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BECKHOFF CX運動(dòng)控制系統在工業(yè)CT機TZ1001中的應用

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摘要:應用BECKHOFF CX1020運動(dòng)控制系統實(shí)現TZ1001工業(yè)CT專(zhuān)機的主要控制功能,如閉環(huán)控制、NC程序運行、HMI監控和雙向位置精度補償等。
 
TZ1001高能X射線(xiàn)工業(yè)DR/CT快速檢測專(zhuān)機由兩個(gè)同步運行的加速器X1和探測器X2運行軸、分度B軸、探測微動(dòng)調整W軸和工件定位移動(dòng)X(jué)3軸構成,其中X1、X2、B、W均為伺服軸,X1、X2軸行程10500mm,X3軸行程7500mm,設備對同步定位、重復定位、分度等精度均有較高要求。
1.      系統配置
選用具有較高性能CPU的嵌入式PC模塊CX1020,帶TwinCAT PLC/NCI軟件,通過(guò)EtherCAT總線(xiàn)與I/O模塊、AX5000系列伺服驅動(dòng)裝置通訊,EK1110是EtherCAT總線(xiàn)的擴展端子模塊,它與前一段EtherCAT的末端相連,可將EtherCAT電纜束的電氣隔離長(cháng)度增加到100米,并將E_bus信號轉換為100BASE-TX以太網(wǎng)信號。系統配置如圖1所示。

圖1 TZ1001控制系統配置圖
AX5206是雙軸2×6A伺服驅動(dòng)裝置,驅動(dòng)AM3000系列伺服電機,通過(guò)EtherCAT與CX1020直接通訊,所有的組態(tài)參數與動(dòng)態(tài)數據均通過(guò)EtherCAT與PLC、NC實(shí)現數據交換。AX5200系列雙軸伺服驅動(dòng)裝置有一個(gè)特點(diǎn),它的兩個(gè)通道的驅動(dòng)電流可以軟分配,例如對AX5206來(lái)說(shuō),可以是A通道的負載電流為9A,B通道的負載電流為3A,只要總的工作電流不超過(guò)2×6A即可。各軸的行程限位、參考點(diǎn)等直接接入AX5000,也可接入PLC的I/O模塊。
X1、X2軸位置測量選用Renishaw LM10磁柵尺,其中X1的LM10方波信號通過(guò)RS422接入ELCO EMA信號分配器分為兩路隔離輸出,一路接入EL5101增量編碼器接口模塊,實(shí)現閉環(huán)控制,另一路作為X光機掃描觸發(fā)模塊的觸發(fā)信號。
HMI選用CP6909面板,其最大分辨率為1280×1024,帶有DVI/USB擴展接口,可通過(guò)USB-E和DVI-E連接至CX的DVI/USB模塊,可通過(guò)軟件組態(tài)實(shí)時(shí)監控系統工作狀態(tài),其與USB/DVI的距離支持最長(cháng)50米。
2.      技術(shù)要點(diǎn)
倍福CX運動(dòng)控制系統是基于PC的軟PLC和NC產(chǎn)品,控制上以PLC為核心,主要的NC功能均通過(guò)PLC庫文件中的相應功能塊的編程實(shí)現。CX的PLC是符號表編程,NC的參數和狀態(tài)可以通過(guò)通道和軸接口信號直接在PLC中編程,例如旋轉軸B(軸4)的實(shí)際角度變量值為axis4.NCtoPLC.fModuloPoslst。所有I/O點(diǎn)及一些通用的中間變量信號可以定義為全局變量,在任何程序塊中均可使用。對于一些對掃描周期要求較短的程序塊(如位置精度補償塊等),可以設置獨立任務(wù)并定義其優(yōu)先級和掃描周期。
2.1    閉環(huán)控制
LM10磁柵尺的分辨率有1um、2um、5um、10um、20um、50um六種,計數頻率有250kHz、500kHz、1000kHz、2000kHz、8333kHz五種。而EMA的最大工作頻率是250kHz,六種分辨率的LM10磁柵尺在250kHz頻率時(shí)對應的最大運行速度分別是7.8m/min、15m/min、37.8m/min、76m/min、76m/min、47m/min,現X1、X2軸的最大運行速度要求15m/min,所以應選擇分辨率為5um計數頻率最大250kHz的LM10磁柵尺。LM10的9針D型插頭與EL5101的各端子信號分配關(guān)系如表1:
表1:LM10磁柵尺與EL5101編碼器模塊的信號對應關(guān)系

