以太网技术在开放式数控系统中的应用

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.15MB 62 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 课题背景
本文所研究的课题为：以太网技术在开放式数控系统中的应用。它是上海开
通数控有限公司新产品开发项目：“基于以太网通讯的中高档数控系统”的一项子
课题。主要内容是：开发数控系统中基于以太网的远程通讯模块，改变传统一体
式数控系统构架为PC+运动控制器的模式，PC机和运动控制器之间采用标准的以
太网总线连接、采用UDP通讯协议、10/100M全双工的模式，可同时接收和发送数
据帧，采用CRC校验。目前，国外著名的数控系统制造商的数控系统采用的是专
用高速总线直接和专用的伺服驱动器连接通信，控制系统和交流伺服、主轴驱动
系统自行配套。如FANUC采用HSSB高速串行总线,SIEMENS的PROFIBUS DP总
线，MITSUBISHI的CCLINK总线，YASKAWA的Mechatrolink总线。这些大公司采
用的都是专用封闭的总线，其余的厂商如BOSCH（原INDRAMAT）和HEIDENHAIN
的数控系统采用SERCOS标准总线，也可配置PROFIBUS DP总线。最新的EtherCAT
以太网现场总线，直接和伺服驱动器上的以太网接口进行通信。这些产品的性能
好，价格高。而本项目研究的数控系统的特点是PC通过以太网和运动控制器连接
通信，伺服驱动器是通用产品，受运动控制器控制。具有结构简单，开放性好，
能实现远程控制，维护方便，因而系统的性价比高，竞争力强。
§1.2 数控系统的概要
§1.2.1 数控技术的重要性
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程
度，制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当
今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，
以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界
上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，采取重大措施
来发展自己的数控技术及其产业。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造
技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
§1.2.2 数控系统发展的几个主要阶段
自从1952年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出世界上第一台三坐标数
控铣床以来，数控技术无论在硬件还是软件方面，都发展很快，数控系统在制造
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业得到了广泛的应用。数控系统的发展大致可分为四个阶段[1]：
1. 硬连线逻辑数控系统（1952－1969）
世界上第一台数控铣床采用的数控系统是由大约2000多个电子管和继电器、
模拟电路构成的试验样机，其体积约有普通实验室大小。1959年后出现了晶体管
数控系统和集成电路数控系统。
2. 计算机数控系统－CNC（1970－八十年代初）
70年代初，小型计算机逐渐普及并被应用于数控系统。1970年在美国芝加哥
机床博览会上，第一次展出了由小型计算机为核心的计算机数控系统。至此，原
来由硬逻辑实现的功能逐渐改为由软件实现。
3. 多轴、高速、高精度数控系统（八十年代中期－至今）
为了实现高速、高精度曲面加工，必须提高CNC对小线段轮廓线的解释执行
能力、插补计算、加减速控制和伺服采样速度。因此，CPU应具备足够高的数据
处理速度和能力。1986年，日本三菱电机公司推出CPU为68020的32位CNC，掀起
了32位CNC的热潮。FANUC也推出32位多CPU的FS-15系统，使系统内部各部分之
间的数据交换速度比原来的16位CNC系统大为提高。这些数控系统大都具有多轴
（5轴以上）、多通道(两个以上)和高速、高精度控制性能。
4. 基于PC的开放式数控系统。（九十年代初期－至今）
进入90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，世界上许多数控系统生产厂
家采用了通用的计算机操作系统（DOS, Windows, 实时操作系统），利用PC机丰富
的软硬件资源开发开放体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统
有更好的通用性、柔性、适应性和扩展性，并向智能化、网络化方向发展。如Siemens
公司的810D和840D数控系统选用Windows操作系统，MITSUBISHI公司的700系列
数控系统选用了Windows XP嵌入式操作系统。
§1.2.3 国内外数控系统的现状和特点
近10年来，随着汁算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应
运而生，发展很快： 目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进：就结构形式而
言，当今数控系统大致可分为四种类型[1]：
