張馳宇,王奎華,未 永,劉 冉

(天津三英精密儀器股份有限公司,天津 300399)

0 引 言

目前,國內(nèi)工業(yè)CT領(lǐng)域常用控制方式有:PMAC或其他多軸控制器[1]、上位PC直接控制[2]。其存在現(xiàn)場接線復(fù)雜,下位機(jī)編程繁瑣,上位機(jī)信息處理時效差等問題。國外產(chǎn)品和科研院所多采用PLC控制[3-4],系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,接線簡潔,編程方便,可維護(hù)性高。本文需要實(shí)現(xiàn)高精度的點(diǎn)位運(yùn)動和同步運(yùn)動,使用帶有運(yùn)動控制功能的PLC運(yùn)動控制器[5],可以實(shí)現(xiàn)要求,并且采用總線控制,布線簡單。采用歐姆龍Sysmac平臺,NJ系列控制器,搭配EtherCAT伺服系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)一體化控制。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了需要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動平臺每個軸的精確運(yùn)動,更重要的是實(shí)現(xiàn)規(guī)定的兩個軸的同步運(yùn)動。系統(tǒng)采用了伺服加光柵尺的全閉環(huán)結(jié)構(gòu),以保證單軸的定位精度。

對于同步軸,筆者研究不同的控制方式,設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序,并進(jìn)行對比測試,分析試驗(yàn)結(jié)果。

1 運(yùn)動平臺組成

運(yùn)動平臺如圖1所示。

圖1 運(yùn)動平臺

運(yùn)動平臺包括5個軸:射線源Z(以下簡稱源Z)、樣品臺X、樣品臺Y、探測器Y、探測器Z(以下簡稱探Z)。樣品臺X和Y用于水平移動樣品,探測器Y用于水平移動探測器,源Z和探Z分別用于豎直方向上升降射線源和探測器,以及在某些掃描模式下,進(jìn)行同步運(yùn)動。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

歐姆龍Sysmac通過一個連接和一個軟件提供了一個集成式解決方案[6]。NJ系列自動化控制器集成了運(yùn)動、程序設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò),并且可通過一個EtherNet/IP接口進(jìn)行訪問;軟件系統(tǒng)Sysmac Studio包括了配置、編程、模擬和監(jiān)控[7];基于Ethernet的機(jī)器控制網(wǎng)絡(luò)EtherCAT可無縫銜接運(yùn)動、視覺、傳感器和執(zhí)行器。

控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)

PLC選用歐姆龍NJ控制器,通過EtherNet/IP與上位機(jī)通信,通過EtherCAT總線連接伺服。運(yùn)動軸配置光柵尺,組成閉環(huán)系統(tǒng)[8],以保證定位精度和運(yùn)動精度。

2.2 與上位機(jī)通信

由于CT系統(tǒng)整體上基于上位工控機(jī)構(gòu)建,射線源和探測器均需要與上位機(jī)通信,由上位機(jī)軟件控制射線源、探測器和運(yùn)動平臺動作,PLC也需要與上位機(jī)通信。本文采用基于EtherNet/IP的FINS(factory interface network service)協(xié)議進(jìn)行通信。

FINS是歐姆龍公司開發(fā)的通信協(xié)議[9-10]。在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上通過編程發(fā)送相應(yīng)的指令對PLC或計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入,可實(shí)現(xiàn)在PLC和計(jì)算機(jī)之間讀寫I/O存儲器區(qū)、改變操作模式。此處,配合PLC內(nèi)編程,通過FINS操縱運(yùn)動平臺,獲取軸位置信息和其他信息。

2.3 軸配置

系統(tǒng)共包括5個軸、射線源Z、樣品臺X、樣品臺Y、探測器Y、探測器Z,每個軸都配置光柵尺形成全閉環(huán)。對于源Z和探Z這兩個軸,有同步運(yùn)動的要求,對于其他軸沒有同步要求,只進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動。對于運(yùn)動軸的要求是:同步運(yùn)動時,同步精度高,達(dá)到微米、亞微米量級;非同步運(yùn)動,定位精度高,達(dá)到所選光柵尺定位精度。