  5V 0V A A- B B- Z Z- 屏蔽
LM10 5 9 4 8 3 7 2 6 1,9
EL5101 1’ 5’ 1 5 2 6 3 7 8’

按表1連接好信號線(xiàn)后就可以進(jìn)行軟件調試了,打開(kāi)NC Configuration下Axes中Axisn的Axis_Enc下的NC_Encoder頁(yè)面并設置:
Type:Encoder(KL5101/KL5111/IP5109/EL5101/EL5151/Profile MDP 511)
Link To (all type):Term 2 (EL5101) # ’MDP 510’
軸傳動(dòng)比可以在Parameter下的Scaling Factor(單位mm/INC)中設置,其數值表示每個(gè)脈沖對應的軸行程計算值。
2.2    NC程序執行
雖然該專(zhuān)機是上位機定位與簡(jiǎn)單聯(lián)動(dòng),不需要運行工件程序,但做位置精度檢測和調試時(shí)還是需要NC程序執行功能,而TwinCAT的設計理念是運動(dòng)控制系統,沒(méi)有設計專(zhuān)門(mén)的NC加工MMC界面,需要通過(guò)System Manager來(lái)做一些處理。
系統默認在CF卡上僅有一個(gè)NC程序STADION.NC,為了方便需一次性加入將要用的程序??赏ㄟ^(guò)CP6909或外接顯示器對CX進(jìn)行操作,在Windows CE或XP下運行“explorer.exe”進(jìn)入資源管理器,然后進(jìn)入harddisk\TwinCAT\CNC目錄,可以看到STADION.NC等文件,通過(guò)COPY生成幾個(gè)新文件再重命名,如X1comp.NC等。
在System Manager的NC Task 1 SAF下右鍵激活Append Channel,在Channel 2下的Group 5的3D Online中設置各對應的軸號,并設置倍率Override,然后在Channel2_Itp下的Editor頁(yè)面點(diǎn)擊Browse打開(kāi)已生成的X1comp.NC文件,修改其內容并F9存盤(pán)、F7裝載文件,最后按F5運行程序即可。
2.3    HMI面板
若要CP面板顯示CX的頁(yè)面,則先激活PLC Control中Project菜單下的Option選項窗口,并選擇TwinCAT項中的Enable CE Target Visualization并激活。若要顯示中文,則需安裝中文字體,目前僅支持宋體。
在Visualizations中直接建立頁(yè)面,其頁(yè)面中直接使用PLC或NCTOPLC中的變量,載入CX后,通過(guò)CP6909直接顯示,CP6909是不帶CPU的面板,相當于CX的顯示器。如果選用帶CPU的控制面板,則頁(yè)面程序需載入面板,通過(guò)EtherCAT或以太網(wǎng)通訊來(lái)顯示。
其HMI畫(huà)面編輯比較方便,但功能較簡(jiǎn)單,支持的數據類(lèi)型比較全,例如%.3f表示小數點(diǎn)后保留3位小數的實(shí)數,%d表示整數等。
2.4    雙向位置精度補償
位置精度補償可調用PLC庫TCNC.lib中的FB PositionCompensation和FB WritePositionCorrection來(lái)實(shí)現,對于需補償的軸應修改其Parameter下Other setting下的“Position Correction…”值為“TRUE”,使補償值修改位置給定有效。
值得注意的是,TCNC.lib庫中的軸數據結構類(lèi)型是NCTOPLC_AXLESTRUCT和PLCTONC_AXLESTRUCT,而不是TCMC2.lib中AXIS_REF數據類(lèi)型,所以PLC程序中的有關(guān)MC的功能只能調用TCMC.lib庫中的功能塊,而不是TCMC2.lib庫。
一個(gè)典型的直線(xiàn)軸X2位置精度補償全局變量定義及程序如下:
VAR_GLOBAL
fbPitchCompensationX2:FB_PositionCompensation;
fbWritePosCorrectionX2:FB_WritePositionCorrection;
axis2_NCtoPLC AT %I*: NCTOPLC_AXLESTRUCT;
axis2_PLCtoNC AT %Q*: PLCTONC_AXLESTRUCT;
AxisRefInX2 AT %I*:NCTOPLC_AXLESTRUCT;
 AxisRefOutX2 AT %Q*: PLCTONC_AXLESTRUCT;
bAxisIsHomedX2: BOOL;
