沈陽(yáng)機床，中國最大的數控機床生產(chǎn)廠(chǎng)商，選擇EtherCAT作為其最新的i5智能數控機床控制平臺的內部總線(xiàn)，并在伺服驅動(dòng)器和IO設備上全面實(shí)施了EtherCAT主站和EtherCAT從站。


                          

    沈陽(yáng)機床

    沈陽(yáng)機床（集團）有限公司擁有中國規模最大的綜合性機床制造廠(chǎng)和國家級數控機床開(kāi)發(fā)制造基地，其工藝手段、裝備實(shí)力達到國際先進(jìn)水平，主導產(chǎn)品300多種，規格千余種，市場(chǎng)覆蓋全國，并出口80多個(gè)國家和地區，機床產(chǎn)銷(xiāo)量多年來(lái)始終居國內同行業(yè)首位。

    沈陽(yáng)機床（集團）設計研究院有限公司上海分公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海研究院是）沈陽(yáng)機床（集團）有限公司的子公司。自2007年立以來(lái)，上海研究院一直在運動(dòng)控制及云制造領(lǐng)域進(jìn)行探索設計和大膽創(chuàng )新，致力于面向機床行業(yè)的運動(dòng)控制技術(shù)及云制造技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)儲備，為客戶(hù)及相關(guān)行業(yè)帶來(lái)切實(shí)的利益和創(chuàng )新的動(dòng)力。

    迄今為止，上海研究院針對沈陽(yáng)機床集團所涵蓋的業(yè)務(wù)領(lǐng)域內研發(fā)了一系列的產(chǎn)品，包括數控系統、HSHA系列伺服驅動(dòng)器及WIS車(chē)間信息系統等產(chǎn)品。

    i5智能數控機床采用EtherCAT通訊


                        

    在中國數控機床展（CCMT） 2014上，沈陽(yáng)機床自主研發(fā)的i5智能數控機床整體亮相，具有特征編程、圖形診斷、機床實(shí)時(shí)監控、遠程診斷、三維仿真、STEP編程等智能化功能，能夠更好滿(mǎn)足市場(chǎng)的發(fā)展需求，為用戶(hù)提供個(gè)性化的解決方案。預計“十二五”規劃末期,I5智能機床數控機床將實(shí)現訂單1萬(wàn)臺。

    i5實(shí)現了5大功能：Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent，即工業(yè)化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化、集成化的有效集成。


                             

    i5控制平臺由三類(lèi)設備組成：NC控制器，HSHA系列伺服驅動(dòng)器和I/O設備，沈陽(yáng)機床上海研究院負責整個(gè)控制平臺的研發(fā)和實(shí)施。

    i5控制平臺采用基于PC的理念，并搭載了由德國倍福（Beckhoff）研發(fā)開(kāi)放的先進(jìn)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology），使用EtherCAT通信總線(xiàn)建立了數控系統與外部伺服驅動(dòng)器，IO和操作面板之間的高速實(shí)時(shí)數據交換通信。i5數控系統使用公司自主開(kāi)發(fā)的使用EtherCAT通信的高性能伺服驅動(dòng)器和通用IO操作單元，以全部國產(chǎn)化的價(jià)格為用戶(hù)提供高檔總線(xiàn)式控制解決方案。


                                

    為何選用EtherCAT？

    除了設備本身功能的實(shí)施，在研發(fā)初期，沈陽(yáng)機床上海研究院對總線(xiàn)選擇做出了預言和評估。因為i5平臺要求通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行云端管理，而基于以太網(wǎng)技術(shù)的物理層使得車(chē)間信息化的成本變得可以接受，現場(chǎng)設備間的互聯(lián)變得很簡(jiǎn)單。因此，將目標鎖定了工業(yè)以太網(wǎng)的通訊技術(shù)。

    而對于i5來(lái)說(shuō)，雖然數控算法是最核心的技術(shù)。但是因為設計高端運動(dòng)控制，因此對總線(xiàn)的要求也甚為苛刻?？焖俚膫鬏敃r(shí)間，更高的同步性是對總線(xiàn)最核心的要求。沈陽(yáng)機床對此的要求主要體現在同步性方面，因為基礎的過(guò)程數據對通訊要求盡可能高的同步性和更低的延遲性能，從而足以滿(mǎn)足基本大類(lèi)的數控機床運動(dòng)控制和過(guò)程控制的需求，無(wú)需擔心總線(xiàn)性能會(huì )對數控造成的影響。而EtherCAT除了眾所周知的“on the fly”通訊機制獲得的幾乎最快的通訊時(shí)間外，其分布式時(shí)鐘機制可以為所有的從站提供抖動(dòng)約50ns的同步硬件時(shí)鐘，從而保證多軸軌跡插補控制時(shí)各進(jìn)給軸動(dòng)作的一致性，大大降低了加工的輪廓誤差；而且，從站支持同步輸出的特性，簡(jiǎn)化了實(shí)時(shí)從站的電路設計和代碼編寫(xiě)，加快了開(kāi)發(fā)速度，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。該機制直接集成在協(xié)議中，方便實(shí)施和應用。

