基于EtherCAT和CAN總線的柔性工裝控制系統(tǒng)

李文強(qiáng)， 段 磊， 趙 明， 王 帥， 于 躍

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽(yáng) 110850)

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)飛機(jī)制造行業(yè)大量應(yīng)用固定工裝，嚴(yán)重影響了各種新機(jī)型的生產(chǎn)制造周期及其產(chǎn)品的質(zhì)量［1］。柔性工裝大多是由多臺(tái)伺服電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置，一般能夠在X、Y、Z任意方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)形。其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種零部件裝配的專用固定型架、夾具，可降低工裝制造成本、縮短工裝準(zhǔn)備周期、減少生產(chǎn)用地，同時(shí)大幅度提高裝配生產(chǎn)效率［2－4］。柔性工裝是替代固定工裝的發(fā)展趨勢(shì)，但在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用較少，所以研制柔性工裝勢(shì)在必行。

目前大部分柔性工裝控制系統(tǒng)采用RS485、RS232端口以及一些現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接，雖然能夠滿足一般的控制要求，但對(duì)于參數(shù)較多，大量的電機(jī)以及分布較遠(yuǎn)的特殊情況不太適合。EtherCAT技術(shù)是德國(guó)倍福(Beckhoff)公司提出的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，它基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具備靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，具有高速、高有效數(shù)據(jù)率等特點(diǎn)，是一種開放式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)［5］。CAN總線是由德國(guó)Bosch公司研發(fā)，多用于汽車行業(yè)，CAN總線具有布線簡(jiǎn)單、典型的總線型結(jié)構(gòu)、可最大限度地節(jié)約布線與維護(hù)成本、穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)［6］。結(jié)合這兩種總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和柔性工裝成形中存在的問(wèn)題以及現(xiàn)場(chǎng)具體要求提出了基于EtherCAT和CAN總線結(jié)合的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案。

1 控制系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的柔性工裝整體結(jié)構(gòu)為X方向兩條平行導(dǎo)軌上布置5個(gè)移動(dòng)橫梁，每個(gè)梁(Y方向)上有7個(gè)高度可調(diào)整的立柱，立柱Y方向的行走及Z方向的高度調(diào)整各由一臺(tái)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。35個(gè)立柱在X、Y、Z方向都能數(shù)控運(yùn)行。系統(tǒng)被控元件主要包括80臺(tái)交流伺服電機(jī)，168個(gè)限位、零位及防撞保護(hù)等接近開關(guān)，真空系統(tǒng)以及其他配套保護(hù)及控制元件。

為了實(shí)現(xiàn)上述伺服電機(jī)及傳感器件的自動(dòng)控制要求，在對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合EtherCAT總線、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線及其實(shí)際的柔性工裝需要，提出基于EtherCAT和CAN總線結(jié)合的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，既提高系統(tǒng)的可靠性，又提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于擴(kuò)展。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由上位工業(yè)計(jì)算機(jī)(PC)、EtherCAT耦合模塊、輸入輸出模塊組、CAN總線接口模塊和多臺(tái)伺服電機(jī)等構(gòu)成。上位工業(yè)計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的接收與管理，控制命令的發(fā)送以及各控制單元?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示;EtherCAT耦合模塊用于對(duì)多個(gè)移動(dòng)梁模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)連入工業(yè)以太網(wǎng);輸入輸出模塊用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集和處理;CAN總線接口模塊主要完成對(duì)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)通訊;伺服電機(jī)用于對(duì)多個(gè)機(jī)械部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠很好地解決柔性工裝系統(tǒng)中，各個(gè)移動(dòng)橫梁分布遠(yuǎn)、布線困難等對(duì)通信穩(wěn)定性、可靠性造成的影響，同時(shí)通過(guò)該方式可以增加擴(kuò)展橫梁數(shù)量在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)目及節(jié)點(diǎn)的地理位置，滿足該柔性工裝系統(tǒng)的擴(kuò)充和整合的要求，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件選型的原則是確保設(shè)備的穩(wěn)定、可靠和長(zhǎng)壽命運(yùn)行，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有快速的響應(yīng)，并且具有友好的人機(jī)交互界面［7］。硬件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、控制柜內(nèi)分站模塊組、5個(gè)分布于移動(dòng)橫梁上的分站模塊組、伺服電機(jī)、供電電源及保護(hù)電路組成。上位機(jī)、控制柜內(nèi)分站模塊組、移動(dòng)橫梁上的分站模塊組之間采用EtherCAT總線通信，而橫梁上的分站模塊組與伺服電機(jī)間通過(guò)CAN總線通信，使兩種總線很好地結(jié)合。由工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有電機(jī)進(jìn)行位置、速度等控制，從而實(shí)現(xiàn)立柱的X、Y、Z向數(shù)控調(diào)整，達(dá)到柔性調(diào)形的目的。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of hardware

