powerlink总线型多轴运动控制系统技术方案和实现

1、erlink 总线型多轴运动控制器技术方案与实现数控技术和数控机床是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。我国在从制造大国向制造强国转变的过程中，大力发展数控技术具有重要意义。国产数控系统经过半个多世纪的发展，在技术和市场上都有了长足的进步。然而纵观国内外数控系统技术现状，尚与国外存在较大的差距。主要体现在国产数控产品主要占据中数控市场，在高档数控系统方面，由于技术水平的限制，国产数控系统的市场占有率较少，绝大部分市场被法那科、西门子、三菱、德马国外品牌占领。近几年和德国分别提出了“工业互联网”和“工业 4.0”高科技计划，中国紧随其后，于 2015 年提出“中国制造 2025”发

2、展。事实上，在 2015档数控机这三个概念殊途同归，数控技术都是其最重要的一环年 3 月 25 日主持召开的常务会议中明确，重点发展包床在内的 10 大领域。为此，国家连续出台了一系列政策，以期为我国数控技术的发展创造良好的外部条件。在这里我依据自己十多年从事数控系统的经验，与大家一下如何搭建完成一款总线型多轴控制系统，以期能给本领域研发国制造 2025”交上一份满意的答卷。我将从系统性能方面进行阐述。一定的启发，共同为“中方案，实现效果三一、 系统性能性能有：1. 采用先进的设计技术和理念，包括跨和组件技术，利用 C 语言的面象的设计模式进行开发，便于系统开发调试、功能扩展和。2. 结合计算

3、机和实时工业以太网技术，硬件集成度高、成本相对较低，满足市场上对国产数控系统的定位需求。3. 综合 RS274 标准 G 代码、B 类宏程序、运动控制、软 PLC、速度前瞻、小线段连续加工等技术，满足通用型数控系统的技术要求。4. 具备 S 型加密加工。具体参见、刀具半径补偿、反向间隙和螺距误差补偿，满足平稳和精/v_show/id_XMTQwMzIwNTQ5Ng=.html?from=y1.7-1.2#pactionERLINK 实时工业以太网w w.PLcWcn支持ERLINK 实时总线，支持多驱动器和 IO 扩展1.1 G 指令表代码功能代码功能代码功能G00快速定位G42刀尖半径右补偿

4、G72径向粗车循环G01直线插补G50设置工件坐标系G73封闭切削循环G02顺时针圆弧插补G54工件坐标系 1G74轴向切槽循环G03逆时针圆弧插补G55工件坐标系 2G75径向切槽循环G04暂停、准停G56工件坐标系 3G76多重螺纹切削循环G10可编程数据输入G57工件坐标系 4G84攻丝切削循环(柔性、刚性)G11可编程数据输入注销G58工件坐标系 5G90轴向切削循环G28自动返回机械零点G59工件坐标系 6G92螺纹切削循环G30回第 2、3、4 参考点G65宏指令非模态调用G94径向切削循环G32等螺距螺纹切削G66宏程序模态调用G96恒线速控制G34变螺距螺纹切削G67取消宏程序

5、模态调用G97取消恒线速控制G40取消刀尖半径补偿G70精加工循环G98每分进给G41刀尖半径左补偿G71轴向粗车循环G99每转进给1.2 技术参数进给轴控制轴数：5 轴(X、Z、Y、4th、5th)；联动轴数：5 轴，2 轴圆弧插补最小指令 ：0.001mm；位置指令范围：-99999.99999999.999mm电子齿轮：指令倍乘系数：19999；指令分频系数：19999接口信号： ERLINK 实时工业以太网总线进给功能快速移动速度：最高 60m/min；快速倍率：F0、25、50、100四级实时调节进给速度：112000mm/min 或 0.001500mm/r；进给倍率：0150十六

6、级实时调节插补方式：直线插补、圆弧插补、螺纹插补 手轮进给：0.001、0.01、0.1 mm 三档加：直线式加，起始速度、终止速度和加时间由参数设定G 指令42 种G 指令：G00、G01、G02、G03、G04、G28、G30、G32、G34、G40、G41、G42、G50、G54， G55，G56，G57，G58，G59、G65、G66、G67、G70、G71、G72、G73、G74、G75、G76、G83、G84 G87、G90、G92、G94、G96、G97、G98、G99螺纹加工可加工单头/多头公英制直螺纹、锥螺纹、端面螺纹、变螺距螺纹。螺纹退尾长度、角度和速度可设定，高速退尾处理

