沈陽機床，中國最大的數控機床生產廠商，選擇（zé）EtherCAT作為其最新的i5智能數控機床（chuáng）控製平台的內部總線（xiàn），並在伺服驅動器（qì）和（hé）IO設備上全麵實施了EtherCAT主（zhǔ）站和EtherCAT從（cóng）站。
   

      沈陽機床
   

      沈陽機床（集團）有限公司擁有中國規模最大（dà）的綜合性機（jī）床製（zhì）造廠和（hé）國家級（jí）數控機床開發製造基地，其工藝手段、裝（zhuāng）備實力達到國際先進水平，主導產品300多種，規格千餘種，市場覆蓋全國（guó），並出口（kǒu）80多個國家和地區，機床產銷量多年來始終居國內同行業首位。
   

      沈陽（yáng）機（jī）床（集團）設計研（yán）究院有（yǒu）限公司上海（hǎi）分公司（以下簡稱上海研究院）是沈陽機床（集團）有限公司的子公司。自2007年立以來，上海研究院一直在運動控製及（jí）雲製造領域進行探索設計和大膽（dǎn）創（chuàng）新，致力於麵向機床行業的運動控製技（jì）術及雲製造技術（shù）的產品研發和技術儲備，為客戶及相（xiàng）關行業帶來切（qiē）實（shí）的利益和創新的動力。
   

      迄今為止，上海研究院針對沈陽機床集團所涵蓋的業務領域內研發了一係列的產（chǎn）品，包括數控係統、HSHA係列伺服驅動器及（jí）WIS車間信息係統等產品。
 

      i5智能數控機（jī）床采用EtherCAT通信
   

        在中國數控機床（chuáng）展（CCMT） 2014上，沈陽（yáng）機床自主研發的i5智能（néng）數控機（jī）床整體亮相，具（jù）有特征（zhēng）編程、圖形診斷、機床（chuáng）實（shí）時監控（kòng）、遠程診斷、三維（wéi）仿真、STEP編程等智能化功能，能夠更好（hǎo）滿足市場的發展需（xū）求，為用戶提供個性化的解決方案。預計（jì）“十二五”規劃末期,I5智能（néng）機床數控機床將實現訂單1萬台。
   

      i5實現了（le）5大（dà）功能：Industry、Information、Internet、Integrate、Intelligent，即工業（yè）化、信息化、網絡化、智能（néng）化、集成化的有效（xiào）集成。
  
    
      
 
      圖1：i5平台（tái）架構（gòu）圖。注：在此圖中EtherCAT縮寫為ECAT
  
       
      
 
      圖2：i5機床的數控係統架構（gòu）
   

      i5控製平台由三類設備組成：NC控製器，HSHA係（xì）列伺服驅動器和I/O設備，沈陽機床（chuáng）上（shàng）海研究院負責整個控製平台的研發（fā）和實施。
    
  
  
      
      圖3： I5的數控麵板——EtherCAT主站
   

      i5控製平台采（cǎi）用基於PC的理念，並搭載了由德國倍（bèi）福（Beckhoff）研發開放（fàng）的先進的（de）實時工業以太網技術（shù）EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology），使用EtherCAT通（tōng）信總線（xiàn）建立了數控係統與外部伺服驅動器，IO和操作麵板之間的（de）高速實時數據交換通信。i5數控係統使用公司自主開發的使用（yòng）EtherCAT通信的高性能伺服驅動器和通用IO操作單元，以（yǐ）全部國產化的價格為用戶提供高檔總線式控製解決方案。
   

      為何選用EtherCAT？
 

      除（chú）了設備本身功能的實施，在（zài）研發（fā）初期，沈陽機床上海研究院對總線選擇做出了預言和評估。因為i5平台要求通過以太網進行雲端管（guǎn）理，而基於以太網技術的物理層使（shǐ）得車間信息化的成本（běn）變得可以接受，現場設備（bèi）間的互聯變得很簡單（dān）。因此，將目標鎖定了工業以太網的通信（xìn）技術。
  
    
      
