基于ethercat总线技术的pc数控系统的发展现状及前景

1、基于EtherCAT总线技术的PC数控系统的发展现状与前景何珊珊（测试计量技术及仪器，机电工程系，19920121152701）摘要目前国产数控装置与伺服驱动之间的接口仍然采用 “脉冲量或模拟量接口”标准，不能满足高速高精数控系统的通信要求，已经成为高档数控系统发展的主要瓶颈。而国外高档数控系统内部各模块之间的通信大都采用数字式现场总线，解决了通信瓶颈问题。但是这些现场总线多采用专用的硬件设备，技术保密，互不兼容，开发成本高。相对而言，以太网技术成熟、开放性好、兼容性强、成本低。基于EtherCAT总线技术更是具有很多不可替代的优势。因此将以太网技术引入数控系统，实现数控系统现场级实时通信与同

2、步是我国下一代高档数控系统的重要研究内容，论文围绕这个主题展开研究。Abstract The pulse or analog interface standard is still used in communication between CNC (Computer Numerical Control) equipment and servos in domestic CNC systems. The behindhand standard has become the bottleneck to the development of high capability CNC system b

3、ecause they cannot meet the requirement of high speed and high precision. To cope with the bottleneck, most of foreign companies use fieldbus for CNC communication among the inner modules. However, these fieldbuses use special hardware equipment, which made them incompatible and high costs. Comparat

4、ively, Ethernet technology is mature, low cost and good compatibility. Therefore, the fieldbus for CNC system based on Ethernet technology is one of most important researches for the next generation CNC system. Here, the topic of “Ethernet based CNC fieldbus system” is proposed, and the research is

5、outspread around this topic.关键字 数控系统 EtherCAT 总线技术 发展现状 1 引言随着微电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的不断发展和迅速应用，在制造业中，数控技术和数控机床不断更新换代，正向着高速度、多功能、智能化、开放型以及高可靠性等方面迅速发展。数控机床的生产量和数控技术的应用已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。为了同时保证加工的高速度和高精度，控制系统必须在第一时间掌握加工状况，并能在最短时间内将控制命令发送到伺服系统中。因此要求数控系统能在短时间内处理大量数据的能力，即，在加工过程中能准确及时的将加工信息向控制系统反馈，控

6、制系统迅速的做出反应，调整控制策略。这要求数控系统有高速的数据通讯系统。高速高精加工要求控制系统能实时得到现场设备的反馈信息，并及时的做出响应，才能在复杂加工环境下保证加工质量，这要求控制系统与现场设备的通讯具备高速、实时性能。由于加工现场存在不同的信号干扰，为避免传输干扰，保证控制、测量精度，控制系统与现场设备的通讯最好使用数字化的方式。后来控制、计算机、通信、电子、网络技术的发展，信息交流沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场。信息技术的飞快发展，导致了自动化系统结构的变革，而逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统

7、。在数控系统中，个人计算机技术与数控技术越来越紧密地结合，由此而产生的具有开放性的pc数控系统，正在取代传统形式的数控系统，并成为市场的主流产品。当前高速发展的装备制造技术，要求控制器必须满足高速高精高效化、柔性加工、工艺复合和多轴化和实时智能控制。数控系统本身也朝着开放化(open architecture)、智能化(intelligence)、平台化(standardized platform)、网络化(network)和CAD+CAM+CNC无缝整合方向发展。因此，传统数控系统控制接口(模拟式、脉冲式)方式，已不能满足高速、高精、多通道、复合化的要求，未来必然将被淘汰。根据国际数控系统技

8、术发展的趋势，下一代数控系统的控制接口应采用现场总线技术的控制接口。现场总线支持数据双向传输，线缆大大简化，具有传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强和较高的实时性和高可靠性等特点，适合数控机床不断发展的高速、高精度的加工要求。计算机总线结构变革，必将影响数控系统的体系结构，串行总线的应用将极大地改变现有的传统数控系统的结构形式。2 基于总线技术的PC数控系统以及传统数控系统的比较2.1 基于总线技术的PC数控系统在计算机系统中，总线对整个系统的性能和功能都有直接影响，有关专家预测，串行总线将逐渐取代并行总线。传统数控系统和每台伺服单元相连都需要一根电缆线，系统连接比较复杂， 若改用高速串行总线

