[发明专利]一种数控机床位置检测元件的现场总线接口

说明书

技术领域

本发明属于数控技术，具体涉及一种数控机床位置反馈元件的现场总线接口。 

背景技术

在数控机床控制系统中，位置检测元件一般采用编码器或光栅尺，其信号接口一般为TTL电平、1VPP的正余弦脉冲串或者串行编码的形式。如果采用脉冲串的方式传输信号，容易受到工业环境的电磁干扰，不适应于工业现场的高频传输。 

为了提高位置反馈精度，在数控机床控制系统中，位置反馈元件与控制装置之间的接口出现了采用串行总线的传输的数字通信方式。目前，国外一些主要的厂商生产的位置反馈器件及接口大部分都采用串行总线的通信方式，如ENDAT，SSI，PROFIBUS-DP、FANUC 02，MIT02-4，BISS，HIPERFACE等总线。与TTL和正余弦脉冲串方式相比，串行总线方式具有较高的可靠性和实时性，同时可选择传输增量或者绝对位置，易于实现数控机床的多轴同步控制，但是串行总线方式由于其通信速率的限制，信号具有延时，降低了信号的实时性，因此，难以满足数控机床高速、高精度的加工要求。 

因此，提高串行总线的通信速率是减少信号延时的方式之一，但由于当前串行总线的信号采用的是电平传输方式，其通信速率提高受到限制，通常只有数兆比特，随着传输电缆线的增长，通信速率逐步降低。较低的传输速率导致产生较大的延迟，从而影响数控机床的响应速度和加工精度。如国外某品牌的绝对式码盘采用通信2M的通信速率，传输31位的码盘信号，加上总线的数据帧头、帧尾及校验位等，总共有54位数据需要传输，线路上至少产生27微秒的延迟。若将总线的通信速率提高到100M，则传输延迟可减小到1微秒以内，基本可以忽略不计。 

发明内容

本发明提出了一种数控机床位置反馈元件的现场总线接口，该接口基于工业以太网技术，用于数控机床位置检测元件的通信，解决了现有传输方式的延迟问题。 

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下： 

位置检测元件为相对或者绝对式的旋转式编码器或光栅尺，其输出的信号为并行数字信号；外部控制装置(称为主控模块)可以是伺服驱动装置或数控装置。上述位置检测元件与外部控制装置通过现场总线接口相连，实现两者之间的通信。现场总线工作于主从模式，其中外部控制装置工作于主模式，位置检测元件工作于从模式。 

一种数控机床总线式检测元件的现场总线接口包括： 

现场可编程逻辑门阵列FPGA，用于数据的发送缓冲和接收缓冲以及协议处理； 

以太网物理层PHY芯片，与所述现场可编程门阵列FPGA通信，用于发送和接收数据，将网络中传输的差分模拟信号转变为数字信号，以便于现场可编程门阵列FPGA进行处理； 

网络变压器，与所述PHY连接，用于隔离信号； 

双绞线接头，与所述网络变压器相连，用于发送和接收模拟信号。 

所述现场可编程门阵列FPGA包括：总线协议处理模块，用于端口的初始化、指示如何提取有效数据、数据帧的打包；发送缓冲区，用于存放需要发送的数据，PHY直接从发送缓冲区读取数据并发送；接收缓冲区，用于存放接收到的数据，由FPGA读取。 

本发明提出的一种数控机床位置反馈元件的现场总线接口可以将总线的通信速率提高到100M，传输延迟可以减小到1微秒以内，满足了现行的数控机床高速、高精度加工的要求。 

图1为检测元件现场总线接口原理图； 

图2为本发明基于以太网技术的检测元件的现场总线接口结构图； 

图3为指令帧的格式示意图； 

图4为指令帧的数据区格式示意图； 

图5为位置帧的格式示意图； 

图6为位置帧的数据区格式示意图； 

图7为主控模块通讯时序关系图； 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 

图1为检测元件现场总线接口原理图，虚线框中为本发明主要内容。位置检测元件为相对或者绝对式的旋转式编码器或光栅尺，其输出的信号为并行数字信号，与现场总线接口相连；外部控制装置(称为主控模块)可以是伺服驱动装置或数控装置，也与同样的现场总线接口相连。现场总线工作于主从模式，其中外 部控制装置工作于主模式，总线式检测元件工作于从模式。 

本发明利用通用以太网物理层芯片PHY和通用现场可编程逻辑门阵列FPGA实现了位置检测元件信号的高速通信，不需采用专用硬件，维护容易且成本低。