摘 要：隨著數(shù)控系統(tǒng)往總線化方向發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動器間因總線協(xié)議而綁定。在機床動態(tài)性能不理想時，無法區(qū)分是數(shù)控系統(tǒng)運動控制上的原因，還是伺服驅(qū)動電機系統(tǒng)響應性的原因。為排除數(shù)控系統(tǒng)運動控制算法等的影響，將耦合問題解耦，研發(fā)了一款基于嵌入式硬件的支持EtherCAT總線和MetroLink-Ⅲ總線的機床動態(tài)性能測試工具。該測試工具可替代數(shù)控系統(tǒng)控制伺服驅(qū)動器的運動，可自由配置總線過程數(shù)據(jù)，可自由調(diào)整運動控制參數(shù)，并存儲機床位置反饋元件反饋位置信息，對典型運動進行直觀的圖形化顯示，便于測試結(jié)果的呈現(xiàn)和運動控制參數(shù)的調(diào)優(yōu)。

關鍵詞：運動控制系統(tǒng);機床動態(tài)性能;嵌入式硬件;實時工業(yè)總線;模塊化設計

中圖分類號：TG659 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.001

0 ? ?引言

數(shù)控機床正逐漸向總線化方向發(fā)展，總線式數(shù)控系統(tǒng)具有可靠性高、可遠距離傳輸、安裝維護成本低等優(yōu)點。總線式數(shù)控系統(tǒng)的控制器與從站之間采用實時以太網(wǎng)連接，實時以太網(wǎng)因其低成本、高通信效率等優(yōu)點，近年來被越來越多地使用[1]。國內(nèi)已有機床廠商推出基于實時以太網(wǎng)技術(shù)的機床產(chǎn)品，比如華中數(shù)控、廣州數(shù)控、大連科德等[2]。

EtherCAT[3]和MetroLink-Ⅲ是兩種相對使用較為廣泛的工業(yè)實時以太網(wǎng)總線。EtherCAT是德國倍福研發(fā)的一種實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，具有高速和高帶寬、高效率的特點。EtherCAT支持多種設備連接拓撲結(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)中的從站設備通過標準以太網(wǎng)線和主站連接。通信時主站下發(fā)報文給第一個從站，從站直接處理接收的報文，并從報文中提取或插入相關的用戶數(shù)據(jù)，然后將報文傳輸?shù)较乱慌_從站設備，最后一個EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過完全處理的報文，由第一個從站作為相應報文將其發(fā)送給主站。MetroLink-Ⅲ是日本安川電機開發(fā)的運動控制現(xiàn)場總線協(xié)議，其通信速率高達100 Mb/s，能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制信息（位置、速度、力矩、I/O等）的實時通信，其主站實現(xiàn)方式為安川專用芯片JL101A。

基于實時以太網(wǎng)的總線式數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動器之間通過實時以太網(wǎng)連接，總線上每個通信周期都傳輸著目標位置/速度并反饋電機編碼器位置，因此驅(qū)動器所使用的總線種類需要與數(shù)控系統(tǒng)一致。由于種種原因，一臺數(shù)控機床所采用的數(shù)控系統(tǒng)供應商與伺服驅(qū)動器廠商可能不一致，當機床動態(tài)性能不理想時，無法區(qū)分是數(shù)控系統(tǒng)運動控制上的原因，還是伺服驅(qū)動電機系統(tǒng)響應性的原因。為了排除數(shù)控系統(tǒng)運動控制算法、前瞻插補算法等的影響，將耦合問題解耦，需要專門的機床性能測試工具，有學者基于LabVIEW研發(fā)了機床動態(tài)性能測試工具[4]。

為了實現(xiàn)低成本全自主可控的軟硬件方案，本文研發(fā)了一款基于嵌入式硬件的支持EtherCAT總線和MetroLink-Ⅲ總線的機床動態(tài)性能測試工具。

1 ? ?嵌入式硬件方案設計

本文研究的總線式數(shù)控機床動態(tài)性能測試工具需滿足機床動態(tài)性能測試的相關需求，其他需求包含工業(yè)實時總線的支持、觸摸屏的連接、存儲卡等外設的使用。在滿足以上要求的基礎上，硬件方案的整體配置清單如表1所示。

在硬件方案設計中，需滿足測試工具的外設需求，常用外設包含觸摸式顯示屏、TF存儲卡、EtherCAT總線從站、MetroLink-Ⅲ總線從站、鍵盤等，調(diào)試用外設包含串口調(diào)試工具、OTG調(diào)試工具、鼠標等。

硬件整體設計框架如圖1所示。

在工業(yè)總線通信模塊的硬件設計上，由于需要同時支持EtherCAT和MetroLink-Ⅲ兩種總線，因此選用并口進行連接，采用分別片選的方式切換總線類型，如圖2所示。

