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基于CANopen通信的数控钻床控制系统

基于CANopen通信的数控钻床控制系统

2008/5/15 15:25:00
1.概述:

  传统的基于柔性加工系统的方案采用数控加工中心的方式,设备制造商购买数控产品制造商的数控设备来进行开发。这对某些产量小,附加值低的机器设备的成本控制造成挑战。所以普通机床制造商希望有一个性价比高的控制系统。

  CANopen是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称,它是一种串行多主站控制器局域网总线,具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性,简单实用,网络成本低。特别适用于机械加工控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

  CDE3000伺服是德国路斯特公司的一款伺服驱动器,在机床行业有了广泛的应用,标配CANopen接口。 PLC+总线控制+伺服驱动器模式是进行开发的标准系统。

  数控钻床上配置三个伺服电机,分别控制左右方向,前后方向和旋转方向的运动。其中左右方向的伺服带动钻床的钻头进行钻孔,前后方向和旋转方向进行工件的位置移动。根据加工产品的不同,工件上钻孔的位置,大小以及排列方式都是可以改变的。这些参数可以在触摸屏上直接修改,同时还可以通过PLC的程序进行保护和错误报警。该系统是要求伺服电机进行位置控制,需要建立原点坐标。位置精度达到0.001mm,传统的采用脉冲方式实际上是一个半闭环的控制模式,无法保证机械对应的加工精度,如果增加测长编码器势必增加电气和机械的成本。所以采用通信的方式来达到精度控制的要求是一个合理的选择。

  本系统的结构是依照数控钻床的工艺要求,在三维坐标里面进行绝对坐标下的位置控制,在尽量提高效率的前提下最大程度地保证机器的安全性。我们采用CANopen通信方式控制3台LUST伺服驱动器配置数控钻床的电气控制。在三个轴上安装原点传感器,建立原点坐标,依照坐标体系来完成控制要求。



2.硬件配置







HMI:人机操作界面,工艺更改的一些参数通过HMI输入到PLC。
上位PLC:CANopen通信的主站,是整个网络的核心。
伺服驱动器:CANopen通信的从站,接收来自上位PLC的控制命令,执行具体的动作;反馈给上位命令的执行情况,电机的工作状态。
  伺服驱动器的CANopen接口是X5端口,其接线定义如下:



  CANopen通信的硬件配置从图上可以看到,只需要三根数据线,现场配线是非常方便的,即使现场的硬件上出现了问题,也是比较容易诊断的。



3.软件配置及编程

  采用CANopen协议的控制伺服驱动器,是通过PDO和SDO这两种方法来实现的,

SDO 用来在设备之间传输大的低优先级数据,用来设置CANOPEN网络上的设备参数。
PDO 用来传输8字节,没有其它协议预设定(意味着数据内容已预先定义)
 
  采用CANopen通信,首先要把驱动器的EDS文件导入CANopen的配置程序,结合驱动器的工作方式配置所需要的PDO,得到所需要的控制字,状态字,给定位置和实际位置的字。然后导入PLC程序,这就打开了上位机控制伺服驱动器的大门。

  驱动器的CANopen通信配置过程,需要设置驱动器的控制模式,站点,波特率等参数,并且查看驱动器的调试软件,验证CANopen通信是否建立。如下图:



  对于CDE3000伺服控制器的逻辑控制,例如启动,停止,暂停功能,是通过PDO中的命令字结合状态字来实现的,而对伺服的内部参数的改变,例如位置,速度,PID参数等,是通过SDO来实现的。

  在上位机里面灵活的编写程序,通过命令字直接地对伺服进行,通过状态字直接的对伺服的工作状态进行监控,以达到工艺的动作要求。CDE3000内置PLC功能,驱动器可以依照内部PLC程序来完成一些智能化的动作,如下图:



4.系统优点

  通过对数控钻床工艺的控制实现,我们可以归纳出该系统的一些特点:

强大的功能,对于CDE3000 来说,寻找原点的动作,坐标系统的建立和正负限位对机器的保护,驱动器自行完成,这样简化了上位环节,更直接,更安全地达到了满足了工艺的要求。
人性化要求:左右方向,旋转方向,前后方向为数控钻床的三个轴的运动方向,分别达到对应的坐标体系。在建立原点坐标以后,每个动作的加速度,减速度,目标位置,目标速度,加减速曲线等参数都是可以编辑的,这样每个动作都是可以通过CANopen通信设定的,最大化地满足现场工艺的需要。同时建立正向和负向限位,保障伺服电机在运行过程中不超过限位开关,保护机器的安全。在编写程序的时候进行全面的动作互锁,保证机器在运行中的安全。
精度要求,达到0.001mm。通过选择合适的原点定位方法和设置合适的PID参数,我们的产品能满足客户的要求。LUST伺服是完全开放的伺服系统,内部调节器的参数是完全公开的,我们可以进行最大程度的优化调节。而且内部的PID参数可以通过CANopen进行修改,那么在不同的工作状况下,我们可以设置相应的PID参数,以更好的满足工艺的要求。
动作要求,在左右方向带钻头的轴上,要求在不同的位置要有不同的速度,但是相邻的两段位置之间切换时速度不能为0,即要求运行中切换。如下图:




  其中梯级的图线为速度曲线,速度曲线有明显的分阶段变化,蓝色的曲线为位置曲线。结合两个曲线来看,在进行位置控制的时候可以自由切换速度而不用停止电机。通过CANopen 通信可以很容易地在触摸屏上更改不同阶段的位置和速度。

  另外,在实际使用的过程中,旋转方向的轴是一直朝一个方向转动的,随着加工产品的数量的增加,轴的实际位置就可能溢出双字的范围。CDE3000具有“旋转工作台”的功能,即工作台旋转一周后CDE3000可以自动复位内部位置值,这样就简化上位的程序编写,同时避免出现累计误差。

旋转变压器反馈。机床加工行业,一般都有冷却液和润滑油,光电编码器会明显地受到影响,旋转变压器作为反馈元件不受此种影响;此外,旋转变压器地抗干扰特性在机械振动较大的环境下也能可靠运行。
安全要求,在运行过程中,通过正负限位,紧急停止开关以及程序内部的判断这三个部分对系统进行保护。在警报发生以后,需要重新给定启动命令才能运行,例如在自动运行过程中按下紧急停止开关,驱动器将停止输出并保持停止状态直到再次给出启动信号以后,驱动器才能重新激活。这样就能最大程度地保护操作人员的安全。

结论
         本文通过LUST伺服控制器和上位PLC的组合来完成一个数控钻床的运动控制实现,证明了LUST伺服在机床上应用的良好适应性,经过一段时间的实际使用,证明本系统安全,可靠,性能良好。

从上面的部分可以看出来,LUST驱动器采用CANopen通信的方式来装配机械设备,具有明显的优势:系统简练,开发使用简单灵活,接线少,系统可靠,批量生产容易,可复制性强。



路斯特传动系统(上海)有限公司

张宾伟 励书杰

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