摘 要：随着数控系统往总线化方向发展，数控系统与伺服驱动器间因总线协议而绑定。在机床动态性能不理想时，无法区分是数控系统运动控制上的原因，还是伺服驱动电机系统响应性的原因。为排除数控系统运动控制算法等的影响，将耦合问题解耦，研发了一款基于嵌入式硬件的支持EtherCAT总线和MetroLink-Ⅲ总线的机床动态性能测试工具。该测试工具可替代数控系统控制伺服驱动器的运动，可自由配置总线过程数据，可自由调整运动控制参数，并存储机床位置反馈元件反馈位置信息，对典型运动进行直观的图形化显示，便于测试结果的呈现和运动控制参数的调优。

关键词：运动控制系统;机床动态性能;嵌入式硬件;实时工业总线;模块化设计

中图分类号：TG659  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）09-0001-05

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

0    引言

数控机床正逐渐向总线化方向发展，总线式数控系统具有可靠性高、可远距离传输、安装维护成本低等优点。总线式数控系统的控制器与从站之间采用实时以太网连接，实时以太网因其低成本、高通信效率等优点，近年来被越来越多地使用[1]。国内已有机床厂商推出基于实时以太网技术的机床产品，比如华中数控、广州数控、大连科德等[2]。

EtherCAT[3]和MetroLink-Ⅲ是两种相对使用较为广泛的工业实时以太网总线。EtherCAT是德国倍福研发的一种实时工业以太网技术，具有高速和高带宽、高效率的特点。EtherCAT支持多种设备连接拓扑结构，拓扑结构中的从站设备通过标准以太网线和主站连接。通信时主站下发报文给第一个从站，从站直接处理接收的报文，并从报文中提取或插入相关的用户数据，然后将报文传输到下一台从站设备，最后一个EtherCAT从站发回经过完全处理的报文，由第一个从站作为相应报文将其发送给主站。MetroLink-Ⅲ是日本安川电机开发的运动控制现场总线协议，其通信速率高达100 Mb/s，能够实现各种控制信息（位置、速度、力矩、I/O等）的实时通信，其主站实现方式为安川专用芯片JL101A。

基于实时以太网的总线式数控系统与伺服驱动器之间通过实时以太网连接，总线上每个通信周期都传输着目标位置/速度并反馈电机编码器位置，因此驱动器所使用的总线种类需要与数控系统一致。由于种种原因，一台数控机床所采用的数控系统供应商与伺服驱动器厂商可能不一致，当机床动态性能不理想时，无法区分是数控系统运动控制上的原因，还是伺服驱动电机系统响应性的原因。为了排除数控系统运动控制算法、前瞻插补算法等的影响，将耦合问题解耦，需要专门的机床性能测试工具，有学者基于LabVIEW研发了机床动态性能测试工具[4]。

为了实现低成本全自主可控的软硬件方案，本文研发了一款基于嵌入式硬件的支持EtherCAT总线和MetroLink-Ⅲ总线的机床动态性能测试工具。

1    嵌入式硬件方案设计

本文研究的总线式数控机床动态性能测试工具需满足机床动态性能测试的相关需求，其他需求包含工业实时总线的支持、触摸屏的连接、存储卡等外设的使用。在满足以上要求的基础上，硬件方案的整体配置清单如表1所示。

在硬件方案设计中，需满足测试工具的外设需求，常用外设包含触摸式显示屏、TF存储卡、EtherCAT总线从站、MetroLink-Ⅲ总线从站、键盘等，调试用外设包含串口调试工具、OTG调试工具、鼠标等。

硬件整体设计框架如图1所示。

在工业总线通信模块的硬件设计上，由于需要同时支持EtherCAT和MetroLink-Ⅲ两种总线，因此选用并口进行连接，采用分别片选的方式切换总线类型，如图2所示。

