AxN 驅(qū)動器在沖壓線運動部件中的應(yīng)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(chǎn)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(guī)方案是拆垛機械手隨料垛高度的降低不斷改變?nèi)×衔恢?，或使用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)臺車的自動頂升，前者生產(chǎn)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(tǒng)來實現(xiàn)臺車的頂升功能，菲仕AxN 驅(qū)動器就是一種適用的中大型伺服控制器。介紹菲仕AxN 型驅(qū)動器在拆垛臺車上的具體應(yīng)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(qū)運輸?shù)讲鸲鈪^(qū)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(qū)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(chǎn)使用。

圖1 拆垛臺車

2 拆垛臺車頂升結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)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(shù)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(chǎn)節(jié)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(nèi)被抓走的板料張數(shù)，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(jié)構(gòu)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(tǒng)的臺車，依靠高精度編碼器實時控制臺車高度，精度高、響應(yīng)快，能夠非常好的滿足生產(chǎn)要求。

圖2 無頂升結(jié)構(gòu)臺車

圖3 有頂升結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)時間極短，性能卓越。

4 鼎實網(wǎng)關(guān)通信

鼎實網(wǎng)關(guān)通信具備以下特點：①通信穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，應(yīng)用廣泛；②通信速度塊，實時性強。網(wǎng)關(guān)內(nèi)的數(shù)據(jù)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(nèi)實現(xiàn)連接通信。依照Profinet 通信數(shù)據(jù)區(qū)和CANopen 通信數(shù)據(jù)區(qū)的映射關(guān)系，實現(xiàn)Profinet 到CAN 總線之間的數(shù)據(jù)透明通信。

因菲仕驅(qū)動只支持CANopen 總線，無法直接接入Porfinet總線，必須使用網(wǎng)關(guān)進行連接。選用鼎實公司的PN-G-CANopen網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)Profinet 與CANopen 總線間的網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)關(guān)作為Profinet 從站、CANopen 主站，可以較容易地將CANopen 從站接入Profinet 網(wǎng)絡(luò)中。

5 菲仕伺服系統(tǒng)

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

6 CANopen 協(xié)議介紹

（1）CANopen 是一種架構(gòu)在控制器局域網(wǎng)絡(luò)上的高層通信協(xié)議，包括通信子協(xié)議及設(shè)備子協(xié)議，常在嵌入式系統(tǒng)中使用，是工業(yè)控制常用到的一種現(xiàn)場總線。CANopen 是一種完全開放和公共的，面向工業(yè)自動化過程的應(yīng)用層的現(xiàn)場總線協(xié)議，憑借可靠、實用、經(jīng)濟、靈活和兼容性高的特點，在各個行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。

（2）報文短幀結(jié)構(gòu)，CAN 報文通常只有8 個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀非常短，在抗干擾能力上具有獨特的優(yōu)勢。

（3）PDO 協(xié)議，過程數(shù)據(jù)對象（PDO）協(xié)議可用來在許多節(jié)點之間即時交換數(shù)據(jù)。一個PDO 最多傳送/接收8 字節(jié)（64 位）的數(shù)據(jù)。PDO 分為兩種：傳送用的TPDO 和接收用的RPDO。TPDO是將一個節(jié)點的數(shù)據(jù)由此節(jié)點傳輸?shù)狡渌?jié)點，而RPDO 則是接收由其他節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)。

7 設(shè)計思路及說明

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

圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)

（2）PLC 程序硬件添加網(wǎng)關(guān)并連接至CPU 后，配置網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)字/控制字（圖5）。CAN 模塊參數(shù)說明：CAN Baudrate：CAN總線波特率，范圍5 kbps～1 Mbps。波特率必須與驅(qū)動器設(shè)置保持一致，波特率設(shè)置越大，傳輸速率越快，但傳輸距離越短。本實例波特率設(shè)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(fā)送類型。本實例選擇Time Driven 時間觸發(fā)，表示網(wǎng)關(guān)控制字第0 位（啟動發(fā)送）置1后，網(wǎng)關(guān)會周期性發(fā)送RPDO 數(shù)據(jù)；Heartbeat Consumer Timer：Heartbeat 狀態(tài)持續(xù)時間，該定時器用來設(shè)置主站在收到從站發(fā)來的Heartbeat 報文后，相應(yīng)狀態(tài)位的持續(xù)時間；Transmission Timer：發(fā)送時間定時器，用來設(shè)定主站發(fā)送報文周期的時間間隔；Node ID：設(shè)定主站網(wǎng)關(guān)的節(jié)點地址；CAN 模塊狀態(tài)字/控制字字分別為1 個字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和1 個字節(jié)的輸出數(shù)據(jù)；狀態(tài)字說明：位0 為發(fā)送標志，1 表示正在發(fā)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(fā)送命令。置0 時，CANopen 停止發(fā)送命令；位1：上升沿時，發(fā)送一次NMT 指令。

