各從站的類型，并根據(jù)各從站類型進(jìn)行周期通信，具體的連接方式參見圖1的工業(yè)以太網(wǎng)總線的系統(tǒng)拓?fù)溥B接圖。(2)每個(gè)光柵適配器從站最多連接6個(gè)絕對(duì)光柵設(shè)備，并可通過工業(yè)以太網(wǎng)擴(kuò)展光柵適配器從站，目前已經(jīng)支持的絕對(duì)光柵包括基于Endat2. 2的海德漢絕對(duì)光柵和基于Feedat2.0的發(fā)格絕對(duì)光柵，光柵從站硬件設(shè)計(jì)框架參見圖2，光柵適配器從站采用AlteraFPGA提供的Quartus-1i及SOPC Builder開發(fā)環(huán)境，建立系統(tǒng)硬件工程，具體硬件工程包括軟核CPU、EPCS存儲(chǔ)芯片、片上RAM、SDRAM、海德漢廠家提供的Endat2. 2協(xié)議或發(fā)格廠家提供的Feedat2. O協(xié)議,及GSK-Link工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議等,通過Avalon總線相互連接,從而實(shí)現(xiàn)基于FPGA的SOC軟硬件系統(tǒng)，不改變硬件的情況下，可以靈活支持多種廠家協(xié)議的絕對(duì)光柵設(shè)備。(3)絕對(duì)光柵從站上電后，軟件初始化系統(tǒng)外圍設(shè)備，設(shè)置各光柵設(shè)備的通信參數(shù)，并自動(dòng)讀取各光柵設(shè)備的ID，光柵類型及光柵精度等信息，開啟光柵周期數(shù)據(jù)周期中斷通信；并通過GSK-Link工業(yè)以太網(wǎng)總線，將各絕對(duì)光柵設(shè)備的類型等參數(shù)發(fā)送給CNC系統(tǒng)主站，然后進(jìn)入正常通信處理流程。
(4)PDU從站系統(tǒng)周期性的讀取各光柵設(shè)備的位置數(shù)據(jù)，并根據(jù)(3)中已得到的光柵類型和光柵精度信息，折算為實(shí)際的絕對(duì)機(jī)床位置，并通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)反饋給CNC系統(tǒng)。(5)系統(tǒng)周期讀取各光柵設(shè)備位置數(shù)據(jù)的同時(shí)，也得到光柵的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)光柵設(shè)備異常報(bào)警時(shí)，也通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)反饋給CNC系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行?；诠I(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)光柵的系統(tǒng)全閉環(huán)控制方法，包括如下的關(guān)鍵特性(I)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線，CNC主系統(tǒng)在初始階段，將反饋的各光柵設(shè)備的絕對(duì)位置作為系統(tǒng)機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)位置；系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，系統(tǒng)指令位置與周期得到的各光柵設(shè)備的絕對(duì)反饋位置數(shù)據(jù)作位置PID閉環(huán)處理，計(jì)算得到的速度指令控制伺服從站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。(2)各光柵軸設(shè)備可通過參數(shù)選擇有效或無效，選擇光柵設(shè)備無效時(shí)，軸控制自動(dòng)進(jìn)入半閉環(huán)控制，但相應(yīng)的光柵位置數(shù)據(jù)可以通過診斷顯示處理，從而有利于用戶調(diào)試光柵設(shè)備。(3)光柵位置方向也可通過參數(shù)設(shè)置選擇，因此可以保證PID位置閉環(huán)的有效運(yùn)行，可防止由于安裝等原因出現(xiàn)PID正反饋的異常情況。(4)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙位置環(huán)功能，以解決全閉環(huán)控制下，對(duì)于間隙比較大的機(jī)床，在較高速度運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)的情況。參見圖3，機(jī)床移動(dòng)中獲得如同半閉環(huán)一樣的高控制性能，而在停止時(shí)使用光柵檢測(cè)的高精度定位。(5)系統(tǒng)提供設(shè)置機(jī)床零點(diǎn)功能，設(shè)置光柵零點(diǎn)時(shí)，設(shè)置光柵的零點(diǎn)偏置保存在CNC系統(tǒng)的鐵電內(nèi)存中，即使系統(tǒng)斷電也不消失。這樣周期反饋的光柵位置與零點(diǎn)偏置值之差就是實(shí)際的光柵反饋位置。(6)為有效保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，除提供光柵設(shè)備報(bào)警功能外，因伺服編碼器采用絕對(duì)式編碼器，反饋的絕對(duì)光柵尺的坐標(biāo)與伺服編碼器反饋的坐標(biāo)值的差值超過參數(shù)設(shè)置的容許范圍時(shí)，則產(chǎn)生報(bào)警，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。(7)系統(tǒng)具有靜態(tài)超差和動(dòng)態(tài)超差兩種參數(shù)，可以起到兩方面的作用a.