AxN 驅動器在沖壓線運動部件中的應用

李國禎，姜 燕

（濟南二機床集團有限公司，山東濟南 250022）

0 引言

為保證沖壓線生產速度，拆垛機械手要求垛料的送料高度保持不變，并要求拆垛臺車必須具備自動頂升功能。常規方案是拆垛機械手隨料垛高度的降低不斷改變取料位置，或使用液壓系統來實現臺車的自動頂升，前者生產效率低，后者控制精度低、故障率高，均不是最佳解決方案。許多廠家開始使用伺服控制系統來實現臺車的頂升功能，菲仕AxN 驅動器就是一種適用的中大型伺服控制器。介紹菲仕AxN 型驅動器在拆垛臺車上的具體應用。

1 拆垛臺車的基本功能

沖壓線拆垛臺車負責將板料從放置區運輸到拆垛區進行拆垛（圖1）。板料以料垛形式放置于臺車上，臺車運行至拆垛區后，拆垛機械手從臺車上抓取板料，并將板料放置在傳送皮帶，供沖壓線生產使用。

圖1 拆垛臺車

2 拆垛臺車頂升結構

傳統的拆垛臺車不具備頂升功能，隨著拆垛手不斷抓取板料，板料數量減少，拆垛高度隨之下降，若拆垛手隨著板料厚度下降，不斷下移取料位，拆垛手運行距離加長，勢必會降低生產節拍（圖2）。具備舉升功能的拆垛臺車，隨著拆垛手不斷抓取板料，臺車會間歇頂升一定距離，該距離等于每張板料厚度×間歇期內被抓走的板料張數，從而保持保持取料高度不變（圖3）。因每張板料厚度0.5～3 mm，要求臺車舉升精度必須很高。使用液壓型頂升結構的臺車，只能依靠高度檢測限位控制頂升高度，精度低、故障率高。使用伺服控制系統的臺車，依靠高精度編碼器實時控制臺車高度，精度高、響應快，能夠非常好的滿足生產要求。

圖2 無頂升結構臺車

圖3 有頂升結構臺車

3 西門子SIMATIC S7-1500PLC

SIMATIC S7-1500 系列控制器適用于對程序范圍和處理速度具有中等或較高要求的應用場景。選用1516F-3 PN/DP 型控制器，其具有高速背板總線和Profinet/Profibus 接口，全面控制功能，指令處理速度更快，相應時間極短，性能卓越。

4 鼎實網關通信

鼎實網關通信具備以下特點：①通信穩定可靠，抗干擾能力強，應用廣泛；②通信速度塊，實時性強。網關內的數據延時斷，適合各種高速場合；③配置簡單，功能齊全，通信透明。可在短時間內實現連接通信。依照Profinet 通信數據區和CANopen 通信數據區的映射關系，實現Profinet 到CAN 總線之間的數據透明通信。

因菲仕驅動只支持CANopen 總線，無法直接接入Porfinet總線，必須使用網關進行連接。選用鼎實公司的PN-G-CANopen網關，實現Profinet 與CANopen 總線間的網絡通信。網關作為Profinet 從站、CANopen 主站，可以較容易地將CANopen 從站接入Profinet 網絡中。

5 菲仕伺服系統

AxN 驅動器是菲仕公司研發的一款高性能伺服驅動器，可適用于CANopen、EtherCAT 等多種現場總線，適合各種高性能伺服控制系統的應用場合。其具備以下特點：①符合CANopen標準協議DS301 v4.02；②支持NMT Master 或Slave 服務；③錯誤控制：支持Heartbeat 心跳檢測；④支持PDO 服務。

6 CANopen 協議介紹

（1）CANopen 是一種架構在控制器局域網絡上的高層通信協議，包括通信子協議及設備子協議，常在嵌入式系統中使用，是工業控制常用到的一種現場總線。CANopen 是一種完全開放和公共的，面向工業自動化過程的應用層的現場總線協議，憑借可靠、實用、經濟、靈活和兼容性高的特點，在各個行業都得到廣泛應用。

（2）報文短幀結構，CAN 報文通常只有8 個字節，數據幀非常短，在抗干擾能力上具有獨特的優勢。

（3）PDO 協議，過程數據對象（PDO）協議可用來在許多節點之間即時交換數據。一個PDO 最多傳送/接收8 字節（64 位）的數據。PDO 分為兩種：傳送用的TPDO 和接收用的RPDO。TPDO是將一個節點的數據由此節點傳輸到其他節點，而RPDO 則是接收由其他節點傳輸來的數據。

7 設計思路及說明

（1）主站選用西門子1516F-3 PN/DP CPU；鼎實網關作為Profinet 總線的從站，通過工業以太網連接在CPU 下，同時作為CANopen 總線主站；菲仕驅動器作為CANopen 總線的從站，通過CAN 總線連接至網關，輸出端連接臺車頂升伺服電機。至此，控制系統搭建完成，控制系統架構如圖4 所示。

