工业以太网EtherCAT在激光切割机中的应用
发布时间：2021-08-18 21:33
随着世界经济的全球化和制造业发展的日益逐步深入和加速,制造业作为其发展的根本行业,为了被国际市场所认可和需要,对其设计和制造工艺装备的技术要求也越来越高。在设计和加工的精准度、精确度和其加工的效率、速度上都对其提出了更高的要求。当然,国内和国外的数控机械相关企业和研发中心以及高校也就如何有效提高数控工艺设备的性能以及在生产效率等方面开展了多种多样的技术研究、开发与其应用。本文通过将EtherCAT通讯协议在激光切割机这个实际项目中的应用,并且进行了一系列的实验,验证了本文所提出方案的可行性。本文的主要研究内容和成果如下:1.对目前数控技术行业的发展现状进行了分析,充分学习了EtherCAT通讯协议的原理,根据这个原理,确定了控制系统的整体架构。2.针对激光切割机的实际需求,自主设计了EtherCAT从站。针对从站硬件的各个部分进行了详细的分析以及严谨的可行性和可靠性测试,并且最终做成产品,进行了小批量加工生产。3.完成了EtherCAT整个系统的搭建和实现。对市场现有主流的主站实时系统进行了调查,确定了本文使用主站的型号。同时成功完成了所选型EtherCAT主站系统的各种复杂配置,搭建...
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EtherCAT运行原理
第二章EtherCAT的原理及协议规范9的通讯中保持的参考时间是第一个具有分布式时钟功能的从机。系统时间用作基准时钟，使所有设备的DC从时钟同步。当整个系统中从站设备数量较多时，距离主站最近的从站与距离主站最远的从站接收消息信息的时差较大，不同从站之间的同步也相应减校此外，所有的从站都有自己的时钟。长期运行，时钟会漂移并引起误差。图2-3EtherCAT的报文结构Fig.2-3EtherCATdatagramsstructureESC可以为本地应用程序生成SyncSignals，以同步到系统时间。SyncSignals可以用于非模拟输出更新/非模拟数字输入采样，也可以直接使用。此外，LatchSignal可以相对于EtherCAT系统时间加上时间戳。EtherCAT从站控制器的分布式时钟（DC）单元支持以下功能：所有设备之间的时钟一致；制作SyncSignals标志量；输入event的误差特别小的LatchSignals等。分布时钟的使用要遵循以下几个定义：系统时间的定义；参考时钟的定义；本地时钟的定义；主时钟的定义。下面分别介绍每个定义的内容。系统时间的定义：从2000年1月1日0:00h开始；基本单位为1ns；64位值（足够使用500年以上）；低32位跨越4.2秒（通常足以用于通信和时间戳记）；某些ESC仅具有32位DC，与64位DC兼容。参考时钟的定义：一台EtherCAT设备将用作参考时钟。通常，参考时钟是主机顺序寻址节点寻址逻辑寻址
广东工业大学硕士学位论文10与所有要同步的从机（DC从机）之间具有直接连接的第一个ESC。参考时钟可能会调整为“全局”参考时钟，例如到IEEE1588全局时钟。参考时钟提供系统时间。本地时钟的定义：每个DC从站都有一个本地时钟，最初运行时与参考时钟无关。可以补偿本地时钟和参考时钟之间的差异（偏移），以及时钟漂移。通过将偏移量与本地时钟值相加可以补偿该偏移量。通过测量和调整本地时钟速度可以补偿漂移。每个DC从站均保存参考时钟的副本，该副本与本地时钟和本地偏移量相乘。参考时钟也有本地时钟。主时钟的定义：主机用主时钟初始化，根据提前定下的协议来传递输送系统时间。主时钟常由全局参考时钟紧密相连，该参考可直接供主机用，也可以由提供对参考的访问的EtherCAT从属间接访问。图2-4SyncSignal生成模式Fig.2-4SyncSignalGenerationModes同步信号的生成对于在进行分布时钟的同步时时很关键的。接下来对同步信号的生成进行说明。如图2-4，DC循环单元/同步单元支持基本SyncSignalSYNC0和从属SyncSignalSYNC1的生成。SyncSignals可以在ESC内部和外部使用。SyncSignals可以在特定的系统时间生成。支持四种操作模式：循环生成，单次触发，循环确认和单次触发确认模式。确认模式通常用于产生中断。中断必须由μController确认。根据表2-1，通过脉冲长度和SYNC0循环时间的配置选择SyncSignal操作模式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]多轴伺服电机运动的EtherCAT通信控制[J]. 秦磊,朱灿焰,匡绍龙,季爱明. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(10)