當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，指令的位置值與反饋的光柵絕對(duì)位置值在靜態(tài)超差參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)PID閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)光柵位置值到指令的位置值，否則系統(tǒng)指令值跟隨光柵反饋位置值。b.系統(tǒng)靜止時(shí)，容許的偏差最大值為靜態(tài)超差參數(shù)值；系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則容許的偏差最大值自動(dòng)切換到動(dòng)態(tài)超差參數(shù)值，如果系統(tǒng)指令位置值與光柵反饋位置值的偏差值超過容許的偏差最大值時(shí)，產(chǎn)生超差報(bào)警，對(duì)系統(tǒng)起到安全保護(hù)作用。(8)絕對(duì)式光柵尺類型主要有兩種直線光柵和角度光柵。直線光柵的反饋值與系統(tǒng)的指令值保持一致，因此可以直接采用PID閉環(huán)處理；而角度光柵的反饋值總是在O至360度內(nèi)變化，但指令坐標(biāo)值則可能與它不一致，因此不能直接采用PID閉環(huán)處理，還需要對(duì)反饋光柵坐標(biāo)值作相應(yīng)的匹配換算處理。換算的方法由系統(tǒng)指令坐標(biāo)得到多循環(huán)值，由多循環(huán)值乘以360度，再加上光柵反饋?zhàn)鴺?biāo)值即為換算后的機(jī)床反饋?zhàn)鴺?biāo)值，此時(shí)可進(jìn)行PID全閉環(huán)或雙位置環(huán)的運(yùn)算。還需要注意的是，反饋的光柵坐標(biāo)值可能在O度和360度的小區(qū)間內(nèi)跳變，此時(shí)得到的機(jī)床反饋?zhàn)鴺?biāo)值可能與指令坐標(biāo)值存在360度的計(jì)算差值，因此需要考慮這個(gè)因素后的值才是實(shí)際的機(jī)床反饋?zhàn)鴺?biāo)值。
(9)CNC系統(tǒng)與絕對(duì)光柵從站之間的通信協(xié)議通過雙向握手翻轉(zhuǎn)信號(hào)加以保護(hù)，即CNC系統(tǒng)的指令控制字和光柵從站的反饋控制字每次翻轉(zhuǎn)握手，使每次的正常通信數(shù)據(jù)都具有翻轉(zhuǎn)握手信號(hào)，進(jìn)一步保證系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)正確性。(10)對(duì)于(8)所述的角度光柵，在旋轉(zhuǎn)軸一直往相同的方向運(yùn)動(dòng)的情況下，為了保證系統(tǒng)的運(yùn)算精度以及防止數(shù)據(jù)溢出的問題，系統(tǒng)需采用雙精度浮點(diǎn)PID閉環(huán)運(yùn)算。為此采用FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位控功能，可大大減輕系統(tǒng)負(fù)荷，并得到更短的閉環(huán)控制周期與系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信周期，從而確保閉環(huán)控制的有效運(yùn)行。(11)光柵振動(dòng)抑制是全閉環(huán)光柵控制中需要重點(diǎn)解決的問題。由于采用(4)中提到的雙位置環(huán)控制方法會(huì)帶來加工過程中的精度損失，因此必須采用全閉環(huán)控制，但由于機(jī)床在加減速控制等情況下，伺服電機(jī)與機(jī)械之間會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生速度差而導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)，因此需要將光柵設(shè)備反饋的速度(即機(jī)床速度)通過總線交叉通信實(shí)時(shí)反饋給伺服系統(tǒng)，根據(jù)伺服電機(jī)和機(jī)械速度的差值作為電流(力矩)控制的考量因素，可以避免機(jī)床的振動(dòng)。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)總線與各從站設(shè)備環(huán)形拓?fù)溥B接，其特征在于，從站包括順序連接的IO單元、數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器、進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器和光柵適配器從站rou，所述光柵適配器從站PDU連接直線光柵和角度光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)，其特征在于，所述光柵適配器從站PDU包括FPGA主芯片，串行存儲(chǔ)器EPCS和SDRAM存儲(chǔ)器，以太網(wǎng)物理芯片與雙網(wǎng)絡(luò)接口、電源轉(zhuǎn)換以及光柵設(shè)備串行接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述FPGA主芯片采用片上系統(tǒng)SOC技術(shù)，可靈活配置軟硬件系統(tǒng)框架，硬件框架構(gòu)造包括軟核主CPU、與軟核主CPU連接的內(nèi)部RAM、定時(shí)器、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口及光柵通信協(xié)議模塊，通過內(nèi)部Avalon總線互連通信；由軟核主CPU控制程序，通過光柵通信協(xié)議模塊及光柵接口與光柵設(shè)備實(shí)時(shí)通信，并通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議接口與主站CNC系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互通信，將光柵設(shè)備數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)反饋給主系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器連接主軸電機(jī)，所述進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器連接進(jìn)給軸電機(jī)，所述IO單元連接輸入輸出信號(hào)，通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與主系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，有效控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和IO信號(hào)的正常運(yùn)行。