7、。螺纹螺距：0.001500mm 或 0.00625400 牙/英寸精度补偿X 轴/X 轴反向间隙补偿：09.999mm；螺距误差补偿：x 轴、z 轴共 1024 个补偿点主轴功能1 路 0V10V 模拟电压输出，支持四档主轴机械档位、主轴恒线速控制；主轴转速范围：09999rpm；主轴倍率：50120共 8 级实时修调；刀具功能最大刀位数：由梯形图决定；刀具补偿数据：40 组刀具补偿功能：刀具偏置补偿，刀尖半径补偿(C 型)，刀具磨损补偿对刀方式：定点对刀、试切对刀、回参考点对刀；刀偏执行方式：修改坐标、刀具移动辅助功能特殊 M 指令：M00、M02、M30、M98、M99;普通 M 指令：

8、M03、M04、M05、M08、M09、M10、M11 M32、M33、M41、M42、M43、M44人机界面显示器：8”数字式真彩宽屏 LCD，分辨率 800480；2 位LED 数码管一级显示界面：位置、程序、系统、信息、偏置、显示模式：中英文字符、图形(加工轨迹、系统时钟)编辑键盘：46 按键；软功能键：8 按键(横向)程序编辑程序容量：128M、500 个程序(含子程序)；子程序调用：支持四重嵌套；程序格式：ISO 代码，支持相对坐标、绝对坐标混合编程；编辑方式：全屏幕编辑；编辑功能：程序/程序段/字检索、修改、删除、粘贴操作管理操作面板：集成式面板工作方式：编辑、自动、录入、机械回零

9、、手轮(单步)、手动操作权限：具备、机床调试、工艺调试、加工操作等多级操作权限安全防护紧急停止、硬件行程限位、行程检查、伺服检测、主轴检测、刀架锁紧检测、防护门检测、卡盘检测I/O 接口单个从站输入：32 点；输出：32 点编接口1 路(A/B/Z)，编线数 1005000p/r 可设定；编与主轴的传动比：(1255)：(1255)手轮接口1 路(A/B)，支持手持式手轮盒USB 接口1 个，支持U 盘文件读写、系统备份、升级外形尺寸420260113.5mm(宽高厚)二、 实现方案2.1 硬件1.实时任务控制采用德州仪器 TMS320C6748 处理器，主频 360M。a 运行实时操作系统

10、UCOS II，进行多任务调度。 b 采用 DPRAM 双口 RAM 与 FPGA 进行通讯。c 配备 32K 的 NVRAM 保存运行控制的实时数据。d DSP 的运行程序采用 HPI 动态加载，不占用 NAND FLASH非实时任务采用德州仪器 AM335x 处理器，主频 750M。 a 运行 arm-linux 操作系统，进行界面显示和译码任务。 b 配备 LVDS 的 LCD 显示屏接口。c 标准 USB 键盘接口，用于用户操作。2.d 512M 的NAND FLASH 和 128M 的 SDRAM 空间，满足低成本 FPGA 方案，实现ERLINK 的主站通讯。和运行空间需求。3.a

11、 采用 NIOS II 软核，实现ERLINk 的通讯主站。b 手轮基于和控制。ERLINK 的 IO 从站方案。4.a 采用 NIOS II 软核，实现ERLINK 的通讯从站。b 实现主轴 DA 输出和脉冲输出，实现主轴速度和位置控制。c 每从站 2 路编反馈，实现主轴测速和螺纹加工。d 每从站 32 输入和 32 输出，满足机床 IO 的控制需求。e 每从站 2 路 DA、AD 满足其他的专机机床需求。2.2方案数控系统是复杂的实时多任务系统，不仅仅要求具有高加工速度、精度和可靠性，而且也要求给用户提供智能化的操作界面。如图 1 所示，数控系统模块包括 HMI、NC 解释器、轨迹规划、插

12、补运算和伺服控制等等。NC 解释器模块包含有词法分析、语法分析、宏语句、刀具补偿等。插补模块包含有运动分析、拐角计算、速度前瞻和插补计算等若干模块。采用设计模式的工程方法进行数控系统设计，找到相关的控制对象，以适当的粒度将它们归类，再定义类的接口和继承层次，建立对象之间的基本关系，优化系统结构，提高整个系统的可复用性和可扩展性。2.2.1 源码目录和结构工程目录src源码目录libs第build编译工程bin调试运行发布目录doc项目开wP档LcWorld cn源码目录hnc_osf跨任务相关hnc_base全局数据结构hnc_cell共享内存实现与通讯协议hnc_wordNC 译码解释器hn