本文所研究測试工具基于使用便利性和经济性考虑，选取了10.1英寸TFT LCD显示屏，分辨率为1 280×800像素，262K colors（RGB-6bit）。如图3所示，显示屏组建与主控电路板采用单路8位LVDS接口连接，显示屏背光采用+12 V供电，3.3 V显示供电，可通过PWM调节背光亮度。Ethernet通信模块、USB扩展模块、TF卡存储扩展模块、串口模块、复位模块、急停输出模块、电源模块等也进行了专门的设计，因不在本文主要研究范围内，此处不再赘述。

本文硬件方案能够有效支撑可触摸操作的总线式机床性能测试工具的研制。

2    总线式数控机床动态性能测试工具系统软件设计

本文研究的总线式数控机床动态性能测试工具可同时满足EtherCAT和MetroLink-Ⅲ两种总线协议，因EtherCAT使用广泛，且无须专用主站芯片，研发难度更大，因此软件系统设计基于EtherCAT总线介绍。

2.1    测试工具系统软件架构设计

EtherCAT总线软件架构如图4所示，本文所研究的软件架构基于用户空间、内核空间和硬件基础进行分层，主要组成模块包含测试工具界面模块、实时任务应用模块、非实时任务应用模块。通过EtherCAT主站模块对系统进行操作，实时任务通过实时任务应用模块进行周期性处理，非实时应用调用Linux内核。实时任务处理IgH状态机任务，并进行总线数据的处理，底层通过网卡驱动和伺服驱动器实现总线的传输。

为了支持满足测试工具的需求，软件体系需要能够执行实时任务，能够作为主站进行EtherCAT总线的首发，能够基于协议进行驱动器的配置，还要满足部分图形化任务的需求。因此，软件体系中需要选用相应软件模块和解决方案以满足相应需求，本文选取了xenomai实时模块和EtherLab推出的IgH EtherCAT主站方案。IgH EtherCAT主站方案选用CANopen over

EtherCAT（CoE）协议，CoE中设备描述文件以xml文件的形式进行保存，因此本文所研究的软件架构中包含libxml2库用于处理xml格式文件。为了支撑界面应用，选取Qt库和Qwt库作为图形化设计工具。

EtherCAT总线的周期性通信需要确保在周期内完成，通信周期由FPGA给出的周期性中断决定，本软件需要在下一个中断到来之前完成前一个周期的任务。而软件中，坐标显示等为准实时任务，其对实时性的要求不需要达到总线周期的时间量级，但也需要确保一定的刷新频率。其他一些任务，比如鼠标事件的响应、界面的操作等均为非实时任务，不需要占用实时任务的资源。因此，在这个纲领下，本文所研究软件需将各任务分为实时任务、准实时线程和其他非实时任务三个层次。为了简化程序架构，尽量减少实时任务负担及实时任务间的冲突，本软件最好仅采用一个实时任务。在Qt开发框架下，主界面占据了操作的主线程，因此实时任务可以设计为通过线程管理QThread进行开启。在本程序开启时，只运行主界面的非实时任务，当连接总线时，会开启准实时线程，准实时线程中包含坐标显示和实时任务的开关控制。

2.2    测试工具用户空间的软件界面设计

测试工具采用触摸屏进行操作，也可以外接鼠标、键盘进行操作。测试工具的主界面如图5所示。

主界面左侧为子页面选择区，子页面包括状态子页面、参数配置子页面、设备测试子页面、示波器子页面、错误排查子页面等。

程序启动后率先进入状态子页面，本文所研究测试工具由于要面对各种不同类型机床，因此对编码器/光栅分辨率、螺距都可以进行自由配置。也可以选择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）作为控制模式，通信周期0.5～4 ms可调。为了保证机床调试的安全，可设置软限位，系统会对位置/速度指令进行判断，超出限位时停止动作。可设置直线运动的最大加速度和最大捷度（加加速度），在后续的运动测试中，会根据设置的最大加速度和最大捷度限制进行运动规划。本文所研究软件为便于机床测试，可各个轴单独使能，且具备手轮模式和连续运动模式，进给速度均可调节。