軸的參數(shù)配置在Sysmac軟件中完成,包括單位換算設(shè)置、回零設(shè)置等。

2.4 同步控制方案分析

筆者設(shè)計(jì)了兩種方案,控制模式如圖3所示。

圖3 控制模式

由圖3可知:

第一種是“主從”模式,采用1個軸作為主軸,另1個軸使用1:1的齒輪比跟隨;

第二種是“一拖二”模式,添加1個虛擬軸,然后將需要同步的2個軸,都作為從軸,使用1 ∶1的齒輪比跟隨。

為了便于比對,筆者也進(jìn)行了不考慮同步運(yùn)動的試驗(yàn),同時給2個軸運(yùn)動指令,但它們各自獨(dú)立,互不影響。

2.5 程序設(shè)計(jì)

歐姆龍PLC采用梯形圖編程,通過Syamac軟件添加功能或功能塊,也可以添加ST語言。根據(jù)平臺運(yùn)動需求,本文主要使用基于PLCopen開發(fā)的內(nèi)部功能[11-12],包括定位運(yùn)動(MC_MoveAbsolute)、定速運(yùn)動(MC_MoveVelocity)、電子齒輪開關(guān)(MC_GearIn、MC_GearOut)、使能(MC_Power)、回零(MC_Home)。

3 運(yùn)動測試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證運(yùn)動平臺性能和同步運(yùn)動精度,筆者按照2.4所述3種方案,進(jìn)行了相應(yīng)的測試。

一拖二運(yùn)行時,位置曲線如圖4所示。

圖4 位置曲線

在圖4中,從時間尺度上看,3條曲線基本重合,其他模式同樣如此,不再附圖。

為了明確考量運(yùn)動精度,筆者將圖4中各條曲線互相做差,并且將單位從脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為μm,得到偏差曲線,如圖5所示。

圖5 偏差曲線

圖5中可以看出,各個模式運(yùn)行都比較穩(wěn)定。

筆者截取各條曲線速度穩(wěn)定部分的數(shù)據(jù),計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。運(yùn)動位置偏差如表1所示。

表1 運(yùn)動位置偏差

從源Z和探Z兩軸偏差來看,“主從”模式精度最高,平均值為-0.8 μm,標(biāo)準(zhǔn)差0.70,同步精度明顯優(yōu)于另兩種模式;從實(shí)際位置與指令位置的偏差來看,3種模式相差不大,另外因?yàn)槭褂弥胁捎玫氖菍?shí)際位置,不受該偏差影響,而且也不影響最終定位精度,該偏差反映了系統(tǒng)的滯后性。

對于定位精度,從圖5曲線可以看出,最終定位的精度沒有問題,運(yùn)動軸移動到了最終的目標(biāo)位置。此外,如文獻(xiàn)[13]所述,虛擬軸無法使用外部零點(diǎn)和限位,實(shí)際使用中并不方便。

4 結(jié)束語

筆者開發(fā)了控制系統(tǒng)用于工業(yè)CT運(yùn)動平臺的控制;控制系統(tǒng)單軸的定位準(zhǔn)確;利用1:1的電子齒輪功能,將兩個同步軸設(shè)置為“主從”模式,兩軸的同步誤差為0.8 μm,比其他模式同步精度高很多,滿足了使用的需要。

基于Sysmac自動化平臺設(shè)計(jì)的運(yùn)動平臺控制系統(tǒng),以NJ系列控制器為核心,通過EtherCAT總線連接伺服,提高了控制器及伺服輸入輸出處理速度和穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了單軸定位、兩軸同步地高速、高精度控制,測試結(jié)果滿足使用要求。