13、c_task应用层任务管理hnc_gui界面 GUI 底层hnc_hmi数控界面 HMI 实现hnc_hal插补核与 FPGA 通讯接口hnc_rungPLC 的加载、显示和运行hnc_motion运动控制、插补加hnc_ctrl插补核的流程处理hnc_ncuc插补核任务管理hnc_net网络传输通讯编译工程build_win32Win32 下的编译工程管理build_c6748C6748 的 CCS 编译工程管理系统源码各模块结构图(BASE)基础数据模块NCK 与 FPGA 通讯模块(HAL)插补周期(CYCLE)机床逻辑控制(RUNG)插补核流程控制(CONTROL)插补核任务(NCUC

14、)共享内存通讯模块(CELL)译码模块(WORD)应用层流程控制(TASK)PLC 加载显示(RUNG)用户界面(HMI)显示GUI 系统(GUI)2.2.2 操作系统接口层(OSF)对操作系统接口层的封装，操作系统包含 win32、wince、linux(IX 标准)、rtai 等。主要实现的接口有线程任务管理、互斥量控制、日志、系统路径等。2.2.3 应用层流程控制(TASK)本模块主要完成解释器的调度控制、共享内存中数据收发任务。2.2.4 共享内存通讯(CELL)本模块实现用户态和内核态的数控共享的实现。(WORD)(BASE)双 CPU 通讯模块(CELL)基础数据模块译码模块tsk

15、_msg_prmtsk_msg_setsk_msg_fifotsk_msg_ctltsk_msg_blktsk_cell_ctrltsk_word_ctrltsk_msg_plctsk_ctrltsk_wordtsk_treatetsk_rung用户界面(NI)rtailinuxwin32hnc_thread_rtaihnc_log_stdouthnc_mutex_rtaihnc_thread_linux32hnc_log_filehnc_mutex_ixhnc_thread_ixhnc_log_thnc_mutex_thnc_thread_t本模块中主要有两个单元模块：1.dev_shmem

16、 模块实现对共享内存方式的操作封装。封装时区分创建和打开，也就是服务器端和客户端的关系，其中内核态为服务器端，用户态为客户端。dev_shmem 封装了三种不同的操作系统实现方式，分别为：adev_shmem_win32.cWIN32的共享内存实现bdev_shmem_linux32.cLINUX32 版本下的共享内存的封装cdev_shmem_rtai.cRTAI 版本下的共享内存的封装dev_cell 模块在 dev_shmem 模块的基础上，实现通讯协议的封装，包括竞争2.保护、数据校验等。模块数据流程与调用图2.2.5 NC 界面GUI 设计在数控系统中，界面 GUI 主要用于进行人机

17、交互处理。用户按需选择系统工作模式，进行相应数据和命令的输入；CNC 系统则适时针对用户的操作进行信息的反馈，向用户提供系统运行状态，提供操作和学习帮助，当出现操作错误和系统故障时，产生错误和警告信息。本项目开发的数控系统是基于linux 操作系统的,考虑刷新效率和多平台支持等多方面的，采用开发方式实现数控系统界面 GUI。如图 2所示：插补核流程控制(NCK)dev_cell_createdev_shmem_createPLcWPLC 寄存器o 状态反馈译码命令命令和参数dev_cell_opendev_shmem_open应用层流程控制(TASK)图 2 界面 GUI 与观察者模式、工厂方

18、法、桥接模式和组合模式NC 界面 GUI 以 ftk_widget_t 为最小进行组合，顶层窗体可以是ftk_window_t 或ftk_dialog_t 类型。顶层窗体管理其他单一控件(如 ftk_button_t、ftk_editor_t 等)形成复杂的 NC 交互界面。采用 COMITE 组合模式将窗体和控件对象组属性结构，使用户对单个对象和复合对象的使用具有一致性。用户使用时不必对这些控件类进行区别。在设计NC 界面GUI 时考虑到系统的可移植性，需要支持多。采用 BRIDGE桥接模式抽象出 ftk_canvas_t 画布类, 不同显示派生出对应的子类( 如ftk_canvas_def