9、连接，仅需要一根光缆就可以连接8个伺服单元。大大简化了电气配线，整个系统连接非常简单，从而降低了成本和维修难度，提高了可靠性和灵活性。随着电子技术以及现场总线技术的发展，国外高性能数控系统越来越多的使用现场总线的方式实现控制系统与现场设备间的通讯，现场总线的技术特点如下：（1）“高速性”：现场总线的传输速度虽然没有其他高速网络（如以太网）快，但完全能应付工业上小数据量、高频率的数据传输。如CAN总线的传输速率达到1Mb/s，而Profibus的传输速率更是达到12Mb/s。（2）“数字化”:现场总线用数字化通信取代4-20mA模拟仪表，传统的自动化控制技术中现场设备与控制设备是通过一对一的方式

10、(一个I/O点对现场设备的一个测控点)连接，即所谓I/O接线方式，信号以4-20mA (传送模拟信号)或24VDC(传送开关量信号)传递。现场总线技术采用一条通信电缆连接控制设备和现场设备，使用数字化通信完成对现场设备的联络和控制。利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了系统性能。（3）“底层智能控制站点”:通过控制功能的下移，实现彻底的分散控制。现场总线技术是计算机网络通信向现场级的延伸，因此它可以把DCS控制站的功能分散地分配给现场仪表，构成虚拟的控制站，这样就废弃了DCS的I/O单元和控制站。现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制或运算功能，通过微处理器能够

11、完成诸如PIS等算法和逻辑控制，实现一表多能，测量控制一体化。通过现场仪表和装置就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了控制系统的可靠性、自治性和灵活性。（4）“互操作性”：现场总线由于功能分散在多台现场仪表中，并且可以统一组态，供用户灵活地选用各种功能模块，因此现场仪表或设备通过一对传输线互连就可实现不同厂商产品的交互操作和互换，将各厂商性能价格比最优的产品集成在一起，实现“即接即用”，即所谓互操作性。这样，用户也能自由地集成现场总线控制系统，这是将来数控系统可重构性创造了条件。（5）“真正的开放式系统”:现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准都是公开的，用户可以自由地集成不同厂商

12、的通信网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。它的实施有利于解决工厂各层次的信息集成及支撑技术计算机网络问题，有利于构筑CIMS网络系统，并有效地发挥作用。此外，用户可以很方便地共享网络数据库。集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体，现场总线技术采用计算机数字通信技术连接现场设备。控制设备可以很便捷地从现场设备获取所需的信息，能够实现设备状态、故障、参数信息的快速传送，完成对设备的远程控制、参数化及故障的诊断工作。（6）“简易的连接方式”:一对一传输线互连多台仪器，双向传输多个信号，可大大减少连线数量，使系统的安装成本降低，易于推广维护，提高了系统的可靠性。使用现场总线不但可以很

13、好的解决高速高精加工对通讯技术的要求，更使数控系统的开放性能、可靠性大大提高，已成为目前高性能数控系统的重要发展方向。国内对基于现场总线的数控系统已有研究，但是目前还未能推出成熟产品。华中数控有限公司作为我国自主产权的数控系统研发、生产公司，自上世纪90年代以来推出多款自主产权的数控系统，在国内市场上占有一定市场，并享有较高声誉。以目前华中数控推出的世纪星数控系统为例，世纪星系统与现场设备的通讯方式主要有两种：（1）模拟量控制，直接输出电流，对电机进行速度控制。（2）脉冲数字控制，向步进电机或者数字伺服电机发出脉冲数据，进行位置增量控制。模拟量控制容易被外界干扰，而且对控制系统的要求较高，目前

14、正在被数字控制所取代。对于脉冲数字控制，脉冲的发送与接收速度有限难以提高电机的响应速度，例如，实现60m/min的进给速度，需要控制系统以1000p/ms速率发出脉冲，发送频率达到1MHz，如果需要更高的速度，则发送频率超过1MHz，对于脉冲方式来说，现有的设备难以实现这个目标；此外，使用脉冲方式受脉冲分频器的限制，发送周期的精度难以保高速高精加工要求控制系统能实时得到现场设备的反馈信息，并及时的做出响应，才能在复杂加工环境下保证加工质量，这要求控制系统与现场设备的通讯具备高速、实时性能。由于加工现场存在不同的信号干扰，为避免传输干扰，保证控制、测量精度，控制系统与现场设备的通讯最好使用数字化