    因為i5中很多算法的know how開(kāi)發(fā)，而EtherCAT支持的郵箱協(xié)議使得面向復雜應用和互聯(lián)的高級功能開(kāi)發(fā)的過(guò)程變得相對容易，使用EtherCAT郵箱通信可以隨時(shí)傳輸伺服驅動(dòng)器的所有參數，并且支持標準Ethernet數據幀的傳輸，實(shí)現標準IT的應用，便于與上層管理軟件的集成；

    與其他很多正在升級的行業(yè)一樣，數控系統供應商在研發(fā)可以提供高性能能加工的功能的同時(shí)，還希望能降低研發(fā)成本。EtherCAT通信不需要交換機、路由器等有源基礎設施組件，也不需要復雜的IT知識。在數控系統上無(wú)需專(zhuān)用的昂貴的通信卡，而只需要一個(gè)標準的以太網(wǎng)端口即可實(shí)現數據通信。而在外部設備從站上只需要價(jià)格低廉的ASIC芯片，或者可以把實(shí)現EtherCAT從站鏈路層的IP核集成到本來(lái)也需要的FPGA上。I5數控系統為了綜合低的成本和開(kāi)發(fā)的方便，在伺服驅動(dòng)器上使用了倍福公司的ASIC芯片，而在IO操作站上使用了FPGA IP核；使其在使用EtherCAT技術(shù)后，幾乎沒(méi)有增加任何硬件成本，性能就得以大大提升；

    面對復雜的數控系統使用現場(chǎng)，用戶(hù)對于設備現場(chǎng)可使用性的要求非常高——高精靈活加工；極高效；極可靠。而EtherCAT完全滿(mǎn)足了這些要求：使用EtherCAT通信替代傳統的模擬量控制方式，取消了模擬量受到干擾和衰減的現象，極大提高了數控系統的可靠性。尤其在中國目前的工廠(chǎng)條件下，用戶(hù)要求設備應用現場(chǎng)對環(huán)境溫濕度容限極高，中國南方夏季高溫高濕環(huán)境下無(wú)環(huán)控可直接運行；生產(chǎn)現場(chǎng)對電源/電磁環(huán)境無(wú)需額外提供任何保障。

    總結

    EtherCAT為機床的最終用戶(hù)帶來(lái)的最終效益顯而易見(jiàn)，這是沈陽(yáng)機床源于采用基于PC和EtherCAT控制方式所導致的：

    機床性能的提升從而節約時(shí)間：可以將插補周期從4ms縮短到0.5ms，大大提高了數控系統的加工速度和精度；快速的通信系統也使得數控系統的PLC響應時(shí)間縮短為原來(lái)的十分之一，提高了外部設備的響應性，縮短了加工時(shí)間；

    降低生產(chǎn)的時(shí)間和成本：傳統的模擬量控制方式下，每個(gè)伺服驅動(dòng)器都需要由數控系統發(fā)出模擬量控制信號，并反饋編碼器信號，這就需要在數控系統上為每個(gè)伺服驅動(dòng)器設置一個(gè)接線(xiàn)端子和相應的電纜。由于電纜都不是標準定義的，因此需要生產(chǎn)廠(chǎng)家投入大量的人力物力進(jìn)行生產(chǎn)。而現在從數控系統到伺服系統和其他外設都使用標準的以太網(wǎng)線(xiàn)纜，可以直接從專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家采購，降低了生產(chǎn)時(shí)間和成本。

    機床使用方便：EtherCAT靈活方便靈活的拓撲結構，易于配置和診斷。一個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò )最多可支持65,535個(gè)設備，而不受在拓撲結構中放置位置的限制，可以很方便地連接i5數控系統需要的伺服驅動(dòng)器、IO操作單元、操作面板、光柵尺、編碼器、各種傳感器等，使其真正成為“智能的大腦”。從站設備也不需要專(zhuān)門(mén)的撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行地址配置，協(xié)議診斷可以定位到出錯的設備。