馬正平，丁 宇，單安陽

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

1 引言

隨著制造業(yè)的突飛猛進(jìn)，各類大型機(jī)床的開發(fā)和應(yīng)用也快速發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)更加有效、更加穩(wěn)定的設(shè)備控制，其核心部件大多采用龍門式結(jié)構(gòu)[1]。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床采用龍門雙Y 軸的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)橫梁高速移動(dòng)，目前市場上的設(shè)備大多采用系統(tǒng)供應(yīng)商提供的成熟解決方案，比如西門子840D 系統(tǒng)或者采用伺服驅(qū)動(dòng)器自帶主從軸控制方案[2]，比如LTi、Rexroth 等。雖然性能較為穩(wěn)定，但由于成本過高及開放程度不夠等原因，嚴(yán)重限制國內(nèi)鈑金機(jī)床行業(yè)的發(fā)展。

2 龍門軸同步控制實(shí)現(xiàn)

基于固高EtherCAT 總線控制系統(tǒng)，使用Oto-Studio 開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床龍門Y 軸控制，如圖1 所示，在Y 方向使用兩臺(tái)伺服電機(jī)，通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，驅(qū)動(dòng)橫梁機(jī)構(gòu)高速送料。

圖1 龍門Y 軸同步控制實(shí)現(xiàn)

2.1 龍門軸控制方式建立

由于采用EtherCAT 總線通信，系統(tǒng)上電后先要對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)做拓?fù)?，等待所有?qū)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)入OP 模式，總線系統(tǒng)完成建立。隨后初始化龍門軸，設(shè)定主軸從軸序號(hào)，將從軸規(guī)劃映射到主軸規(guī)劃中，從而實(shí)現(xiàn)主從軸關(guān)聯(lián)。同步軸控制規(guī)劃如圖2 所示。將axis1 設(shè)置為主軸，axis2 為從軸，部分代碼如下：

2.2 龍門軸回參

由于控制方案使用EtherCAT 通信模式，回參動(dòng)作參考選擇標(biāo)準(zhǔn)CanOpen402 協(xié)議中Method3（Homing on positive limit switch and index pulse）方式，如圖2 所示，Cam 信號(hào)接入驅(qū)動(dòng)器中，位置規(guī)劃由上位機(jī)控制。

圖2 回參信號(hào)交互示意及邏輯流程圖

龍門軸回參原理：當(dāng)啟動(dòng)回參動(dòng)后，上位機(jī)觸發(fā)正向?qū)⒖键c(diǎn)動(dòng)作，同時(shí)給驅(qū)動(dòng)下發(fā)PDO，PDO 使用如表1 所示，上位下發(fā)指令打開探針捕獲功能，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到擋塊CAM 信號(hào)時(shí)，觸發(fā)探針功能利用SDO 反饋當(dāng)前位置脈沖數(shù)及CAM信號(hào)，上位機(jī)將此處定位零點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)停止信號(hào)，待停穩(wěn)以后利用SDO 再次讀取當(dāng)前停止位置脈沖數(shù)，上位機(jī)記錄兩次位置之差。規(guī)劃龍門軸運(yùn)動(dòng)至零點(diǎn)位置，最后將HOME OFFSET 位置下發(fā)驅(qū)動(dòng)器作為零點(diǎn)偏置，執(zhí)行完畢后關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器探針功能，回參動(dòng)作結(jié)束，整個(gè)過程上位只給龍門主軸驅(qū)動(dòng)下發(fā)位置及控制指令，流程圖如圖2。

表1 龍門軸回參使用的PDO 和SDO

龍門軸實(shí)際回參基本操作步驟：①首次回參時(shí)，由主軸Y1 帶動(dòng)橫梁進(jìn)行回參動(dòng)作，Y2 斷開與橫梁機(jī)械連接；②首次回參完成后，再將Y2 連軸器緊起，此后可龍門軸同步運(yùn)動(dòng)。

2.3 龍門軸基本運(yùn)動(dòng)模式

2.3.1 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)

各軸在點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)模式下，可獨(dú)立設(shè)置目標(biāo)位置、目標(biāo)速度、加速度、減速段、起跳速度、平滑時(shí)間等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)或停止。調(diào)用GT_Update 指令啟動(dòng)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)以后，控制器根據(jù)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)自動(dòng)生成相應(yīng)的梯形曲線速度規(guī)劃，并且在運(yùn)動(dòng)過程中可以隨時(shí)修改目標(biāo)位置和目標(biāo)速度。

龍門軸在點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)過程中，控制器會(huì)實(shí)時(shí)讀取總線上主從軸的實(shí)際位置進(jìn)行比較，如圖3 所示，將差值繼續(xù)疊加到規(guī)劃值之中從而起到主從軸位置糾偏作用。當(dāng)差值超過設(shè)定極限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷使能同時(shí)報(bào)警。

圖3 主從軸實(shí)時(shí)位置比較

2.3.1 插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)控制器插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)模式具有以下功能：

（1）可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)；

（2）可以同時(shí)有兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；

（3）每個(gè)坐標(biāo)系含有兩個(gè)緩存區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)緩存區(qū)暫停、恢復(fù)等功能；

（4）具有緩存區(qū)延時(shí)和緩存區(qū)數(shù)字量輸出的功能；

（5）具有前瞻預(yù)處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)小線段高速平滑的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。

以轉(zhuǎn)塔沖床為例，插補(bǔ)軸由XY 軸構(gòu)成，Y 軸由Y1 和Y2 組成，由于Y1 和Y2 是龍門軸，所以在建立坐標(biāo)系時(shí)將X 軸映射到X 坐標(biāo)系，將主軸Y1 映射到Y(jié) 軸坐標(biāo)系，利用緩存區(qū)插補(bǔ)指令進(jìn)行軸插補(bǔ)定位，部分代碼如下：

2.4 龍門軸硬件控制系統(tǒng)

GUC 運(yùn)動(dòng)控制器集成了EtherCAT 主站解決方案，可同時(shí)控制12 軸，支持gLink-I IO 模塊和EtherCAT IO 模塊擴(kuò)展，支持點(diǎn)位和連續(xù)軌跡，多軸同步，直線、圓弧、螺旋線、空間直線插補(bǔ)等運(yùn)動(dòng)模式，可以自由設(shè)定加減速、S 型曲線平滑等參數(shù)。GUC使用OtoStudio 開發(fā)環(huán)境，支持IEC61131-3 編程標(biāo)準(zhǔn)，易于實(shí)現(xiàn)功能模塊化；具有開放的架構(gòu)、豐富的人機(jī)界面以及靈活的編程等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用菲仕驅(qū)動(dòng)+菲仕電機(jī)配置，作為EtherCAT 從站，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DS402 協(xié)議與上位控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用戶可以根據(jù)自己需求修改PDO 數(shù)據(jù)列表，每個(gè)同步周期數(shù)據(jù)刷新一次，龍門軸硬件系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 龍門軸硬件系統(tǒng)拓?fù)?/p>

3 結(jié)束語

基于固高EtherCAT 總線系統(tǒng)的龍門軸同步控制，不僅了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)塔沖床對(duì)于Y 軸高動(dòng)態(tài)、高精度的需求，同時(shí)通過總線系統(tǒng)與第三方驅(qū)動(dòng)之間動(dòng)態(tài)信息交互的應(yīng)用，最終可實(shí)現(xiàn)設(shè)備配置的多樣化。