本文所研究測試工具基于使用便利性和經(jīng)濟性考慮，選取了10.1英寸TFT LCD顯示屏，分辨率為1 280×800像素，262K colors（RGB-6bit）。如圖3所示，顯示屏組建與主控電路板采用單路8位LVDS接口連接，顯示屏背光采用+12 V供電，3.3 V顯示供電，可通過PWM調(diào)節(jié)背光亮度。Ethernet通信模塊、USB擴展模塊、TF卡存儲擴展模塊、串口模塊、復位模塊、急停輸出模塊、電源模塊等也進行了專門的設計，因不在本文主要研究范圍內(nèi)，此處不再贅述。

本文硬件方案能夠有效支撐可觸摸操作的總線式機床性能測試工具的研制。

2 ? ?總線式數(shù)控機床動態(tài)性能測試工具系統(tǒng)軟件設計

本文研究的總線式數(shù)控機床動態(tài)性能測試工具可同時滿足EtherCAT和MetroLink-Ⅲ兩種總線協(xié)議，因EtherCAT使用廣泛，且無須專用主站芯片，研發(fā)難度更大，因此軟件系統(tǒng)設計基于EtherCAT總線介紹。

2.1 ? ?測試工具系統(tǒng)軟件架構(gòu)設計

EtherCAT總線軟件架構(gòu)如圖4所示，本文所研究的軟件架構(gòu)基于用戶空間、內(nèi)核空間和硬件基礎進行分層，主要組成模塊包含測試工具界面模塊、實時任務應用模塊、非實時任務應用模塊。通過EtherCAT主站模塊對系統(tǒng)進行操作，實時任務通過實時任務應用模塊進行周期性處理，非實時應用調(diào)用Linux內(nèi)核。實時任務處理IgH狀態(tài)機任務，并進行總線數(shù)據(jù)的處理，底層通過網(wǎng)卡驅(qū)動和伺服驅(qū)動器實現(xiàn)總線的傳輸。

為了支持滿足測試工具的需求，軟件體系需要能夠執(zhí)行實時任務，能夠作為主站進行EtherCAT總線的首發(fā)，能夠基于協(xié)議進行驅(qū)動器的配置，還要滿足部分圖形化任務的需求。因此，軟件體系中需要選用相應軟件模塊和解決方案以滿足相應需求，本文選取了xenomai實時模塊和EtherLab推出的IgH EtherCAT主站方案。IgH EtherCAT主站方案選用CANopen over

EtherCAT（CoE）協(xié)議，CoE中設備描述文件以xml文件的形式進行保存，因此本文所研究的軟件架構(gòu)中包含libxml2庫用于處理xml格式文件。為了支撐界面應用，選取Qt庫和Qwt庫作為圖形化設計工具。

EtherCAT總線的周期性通信需要確保在周期內(nèi)完成，通信周期由FPGA給出的周期性中斷決定，本軟件需要在下一個中斷到來之前完成前一個周期的任務。而軟件中，坐標顯示等為準實時任務，其對實時性的要求不需要達到總線周期的時間量級，但也需要確保一定的刷新頻率。其他一些任務，比如鼠標事件的響應、界面的操作等均為非實時任務，不需要占用實時任務的資源。因此，在這個綱領下，本文所研究軟件需將各任務分為實時任務、準實時線程和其他非實時任務三個層次。為了簡化程序架構(gòu)，盡量減少實時任務負擔及實時任務間的沖突，本軟件最好僅采用一個實時任務。在Qt開發(fā)框架下，主界面占據(jù)了操作的主線程，因此實時任務可以設計為通過線程管理QThread進行開啟。在本程序開啟時，只運行主界面的非實時任務，當連接總線時，會開啟準實時線程，準實時線程中包含坐標顯示和實時任務的開關控制。

2.2 ? ?測試工具用戶空間的軟件界面設計

測試工具采用觸摸屏進行操作，也可以外接鼠標、鍵盤進行操作。測試工具的主界面如圖5所示。

主界面左側(cè)為子頁面選擇區(qū)，子頁面包括狀態(tài)子頁面、參數(shù)配置子頁面、設備測試子頁面、示波器子頁面、錯誤排查子頁面等。

程序啟動后率先進入狀態(tài)子頁面，本文所研究測試工具由于要面對各種不同類型機床，因此對編碼器/光柵分辨率、螺距都可以進行自由配置。也可以選擇周期性速度同步指令（CoE中CSV模式）或周期性位置同步指令（CoE中CSP模式）作為控制模式，通信周期0.5～4 ms可調(diào)。為了保證機床調(diào)試的安全，可設置軟限位，系統(tǒng)會對位置/速度指令進行判斷，超出限位時停止動作?？稍O置直線運動的最大加速度和最大捷度（加加速度），在后續(xù)的運動測試中，會根據(jù)設置的最大加速度和最大捷度限制進行運動規(guī)劃。本文所研究軟件為便于機床測試，可各個軸單獨使能，且具備手輪模式和連續(xù)運動模式，進給速度均可調(diào)節(jié)。