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，是PLC實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境以及柔性工裝人機(jī)界面軟件的運(yùn)行平臺(tái)，它不僅能夠完成控制功能，而且具有更強(qiáng)的運(yùn)算和信息處理能力。

控制柜內(nèi)分站模塊組主要完成X向橫梁限位、零位輸入、X向電機(jī)及Y向電機(jī)堵轉(zhuǎn)數(shù)字量信號(hào)輸入、真空管路真空度檢測(cè)、真空回路控制、聲光報(bào)警數(shù)字量輸入等信號(hào)的采集與控制。模塊組采用德國(guó)倍福公司的系列模塊，該模塊組包括 EtherCAT耦合器模塊EK1100、數(shù)字量輸入模塊 EL1008、數(shù)字量輸出模塊EL2008和末端模塊EL9011等。耦合器模塊是將來(lái)自以太網(wǎng)的傳遞報(bào)文轉(zhuǎn)換為EtherCAT總線信號(hào)，并通過(guò)工業(yè)計(jì)算機(jī)上的RJ45以太網(wǎng)接口與EtherCAT網(wǎng)絡(luò)相連;數(shù)字量輸入模塊用于從現(xiàn)場(chǎng)獲得控制信號(hào)，并把數(shù)據(jù)以電隔離的信號(hào)形式傳輸?shù)礁邔拥淖詣?dòng)化單元處理;數(shù)字量輸出模塊以電隔離的信號(hào)形式，將自動(dòng)化控制層傳輸過(guò)來(lái)的控制信號(hào)傳到設(shè)備層的執(zhí)行機(jī)構(gòu);末端EL9011放置于EtherCAT總線末端。

5個(gè)移動(dòng)橫梁上的分站模塊組分別放置在各個(gè)移動(dòng)橫梁的右端，跟隨移動(dòng)橫梁一起移動(dòng)，由EtherCAT耦合器模塊EK1100、CANopen模塊EL6751、多個(gè)數(shù)字量輸入模塊EL1008以及末端模塊EL9011組成。耦合器模塊與控制柜內(nèi)耦合器模塊擴(kuò)展端子連接，實(shí)現(xiàn)高速通訊;CAN模塊具有強(qiáng)大的協(xié)議執(zhí)行能力，能夠與本系統(tǒng)中帶有CAN總線接口的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊模塊，安裝布線中在CAN總線兩端各加一個(gè)120 Ω的電阻，對(duì)匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，將大大提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力［8］;數(shù)字量輸入模塊、末端功能與控制柜內(nèi)的模塊功能相同。移動(dòng)橫梁模塊連接圖如圖3所示。

圖3 移動(dòng)橫梁模塊連接圖Fig.3 Module connection diagram of mobile beams

在該系統(tǒng)中電機(jī)數(shù)量較多，如果選用一般伺服電機(jī)，受到系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)限制，現(xiàn)場(chǎng)線纜安裝布線極其困難，所以選用寧波菲仕公司集成式伺服電機(jī)，不需要獨(dú)立的控制器;且具有CANopen協(xié)議接口，通過(guò)CAN總線與EL6751模塊通訊，具有集成度高、功率密度大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。在工裝的移動(dòng)梁、立柱驅(qū)動(dòng)均采用集成式伺服電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)立柱的X、Y、Z向數(shù)控調(diào)整。

電源包括電機(jī)供電電源和線性直流電源，電機(jī)的電源為電機(jī)運(yùn)動(dòng)提供能量，線性直流電源為柔性工裝的PLC控制電源、Z軸電機(jī)抱閘電源、真空閥控制電路以及聲光報(bào)警、接近開關(guān)等電路提供能量。