[2]EtherCAT时钟同步技术的研究[J]. 李享,何方,韩文泽. 组合机床与自动化加工技术. 2018(05)
[3]基于SII接口的EtherCAT网络配置方案设计[J]. 南扬,丰大军,赵德政,王皓. 电子技术应用. 2017(12)
[4]基于LinuxCNC的EtherCAT主站研究[J]. 史步海,王超. 机床与液压. 2017(21)
[5]基于Linux系统的EtherCAT主站的设计与实现[J]. 尹华山,孟凡军,安康康. 仪表技术. 2017(06)
[6]EtherCAT主站与主站通信协议的研究与实现[J]. 党选举,李帅帅,伍锡如,姜辉. 组合机床与自动化加工技术. 2017(01)
[7]基于Linux嵌入式平台BeagleBone Black的EtherCAT主站设计[J]. 高恩博,颜钢锋. 工业控制计算机. 2016(11)
[8]EtherCAT主站协议SoE的研究与实现[J]. 常玉冬,王超. 组合机床与自动化加工技术. 2016(11)
[9]Design and Implementation of a System for Laser Assisted Milling of Advanced Materials[J]. WU Xuefeng,FENG Gaocheng,LIU Xianli. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2016(05)
[10]基于ARM+FPGA的EtherCAT主站设计及实现[J]. 徐健,唐小琦,宋宝. 组合机床与自动化加工技术. 2016(06)
博士论文
[1]激光加工数控系统及状态监测技术研究[D]. 吕善进.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]基于嵌入式平台的EtherCAT主站实现研究[D]. 王惠娇.郑州大学 2018
[2]EtherCAT主站设计与实现[D]. 李晴.电子科技大学 2016
[3]HLH-2040激光切割机结构分析与优化设计[D]. 王猛.东南大学 2015
[4]横梁倒挂式激光切割机的结构优化设计[D]. 金俊尉.南京航空航天大学 2015
[5]EtherCAT从站软件的设计与实现[D]. 任计羽.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[6]嵌入式EtherCAT主/从站通信控制器的应用研究[D]. 黄贤新.广东工业大学 2014
[7]基于EtherCAT的主站通信控制器设计[D]. 张磊.广东工业大学 2013
[8]基于嵌入式数控平台的EtherCAT主站实现[D]. 张少勋.华南理工大学 2013
[9]EtherCAT数据采集系统中的无线传感器节点时钟同步技术研究[D]. 赵孟磊.西安电子科技大学 2013
[10]背板式EtherCAT从站控制器的研发与应用[D]. 庞艳.北京工业大学 2012
本文编号：3350663
【文章来源】：广东工业大学广东省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EtherCAT运行原理
第二章EtherCAT的原理及协议规范9的通讯中保持的参考时间是第一个具有分布式时钟功能的从机。系统时间用作基准时钟，使所有设备的DC从时钟同步。当整个系统中从站设备数量较多时，距离主站最近的从站与距离主站最远的从站接收消息信息的时差较大，不同从站之间的同步也相应减校此外，所有的从站都有自己的时钟。长期运行，时钟会漂移并引起误差。图2-3EtherCAT的报文结构Fig.2-3EtherCATdatagramsstructureESC可以为本地应用程序生成SyncSignals，以同步到系统时间。SyncSignals可以用于非模拟输出更新/非模拟数字输入采样，也可以直接使用。此外，LatchSignal可以相对于EtherCAT系统时间加上时间戳。EtherCAT从站控制器的分布式时钟（DC）单元支持以下功能：所有设备之间的时钟一致；制作SyncSignals标志量；输入event的误差特别小的LatchSignals等。分布时钟的使用要遵循以下几个定义：系统时间的定义；参考时钟的定义；本地时钟的定义；主时钟的定义。下面分别介绍每个定义的内容。系统时间的定义：从2000年1月1日0:00h开始；基本单位为1ns；64位值（足够使用500年以上）；低32位跨越4.2秒（通常足以用于通信和时间戳记）；某些ESC仅具有32位DC，与64位DC兼容。参考时钟的定义：一台EtherCAT设备将用作参考时钟。通常，参考时钟是主机顺序寻址节点寻址逻辑寻址
