基于CANopen通信的数控钻床控制系统

1，概述：

传统的基于柔性加工系统的方案采用数控加工中心的方式，设备制造商购买数控产品制造商的数控设备来进行开发。这对某些产量小，附加值低的机器设备的成本控制造成挑战。所以普通机床制造商希望有一个性价比高的控制系统。

CANopen是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，它是一种串行多主站控制器局域网总线，具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性,简单实用,网络成本低。特别适用于机械加工控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

CDE3000伺服是德国路斯特公司的一款伺服驱动器，在机床行业有了广泛的应用，标配CANopen接口。 PLC+总线控制+伺服驱动器模式是进行开发的标准系统。

数控钻床上配置三个伺服电机，分别控制左右方向，前后方向和旋转方向的运动。其中左右方向的伺服带动钻床的钻头进行钻孔，前后方向和旋转方向进行工件的位置移动。根据加工产品的不同，工件上钻孔的位置，大小以及排列方式都是可以改变的。这些参数可以在触摸屏上直接修改，同时还可以通过PLC的程序进行保护和错误报警。该系统是要求伺服电机进行位置控制，需要建立原点坐标。位置精度达到0.001mm，传统的采用脉冲方式实际上是一个半闭环的控制模式，无法保证机械对应的加工精度，如果增加测长编码器势必增加电气和机械的成本。所以采用通信的方式来达到精度控制的要求是一个合理的选择。

本系统的结构是依照数控钻床的工艺要求，在三维坐标里面进行绝对坐标下的位置控制，在尽量提高效率的前提下最大程度地保证机器的安全性。我们采用CANopen通信方式控制3台LUST伺服驱动器配置数控钻床的电气控制。在三个轴上安装原点传感器，建立原点坐标，依照坐标体系来完成控制要求。

2，硬件配置

HMI：人机操作界面，工艺更改的一些参数通过HMI输入到PLC。

上位PLC：CANopen通信的主站，是整个网络的核心。

伺服驱动器：CANopen通信的从站，接收来自上位PLC的控制命令，执行具体的动作；反馈给上位命令的执行情况，电机的工作状态。

伺服驱动器的CANopen接口是X5端口，其接线定义如下。

CANopen通信的硬件配置从图上可以看到，只需要三根数据线，现场配线是非常方便的，即使现场的硬件上出现了问题，也是比较容易诊断的。

3，软件配置及编程

采用CANopen协议的控制伺服驱动器，是通过PDO和SDO这两种方法来实现的，
SDO 用来在设备之间传输大的低优先级数据，用来设置CANOPEN网络上的设备参数。
PDO 用来传输8字节，没有其它协议预设定（意味着数据内容已预先定义）。

采用CANopen通信，首先要把驱动器的EDS文件导入CANopen的配置程序，结合驱动器的工作方式配置所需要的PDO，得到所需要的控制字，状态字，给定位置和实际位置的字。然后导入PLC程序，这就打开了上位机控制伺服驱动器的大门。

驱动器的CANopen通信配置过程，需要设置驱动器的控制模式，站点，波特率等参数，并且查看驱动器的调试软件，验证CANopen通信是否建立。如下图：

对于CDE3000伺服控制器的逻辑控制，例如启动，停止，暂停功能，是通过PDO中的命令字结合状态字来实现的，而对伺服的内部参数的改变，例如位置，速度，PID参数等，是通过SDO来实现的。

在上位机里面灵活的编写程序，通过命令字直接地对伺服进行，通过状态字直接的对伺服的工作状态进行监控，以达到工艺的动作要求。CDE3000内置PLC功能，驱动器可以依照内部PLC程序来完成一些智能化的动作，在一些如下图：

4,系统优点

通过对数控钻床工艺的控制实现，我们可以归纳出该系统的一些特点：

强大的功能，对于CDE3000 来说，寻找原点的动作，坐标系统的建立和正负限位对机器的保护，驱动器自行完成，这样简化了上位环节，更直接，更安全地达到了满足了工艺的要求。

人性化要求：左右方向，旋转方向，前后方向为数控钻床的三个轴的运动方向，分别达到对应的坐标体系。在建立原点坐标以后，每个动作的加速度，减速度，目标位置，目标速度，加减速曲线等参数都是可以编辑的，这样每个动作都是可以通过CANopen通信设定的，最大化地满足现场工艺的需要。同时建立正向和负向限位，保障伺服电机在运行过程中不超过限位开关，保护机器的安全。在编写程序的时候进行全面的动作互锁，保证机器在运行中的安全。

精度要求，达到0.001mm。通过选择合适的原点定位方法和设置合适的PID参数，我们的产品能满足客户的要求。LUST伺服是完全开放的伺服系统，内部调节器的参数是完全公开的，我们可以进行最大程度的优化调节。而且内部的PID参数可以通过CANopen进行修改，那么在不同的工作状况下，我们可以设置相应的PID参数，以更好的满足工艺的要求。

动作要求，在左右方向带钻头的轴上，要求在不同的位置要有不同的速度，但是相邻的两段位置之间切换时速度不能为0，即要求运行中切换。

其中梯级的图线为速度曲线，速度曲线有明显的分阶段变化，蓝色的曲线为位置曲线。结合两个曲线来看，在进行位置控制的时候可以自由切换速度而不用停止电机。通过CANopen 通信可以很容易地在触摸屏上更改不同阶段的位置和速度。

另外，在实际使用的过程中，旋转方向的轴是一直朝一个方向转动的，随着加工产品的数量的增加，轴的实际位置就可能溢出双字的范围。CDE3000具有“旋转工作台”的功能，即工作台旋转一周后CDE3000可以自动复位内部位置值，这样就简化上位的程序编写，同时避免出现累计误差。

旋转变压器反馈。机床加工行业，一般都有冷却液和润滑油，光电编码器会明显地受到影响，旋转变压器作为反馈元件不受此种影响；此外，旋转变压器地抗干扰特性在机械振动较大的环境下也能可靠运行。

安全要求，在运行过程中，通过正负限位，紧急停止开关以及程序内部的判断这三个部分对系统进行保护。在警报发生以后，需要重新给定启动命令才能运行，例如在自动运行过程中按下紧急停止开关，驱动器将停止输出并保持停止状态直到再次给出启动信号以后，驱动器才能重新激活。这样就能最大程度地保护操作人员的安全。

结论

本文通过LUST伺服控制器和上位PLC的组合来完成一个数控钻床的运动控制实现，证明了LUST伺服在机床上应用的良好适应性，经过一段时间的实际使用，证明本系统安全，可靠，性能良好。

从上面的部分可以看出来，LUST驱动器采用CANopen通信的方式来装配机械设备，具有明显的优势：系统简练，开发使用简单灵活，接线少，系统可靠，批量生产容易，可复制性强。