      圖4： HSHA係列伺服驅動器——EtherCAT從站
    

      
      圖5：I/O設備——EtherCAT從站
   

      而對於i5來（lái）說，雖然數控算法是最核心的技術。但是因為設計高端運（yùn）動控製（zhì），因此對總線的要求也甚為苛刻。快（kuài）速（sù）的傳輸時間，更高的同步性是對總線最核心的要求。沈陽機床對此的要求主要體現在（zài）同步性方麵（miàn），因（yīn）為基礎的過程數（shù）據對通信要求盡可能高的同步性（xìng）和更低的延遲性能，從而足以滿足基本大（dà）類的數（shù）控機（jī）床運動控製和過程控製（zhì）的需求，無需擔（dān）心總線性能會對數控造成的影響（xiǎng）。而EtherCAT除了（le）眾所周知的（de）“on the fly”通信機製（zhì）獲得的幾乎最快的通信時間外，其分布式時鍾機製可以為所有的從站提供抖動約50ns的同步硬件時鍾，從而保證多（duō）軸軌跡插補控製時各進給軸動作的一致性，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）化了實時（shí）從站的電路設計和代碼編寫（xiě），加快了開發速度，縮短了產品上市時間。該機製直（zhí）接集成在協議中，方便實施和應用。
    

      因為i5中很多算法（fǎ）的（de）know how開發，而EtherCAT支持的郵箱協議使得麵（miàn）向複雜應用和互聯的（de）高級功能開發（fā）的過程變得相對容易，使用EtherCAT郵箱（xiāng）通信可以隨時傳輸伺（sì）服驅動器的所有參數，並且支持標準Ethernet數據幀的傳輸，實現標準IT的應用，便於與上層管理軟件的集成；
   

      與其他很多正在升級的行業一樣，數（shù）控係統供應商在研發可以提供高性能能加（jiā）工的功（gōng）能的同時，還希望能降低研發成本。EtherCAT通信不需要交（jiāo）換機、路由器等有源基礎設施（shī）組件，也不需要（yào）複雜的（de）IT知識。在數控係統上無需專用的昂貴的通信卡，而隻需要一個標準的以（yǐ）太網（wǎng）端口即可實現（xiàn）數據通信。而在外部設備（bèi）從站上隻需要價格低廉的ASIC芯片，或者可以把實現（xiàn）EtherCAT從站鏈路層的IP核集（jí）成到本來也需要（yào）的（de）FPGA上。I5數控係（xì）統為（wéi）了綜合低的成本和開發的方便，在伺服驅動器上使用了倍福公司的ASIC芯片，而在IO操作站上使用了（le）FPGA IP核；使其在使用EtherCAT技術後，幾乎沒有增加任何硬件成本，性能就得以（yǐ）大大提升（shēng）；
   

      麵（miàn）對複雜的數控係統使（shǐ）用現場，用戶（hù）對於設備現場可使用性的要求非常高——高精靈（líng）活加工；極高效；極可靠。而EtherCAT完全滿足了這些要（yào）求：使用EtherCAT通信替代傳統的模擬（nǐ）量控製方式，取消了模擬量受到幹擾和（hé）衰減的現象，極大提（tí）高（gāo）了數控係統的可靠性。尤其（qí）在中國目前的工廠條件下，用戶要求設備應用現場對環境溫濕度容限極高，中國南方夏季高溫高濕環境下無環控可直接運行；生產現場對電源/電磁環境無需額外提供任（rèn）何保障。
   

      總結

      EtherCAT為機床的最（zuì）終用戶帶來的（de）最終效益顯而易見，這是沈陽機床（chuáng）源（yuán）於采用基於PC和EtherCAT控製方式所導致的：
   

      ■ 機床性能的提升從而（ér）節約時間：可以將插補周期從4ms縮短到0.5ms，大大提（tí）高了數控係統的加工速度和精度；快速的（de）通信係統也使得數控係統的PLC響應時間縮短為原來的十分之（zhī）一（yī），提高了外（wài）部設備（bèi）的響應（yīng）性，縮短了加工時間；
    

      ■ 降低生產的時間和成本：傳統的模擬量控（kòng）製方式下，每個伺服驅動器都需要由數控係（xì）統發出模擬量控（kòng）製信號，並反饋編碼器信號，這就需（xū）要在數（shù）控係統上為每個伺服（fú）驅動器（qì）設置（zhì）一（yī）個接線端子和相應（yīng）的電纜。由於電纜都不是標準定義的，因此需要生產廠家投入大量的人力物力進行生產。而（ér）現在從數控係統到（dào）伺服係統和其他外（wài）設都使用標準的以太網線纜，可以直接從專業廠家采購，降低了生產時間和成本（běn）。
   

      ■ 機床使用方（fāng）便：EtherCAT靈活方便靈活的拓撲結構，易於配置和診斷。一個EtherCAT網絡最多可（kě）支持65,535個設備，而不受在拓撲結構中放置位置的限製，可（kě）以很方便地連接i5數控係統需要的伺服驅動器、IO操作單（dān）元（yuán）、操作（zuò）麵（miàn）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（yě）不需要專（zhuān）門的撥碼開關進行地址配（pèi）置，協議（yì）診斷可（kě）以定位到出錯的設備。