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1、基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统摘要：本文首先就基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统进行了系统的介绍，分别包括EtherCAT 技术原理、PC 数控系统、开放式数控系统等方面内容，之后将基于开放式EtherCAT 总线的 PC 数控系统与目前数控系统市场典型产品（高、中、低端各一种）的对比包括结构特点、开放性、性价比、可维护性、市场认知度等方面，最后对于基于开放式EtherCAT 总线的 PC 数控系统的发展前景进行阐述。关键词：EtherCAT 总线；PC 数控系统；开放性；伺服运动控制；数控机床现代数控系统发展的主要目标为进一步降低价格，增加可靠性，拓宽
2、功能，提高操作舒适性，提高集成性，提高系统的柔性和开放性，减小体积，提高数控机床的生产能力。最终研制出软、硬件都具有开放型结构的智能化全功能通用数控装置。伺服运动控制系统已经从模拟控制发展到全数字控制，控制系统的精确性得到了极大的提高；与此同时，PC 机技术的发展，丰富了用户关于性能优异的操作计算机的选择，这就需要一种快速精确的传输机制作为用户计算机和伺服控制装置之间的通信媒介，以满足大量数据在通信网络中的传输。传统的伺服监控设备采用串口通信总线进行监控，由于设备的物理特性，导致了监控网络监控距离近、抗干扰能力差等各种问题。德国倍福公司开发的实时以太网技术 EtherCAT，基于标准的以太网技
3、术，具有灵活的网络拓扑结构，有效数据率高、传输速度快、抗干扰能力强。将该网络引入伺服控制系统，极大地提高了控制系统的传输距离和传输精度。1. 基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统的介绍1.1 EtherCAT 技术原理EtherCAT 是一种实时以太网现场总线技术，采用了主从介质访问方式，主站控制所有从站发送或接收数据。 在一个通信周期中，主站发送数据帧，从站在数据帧经过时读取相关报文中的输出数据。 同时，从站的输入数据插入到同一数据帧的相关报文中。 当该数据帧经过所有从站并完成数据交换后，由 EtherCAT 系统的末端从站将数据帧返回，整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。
4、 发送和接受的以太帧压缩了大量的设备数据，可用数据率达 90%以上。1.2 PC 数控系统PC 数控系统又称“计算机数控系统” （简称 CNC 系统）是在硬件数控基础的上发展起来的，它用一台计算机代替先前的数控装置所完成的功能。所以，它是一种包含有计算机在内的数字控制系统，根据计算机存储的控制程序执行部分或全部数控功能。按照 EIA 所属的数控标准化委员会的定义，CNC 是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的不部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口。1.3 开放式数控系统IEEE（国际电气电子工程师协会）定义开放式数控系统为“符合系统规范的应
5、用，可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户界面” 。开放式数控系统研究的主要目的就是要解决变化复杂的需求与控制系统专一固定的框架之间的矛盾。一个完全开放的数控系统应该是以分布控制为原则，采用系统、子系统和模块方式进行分级式控制，总的来说这种结构的系统具有以下的特点：（1）开放性（2）模块化（3）互操作性（4）可扩展及可互换性（5）可移植性（6）可缩放性1.4 基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统德国倍福公司开发的实时以太网技术 EtherCAT，基于标准的以太网技术，具有灵活的网络拓扑结构，有效数据率高、传输速度快、抗干扰能力强。将
6、该网络引入 PC 数控系统，极大地提高了 PC 数控系统的传输距离和传输精度。图 1 基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统结构图EtherCAT 是一种实时以太网现场总线技术，采用了主从介质访问方式，主站控制所有从站发送或接收数据。基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统结构如图 1 所示。利用PC 作为主站，而主轴和进给电机的控制单元作为从站，计算机通过编程对从站及其运行方式进行配置。 主站周期性地通过 EtherCAT 网络发送带有从站控制器命令的数据帧，实现机床位置反馈程 序 输入设备输出设备CNC 装置PC主轴控制单元进给控制单元主轴电机进给电机EtherC
7、AT 帧EtherCAT 帧对机床系统的控制，从而实现机床的高速和高精度运转。2. 基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统与数控系统市场典型产品的比较2.1 与低端数控系统市场典型产品的比较以华中数控系统 HNC-18/19 为例进行比较，HNC-18xp/TD 数控单元采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业 PC，配置 5.7/液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 PLC 接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及 CF 卡、DNC、以太网等程序交换功能、具有低价格、高性能、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。内置 RS232 通讯接口，轻松实
8、现机床数据通讯。支持 USB 盘，存取程序方便快捷。支持以太网功能选择，快速传输程序与数据。在开放性上，华中数控系统 HNC-18/19 与基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统从开放性的各个方面相比较来看，显然差上很多，HNC-18/19 中的大部分功能模块无法进行移植，同时专用性太强，可互换性也很差。 在性价比方面，华中数控系统 HNC-18/19 的突出特点就是高性价比，这也是国产数控系统目前的一大优势，但是在可维护性上，因为开放性各方面的原因，因此可维护性也是很大的缺点，在市场认知度上，华中数控系统在国内的销量还是不错，因此在国内认知度较好，但是在国际市场上的认知度就很微