1. 传统数控系统： 如FANUC 0系统、MITSUBISHI M50系统、Siemens 810
系统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户作人机界
面．但必须使用专f J的开发工具，耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改编和
修改，都必须求助于系统供应商。目前这类系统占领的市场已逐渐减小。
2. PC嵌入NC中
一些传统CNC系统的制造商，把专用结构的CNC部分和PC机结合在一起，将
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非实时控制部分改由PC机来承担，实时控制部分仍使用多年积累的专用技术。从
而改善了数控系统的人机界面、图形显示、切削仿真、网络通信、生产管理、编
程和诊断等功能，并使系统具有较好的开放性。FANUC 150/160/180/210系列就是
一种典型的PC嵌入NC模式的CNC系统。在FANUC的CNC专用32位总线插槽中，
插入一块名为MMC-IV的PC模板，通过专用接口使CNC与MMC-IV紧密结合。这
种开放式数控系统仅在MMC部分开放，其核心实时控制部分仍是不开放的。
3. NC嵌入PC 中（运动控制卡加PC）
一些以 PC 机为基础的 CNC 制造商，主要生产、销售各种高性能运动控制卡
和运动控制软件。把运动控制卡和 PC 机加上机床数控软件，构成数控系统产品。
如美国 DELTA TAU 公司的 PMAC 是一种高性能运动控制卡，最多可以控制 32 个
轴。它以 Motorola 56000 系列 DSP 为CPU，板上有存储器、I/O 接口和伺服接口。
此卡本身就是一个 NC 系统，具有优秀的伺服控制、插补计算和实时控制能力，可
以单独使用，也可以插入 PC 机中，构成开放式控制系统。
4. 全软件化NC
计算机CPU速度的提高和基于Windows NT/Linux等的实时操作系统为高性能
开放式全软件化数控系统的发展创造了条件。这种形式的数控系统以PC机为基础，
以实时操作系统（Windows NT 的实时扩展VenturCom RTX、RT-Linux、Windows CE
等）为数控系统的实时内核，在计算机操作系统（Windows NT、Linux等）环境下
运行具有开放结构的控制软件。
如美国SoftServo公司基于光纤伺服总线的开放式数控系统平台ServoWorks，通
过光纤把计算机与通用伺服驱动接口模块、Ｉ/Ｏ接口模块连接起来。
4个轴为一个
模块，最多可以控制16个轴，实现了不依赖其他任何硬件的基于PC平台的全软件
运动控制。ServoWorks既可以运行在带实时扩展VenturCom RTX 的Windows
NT/2000/XP操作系统下，也可以运行在Linux和RT-Linux操作系统下。利用PC机的
“奔腾”芯片，就能实现所有的伺服控制，包括位置反馈，NC轨迹生成、友好的
人机界面、数据处理、网络通信、文件管理等功能。
我国数控技术起步于1958年，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，
数控技术的发展较为缓慢。七十年代末，北京机床研究所首先引进了日本FANUC
7M/7T数控系统和直流伺服驱动系统。随后，上海开通数控有限公司（上海机床研
究所）在1987年引进了美国ＧＥ公司的Mark Century One数控系统和AC200交流伺
服驱动系统。在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，进行了消化
吸收和创新，初步建立起国产化体系。九十年代，经济型数控系统和步进电机驱
动器得到了较快的发展。华中科技大学完成了“华中Ⅰ型”中档数控系统的开发。
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九十年代末，国外开放式数控系统（ＮＣ嵌入ＰＣ）进入中国市场，国内开始在
此基础上开发应用系统[1]。
近几年国内的数控系统发展很快，在产品质量和性能上有了很大的提高，基
本占领了低端数控机床的市场，中高档数控系统的研发和应用也取得了一定的成
绩。如华中数控的“世纪星”数控系统已进入中档数控机床的市场。新推出的或
正在研发的具有嵌入式结构的数控系统也不少，它们选用了Windows、
Linux和DOS
等操作系统。大家都已认识到，利用计算机成熟的软硬件技术可以加快中高档数
控技术的发展。然而，由于我国数控软硬件研究开发的基础较差，技术积累少，
研发队伍的实力较弱，研发的投入力度不够，因此国产数控系统在性能、功能和
可靠性方面与国外的差距还是很大。目前国内大多数数控系统还是输出脉冲串，
属开环控制，由伺服驱动实现闭环控制。加工速度较低，精度较差，只能应用于
低档数控机床。在中档数控机床上的应用的数控系统绝大多数还是国外的品牌。
§1.2.4 数控系统的发展趋势
当前，数控系统正在发生根本性的变革，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。近几年国外几家主要的数控系统制造
商,如FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI等公司推出的最新数控系统都具有如下共
同特点[1]：
1. 多轴、多通道
数控系统的多轴、多通道功能根据机床的需求，可以把运动轴和主轴配置成
几个通道(坐标系)，每个通道是独立的，通道之间可通过 PLC 建立联系，通道中