15、的方式。数控系统的平台由硬件平台和通用的软件模块组成。在硬件平台方面,个人计算机已发展到以Pentium为主流,标准内存配置为64M128M或更高；性能的快速提高,使它可以满足作为数控系统核心部件的要求。此外, PC机生产批量大,价格便宜。高标准的硬件结构、配置及优异的性能价格比,使得PC机理所当然地成为开发数控系统的首选硬件平台,在PC机上开发CNC,已成为大多数国家数控同行的共识。欧盟的OSACA项目所制定的开放式数控系统的标准规范即以PC为标准平台。1994年,基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场,并在此后获得了高速发展。1996年芝加哥和1997年北京的国际机床展览会中,一个十分显

16、著的特征,就是出现了越来越多的以个人计算机为基础(PC2based)的控制器。过去生产专用控制器的几家大制造商,也纷纷推出以个人计算机为基础的控制器新产品系列。我国在“八五”期间提出了以自主版权为目标,以平台为基础的发展战略,在攻关过程中,瞄准或调整到以PC机为基础的发展路线上,形成了两种平台,开发出了4个基本系统,其中华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统,航天I型和蓝天I型是将PC机嵌入到数控之中构成的多机数控系统。国内其它单位也都先后加入了开放式体系结构系统的开发,如:沈阳数控研究中心开发的具有自主版权的CNCLT28520/8530；沈阳数字控制股份有限公司

17、消化吸收引进产品开发了S2PBC数控系统；北京机床研究所引进了德国PA公司的开放式CNC系统PA8000的全套技术,对其产品应用进行开发;南京航空航天大学研制的基于PC平台的超人计算机数控系统已调试成功并投入使用,可完成5轴控制,任意空间直线4轴插补,圆弧、椭圆、抛物线、样条曲线插补等；在2001年的上海工博会上,上海第三机床厂推出了具有自主知识产权的PC平台开放式数控系统。2.2 传统数控系统（模拟/脉冲）数控系统的发展趋势是高速、高精和高可靠性，而通讯方式的实时性、可靠性及并行处理的同步性是决定数控系统高速、高精和高可靠性的一个重要因素。目前的国产数控系统中,数控系统与伺服驱动器的通讯接口

18、形式主要有两种：模拟量接口和脉冲量接口。模拟量接口遵循 EIA 的 RS-431 定义的标准，其电压的幅值代表速度、极性代表方向，这个“速度命令”信号通常调整到 7-10V，该电压代表电动机全速运转，因而称之为“正负 10V 命令”。模拟量接口的缺点是：模拟量电压容易受到电磁干扰造成刀具移动速度产生波动，工件的加工表面不光滑；在 D/A 和 A/D 转换过程中存在转换误差,机床数控系统位置环调节器输出的实时指令数据在传输到伺服系统时产生误差,影响了电机的控制性能,难于实现高精度加工控制过程；只能从控制器到驱动器单向传送一条指令，严重限制了信息量；接线复杂，布线成本高，大量的接线加上缺乏诊断能力

19、常常导致故障检测困难。脉冲量接口把移动速度转化为脉冲频率,把运动位置转化为脉冲个数,最后以“脉冲+方向”或“正负脉冲”的形式把速度和位置信息传给伺服驱动器。这种接口的缺点是传输线容易受到干扰，因而丢失脉冲,造成刀具不能移动到指定位置；对脉冲频率有限制,因而其加工速度低；采用脉冲接口方式的数控系统是开环系统,不能进行位置补偿,导致其加工精度不高。长期以来,我国的数控系统为传统的封闭式体系结构,CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定,加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节,整个制

20、造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下,加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数,无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整,更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量,因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见,传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构,限制了CNC向多变量智能化控制发展,己不适应日益复杂的制造过程,因此,大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。对于传统的数控系统，其具有如下的缺点：1）脉冲数据