19、ault_t、ftk_canvas_win32_t 等)。桥接模式分离接口及其实现部分，有助于分层，从而产生更好的结构化系统，方便实现界面 GUI 模块移植到不同平台。界面 GUI 显示系统参数和全局状态，数据的改变可能在其他线程任务中，也可以需要在多画面显示，这就要求界面 GUI 能在不同窗体和控件之间进行通信以传递数据、指令和状态信息。采用 OBSERVER 观察者模式，定义对象间的一种一对多的依赖关系，以一个对象的状态发生变化时，所有依赖于它的对象都得到通知并自动刷新。界面 GUI 需支持 多种 ftk_bitmap_factory_t 管理多种 的加载 和 显示。采 用工厂 方 法模式

20、 器( 如 ftk_image_bmp_decoder_t 、ftk_image_png_decoder_t、ftk_image_jpeg_decoder_t 等)，ftk_bitmap_factory_t根据文件扩展名自动选择器，获取器父类 ftk_image_decoder_t。工厂方法模式分离了具体的器类，有利于对象的一致性。2.2.6 NC 解释器设计NC 解释器在数控系统中用于对加工用数控程序进行检验和解释，并形成对应的运动控制指令。其过程还包括刀具长度补偿、半径补偿、进给速度控制和机床辅助功能控制等。NC 解释器是一个复杂的模块，它包含了若干的子系统和模块。在数控系统中，调度控制模

21、块要求解释器完成 NC 代码的正确解释，不需要子系统的对象。如图 3 所示，在解释器模块设计时，采用了 FACADE 外观模式，为调度模块提供一个单一而简单的接口，减少了与子系统间的通信和互相依赖关系。图 3 NC 解释器与 FACADE 外观模式架构图如上图所示，NC 解释器 block_main_t 类提供了 blk_main_execute 函数完成译码任务。该译码执行函数调用了一系列的子模块，包括代码段缓冲类block_cache_t、词法分析 block_read_t、语法分析 block_convert_t 和选择跳转处理 block_goto_t 等。语法分析模块又分别调用了 G

22、 译码 convert_gcode_t 类、M译码 convert_mcode_t 和刀补p_t 等等。2.2.7 NC 插补模块设计NC 插补模块是数控系统运动控制的，在多轴运动控制方式下，可以实现单段、多段轨迹运动,同时实现了多种轨迹的多轴协调运动，包括直线插补、圆弧插补和螺纹插补等。单个轨迹插补时可选择直线、S 形、每转进给等加方式。在本文设计的 NC 插补模块中，运用了 MEDIATOR 中介模式、STRATEGY 策略模式和 DECORATOR 装饰模式，降低子系统之间的耦合关系，增强系统的稳定性和可读性。基础数据模块(BASE)gc_boringgc_convert_nonmgc_

23、groovegc_convert_mcodegc_convert_blockgc_tapgc_blkinfogc_convert_motiongc_threadpcngc_convert_gc_convert_routgc_convert_chamfergc_G71gc_G73pgc_blkcmdqgc_move_queuegc_valley_stackgc_convertgc_trgc_read_tokengc_read_gmstgc_read_utilgc_readgc_lcachegc_blkgotogc_read_valgc_checkgc_main应用层流程控制(TASK)图 4 N

24、C 插补模块与中介模式、策略模式架构图运动段的两个关键分别是运动信息 plan_move_t 和加信息plan_accdec_t。根据单一职责原理，有必要将此关键进行分离，以便适应不同 plan_move_t 子类和 plan_accdec_t 子类的之间的组合。 plan_move_t 子类和 plan_accdec_t 如果直接进行交互，使得整个系统表现为一个不可分割的整体，对象间的连接激增会增加耦合程度，降低其可复用性。MEDIATOR 中介模式用一个中介对象来封装一系列的对象交互，各对象不需要显式地互相调用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变他们之间的交互。在 NC 插补核的加控制中，有多种实现方式可供选择，如梯形加accdec_line_t 和 S 形曲线 accdec_scurve_t 等。本文采用 STRATEGY 策略模式定义一系列的加算法，使算法可以互相替换，算法独立于使用它的客户而变化，消除了选择算法时的大量判断语句，易于切换、理解和扩展。插补进给控制可以是每转进给 accd