基于固高EtherCAT 总线系统的龙门轴同步控制应用

马正平，丁 宇，单安阳

（1.江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200；2.江苏省金属板材智能装备重点实验室，江苏 扬州 225200）

1 引言

随着制造业的突飞猛进，各类大型机床的开发和应用也快速发展。为了实现更加有效、更加稳定的设备控制，其核心部件大多采用龙门式结构[1]。数控转塔冲床采用龙门双Y 轴的设计来实现横梁高速移动，目前市场上的设备大多采用系统供应商提供的成熟解决方案，比如西门子840D 系统或者采用伺服驱动器自带主从轴控制方案[2]，比如LTi、Rexroth 等。虽然性能较为稳定，但由于成本过高及开放程度不够等原因，严重限制国内钣金机床行业的发展。

2 龙门轴同步控制实现

基于固高EtherCAT 总线控制系统，使用Oto-Studio 开发平台，实现数控转塔冲床龙门Y 轴控制，如图1 所示，在Y 方向使用两台伺服电机，通过联轴器与滚珠丝杆连接，驱动横梁机构高速送料。

图1 龙门Y 轴同步控制实现

2.1 龙门轴控制方式建立

由于采用EtherCAT 总线通信，系统上电后先要对整个电气系统做拓扑，等待所有驱动设备状态进入OP 模式，总线系统完成建立。随后初始化龙门轴，设定主轴从轴序号，将从轴规划映射到主轴规划中，从而实现主从轴关联。同步轴控制规划如图2 所示。将axis1 设置为主轴，axis2 为从轴，部分代码如下：

2.2 龙门轴回参

由于控制方案使用EtherCAT 通信模式，回参动作参考选择标准CanOpen402 协议中Method3（Homing on positive limit switch and index pulse）方式，如图2 所示，Cam 信号接入驱动器中，位置规划由上位机控制。

图2 回参信号交互示意及逻辑流程图

龙门轴回参原理：当启动回参动后，上位机触发正向寻参考点动作，同时给驱动下发PDO，PDO 使用如表1 所示，上位下发指令打开探针捕获功能，当驱动器接收到挡块CAM 信号时，触发探针功能利用SDO 反馈当前位置脉冲数及CAM信号，上位机将此处定位零点同时触发停止信号，待停稳以后利用SDO 再次读取当前停止位置脉冲数，上位机记录两次位置之差。规划龙门轴运动至零点位置，最后将HOME OFFSET 位置下发驱动器作为零点偏置，执行完毕后关闭驱动器探针功能，回参动作结束，整个过程上位只给龙门主轴驱动下发位置及控制指令，流程图如图2。

表1 龙门轴回参使用的PDO 和SDO

龙门轴实际回参基本操作步骤：①首次回参时，由主轴Y1 带动横梁进行回参动作，Y2 断开与横梁机械连接；②首次回参完成后，再将Y2 连轴器紧起，此后可龙门轴同步运动。

2.3 龙门轴基本运动模式

2.3.1 点位运动

各轴在点位运动模式下，可独立设置目标位置、目标速度、加速度、减速段、起跳速度、平滑时间等运动参数，能够独立运动或停止。调用GT_Update 指令启动点位运动以后，控制器根据设定的运动参数自动生成相应的梯形曲线速度规划，并且在运动过程中可以随时修改目标位置和目标速度。

龙门轴在点位运动过程中，控制器会实时读取总线上主从轴的实际位置进行比较，如图3 所示，将差值继续叠加到规划值之中从而起到主从轴位置纠偏作用。当差值超过设定极限时，系统会自动切断使能同时报警。

图3 主从轴实时位置比较

2.3.1 插补运动

运动控制器插补运动模式具有以下功能：

（1）可以实现直线插补和圆弧插补；

（2）可以同时有两个坐标系进行插补运动；

（3）每个坐标系含有两个缓存区，可以实现缓存区暂停、恢复等功能；

（4）具有缓存区延时和缓存区数字量输出的功能；

（5）具有前瞻预处理功能，能够实现小线段高速平滑的连续轨迹运动。

以转塔冲床为例，插补轴由XY 轴构成，Y 轴由Y1 和Y2 组成，由于Y1 和Y2 是龙门轴，所以在建立坐标系时将X 轴映射到X 坐标系，将主轴Y1 映射到Y 轴坐标系，利用缓存区插补指令进行轴插补定位，部分代码如下：

2.4 龙门轴硬件控制系统

GUC 运动控制器集成了EtherCAT 主站解决方案，可同时控制12 轴，支持gLink-I IO 模块和EtherCAT IO 模块扩展，支持点位和连续轨迹，多轴同步，直线、圆弧、螺旋线、空间直线插补等运动模式，可以自由设定加减速、S 型曲线平滑等参数。GUC使用OtoStudio 开发环境，支持IEC61131-3 编程标准，易于实现功能模块化；具有开放的架构、丰富的人机界面以及灵活的编程等优点。驱动系统使用菲仕驱动+菲仕电机配置，作为EtherCAT 从站，依据标准DS402 协议与上位控制进行数据交互，用户可以根据自己需求修改PDO 数据列表，每个同步周期数据刷新一次，龙门轴硬件系统如图4 所示。

图4 龙门轴硬件系统拓扑

3 结束语

基于固高EtherCAT 总线系统的龙门轴同步控制，不仅了实现转塔冲床对于Y 轴高动态、高精度的需求，同时通过总线系统与第三方驱动之间动态信息交互的应用，最终可实现设备配置的多样化。