RTEX总线技术在数控领域的应用研究.pdf-资料库

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上海交通大学硕士学位论文RTEX总线技术在数控领域的应用研究姓名：渠世杰申请学位级别：硕士专业：仪器仪表工程指导教师：王文兴;姚丹20090101

上海交通大学工程硕士学位论文摘要 I RTEX总线技术在数控领域的应用研究摘要随着以太网技术突飞猛进的发展，以太网开始被应用在越来越多的工业领域。直到实时以太网总线技术的出现，以太网在控制领域的应用成为可能。越来越多的国际、国内厂家纷纷投入了大量的人力、物力进行实时以太网技术的研发与应用。在国家发改委的支持下，国内的数控业也成立了“数控系统现场总线技术标准联盟”。本文采用松下公司发布的RTEX实时以太网总线技术，作为新一代数控系统的控制总线。基于以太网总线灵活的拓扑结构、优异的抗干扰能力、低廉的配线成本与设备成本，成功的将RTEX协议应用到Sodick公司的直线电机的控制。经过调试成功搭建了工作平台，对RTEX应用在数控系统进行了全面的验证工作，完成了基于RTEX总线协议的新一代数控系统的研发工作。通过前期的RTEX协议理论研究，结合后期大量的实验，测试基于RTEX总线的A4N伺服器的控制刚性，并对实验数据进行分析得到A4N伺服器应用的可行性与局限性。研究中遇到的RTEX协议局限造成的问题，采用上位前馈补偿的方法得到解决。实时以太网总线作为一项新兴的技术，在将来必然会被越来越多的应用在数控领域，本文研究的目的，正是对实时以太网总线技术在数控领域的应用，进行理论研究和实验验证，并力争对下阶段的研究工作起到指导作用。关键词：实时以太网总线，数控系统，RTEX，A4N伺服器，机械刚性，直线电机

上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT II RESEARCH OF APPLICATION ABOUT RTEX ETHERNET BUS ON NUMERIC CONTROL SYSTEM ABSTRACT By the rapid development of the Ethernet, it is being applied into more and more industry fields. Until the bus technology of the real time Ethernet turns up, it become possible that the Ethernet applies on the control fields. More and more international and national manufacturers have launched into large numbers of manpower and material resources to carry through the research and apply of the real time Ethernet technology. My text adopted the RTEX real time Ethernet bus technology from Panasonic as the controlling bus of the new generation numerical control system. Basing on the Ethernet bus having the flexible topology structure, outstanding anti-interference ability, cheap wiring cost and equipment cost, we successfully applied RTEX protocol to the linear motor controlling of Sodick company. After lots of debugging, we have successfully built up the motor platform, carried out all-round verification in RTEX applying in the numerical control system, and completed the research and development of the new generation numerical control system which is basing on the RTEX protocol. Reference to the theory studies of the RTEX protocol and the plenty of experiment, we tested the controls stiffness of the A4N servo basing on the

上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT III RTEX bus. After the analysis on all the data, we got the conclusion on the feasibility and limitation of the A4N servo application. As a new technology, The real time Ethernet bus will be applied on more and more numerical controller. The object of my research is to validate the feasibility about apply the real time Ethernet bus on numerical controller, and to find the direction for the next researching. KEY WORDS： Real Time Ethernet Bus，Numeric Control System，RTEX， A4N Amplifier，Machine Stiffness，Linear Motor

上海交通大学工程硕士学位论文第一章引言 ·1·第一章引言 1.1 背景及问题的提出工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展[1]。工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机以及其它信息技术，对工业生产过程实现实时检测控制，通过优化策略，进行调度管理和决策，以提高生产效率，增加生产产量的同时，降低消耗、确保安全的综合性技术。众所周知，从20世纪60年代开始，随着新设备、新工艺、尤其是计算机技术的应用，传统的工业模式得到了彻底的改造，工业得到了飞速发展。伴随而来的问题，则是市场竞争的空前激烈，促使企业越来越重视T.Q.C.S（新产品投放市场时间（Time to Market），质量（Quality）、成本（Cost）、服务（Service））[2]。数控加工技术，作为工业制造的基础，是国家战略战备的必备技术，数控机床更是一个国家的战略战备的基础。当年的“东芝”事件（日本东芝卖给苏联几台五轴联动的数控铣床，让苏联潜艇的推进螺旋桨的制造上了一个档次，美国的声纳听不到苏联潜艇的声音了），让我们深刻体会到这项技术的重要性。数控机床，是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品。数控系统装备的机床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。这种数控的工作母机是国家工业现代化的重要物质基础之一。自美国在50年代末研制出世界第一台数控车床后，机床制造业就进入了数控时代。数控机床的出现，把人的因素降低到了最低，使得批量生产的产品质量有了保证。数控装置是数控机床的大脑与心脏，有提供控制和动力的功能。数控装置的发展经历了50多年的发展，共可分为2个大的阶段，分别为数控（NC）阶段（1952~1970年），计算机数控（CNC）阶段（1970年~至今）。

上海交通大学工程硕士学位论文第一章引言 ·2·由于早期的计算机运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，不能适应机床实时控制的要求。最早的控制装置是用数千个电子管组成的，体积庞大，且设计复杂、制造周期长、维护困难。随着元器件的发展，后续又分别出现过基于晶体管、小规模集成电路的数控系统。这一阶段也被称之为硬件连接数控（HARDWIRED NC）。自1970年通用小型计算机出现并成批生产，其运算速度有了大幅提高，比硬件搭建的专用计算机成本低、可靠性高，于是被移植作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。这也是计算机数控阶段的第一代——小型计算机。随着1971年美国INTEL公司第一次采用大规模集成电路技术集成技术推出了微处理器（MICROPROCESSOR，又称为中央处理单元（CPU）），微处理器开始被应用于第二代计算机数控系统，替代了功能强大、成本过高的小型计算机。到了1990年后，PC机的高性价比促使计算机数控系统进入了基于PC的阶段（PC-BASED）。数控技术的发展，依赖于多种技术的交叉，其中关键技术包含有：电子元件、数控软件、数控标准、伺服技术、自动编程（CAD/CAM）、可编程控制器、传感器技术等等。其中伺服器作为运动控制的驱动单元，在数控系统中的作用尤其重要，伺服技术可以直接决定一台机床可以达到的精度与性能。伺服器在控制系统中的作用如此重要，因此国内外都投入了巨大的人力物力进行伺服器相关技术的研究与开发。伺服器作为驱动单元，又称Amplifier，顾名思义其主要作用是放大信号，需要接受计算机发出的控制信号，经过放大后输出电流到马达电机，控制机床的位移移动。因此伺服器的位置处于控制信号与强电源的连接处，一般都安装在电气柜内部，附近必然有变压器、强电线路。控制信号作为弱电信号易受到变压器的电磁干扰以及电网内噪声干扰。控制信号受到干扰，可能直接导致机床暴走、误动作，进而造成机床设备的损坏，使得工厂的生产计划被打断，造成巨大的损失，而这是所有数控系统都要面对的难题。为了增强抗干扰能力，控制线的制作要求非常高，同时要求电柜内的布局必须符合一定的电气标准。通常需要针对现场环境，选择控制线的材料以及控制信号种类，

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