21、传送频率限制：发送脉冲数据的最高频率一般在1MHz左右，即1毫秒传送1000个脉冲，例如，华中数控M22型世纪星数控系统脉冲发生器一个周期最多能发送4096个脉冲，周期为4ms，对2500线的电机而言速度不超过3000p/min。2）脉冲发生器分频限制：脉冲发生器收到数据指令后需要将数据分频发出，由于脉冲发生模块晶振频率固定，而发送数据是不同的，根据不同数据进行分频将导致每次发送脉冲的周期不能精确相同，从而导致系统的插补周期不同。3）用户的应用，维护以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，系统维护费用较高。4）系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长。5）大量市售廉价通用

22、软硬件在专用的数控系统上无法使用，功能比较单一。上述缺点使得脉冲数据传送方式难以满足高速高精加工要求，必须使用其他通讯方式，因此，现场总线技术顺运而生。针对高速高精数控系统对通讯技术的要求，将现场总线技术应用到控制系统（下位机）与现场设备（伺服系统）的通讯中，保证数控系统与现场设备间通讯的高速、实时性能。使用总线实现控制系统与现场设备通讯原理图如图2.1所示。2.3 基于总线技术的PC数控系统以及传统数控系统的比较根据上两节对基于总线技术的PC数控系统和传统数控系统的描述后，本小节将对两代新旧数控系统进行较为详细的对比。首先从宏观的角度对传统数控系统和基于总线的数控系统进行对比，分别从系统结构

23、及可伸缩性、系统可维护性、软件开发难易性、特殊专用系统开发、联网性、PLC软件、接口、程序容量等方面进行比较，如表2.1所示。图2.1 总线实现控制系统通讯原理图3 基于开放式EtherCAT总线与其他总线技术的PC数控系统的对比3.1 现场总线技术的主要特点现场总线是以单个分散的数字化智能化的测量控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。相比传统数控系统，现场总线技术具有如下的特点。1） 系统的开放性传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通信。在现场总线技术中，用户可按自己的需要和对象，将来自不同供应商的产品

24、组成大小随意的系统。2） 可操作性与可靠性现场总线在选用相同的通信协议情况下，只要选择合适的总线网卡、插口与适配器即可实现互连设备间、系统间的信息传输与沟通，大大减少接线与查线的工作量，有效提高控制的可靠性。3） 现场设备的智能化与功能自治性传统数控机床的信号传递是模拟信号的单向传递，信号在传递过程中产生的误差较大，系统难以迅速判断故障而带故障运行。而现场总线中采用双向数字通信，将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，可随时诊断设备的运行状态。表2.1 传统数控系统和基于总线的数控系统对比比较项传统数控系统总线技术的PC数控系统系统结构及可伸缩性硬件专用软件，不易伸缩

25、硬件基于PC，软件基于通用操作系统，系统可根据需要进行伸缩系统可维护性随着技术进步，需开发、生产专用的硬件，难于适应竞争的日益剧烈要求紧跟PC技术发展，容易升级软件开发难易性软件为CNC制造商独占，机床厂、用户难于进行二次开发，以引进独创部分使用开放软件平台，机床制造商、用户可以根据需要开发自己的软件特殊专用系统开发对特殊、专用系统开发不容易，需花大量时间使用开放软件平台和C+等高级语言，容易开发联网性须用专用硬件和专有通讯技术（方法），联网成本高与PC联网技术相同，联网成本高PLC软件须用制造商专用语言，难以移植，维修困难使用符合标准的PLC，可移植性强，容易开发接口用专用接口，只能使用特定

26、制造商产品使用标准化接口，容易与各类伺服、步进电动驱动及主轴电机联接程序容量专用RAM，通常只有128KB，扩容成本高，对大型模具程序，需采用DNC通用RAM，内存4M以上，可扩至64MB，并可配置硬盘，一次性调入巨量程序4） 对现场环境的适应性现场总线是作为适应现场环境工作而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线及电力线等，其具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安全及防爆要求等。总之，在数控机床中，各种控制器、执行器以及传感器之间通过现场总线连接，线缆少、易敷设、实现成本低，而且系统设计更加灵活，信号传输可靠性高且抗干扰能力强。数控机床基于现场总线的控制系统

27、将逐渐取代原有控制系统，复杂的线束将被现场总线所代替。据资料介绍，目前国内已经成功开发出应用于高档数控机床的总线式数控系统，具备支持32轴6通道、768IN/512OUT开关量控制，且支持用户二次开发。3.2EtherCAT总线技术EtherCAT 是开放的实时以太网络通讯协议，最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议(SIL3)。目前有多种用于提供实时功能的以太网方案

