基于CANopen通信的數控鉆床控制系統

1，概述：

傳統的基于柔性加工系統的方案采用數控加工中心的方式，設備制造商購買數控產品制造商的數控設備來進行開發。這對某些產量小，附加值低的機器設備的成本控制造成挑戰。所以普通機床制造商希望有一個性價比高的控制系統。

CANopen是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱，它是一種串行多主站控制器局域網總線，具有很高的網絡安全性、通訊可靠性和實時性,簡單實用,網絡成本低。特別適用于機械加工控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。

CDE3000伺服是德國路斯特公司的一款伺服驅動器，在機床行業有了廣泛的應用，標配CANopen接口。 PLC+總線控制+伺服驅動器模式是進行開發的標準系統。

數控鉆床上配置三個伺服電機，分別控制左右方向，前后方向和旋轉方向的運動。其中左右方向的伺服帶動鉆床的鉆頭進行鉆孔，前后方向和旋轉方向進行工件的位置移動。根據加工產品的不同，工件上鉆孔的位置，大小以及排列方式都是可以改變的。這些參數可以在觸摸屏上直接修改，同時還可以通過PLC的程序進行保護和錯誤報警。該系統是要求伺服電機進行位置控制，需要建立原點坐標。位置精度達到0.001mm，傳統的采用脈沖方式實際上是一個半閉環的控制模式，無法保證機械對應的加工精度，如果增加測長編碼器勢必增加電氣和機械的成本。所以采用通信的方式來達到精度控制的要求是一個合理的選擇。

本系統的結構是依照數控鉆床的工藝要求，在三維坐標里面進行絕對坐標下的位置控制，在盡量提高效率的前提下最大程度地保證機器的安全性。我們采用CANopen通信方式控制3臺LUST伺服驅動器配置數控鉆床的電氣控制。在三個軸上安裝原點傳感器，建立原點坐標，依照坐標體系來完成控制要求。

2，硬件配置

HMI：人機操作界面，工藝更改的一些參數通過HMI輸入到PLC。

上位PLC：CANopen通信的主站，是整個網絡的核心。

伺服驅動器：CANopen通信的從站，接收來自上位PLC的控制命令，執行具體的動作；反饋給上位命令的執行情況，電機的工作狀態。

伺服驅動器的CANopen接口是X5端口，其接線定義如下。

CANopen通信的硬件配置從圖上可以看到，只需要三根數據線，現場配線是非常方便的，即使現場的硬件上出現了問題，也是比較容易診斷的。

3，軟件配置及編程

采用CANopen協議的控制伺服驅動器，是通過PDO和SDO這兩種方法來實現的，
SDO 用來在設備之間傳輸大的低優先級數據，用來設置CANOPEN網絡上的設備參數。
PDO 用來傳輸8字節，沒有其它協議預設定（意味著數據內容已預先定義）。

采用CANopen通信，首先要把驅動器的EDS文件導入CANopen的配置程序，結合驅動器的工作方式配置所需要的PDO，得到所需要的控制字，狀態字，給定位置和實際位置的字。然后導入PLC程序，這就打開了上位機控制伺服驅動器的大門。

驅動器的CANopen通信配置過程，需要設置驅動器的控制模式，站點，波特率等參數，并且查看驅動器的調試軟件，驗證CANopen通信是否建立。如下圖：

對于CDE3000伺服控制器的邏輯控制，例如啟動，停止，暫停功能，是通過PDO中的命令字結合狀態字來實現的，而對伺服的內部參數的改變，例如位置，速度，PID參數等，是通過SDO來實現的。

在上位機里面靈活的編寫程序，通過命令字直接地對伺服進行，通過狀態字直接的對伺服的工作狀態進行監控，以達到工藝的動作要求。CDE3000內置PLC功能，驅動器可以依照內部PLC程序來完成一些智能化的動作，在一些如下圖：

4,系統優點

通過對數控鉆床工藝的控制實現，我們可以歸納出該系統的一些特點：

強大的功能，對于CDE3000 來說，尋找原點的動作，坐標系統的建立和正負限位對機器的保護，驅動器自行完成，這樣簡化了上位環節，更直接，更安全地達到了滿足了工藝的要求。

人性化要求：左右方向，旋轉方向，前后方向為數控鉆床的三個軸的運動方向，分別達到對應的坐標體系。在建立原點坐標以后，每個動作的加速度，減速度，目標位置，目標速度，加減速曲線等參數都是可以編輯的，這樣每個動作都是可以通過CANopen通信設定的，最大化地滿足現場工藝的需要。同時建立正向和負向限位，保障伺服電機在運行過程中不超過限位開關，保護機器的安全。在編寫程序的時候進行全面的動作互鎖，保證機器在運行中的安全。

精度要求，達到0.001mm。通過選擇合適的原點定位方法和設置合適的PID參數，我們的產品能滿足客戶的要求。LUST伺服是完全開放的伺服系統，內部調節器的參數是完全公開的，我們可以進行最大程度的優化調節。而且內部的PID參數可以通過CANopen進行修改，那么在不同的工作狀況下，我們可以設置相應的PID參數，以更好的滿足工藝的要求。

動作要求，在左右方向帶鉆頭的軸上，要求在不同的位置要有不同的速度，但是相鄰的兩段位置之間切換時速度不能為0，即要求運行中切換。

其中梯級的圖線為速度曲線，速度曲線有明顯的分階段變化，藍色的曲線為位置曲線。結合兩個曲線來看，在進行位置控制的時候可以自由切換速度而不用停止電機。通過CANopen 通信可以很容易地在觸摸屏上更改不同階段的位置和速度。

另外，在實際使用的過程中，旋轉方向的軸是一直朝一個方向轉動的，隨著加工產品的數量的增加，軸的實際位置就可能溢出雙字的范圍。CDE3000具有“旋轉工作臺”的功能，即工作臺旋轉一周后CDE3000可以自動復位內部位置值，這樣就簡化上位的程序編寫，同時避免出現累計誤差。

旋轉變壓器反饋。機床加工行業，一般都有冷卻液和潤滑油，光電編碼器會明顯地受到影響，旋轉變壓器作為反饋元件不受此種影響；此外，旋轉變壓器地抗干擾特性在機械振動較大的環境下也能可靠運行。

安全要求，在運行過程中，通過正負限位，緊急停止開關以及程序內部的判斷這三個部分對系統進行保護。在警報發生以后，需要重新給定啟動命令才能運行，例如在自動運行過程中按下緊急停止開關，驅動器將停止輸出并保持停止狀態直到再次給出啟動信號以后，驅動器才能重新激活。這樣就能最大程度地保護操作人員的安全。

結論

本文通過LUST伺服控制器和上位PLC的組合來完成一個數控鉆床的運動控制實現，證明了LUST伺服在機床上應用的良好適應性，經過一段時間的實際使用，證明本系統安全，可靠，性能良好。

從上面的部分可以看出來，LUST驅動器采用CANopen通信的方式來裝配機械設備，具有明顯的優勢：系統簡練，開發使用簡單靈活，接線少，系統可靠，批量生產容易，可復制性強。