图6所示为参数配置子页面，可以通过CoE对象字典对驱动器参数进行读写，对象字典是CANopen协议中最重要的部分。

本文所研究的机床动态性能测试工具包含单轴测试、双轴同步测试和双轴画圆测试三种模式，插补方法均选用单位弧长增量插补法[5]。单轴测试主要对机床的单轴动态响应做测试，速度规划按照梯形加减速进行，单轴测试结果可体现跟随误差、速度波动、最大速度超调量、加速度超调量等信息，便于使用者对机床性能進行判断或对伺服驱动速度环、电流环参数进行调整，以完成调优。双轴同步测试是考察交叉轴同步运动的场景，测试结果主要体现被测两轴响应速度的配合度，其误差值可以理解为两轴同步插补时两轴响应所带来的误差。双轴画圆测试主要体现双轴进行圆弧插补时的轮廓误差以及圆弧过象限时的背隙误差。

由于三种测试目标与运动形式不同，因此其参数也不相同，具体参数设置如图7所示，速度规划的加速度、捷度限制在图5所示的状态子页面中配置。

3    实验验证

本节采用本文所研究的总线式数控机床动态性能测试工具对双轴交叉运动平台进行了测试，运动平台具备两个运动轴，均采用20位编码器，即单圈分辨率为1 048 576，丝杠螺距为16 mm。采用本文所研制的测试工具分别进行了三种测试。

图8所示为该工作台X单轴测试结果，移动距离为10 mm，进给速度为1 000 mm/min，最大加速度0.5g。如图所示，跟随误差随加速过程逐渐变大，在匀速运动后跟随误差趋于稳定，在减速阶段跟随误差逐渐减小。实际速度曲线略滞后于指令速度曲线，并在加速结束后有一定量的超调。

图9为工作台双轴同步测试结果的图形化展示，双轴同步测试距离为10 mm，进给速度为1 000 mm/min，其运动为两个轴同步先往正向移动10 mm，再移动回起点。本次实验两轴的最大误差为2.44 μm，两轴间的误差正负值较均匀，说明两轴同步性较好。

图10为工作台双轴画圆测试结果的图形化展示，圆弧半径为10 mm，进给速度为1 000 mm/min，画圆运动会进行两圈，第一圈会进行加速因此其结果不做保存，第二圈画圆运动的编码器位置反馈结果如图10所示。为了显示上的直观，误差在径向上进行了放大显示，由图可以看出在过象限，即一根轴换向时会产生尖角，基于编码器反馈的结果计算本次测试的最大圆弧跟随误差为5.18 μm。

4    结语

本文介绍了基于嵌入式硬件的总线式数控机床动态性能测试工具的软硬件架构，为满足机床几种典型动态性能测试，进行了硬件设计与软件设计，并利用界面应用形成完整的控制系统。在集合了直线插补、圆弧插补、可变参数的速度规划等功能后，该系统可实现机床的单轴测试、双轴同步测试和双轴画圆测试，以图形化加分析结果的方式对机床动态性能测试的结果进行显示。同时也可以通过EtherCAT总线邮箱通信，以对象字典方式对驱动器三环参数进行调整，对机床的动态性能进行调优。

本文所研究的测试工具在软硬件架构上可以支撑多轴联动加工数控系统的开发，以本文研究为基础添加G代码解释器、软PLC等功能模块，即可实现数控系统的基础功能，可大幅度降低数控系统成本。

[参考文献]

[1] DING H，ZHANG B，DING Y，et al.On a novel low-cost web-based power sensor via the Internet[J].Sensors and Actuators A：Physical，2007，136（1）：456-466.

[2] 任清荣.基于以太网的数控系统数字接口技术研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

[3] JANSEN D，BUTTNER H.Real-time Ethernet：the EtherCAT solution[J].Computing and Control Engineering，2004，15（1）：16-21.

[4] 张云飞，奚延辉，王小鹏.基于LabVIEW的机床动态性能测试系统研究[J].机械设计，2019，36（S1）：17-20.

[5] ZHAO W，CHEN M，CHEN H.A novel trajectory interpol-ation algorithm for WEDM-Unit generalized arc length increment method[J].Procedia CIRP，2013，6：255-260.

收稿日期：2022-02-21

作者简介：陈昊（1989—），男，安徽淮北人，博士，研究方向：数控系统与数控机床装备。