28、：例如，通过较高级的协议层禁止CSMA/CD存取过程，并使用时间片或轮询过程来取代它。其它方案使用专用交换机，并采用精确的时间控制方式分配以太网数据包。尽管这些解决方案能够比较快和比较准确地将数据包传送到所连接的以太网节点，但带宽的利用率却很低，特别是对于典型的自动化设备，因为即使对于非常小的数据量，也必须要发送一个完整的以太网帧。而且，重新定向到输出或驱动控制器，以及读取输入数据所需的时间主要取决于执行方式。通常也需要使用一条总线，特别是在模块化I/O系统中，这些系统与Beckhoff K总线一样，通过同步子总线系统加快传输速度，但是这样的同步将无法避免引起通讯总线传输的延迟。通过采用Eth

29、erCAT技术， Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制：不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据。当帧通过每一个设备（包括底层端子设备）时，EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样，输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递 （仅被延迟几位）过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。从以太网的角度看，EtherCA

30、T总线网段只是一个可接收和发送以太网帧的大型以太网设备。但是，该“设备”不包含带下游微处理器的单个以太网控制器，而只包含大量的EtherCAT从站。与其它任何以太网一样，EtherCAT不需要通过交换机就可以建立通讯，因而产生一个纯粹的EtherCAT系统。EtherCAT协议针对过程数据进行了优化，它被直接传送到以太网帧，或被压缩到UDP/IP数据报文中。UDP协议在其它子网中的 EtherCAT网段由路由器进行寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个EtherCAT 报文，每个报文专门用于特定存储区域，该存储区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像。由于数据链独立于EtherCAT端

31、子物理顺序，因此可以对EtherCAT端子进行任意编址。从站之间可进行广播、多点传送和通讯。该协议还可处理通常为非循环的参数通讯。参数的结构和含义通过 CANopen设备行规进行设定，这些设备行规用于多种设备类别和应用。EtherCAT 还支持符合 IEC61491 标准的从属行规。该行规以SERCOS 命名，被全球运动控制应用领域普遍认可。除了符合主站/从站原理的数据交换外，EtherCAT还非常适用于控制器之间（主站/主站）的通讯。可自由编址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务，可以满足众多要求。用于主站/从站和主站/主站通讯的数据接口是相同的。EtherCAT在网络

32、性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30s，其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300s。与100个伺服轴的通讯只需100s。在此期间，可以向所有轴提供设置值和控制数据，并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。利用 EtherCAT 技术的优异性能，可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样，通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可

33、并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式I/O的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。这种网络性能优势在有相对中等的计算能力的小型控制器中较为明显。EtherCAT的高速循环，可以在两个控制循环之间完成。因此，控制器总有可用的最新输入数据，输出编址的延迟最小。在无需增强本身计算能力的基础上，控制器的响应行为得到显著改善。EtherCAT技术的原理具备扩展性，不束缚于100M带宽扩展至G兆位的以太网也是可能的。随着PC组件小型化的加速发展，工业PC的体积主要取决于所需要的插槽数目。高速以太网带宽以及EtherCAT通

34、讯硬件（EtherCAT从站控制器）数据带宽的利用，开辟了新的应用可能性：通常位于IPC中的接口被转移到EtherCAT系统中的智能化接口端子上。除分散式I/O、轴和控制单元外，现场总线主站、高速串行接口、网关和其它通讯接口等复杂系统可以通过PC上的一个以太网端口进行寻址。甚至对无协议变体限制的其它以太网设备也可通过分布式交换机端子进行连接。如图3.1所示，工业PC主机体积越来越小，成本也越来越低，一个以太网接口足以应对所有的通讯任务。用以太网代替PCI现场总线设备（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通过分布式现场总线主站端子进行集成。不使用现场总线主站节省了P

35、C中的PCI插槽。图3.1 基于EtherCAT总线技术的PC数控系统3.3 其他典型总线技术3.3.1. CAN总线的应用开放式、网络化数控系统已成为当前数控技术发展的主要趋势。CAN总线适用于数据交换简短而频繁的场合，是解决工业控制设备之间数据通信的有效方式，可以方便有效地构成分布式实时过程检测与控制系统。由于基于CAN总线的数据通信具有高可靠性、实时性和灵活性等特点，特别适合于工业现场自动化设备的互连，在汽车工业等领域得到了广泛的应用。CAN总线标准也是现场总线的国际标准之一(ISO11898)。图3.2 CAN总线的开放式数控系统架构如图3.2所示，CAN通过“无损的逐位仲裁”方法来使

