基于固高EtherCAT 總線系統的龍門軸同步控制應用

馬正平，丁 宇，單安陽

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

1 引言

隨著制造業的突飛猛進，各類大型機床的開發和應用也快速發展。為了實現更加有效、更加穩定的設備控制，其核心部件大多采用龍門式結構[1]。數控轉塔沖床采用龍門雙Y 軸的設計來實現橫梁高速移動，目前市場上的設備大多采用系統供應商提供的成熟解決方案，比如西門子840D 系統或者采用伺服驅動器自帶主從軸控制方案[2]，比如LTi、Rexroth 等。雖然性能較為穩定，但由于成本過高及開放程度不夠等原因，嚴重限制國內鈑金機床行業的發展。

2 龍門軸同步控制實現

基于固高EtherCAT 總線控制系統，使用Oto-Studio 開發平臺，實現數控轉塔沖床龍門Y 軸控制，如圖1 所示，在Y 方向使用兩臺伺服電機，通過聯軸器與滾珠絲桿連接，驅動橫梁機構高速送料。

圖1 龍門Y 軸同步控制實現

2.1 龍門軸控制方式建立

由于采用EtherCAT 總線通信，系統上電后先要對整個電氣系統做拓撲，等待所有驅動設備狀態進入OP 模式，總線系統完成建立。隨后初始化龍門軸，設定主軸從軸序號，將從軸規劃映射到主軸規劃中，從而實現主從軸關聯。同步軸控制規劃如圖2 所示。將axis1 設置為主軸，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，回參動作參考選擇標準CanOpen402 協議中Method3（Homing on positive limit switch and index pulse）方式，如圖2 所示，Cam 信號接入驅動器中，位置規劃由上位機控制。

圖2 回參信號交互示意及邏輯流程圖

龍門軸回參原理：當啟動回參動后，上位機觸發正向尋參考點動作，同時給驅動下發PDO，PDO 使用如表1 所示，上位下發指令打開探針捕獲功能，當驅動器接收到擋塊CAM 信號時，觸發探針功能利用SDO 反饋當前位置脈沖數及CAM信號，上位機將此處定位零點同時觸發停止信號，待停穩以后利用SDO 再次讀取當前停止位置脈沖數，上位機記錄兩次位置之差。規劃龍門軸運動至零點位置，最后將HOME OFFSET 位置下發驅動器作為零點偏置，執行完畢后關閉驅動器探針功能，回參動作結束，整個過程上位只給龍門主軸驅動下發位置及控制指令，流程圖如圖2。

表1 龍門軸回參使用的PDO 和SDO

龍門軸實際回參基本操作步驟：①首次回參時，由主軸Y1 帶動橫梁進行回參動作，Y2 斷開與橫梁機械連接；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動。

2.3 龍門軸基本運動模式

2.3.1 點位運動

各軸在點位運動模式下，可獨立設置目標位置、目標速度、加速度、減速段、起跳速度、平滑時間等運動參數，能夠獨立運動或停止。調用GT_Update 指令啟動點位運動以后，控制器根據設定的運動參數自動生成相應的梯形曲線速度規劃，并且在運動過程中可以隨時修改目標位置和目標速度。

龍門軸在點位運動過程中，控制器會實時讀取總線上主從軸的實際位置進行比較，如圖3 所示，將差值繼續疊加到規劃值之中從而起到主從軸位置糾偏作用。當差值超過設定極限時，系統會自動切斷使能同時報警。

圖3 主從軸實時位置比較

2.3.1 插補運動

運動控制器插補運動模式具有以下功能：

（1）可以實現直線插補和圓弧插補；

（2）可以同時有兩個坐標系進行插補運動；

（3）每個坐標系含有兩個緩存區，可以實現緩存區暫停、恢復等功能；

（4）具有緩存區延時和緩存區數字量輸出的功能；

（5）具有前瞻預處理功能，能夠實現小線段高速平滑的連續軌跡運動。

以轉塔沖床為例，插補軸由XY 軸構成，Y 軸由Y1 和Y2 組成，由于Y1 和Y2 是龍門軸，所以在建立坐標系時將X 軸映射到X 坐標系，將主軸Y1 映射到Y 軸坐標系，利用緩存區插補指令進行軸插補定位，部分代碼如下：

2.4 龍門軸硬件控制系統

GUC 運動控制器集成了EtherCAT 主站解決方案，可同時控制12 軸，支持gLink-I IO 模塊和EtherCAT IO 模塊擴展，支持點位和連續軌跡，多軸同步，直線、圓弧、螺旋線、空間直線插補等運動模式，可以自由設定加減速、S 型曲線平滑等參數。GUC使用OtoStudio 開發環境，支持IEC61131-3 編程標準，易于實現功能模塊化；具有開放的架構、豐富的人機界面以及靈活的編程等優點。驅動系統使用菲仕驅動+菲仕電機配置，作為EtherCAT 從站，依據標準DS402 協議與上位控制進行數據交互，用戶可以根據自己需求修改PDO 數據列表，每個同步周期數據刷新一次，龍門軸硬件系統如圖4 所示。

圖4 龍門軸硬件系統拓撲

3 結束語

基于固高EtherCAT 總線系統的龍門軸同步控制，不僅了實現轉塔沖床對于Y 軸高動態、高精度的需求，同時通過總線系統與第三方驅動之間動態信息交互的應用，最終可實現設備配置的多樣化。