圖5 網(wǎng)關(guān)狀態(tài)字/控制字

（3）配置網(wǎng)關(guān)PDO（圖6）。CAN Identifier：驅(qū)動器相應(yīng)報文在CAN 中的識別號，必須與驅(qū)動器中配置的COB-ID 對應(yīng)，才能實現(xiàn)正常通信。RxPDO：PLC 發(fā)送給驅(qū)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(jié)），目標模式（1 個字節(jié)），速度模式時速度設(shè)定值（4 個字節(jié)），共7 個字節(jié)；第二個RxPDO 依次傳送位置模式速度設(shè)定值（4 個字節(jié)），位置設(shè)定值（4 個字節(jié)），共8 個字節(jié)。TxPDO：驅(qū)動器反饋給PLC的狀態(tài)字或電機實際值。實例配置兩個TxPDO，分別接收驅(qū)動器不同反饋數(shù)據(jù)。第一個TxPDO 依次接收電機實際速度（4 個字節(jié)），實際位置（4 個字節(jié)），共8 個字節(jié)；第二個TxPDO 依次接收驅(qū)動器當前模式（1 個字節(jié)），狀態(tài)字（2 個字節(jié)），故障代碼（2 個字節(jié)），共5 個字節(jié)。CAN Identifier：驅(qū)動器相應(yīng)報文在CAN 中的識別號，必須與驅(qū)動器中配置的COB-ID 對應(yīng)，才能實現(xiàn)正常通信。

圖6 網(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)，即從節(jié)點收到此指令后發(fā)送TPDO 數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)的發(fā)送控制字置1 后，網(wǎng)關(guān)將周期性發(fā)送同步命令。NMT：用于切換對CANopen 從節(jié)點的狀態(tài)，數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)，第1 個字節(jié)表示使節(jié)點進入的狀態(tài)，第2 個字節(jié)表示節(jié)點地址。Heartbeat producer：主站周期性發(fā)送Heartbeat 報文。Heartbeat consumer：用來監(jiān)測CANopen 從節(jié)點的輸入狀態(tài)，占用2 個字節(jié)的輸入地址，每2 位表示1 個節(jié)點的輸入狀態(tài)，最多監(jiān)測8 個從節(jié)點。

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

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

圖7 驅(qū)動器PDO 總線配置

（7）輸入配置電機、編碼器、制動器等參數(shù)，完成驅(qū)動器配置。

（8）網(wǎng)關(guān)啟動命令為常通，始終發(fā)送數(shù)據(jù)。故障復(fù)位時，NTM上升沿有效。復(fù)位后，對網(wǎng)關(guān)連接的所有節(jié)點進行初始化，轉(zhuǎn)至運行狀態(tài)（圖8）。

圖8 故障復(fù)位程序

（9）驅(qū)動器輸入輸出映射程序（圖9）。

圖9 驅(qū)動器IO 映射程序

（10）驅(qū)動器模式選擇程序（圖10）。生產(chǎn)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(shè)定值程序（圖11）。驅(qū)動器處于位置模式時，電機將按設(shè)定速度運行至設(shè)定位置，從而實現(xiàn)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(shè)定程序

8 結(jié)束語

SIMATIC 1516F-3 CPU 是西門子的一種模塊化PLC 控制系統(tǒng)，功能強大、處理速度快、具有很強的工業(yè)適應(yīng)性，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。菲仕AxN 系列通用伺服驅(qū)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(xiàn)場總線，非常適合搭建高性能伺服系統(tǒng)的應(yīng)用場合。鼎實創(chuàng)新科技有限公司的PN-G-CANopen 網(wǎng)關(guān)起到Profinet 到CANOPEN的協(xié)議轉(zhuǎn)換作用，通信速度快，使用簡單靈活。