广东工业大学硕士学位论文10与所有要同步的从机（DC从机）之间具有直接连接的第一个ESC。参考时钟可能会调整为“全局”参考时钟，例如到IEEE1588全局时钟。参考时钟提供系统时间。本地时钟的定义：每个DC从站都有一个本地时钟，最初运行时与参考时钟无关。可以补偿本地时钟和参考时钟之间的差异（偏移），以及时钟漂移。通过将偏移量与本地时钟值相加可以补偿该偏移量。通过测量和调整本地时钟速度可以补偿漂移。每个DC从站均保存参考时钟的副本，该副本与本地时钟和本地偏移量相乘。参考时钟也有本地时钟。主时钟的定义：主机用主时钟初始化，根据提前定下的协议来传递输送系统时间。主时钟常由全局参考时钟紧密相连，该参考可直接供主机用，也可以由提供对参考的访问的EtherCAT从属间接访问。图2-4SyncSignal生成模式Fig.2-4SyncSignalGenerationModes同步信号的生成对于在进行分布时钟的同步时时很关键的。接下来对同步信号的生成进行说明。如图2-4，DC循环单元/同步单元支持基本SyncSignalSYNC0和从属SyncSignalSYNC1的生成。SyncSignals可以在ESC内部和外部使用。SyncSignals可以在特定的系统时间生成。支持四种操作模式：循环生成，单次触发，循环确认和单次触发确认模式。确认模式通常用于产生中断。中断必须由μController确认。根据表2-1，通过脉冲长度和SYNC0循环时间的配置选择SyncSignal操作模式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]多轴伺服电机运动的EtherCAT通信控制[J]. 秦磊,朱灿焰,匡绍龙,季爱明. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(10)
[2]EtherCAT时钟同步技术的研究[J]. 李享,何方,韩文泽. 组合机床与自动化加工技术. 2018(05)
[3]基于SII接口的EtherCAT网络配置方案设计[J]. 南扬,丰大军,赵德政,王皓. 电子技术应用. 2017(12)
[4]基于LinuxCNC的EtherCAT主站研究[J]. 史步海,王超. 机床与液压. 2017(21)
[5]基于Linux系统的EtherCAT主站的设计与实现[J]. 尹华山,孟凡军,安康康. 仪表技术. 2017(06)
[6]EtherCAT主站与主站通信协议的研究与实现[J]. 党选举,李帅帅,伍锡如,姜辉. 组合机床与自动化加工技术. 2017(01)
[7]基于Linux嵌入式平台BeagleBone Black的EtherCAT主站设计[J]. 高恩博,颜钢锋. 工业控制计算机. 2016(11)
[8]EtherCAT主站协议SoE的研究与实现[J]. 常玉冬,王超. 组合机床与自动化加工技术. 2016(11)
[9]Design and Implementation of a System for Laser Assisted Milling of Advanced Materials[J]. WU Xuefeng,FENG Gaocheng,LIU Xianli. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2016(05)
[10]基于ARM+FPGA的EtherCAT主站设计及实现[J]. 徐健,唐小琦,宋宝. 组合机床与自动化加工技术. 2016(06)
博士论文
[1]激光加工数控系统及状态监测技术研究[D]. 吕善进.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]基于嵌入式平台的EtherCAT主站实现研究[D]. 王惠娇.郑州大学 2018
[2]EtherCAT主站设计与实现[D]. 李晴.电子科技大学 2016
[3]HLH-2040激光切割机结构分析与优化设计[D]. 王猛.东南大学 2015
[4]横梁倒挂式激光切割机的结构优化设计[D]. 金俊尉.南京航空航天大学 2015
[5]EtherCAT从站软件的设计与实现[D]. 任计羽.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2014
[6]嵌入式EtherCAT主/从站通信控制器的应用研究[D]. 黄贤新.广东工业大学 2014
[7]基于EtherCAT的主站通信控制器设计[D]. 张磊.广东工业大学 2013
[8]基于嵌入式数控平台的EtherCAT主站实现[D]. 张少勋.华南理工大学 2013
[9]EtherCAT数据采集系统中的无线传感器节点时钟同步技术研究[D]. 赵孟磊.西安电子科技大学 2013
[10]背板式EtherCAT从站控制器的研发与应用[D]. 庞艳.北京工业大学 2012
本文编号：3350663
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