9、小。2.2 与中端数控系统市场典型产品的比较以西门子基本系列产品 SINUMERIK 802D 为例进行比较，SINUMERIK 802D 数控系统是西门子公司推出的一款经济型数控系统，是典型的中端数控系统，包括面板控制单元（PCU） 、键盘、机床控制面板（MCP） ，SIMODRIVE 模块式驱动系统、带编码器的 1FK7 伺服电机、I/O 模块 PP72/48、电子手轮等。SIMODRIVE 模块式驱动系统由电源馈人模块、功率模块、611UE 插件构成，可根据机床的实际情况对各个轴分别进行配置。输入输出模块PP72/48 提供 72 位数字输入和 48 位数字输出，一个系统中最多可配置两个
10、块PP72/48。PCU、SIMODRIVE611UE，PP72/48 均有 PROFIBUS 接口，可通过 PROFIBUS 电缆将他们连接起来，构成 PROFIBUS 总线系统，其中 PCU 为主设备，PP72/48，611UE 为从设备，主、从设备均为有自己独立的 PROFIBUS 总线地址。在开放性上，SINUMERIK 802D 较于华中数控系统 HNC-18/19 而言，该系统实现了大部分设备的模块化，并且在不同系列产品也尽量在可以互换的部分采用同样的设备，大大增强了可互换性和可移植性，但是基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统在系统结构上更加清晰与简洁，因此其模块化
11、程度也大大优于西门子这套系统，这也导致开放性远大于这套系统。在性价比方面，SINUMERIK 802D 比华中数控系统 HNC-18/19 的价格要贵，但是稳定性方面比华中数控系统表现会更优，因此性价比也是不错。由于存在稳定性和模块化的优点，因此在可维护性上是不错的。在市场认知度上，西门子作为全球主要的数控系统厂商，在全球范围内其中档数控系统占有很大的市场份额，因此在市场认知度方面 SINUMERIK 802D 数控系统也优于国产的数控系统。2.3 与高端数控系统市场典型产品的比较以 Fanuc-16i 高档数控系统为例，该系统最多支持 3 个通道，20 个轴控制功能；系统具有直线插补、圆弧插
12、补、指数插补、圆柱插补、极坐标插补、螺旋线插补、光顺插补、虚拟轴插补、圆锥/螺旋插补、渐开线插补等插补功能；系统具有刀具长度、刀具半径及磨损量、间隙、螺距误差、直线度、倾斜度等各项补偿功能；系统在分辨率为 1m 时最大进给速度可达 240m/min；分辨率为 0.1m 时最大进给速度可达 100m/min；在分辨率为0.01m 时最大进给速度可达 10m/min；PMC 的指令处理速度可达 33s/1000 步，PMC 用户程序存储容量可达 2MB；PMC 输入输出点数最多 2048/2048 点。系统在硬件上采用两种数字总线：在轴控制部分采用 FANUC 专用的 FSSB 串行伺服总线联接所
13、有的伺服驱动器；在机床面板等机床外围设备部分采用 Fanuc I/O Link 总线联接。通过两种总线将实时性要求不同的数据分离开。日本 FANUC 公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，因此其在结构上也均是为了实现这一目的，系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换，同时设计了较为完善的保护措施。在开放性上，模块化和可互换做的比较好，可扩展性和可缩放性也是比较完善，但是在可移植性上面因为采用的是 FANUC 自己开发的变成语言：PMC 指令，因此在可移植性上有所欠缺。在性价比方面，FANUC 这款数控系统作为世界上最高端的
14、数控系统之一，价格方面肯定是不菲的，但是其高质量、高性能和全功能也是其他数控系统所不能比拟的。而在可维护性上，因为提供了丰富的维修报警和诊断功能，这样大大提高了系统的可维护性。在市场认知度上，FANUC 的数控系统在市场的占有率远远超过其他的数控系统，而作为其代表作 Fanuc-16i 高档数控系统，其在市场认知度上也是目前数控系统最好的。3. 基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统的发展前景随着现代化的生产对 CNC 的要求越来越高，数控系统之间不兼容，编程困难，智能化程度等诸多问题大大限制了现代化生产以及数控技术的发展，因此解除束缚数控发展的这些障碍，创建一个新的强有力的开放
15、性体系结构已是数控发展的最重要趋势之一。当前，数控系统正在由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型，超小型化；在技能化基础上，综合了计算机、通信、人工智能等多学科技术，实现了高速、高效、高精控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各种参数，实现在线故障诊断和智能化处理；在网络基础上，CAD/CAM 与数控系统集成一体，实现工厂制造网络化、异地制造等。而基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统不仅在开放性上都有着很大的优势，完全满足数控系统发展的趋势，而且由于利用实时以太网 EtherCAT 总线有效地提高了通行的速度和
16、精度，因此对于实现高速、高效、高精控制提供了很大的方便，因此我们可以预测基于开放式 EtherCAT 总线的 PC 数控系统的发展前景是非常广阔的。参考文献：1 汪木兰数控原理与系统 M北京：机械工业出版社， 20042 徐元昌数控技术 M北京：中国轻工业出版社， 20043 梁润汉，王清理，李昕等基于 EtherCAT 总线的伺服运动监控系统设计J 计算机工程与设计 2011，Vol.32, No.84 阮倩茹，王 辉，施大发等基于 EtherCAT 的高性能交流伺服控制系统设计J科技导报，2010，28（20） 5 杨占玺，韩秋实智能数控系统发展现状及其关键技术J 制造技术与机床，2008，12.6 谢香林EtherCAT 网络及其伺服运动控制系统研究 J大连理工大学，2008