5.一種基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，其特征在于，包括下述步驟: S11、基于工業(yè)以太網(wǎng)的CNC系統(tǒng)主站和伺服驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器、IO單元以及光柵適配器從站的環(huán)形拓?fù)溥B接； 512、光柵適配器從站連接絕對(duì)光柵設(shè)備，光柵適配器從站采用AlteraFPGA提供的Quartus-1i及SOPC Builder開發(fā)環(huán)境,建立系統(tǒng)硬件工程； S13、光柵適配器從站上電后，軟件初始化系統(tǒng)外圍設(shè)備,讀取各光柵設(shè)備的ID,光柵類型及光柵精度等信息，通過GSK-Link工業(yè)以太網(wǎng)總線，交互各光柵設(shè)備的通信和類型參數(shù)，并開啟光柵周期數(shù)據(jù)通信中斷和工業(yè)以太網(wǎng)總線中斷，然后系統(tǒng)進(jìn)入正常周期通信處理流程； S14、系統(tǒng)周期性的讀取各光柵設(shè)備的位置數(shù)據(jù)，并根據(jù)步驟S13中已得到的光柵類型和光柵精度信息，折算為實(shí)際光柵絕對(duì)位置，通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)反饋給CNC主系統(tǒng)； S15、系統(tǒng)周期讀取各光柵設(shè)備位置數(shù)據(jù)與速度數(shù)據(jù)的同時(shí)，也實(shí)時(shí)得到光柵的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)光柵設(shè)備異常報(bào)警時(shí)，也通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)反饋給CNC主系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，其特征在于，步驟S14中，折算光柵實(shí)際絕對(duì)位置的具體方法如下: S141、系統(tǒng)指令位置的指令精度單位和反饋位置數(shù)據(jù)的檢測(cè)精度單位保持一致，綜合實(shí)際使用需求，按照0.1um的精度單位進(jìn)行； S142、在步驟S13初始化中系統(tǒng)自動(dòng)得到光柵的類型和光柵精度信息，光柵類型主要包括直線光柵和角度光柵，對(duì)于直線光柵，單位為nm，角度光柵為每轉(zhuǎn)脈沖個(gè)數(shù)，因此直線光柵的計(jì)算因子為:光柵精度數(shù)據(jù)/100 (0.1um),而角度光柵計(jì)算因子為:360*10000/光柵精度數(shù)據(jù)(0.1udeg)； S143、光柵絕對(duì)位置=光柵反饋位置數(shù)據(jù)*光柵計(jì)算因子。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，其特征在于，所述控制方法為全閉環(huán)控制方法，全閉環(huán)控制方法具體步驟如下: 521、通過工業(yè)以太網(wǎng)總線，CNC系統(tǒng)在初始階段或急停松開時(shí)，將反饋的各光柵設(shè)備的絕對(duì)位置作為系統(tǒng)機(jī)床坐標(biāo)位置；系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，系統(tǒng)指令位置與周期得到的各光柵設(shè)備的絕對(duì)位置數(shù)據(jù)作位置PID閉環(huán)處理，得到的指令速度控制伺服系統(tǒng)的運(yùn)行，最終帶動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)； 522、各光柵軸設(shè)備通過參數(shù)選擇有效或無效，光柵軸設(shè)備選擇無效時(shí)，由伺服的反饋位置作半閉環(huán)處理，但相應(yīng)的光柵位置數(shù)據(jù)可通過診斷顯示出來； 523、光柵位置方向可通過參數(shù)設(shè)置選擇,確保光柵運(yùn)動(dòng)方向與伺服軸運(yùn)動(dòng)方向保持一致，從而保證PID位置閉環(huán)的有效運(yùn)行； 524、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙位置環(huán)功能，以解決全閉環(huán)控制下，對(duì)于間隙比較大的機(jī)床，在較高速度運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)機(jī)床振動(dòng)的情況，機(jī)床運(yùn)動(dòng)移動(dòng)中獲得如同半閉環(huán)一樣的高控制性能，而在停止時(shí)使用光柵檢測(cè)的高精度定位； 525、系統(tǒng)提供設(shè)置機(jī)床零點(diǎn)功能，設(shè)置光柵零點(diǎn)時(shí)，設(shè)置光柵的零點(diǎn)偏置保存在CNC系統(tǒng)的鐵電內(nèi)存中，即使系統(tǒng)斷電也不消失，這樣周期反饋的光柵位置與零點(diǎn)偏置值之差就是實(shí)際的光柵反饋位置； 