保護(hù)電路是系統(tǒng)得以可靠運(yùn)行的保證，使整個(gè)系統(tǒng)安全可靠。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為PLC程序、人機(jī)界面以及PLC與人機(jī)界面軟件數(shù)據(jù)交換。PLC運(yùn)行環(huán)境和人機(jī)界面安裝在工業(yè)計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和監(jiān)視功能。

3.1 PLC 程序

PLC程序是在德國(guó)倍福公司TwinCAT軟件平臺(tái)環(huán)境下進(jìn)行程序開發(fā)［9－10］，TwinCAT是一個(gè)包含了運(yùn)行和開發(fā)平臺(tái)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制軟件。PLC程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制，包括所有伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制功能并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)I/O數(shù)據(jù)采集處理。運(yùn)行軟件安裝在工業(yè)計(jì)算機(jī)上，軟件支持多種編程語(yǔ)言，功能強(qiáng)大、編程方便。該系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)文本語(yǔ)言編寫，修改靈活，便于維護(hù)。所編寫的PLC程序結(jié)構(gòu)包括3個(gè)部分:1)主程序，即PLC程序的主入口;2) 子程序，包含橫梁 1、2、3、4、5共計(jì)5個(gè)子程序，分別為5個(gè)橫梁X、Y、Z相關(guān)程序;3)功能塊，即根據(jù)工藝要求編寫的自定義功能塊，在各個(gè)程序中調(diào)用。利用主程序?qū)崟r(shí)調(diào)用各個(gè)子程序和功能塊，實(shí)現(xiàn)整體功能。

3.2 人機(jī)界面

人機(jī)界面軟件在Windows XP平臺(tái)下，用VC++以及OpenGL完成。軟件能夠讀入三維數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行曲面顯示與操作，在選定工件空間位置的情況下進(jìn)行工藝計(jì)算，自動(dòng)或手動(dòng)排布可調(diào)立柱，控制吸盤動(dòng)作，配合數(shù)控銑設(shè)備完成銑切操作。針對(duì)運(yùn)動(dòng)干涉在軟件上提出了整體優(yōu)化算法，既能保證實(shí)現(xiàn)立柱自動(dòng)排布，又能保證所動(dòng)立柱個(gè)數(shù)及路徑優(yōu)化。人機(jī)交互界面如圖4所示。通過(guò)該軟件控制設(shè)備上立柱的布局形狀，以便存放不同形狀的零件，并可對(duì)零件進(jìn)行吸附固定，方便對(duì)零件的進(jìn)一步加工。

圖4 人機(jī)界面Fig.4 Man－machine interface

3.3 數(shù)據(jù)交換

PLC軟件程序與人機(jī)界面軟件利用TwinCAT的ADS OCX控件進(jìn)行交互數(shù)據(jù)訪問(wèn)，完成從PLC程序到人機(jī)界面軟件以及從人機(jī)界面軟件到PLC程序的數(shù)據(jù)傳遞。

4 結(jié)論

結(jié)合EtherCAT和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)，其EtherCAT總線具有高達(dá)100 MB/s的帶寬，而目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品最快的Profibus總線數(shù)據(jù)傳輸率也只能達(dá)到12 MB/s。CAN總線通信速率可達(dá)1 MB/s，CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，改為以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)量。兩種總線技術(shù)的結(jié)合提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性和安全性。

本控制系統(tǒng)應(yīng)用80臺(tái)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向數(shù)控調(diào)整，一般系統(tǒng)只能應(yīng)用32或64臺(tái)伺服電機(jī)，僅能對(duì)X、Y、Z一個(gè)或兩個(gè)方向調(diào)整;又可隨時(shí)隨地增加CAN總線模塊，因此該控制系統(tǒng)理論上不受電機(jī)數(shù)量限制，擴(kuò)展能力較強(qiáng)，對(duì)于數(shù)量較多的電機(jī)控制更穩(wěn)定可靠，且布線方便靈活。

研制應(yīng)用該控制系統(tǒng)的柔性工裝設(shè)備，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，為航空制造業(yè)柔性數(shù)字化技術(shù)發(fā)展開辟了道路。目前，在研制柔性工裝系統(tǒng)時(shí)，由于各方面條件限制，還不盡完善，下一步工作應(yīng)盡可能多地與數(shù)控平臺(tái)軟件結(jié)合進(jìn)行系統(tǒng)研究，使其具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

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