的轴可以进行直线、圆弧插补。可以同时控制多台机床或复合加工机床，如双主
轴双刀架车床，车铣复合加工中心。FANUC 的30i-A 数控系统可控制 40 个轴 10
个通道、具有 5轴联动加工，纳米插补和 AⅠ、AⅡ轮廓控制等功能，可实现各种
复杂形状模具的高速高品质加工。MITSUBISHI 的700 系列数控系统可控制 16 个
轴4个 通 道 ,具 有 8轴联动，纳米插补和 SSS(Super Smooth Surface ) 和
OMR(Optimum Machine Response)高速高精度控制技术。
2. 高速和高精度
高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，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。
现代数控加工程序，用许多小线段(通常在１mm以下)去逼近编程轮廓，这种
方法生成的程序量很大。由于线段短小，加工速度受限制，加工时间很长、效率
低。随着数控系统、电主轴、直线电机和刀具等技术发展，使高速、高精度加工
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技术付诸现实。前瞻功能也被称为小线段加工功能，是近年来数控技术发展的热
点。该功能允许预读若干程序段，对加速度和加速度变化率进行控制，进而对刀
具路径的变化进行平滑处理，从而获得高切削速度、好的表面光洁度和加工精度。
3. 智能化和网络化
数控技术与计算机技术的紧密结合，使CNC很容易地实现友好的图形人机界
面和各种智能化自动编程、智能诊断、智能监控功能，具有标准的USB接口、
PCMCIA接口和网络接口。新一代数控装备具有一定智能化。如在提高加工效率和
加工质量方面，对加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；在提高驱动性能
及操作使用方面，数控系统具有前馈控制，对电机参数的自适应运算、自动识别
负载和选定模型、自整定等；在编程、操作方面，智能化的自动编程、智能化的
人机界面等；还有远程诊断、监控等。
网络化数控装备是近几年制造业的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地
满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求。
4. 开放性
随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强对数控机床的柔性和通用
性提出了更高的要求，数控机床制造商希望把自己机床的特点融合到数控系统中
去，体现个性化特色。为了满足机床技术的发展，这就产生了开放结构的数控系
统。目前，有些发达国家已相继提出了各自的开放式体系结构规范，包括美国的
NGC和OMAC计划、欧盟的OSACA计划和日本的OSEC计划等
开放式控制系统具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应各种设备，可灵
活配置，随意集成，所采用的控制软件具有及时扩展和联结功能，可以顺应新技
术的发展，加入各种新功能；不仅能适应汁算机技术和信息技术的快速更新换代，
而且能有效保护用户原有投资；操作方便、维修方便；遵循统一的标准体系，结
构规范，模块之间具有兼容性，部件具有互换性和操作性。
5. 嵌入式结构+总线技术
现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控
制通讯网络，由于采用数字信号代替了传统集散控制系统的模拟量信号，可以用
较少的连线实现现场设备之间的信息交互，提高了系统的可靠性。国外CNC制造
商在其产品中广泛采用现场总线技术。如Siemens公司采用Profibus，Indramat、Fagor
等公司采用SERCOS总线。
高性能嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统的发展，改善了嵌入式系统开发
的方便性，大大拓宽了它的应用领域，开始进入数控技术领域。FANUC 0i-C和30i
中高档数控系统采用了先进的嵌入式结构。整个CNC系统包括液晶显示器、键盘
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和CNC主机集成在一个控制箱内,通过FSSB高速总线和伺服驱动器连接，接线简单
方便。系统显得紧凑、简洁、美观，可靠性高。
6. 新技术标准、规范的建立STEP－NC
采用G，M代码来描述如何加工，已越来越不能满足现代数控技术高速发展的
需要。国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其
目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的
统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。
据美国STEP TOOLS公司研究数据表明：STEP-NC应用将使加工工艺规划时间
减少35%，生产数据的准备时间减少75%，加工时间减少50%（五轴和高速加工）。
STEP-NC为真正实现基于网络的E-Manufacturing、CNC的自治智能制造提供了可
能。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至