圖6所示為參數(shù)配置子頁面，可以通過CoE對象字典對驅(qū)動器參數(shù)進行讀寫，對象字典是CANopen協(xié)議中最重要的部分。

本文所研究的機床動態(tài)性能測試工具包含單軸測試、雙軸同步測試和雙軸畫圓測試三種模式，插補方法均選用單位弧長增量插補法[5]。單軸測試主要對機床的單軸動態(tài)響應做測試，速度規(guī)劃按照梯形加減速進行，單軸測試結(jié)果可體現(xiàn)跟隨誤差、速度波動、最大速度超調(diào)量、加速度超調(diào)量等信息，便于使用者對機床性能進行判斷或?qū)λ欧?qū)動速度環(huán)、電流環(huán)參數(shù)進行調(diào)整，以完成調(diào)優(yōu)。雙軸同步測試是考察交叉軸同步運動的場景，測試結(jié)果主要體現(xiàn)被測兩軸響應速度的配合度，其誤差值可以理解為兩軸同步插補時兩軸響應所帶來的誤差。雙軸畫圓測試主要體現(xiàn)雙軸進行圓弧插補時的輪廓誤差以及圓弧過象限時的背隙誤差。

由于三種測試目標與運動形式不同，因此其參數(shù)也不相同，具體參數(shù)設置如圖7所示，速度規(guī)劃的加速度、捷度限制在圖5所示的狀態(tài)子頁面中配置。

3 ? ?實驗驗證

本節(jié)采用本文所研究的總線式數(shù)控機床動態(tài)性能測試工具對雙軸交叉運動平臺進行了測試，運動平臺具備兩個運動軸，均采用20位編碼器，即單圈分辨率為1 048 576，絲杠螺距為16 mm。采用本文所研制的測試工具分別進行了三種測試。

圖8所示為該工作臺X單軸測試結(jié)果，移動距離為10 mm，進給速度為1 000 mm/min，最大加速度0.5g。如圖所示，跟隨誤差隨加速過程逐漸變大，在勻速運動后跟隨誤差趨于穩(wěn)定，在減速階段跟隨誤差逐漸減小。實際速度曲線略滯后于指令速度曲線，并在加速結(jié)束后有一定量的超調(diào)。

圖9為工作臺雙軸同步測試結(jié)果的圖形化展示，雙軸同步測試距離為10 mm，進給速度為1 000 mm/min，其運動為兩個軸同步先往正向移動10 mm，再移動回起點。本次實驗兩軸的最大誤差為2.44 μm，兩軸間的誤差正負值較均勻，說明兩軸同步性較好。

圖10為工作臺雙軸畫圓測試結(jié)果的圖形化展示，圓弧半徑為10 mm，進給速度為1 000 mm/min，畫圓運動會進行兩圈，第一圈會進行加速因此其結(jié)果不做保存，第二圈畫圓運動的編碼器位置反饋結(jié)果如圖10所示。為了顯示上的直觀，誤差在徑向上進行了放大顯示，由圖可以看出在過象限，即一根軸換向時會產(chǎn)生尖角，基于編碼器反饋的結(jié)果計算本次測試的最大圓弧跟隨誤差為5.18 μm。

4 ? ?結(jié)語

本文介紹了基于嵌入式硬件的總線式數(shù)控機床動態(tài)性能測試工具的軟硬件架構(gòu)，為滿足機床幾種典型動態(tài)性能測試，進行了硬件設計與軟件設計，并利用界面應用形成完整的控制系統(tǒng)。在集合了直線插補、圓弧插補、可變參數(shù)的速度規(guī)劃等功能后，該系統(tǒng)可實現(xiàn)機床的單軸測試、雙軸同步測試和雙軸畫圓測試，以圖形化加分析結(jié)果的方式對機床動態(tài)性能測試的結(jié)果進行顯示。同時也可以通過EtherCAT總線郵箱通信，以對象字典方式對驅(qū)動器三環(huán)參數(shù)進行調(diào)整，對機床的動態(tài)性能進行調(diào)優(yōu)。

本文所研究的測試工具在軟硬件架構(gòu)上可以支撐多軸聯(lián)動加工數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，以本文研究為基礎添加G代碼解釋器、軟PLC等功能模塊，即可實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的基礎功能，可大幅度降低數(shù)控系統(tǒng)成本。

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收稿日期：2022-02-21

作者簡介：陳昊（1989—），男，安徽淮北人，博士，研究方向：數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床裝備。