圖4 控制系統架構

（2）PLC 程序硬件添加網關并連接至CPU 后，配置網關的狀態字/控制字（圖5）。CAN 模塊參數說明：CAN Baudrate：CAN總線波特率，范圍5 kbps～1 Mbps。波特率必須與驅動器設置保持一致，波特率設置越大，傳輸速率越快，但傳輸距離越短。本實例波特率設置成中間值125 kbps，既兼顧到速度，又考慮了布線距離；PDO Transmission Type：RPDO 發送類型。本實例選擇Time Driven 時間觸發，表示網關控制字第0 位（啟動發送）置1后，網關會周期性發送RPDO 數據；Heartbeat Consumer Timer：Heartbeat 狀態持續時間，該定時器用來設置主站在收到從站發來的Heartbeat 報文后，相應狀態位的持續時間；Transmission Timer：發送時間定時器，用來設定主站發送報文周期的時間間隔；Node ID：設定主站網關的節點地址；CAN 模塊狀態字/控制字字分別為1 個字節的輸入數據和1 個字節的輸出數據；狀態字說明：位0 為發送標志，1 表示正在發送；位1 為接收標志，1表示正在接收；控制字說明：位0：置1 時，CANopen 主站啟動發送命令。置0 時，CANopen 停止發送命令；位1：上升沿時，發送一次NMT 指令。

圖5 網關狀態字/控制字

（3）配置網關PDO（圖6）。CAN Identifier：驅動器相應報文在CAN 中的識別號，必須與驅動器中配置的COB-ID 對應，才能實現正常通信。RxPDO：PLC 發送給驅動器的命令字或目標值。實例配置兩個RxPDO，第一個RxPDO 依次傳送控制字（2 個字節），目標模式（1 個字節），速度模式時速度設定值（4 個字節），共7 個字節；第二個RxPDO 依次傳送位置模式速度設定值（4 個字節），位置設定值（4 個字節），共8 個字節。TxPDO：驅動器反饋給PLC的狀態字或電機實際值。實例配置兩個TxPDO，分別接收驅動器不同反饋數據。第一個TxPDO 依次接收電機實際速度（4 個字節），實際位置（4 個字節），共8 個字節；第二個TxPDO 依次接收驅動器當前模式（1 個字節），狀態字（2 個字節），故障代碼（2 個字節），共5 個字節。CAN Identifier：驅動器相應報文在CAN 中的識別號，必須與驅動器中配置的COB-ID 對應，才能實現正常通信。

圖6 網關PDO 配置

（4）添加其他功能。SYNC：作為TPDO 的一個請求信號，用于同步CANopen 從站輸入數據，即從節點收到此指令后發送TPDO 數據，網關的發送控制字置1 后，網關將周期性發送同步命令。NMT：用于切換對CANopen 從節點的狀態，數據長度為2個字節，第1 個字節表示使節點進入的狀態，第2 個字節表示節點地址。Heartbeat producer：主站周期性發送Heartbeat 報文。Heartbeat consumer：用來監測CANopen 從節點的輸入狀態，占用2 個字節的輸入地址，每2 位表示1 個節點的輸入狀態，最多監測8 個從節點。

（5）驅動器CANopen 配置。使用RS232 交叉線連接電腦與驅動器，配置CANopen 總線的節點ID 和波特率，波特率與程序中配置一致，同樣為125 kbps。

（6）驅動器PDO 配置，根據實際需求添加相應PDO 配置，與PLC 硬件配置保持一致，其中COB-ID 為16 進制數值，以RxPDO 第一個字為例（圖7）。

圖7 驅動器PDO 總線配置

（7）輸入配置電機、編碼器、制動器等參數，完成驅動器配置。

（8）網關啟動命令為常通，始終發送數據。故障復位時，NTM上升沿有效。復位后，對網關連接的所有節點進行初始化，轉至運行狀態（圖8）。

圖8 故障復位程序

（9）驅動器輸入輸出映射程序（圖9）。

圖9 驅動器IO 映射程序

（10）驅動器模式選擇程序（圖10）。生產過程中，激活位置模式。手動頂起落下時，激活速度模式。

圖10 模式選擇程序

（11）位置模式下速度及位置設定值程序（圖11）。驅動器處于位置模式時，電機將按設定速度運行至設定位置，從而實現臺車垛料高度保持不變。速度模式下時，操作模式反饋為3，控制字送F，無需給定位置目標值。

圖11 位置模式的速度設定程序

8 結束語

SIMATIC 1516F-3 CPU 是西門子的一種模塊化PLC 控制系統，功能強大、處理速度快、具有很強的工業適應性，已廣泛應用于各行各業。菲仕AxN 系列通用伺服驅動器，其電源輸出能力覆蓋15～110 A，可適用CANopen、EtherCAT 和Modbus 等多種現場總線，非常適合搭建高性能伺服系統的應用場合。鼎實創新科技有限公司的PN-G-CANopen 網關起到Profinet 到CANOPEN的協議轉換作用，通信速度快，使用簡單靈活。