bEnablePitchCompensationX2: BOOL := FALSE;
fCompensationValueX2: LREAL;
bErrorX2: BOOL;
nErrorIdX2: UDINT;
bActiveX2: BOOL;
bLimitingX2: BOOL;
END_VAR
VAR_GLOBAL CONSTANT
st_DescPitchX2: ST_CompensationDesc := (fPosMin:=0.0, fPosMax:=100.0, nTableElements: =11);
st_PitchTableX2: ARRAY[0..10] OF ST_CompensationElement :=
(fPos:=0.0, fCompensation: =0.0),
    (fPos:=1000.0, fCompensation:=0.012),
     (fPos:=2000.0, fCompensation:=-0.008),
     (fPos:=3000.0, fCompensation:=-0.013),
     (fPos:=4000.0, fCompensation:=-0.014),
     (fPos:=5000.0, fCompensation:=-0.005),
     (fPos:=6000.0, fCompensation:=0.006),
     (fPos:=7000.0, fCompensation:=0.007),
     (fPos:=8000.0, fCompensation:=0.018),
     (fPos:=9000.0, fCompensation:=0.009),
     (fPos:=10000.0, fCompensation:=0.011);
END_VAR
IF bAxisIsHomedX2 THEN
   bEnablePitchCompensationX2 := TRUE;
ELSE
   bEnablePitchCompensationX2 := FALSE;
END_IF
fbPitchCompensationX2(
Enable:= bEnablePitchCompensationX2 ,
   pTable:=ADR(st_PitchTableX2),
cbSize:=SIZEOF(st_PitchTableX2),
ReferenceAxis:=AxisRefInX2,
Desc:= st_DescPitchX2,
  Compensation=>fCompensationValueX2,
Error=>bErrorX2,
  ErrorId=>nErrorIdX2,
Active=>bActiveX2);
fbWritePosCorrectionX2(
  Enable:=TRUE,
  PositionCorrectionValue:=fCompensationValueX2,
  CorrectionMode:= POSITIONCORRECTIONMODE_FAST,
  Acceleration:= 500,
  CorrectionLength:= ,
  AxisRefIn:= AxisRefInX2,
AxisRefOut:= AxisRefOutX2,
  Busy=> bLimitingX2,
  Error=> ,
  ErrorID=> ,
Limiting=> );
補償值生效時(shí)可在A(yíng)xis_Enc的Online下監控到:其Position值=Uncorrected值+Correction值。如果無(wú)補償值,則Correction值始終為0
有些時(shí)候由于機械特性不滿(mǎn)足等原因,需要對軸的兩個(gè)運動(dòng)方向分別進(jìn)行補償,此時(shí)需建立兩個(gè)補償表,分別進(jìn)行補償,并修改全局變量中的st_DescPitchX2,在其參數中加入eDirection:=WorkingDirectionPlus和WorkingDirectionMinus,分別對X2的正向和負向進(jìn)行位置設定值補償。 
3.      結語(yǔ)
對于TZ1001專(zhuān)機來(lái)說(shuō),還有同步軸(實(shí)際上是鏈接軸)、分度軸、電子齒輪等功能,由于篇幅原因就不一一贅述。本文講述的調試技術(shù)在常用的數控系統如SIEMENS 840D、FANUC 30i、Rexroth MTX都是通用的功能,很容易實(shí)現,由于BECKHOFF CX的產(chǎn)品定位是運動(dòng)控制系統,所以需要一些間接手段才能實(shí)現,且主要是通過(guò)PLC完成的。

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