整个制造业，将产生深远的影响。目前，欧美、日本、韩国等国家投入了大量资
金研究STEP-NC，并取得了很大的进展。
§1.3 数控系统网络技术
§1.3.1 数控系统网络技术的概况
随着网络技术的发展，通过网络、Internet将制造过程所需资源(如加工程序、
机床、工具、检测监控仪器等)共享，实施数控机床联网，监控，可以实现信息资
源共享，有利于生产管理。数控系统网络技术就是把数控系统网络化，通过Intenet
／Intranet技术将制造单元和控制部件相连，以实现网络制造和资源共享为目标，
支持各种先进制造环境。
数控系统网络技术是近年来国际著名机床博览会的一个趋势。国外一些著名
数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在
EM02001展中，日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center"(智能
生产控制中心，简称CPC);日本大限(Okuma)机床公司展出“IT plaza"(信息技术广
场，简称IT广场);德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment
(开放制造环境，简称OME)等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的最新动向。
国外的某些数控设备如日本生产的加工中心上己经具备远程故障诊断功能，远在
异国的用户加工中心现场的故障信息可以通过工nternet网传送到生产厂商的监控
中心，监控中心调用其故障巡检系统对用户加工中心进行故障诊断，然后将故障
排除方法发送到用户端设备，并在屏幕上显示出来，指导用户排除故障。在远程
故障诊断和远程控制方面发挥了极其重要的作用。
在国内，目前对数控系统网络技术的研究也取得了一定的进展。武汉华中科
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技股份有限公司研制开发的华中世纪星〔HNC-21M)铣削数控装置，是继华中I型
系列数控产品装置之后开发的具有网络功能的数控产品，该产品利用以太网实现
网络通信，并通过RS-232实现串口通信，可以实现网络路径的连接和断开，网络
文件的传输和保存功能。具有很好的开放性。在国家863计划和科技攻关计划多年
连续的支持下，我国基本掌握网络化数字化制造系统的基础技术。在1999年在北
京举行的国际机床博览会上，武汉华中数控股份有限公司率先推出了网络数控系
统原型机，实现了通过Intranet远程操作控制异地数控机床。在2001年的北京国际
机床博览会上，华中数控与北京第一机床厂合作，展示了基于Internet的远程故障
诊断技术;与桂林机床股份有限公司合作，展出了由四台机床联网组成的远程控制
技术。这些都为网络环境下数控系统的研究开发奠定了良好的基础[2]。
§1.3.2 数控系统网络技术几种主要通信方式
应用于数控系统的通信方式有串行通信，现场总线，工业以太网技术等，下面
简要介绍其各自得特点[2]：
1. 串行通信技术
利用数控机床提供的 RS232、RS422 或RS485 等接口，采用点对点型或星形
拓扑结构实现串行通信。这是目前我国在车间中应用最普遍的一种通信方式，但
这种通信方式存在工控微机多，投入成本高，管理和维护工作量大，性能和可靠
性差等缺点。
2. 现场总线技术
目前在 DNC 通信中应用的现场总线主要有 BitBus,CanBus,ProFiBus,采用软插
件技术可以非常方便地实现异构 DNC 系统得集成。现场总线是代替前面两种通信
技术的一种较好方法，可以提供稳定可靠的服务，并且国内外提供 CAN 设备的厂
商也很多。但是，在应用过程中现场总线技术出现了品种多，互相兼容性差，开
发难度大，速度慢及初期投资高的缺点，尤为重要的是，在实现与 INTRANET 或
者INTERNET 互联时，现场总线技术又面临一系列的接口转换问题，从而无法实
现整个 DNC 网络功能的进一步扩展和性能的更大提升。
3. 工业控制用以太网技术
随着IT技术的发展，以太网的发展也取得了本质的飞跃，工业以太网成为现
在研究的热点，越来越多的基于以太网的工业控制网络正在建立和应用。这样做
的优点是显而易见的：架设经济，使用，管理及维护方便，快速，可靠，稳定，
传输距离远，使用中对环境的依赖性小，扩展性强。目前，DNC控制中也表现出
了明显向工业以太网倾斜的趋势。国际上现已有多种工业以太网应用层协议，如：
Modbus/ TCP、Ethernet/IP 、Foundation fieldbus HSE 和PROFInet等。我国的标准
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题背景本文所研究的课题为：以太网技术在开放式数控系统中的应用。它是上海开通数控有限公司新产品开发项目：“基于以太网通讯的中高档数控系统”的一项子课题。主要内容是：开发数控系统中基于以太网的远程通讯模块，改变传统一体式数控系统构架为PC+运动控制器的模式，PC机和运动控制器之间采用标准的以太网总线连接、采用UDP通讯协议、10/100M全双工的模式，可同时接收和发送数据帧，采用CRC校验。目前，国外著名的数控系统制造商的数控系统采用的是专用高速总线直接和专用的伺服驱动器连接通信，控制系统和交流伺服、主轴驱动系统自行配套。如FANUC采用HSSB高速串行总线,SIE...

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