数控系统现场总线实时通信与精确时间同步技术的研究

论文摘要

高速高精控制是现代数控系统的发展趋势,以往的“脉冲量或模拟量接口”已经不能满足现代数控系统高速高精加工的通信要求,现场总线成为数控系统通信发展的主流。然而,至今为止,世界上公布的现场总线不下100种。但各种总线标准之间互不兼容,技术特点各异。我国的数控系统如果单纯的引用国外现场总线技术,不仅费用高昂,而且难以突破国外的技术壁垒。所以我们必须开发具有自主知识产权的数控系统现场总线技术。数控系统现场总线的实时与同步性能对实现数控系统高速高精加工具有重要意义。本文围绕数控系统现场总线实时通信与精确时间同步技术开展研究。研究了国外几种数控系统现场总线技术特点与通信机制,参照OSI七层通信模型建立了精简的现场总线通信模型,该通信模型只包含物理层、链路层和应用层三层。并基于该通信模型研究了数控系统现场总线实时通信协议,提出了几种有利于提高数控系统现场总线实时性的方法和通信机制。并分别研究了数控系统现场总线物理层协议、链路层协议和应用层协议。研究了IEEE 1588精确时间同步协议,提出了一种简单可行特别适用于数控系统现场总线通信的精确时钟同步协议。与IEEE 1588精确时间同步协议相比,该协议只需要一帧数据即能完成主从站间延时测量与主从时钟对齐。同步信息作为周期数据帧的一部分,不需要专门的同步报文和跟随报文,从而不影响周期通信。基于FPGA+CPU+PHY硬件平台,应用QuartusII开发平台开发了由硬件实现的数控系统现场总线实时通信与精确时间同步协议。搭建了多轴联动试验平台,对所研究的实时通信与精确时间同步技术进行了试验验证与分析。试验证明所开发的数控系统现场总线具有较高的实时性能和同步精度。并成功地将本文研究的技术应用于多轴联动的高档数控系统样机和和4轴联动数控机床,取得了较好效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景与研究意义
• 1.2 现场总线技术的现状与发展
• 1.3 应用于数控系统的几种现场总线介绍
• 1.4 本文的主要研究内容及结构
• 2 数控系统现场总线实时通信技术的研究
• 2.1 引言
• 2.2 数控系统对总线实时性的要求
• 2.3 NCUC-BUS实时通信体系结构模型
• 2.4 NCUC-BUS实时通信协议的研究
• 2.5 本章小结
• 3 数控系统现场总线同步技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 数控系统现场总线同步性对数控加工的影响
• 3.3 NCUC-BUS精确时钟同步协议
• 3.4 本章小结
• 4 实时通信与精确时间同步技术的硬件实现
• 4.1 引言
• 4.2 实时通信主站硬件实现
• 4.3 实时通信从站硬件实现
• 4.4 精确时钟同步协议主站硬件实现
• 4.5 精确时间同步从站FPGA程序流程
• 4.6 本章小结
• 5 数控系统现场总线实时与同步通信试验及应用
• 5.1 试验平台
• 5.2 实时性测试与分析
• 5.3 同步性测试与分析
• 5.4 数控系统现场总线应用实例
• 6 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录