36、有最高优先权的报文优先发送。在CAN总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个29位数字的ID。CAN总线状态取决于二进制0而不是1，所以ID号越小，则报文拥有越高的优先权。本通信系统共设置8个优先级，CNC系统与主轴之间交换的数据设置为最高优先级，即将其数据帧的仲裁段设置为全0。CNC系统与七个伺服轴之间交换的数据的优先级被分别依次设置为优先级17。基于CAN总线的数控机床网络解决了局域网型数控机床的缺点，结构简单、实时性好、可靠性高、通信距离长、连接设备多。3.3.2. AS-Interface总线技术在数控机床中的应用在AS-Interface网络中网关控制着AS-Interface电缆的通

37、信，一个网络最大可以连接62个模块（V2.1以下版本），单个模块最多可配置8个输入信号或8个输出信号，一共可以配置248个输人信号和248个输出信号。网关或扫描器按顺序呼叫模块并等待同应，如果响应失败，则会重复呼叫；如果仍然没有响应，网关或扫描器会记录模块地址并反馈给PLC，网关或扫描器回继续尝试访问未响应的地址。每次循环，4个位的信息会被网关或扫描器传送给模块，然后另外4个位的信息被返回。在传统的接线中，电源必须连接到每只传感器或执行器，并且信号线必须连接到I/O模块中，这种连线方式的缺点是接线费用高和安装时间长。如果使用远程I/O模块，电缆的总量减少了但接点的总量保持相同。相对于以上两种选

38、择，AS-Interface具有下列优点：电源和信号在两根导线上传输，减少了节点数日；用电缆穿刺技术减少了电缆的连接，电缆的高绝缘性能减小了额外保护并减少了安装时间；省略了I/O模块，AS-Interface主控机取代了模块，并使数据能通过总线系统传送到PLC。在小的系统中因为AS-Interface主控机集成成了PLC功能，故可省略PLC；少量的I/O模块减少了或省略了电缆管和电柜。4 基于开放式EtherCAT总线 的PC数控系统的发展前景4.1数控系统的发展前景数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化, 使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国

39、计民生的一些重要行业( IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界数控技术及装备发展趋势来看,其研究热点有以下方面。1） 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术能极大地提高效率, 产品质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此, 日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一, 国际生产工程学会( CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域,年产30万辆的生产节拍是40 s/辆, 且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域, 其加

40、工的零部件多为薄壁和薄筋, 刚度很差,材料为铝或铝合金, 只有在高切削速度和切削力很小的情况下, 才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料掏空的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多铆钉、螺钉和其它联结方式拼装, 使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。在加工精度方面,近10年来, 普通级数控机床的加工精度由10um提高到5um,精密级加工中心则从3 5um, 提高到1 1. 5um, 且超精密加工精度已开始进入纳米级( 0.01um)。在可靠性方面, 国外数控装置的MTBF值已达到6000h以上, 伺服系统的MTBF值达到

41、30000h以上, 表现出非常高的可靠性。为实现高速、高精加工, 与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速发展, 应用领域进一步扩大。2） 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件加工, 可用刀具最佳几何形状进行切削, 不仅光洁度高, 而且效率也大幅度提高。一般, 1台5轴联动机床的效率等于2台3轴联动机床, 特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时, 5轴联动加工比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因, 其价格要比3轴联动数控机床高出数倍, 加之编程技术难度较大, 制约了5轴联动机床的发展。当前, 由于电主轴的出

42、现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化, 制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。3） 智能化、开放式、网络化是当代数控系统发展的趋势21世纪的数控装备将具有一定智能化的系统, 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化, 如加工过程的自适应控制, 工艺参数自动生成; 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化, 如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等; 简化编程和操作方面的智能化, 如智能化的自动编程、智能化的人机界面等; 还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究,如美国的NGC( The Next Generation WorkStation/Machine Control)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、中国的ONC( Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已成为数控系统的未