526、伺服系統(tǒng)采用絕對(duì)式編碼器，系統(tǒng)斷電重啟也能記憶伺服反饋位置，反饋的絕對(duì)光柵位置與伺服編碼器反饋的位置之差超過參數(shù)設(shè)置的容許范圍時(shí)，則產(chǎn)生報(bào)警； 527、開啟全閉環(huán)振動(dòng)抑制功能時(shí)，光柵適配器從站將光柵反饋速度通過工業(yè)以太網(wǎng)總線實(shí)時(shí)發(fā)送到相應(yīng)的伺服系統(tǒng)從站，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)總線從站之間實(shí)時(shí)高速交叉通信，伺服系統(tǒng)速度環(huán)PID控制中，通過納入光柵速度數(shù)據(jù)的計(jì)算，可有效抑制全閉環(huán)機(jī)床的振動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求 7所述基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，其特征在于，系統(tǒng)具有靜態(tài)超差和動(dòng)態(tài)超差參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)，指令的位置值與反饋的光柵絕對(duì)位置值在靜態(tài)超差參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)I3ID閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)光柵位置值到指令的位置值，否則系統(tǒng)指令值跟隨光柵反饋位置值；系統(tǒng)靜止時(shí)，偏差最大值為靜態(tài)超差參數(shù)值，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則偏差最大值自動(dòng)切換到動(dòng)態(tài)超差參數(shù)值，如果系統(tǒng)指令位置值與光柵反饋位置值的偏差值超過偏差最大值時(shí)，啟動(dòng)超差報(bào)警。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，其特征在于，直線光柵的坐標(biāo)值與系統(tǒng)的指令坐標(biāo)值保持一致，因此可以直接采用PID閉環(huán)處理；而角度光柵反饋值總是在O至360度范圍內(nèi)變化，但指令坐標(biāo)值則可能與它不一致，因此不能直接采用PID閉環(huán)處理，還需要對(duì)反饋光柵坐標(biāo)值作相應(yīng)的匹配換算處理；換算的方法如下: 光柵多循環(huán)值=系統(tǒng)指令坐標(biāo)值/360 ； 實(shí)際PID計(jì)算的反饋?zhàn)鴺?biāo)值=光柵多循環(huán)值*360+光柵反饋?zhàn)鴺?biāo)值 此時(shí)可進(jìn)行PID全閉環(huán)或雙位置環(huán)的運(yùn)算，這里需要注意的是，反饋的光柵坐標(biāo)值可能在O度與360度的小區(qū)間跳變，此時(shí)得到的PID計(jì)算的反饋?zhàn)鴺?biāo)值可能與指令坐標(biāo)值存在近360度的差值，因此需要考慮這個(gè)因素后的位置值才是最終PID計(jì)算的機(jī)床反饋?zhàn)鴺?biāo)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制方法，其特征在于，除使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議本身的CRC校驗(yàn)外，CNC系統(tǒng)與光柵適配器從站之間的實(shí)時(shí)通信協(xié)議通過雙向握手翻轉(zhuǎn)信號(hào)加以保護(hù)，即CNC系統(tǒng)的指令控制字和光柵適配器從站的反饋控制字周期通信翻轉(zhuǎn)握手，保證周期通信數(shù)據(jù)都具有翻轉(zhuǎn)握手信號(hào)才接收新的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù) 安全性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)總線的絕對(duì)式光柵控制系統(tǒng)及控制方法，由數(shù)控系統(tǒng)主站通過工業(yè)以太網(wǎng)總線順序連接IO單元、數(shù)字主軸驅(qū)動(dòng)器、進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)器和光柵適配器從站PDU等，所述光柵適配器從站PDU連接有X軸直線光柵、Y軸直線光柵、Z軸直線光柵和角度光柵。本發(fā)明光柵適配器從站可以靈活適配各種光柵設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)更高的通信吞吐量、通信速率及更短的通信周期，伺服系統(tǒng)與光柵設(shè)備間能實(shí)現(xiàn)直接高速交叉通信，為閉環(huán)振動(dòng)抑制功能的實(shí)施提供簡(jiǎn)潔強(qiáng)大的技術(shù)支撐。同時(shí)本發(fā)明閉環(huán)控制系統(tǒng)采用環(huán)形拓?fù)洌B接簡(jiǎn)便，從站設(shè)備可靈活擴(kuò)展，閉環(huán)控制系統(tǒng)具備多重系統(tǒng)保護(hù)功能，保證系統(tǒng)安全有效運(yùn)行。
文檔編號(hào)G05B19/418GK103076780SQ20121058414
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者鄧龍軍, 孔德裔 申請(qǐng)人:廣州數(shù)控設(shè)備有限公司