CN103076766A - 一种基于数字运动控制器的印罐机数控系统 - Google Patents

Abstract

一种基于数字运动控制器的印罐机数控系统，包括：基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块；数字运动控制器；运动执行模块；减速机模块；基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块与数字运动控制器通过Ethernet网线连接，数字运动控制器及其I/O子板直接与运动执行模块即交流伺服电机的I/O信号连接端子连接；数字运动控制器通过Ethernet总线与运动执行模块即伺服交流电机连接；数字运动控制器与四台交流伺服电机之间连接构建成双闭环运动控制系统。本发明系统结构简单，各组成部分相对独立，部分硬件可直接采购市售商品为组成部分，不仅性能可以与之相媲美、成本降低，而且装配、使用、升级极为简单，可以成批推广至易拉罐印刷生产线及类似的印铁生产线。

Description

一种基于数字运动控制器的印罐机数控系统

技术领域

本发明涉及的是一种工业控制自动化技术领域的运动控制系统，具体地说，是一种基于数字运动控制器的易拉罐无轴印刷运动控制系统。

背景技术

现行的易拉罐印刷生产线传动主要是依靠固定在生产机器上的齿轮、轴杆等机械部件将主轴电机的动力向各个印刷单元传送，由于动力传送中经过的距离长且机械传动机构繁多，因此将整个传动链形象地称为机械长轴。而本专利中提到的易拉罐无轴印刷系统实际上是用数字伺服驱动的电子长轴（虚拟的）取代复杂、传统的机械传动长轴。

传统机械长轴传动方式的特点主要是齿轮箱调速范围广且精度要求高，但它同时也带有诸多缺点：1）制造成本高，安装维护困难；2）印刷精度和印刷速度受到机械结构的限制；3）一根轴受到扰动就会引起整个机械长轴的波动；4）当印品规格不同时，需要更换机械部件，灵活性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数字运动控制器的数控印罐机无轴印刷运动控制系统及其人机通讯的触屏操作控制界面，使其稳定可靠、方便维护与操作、系统搭建容易、性价比高。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：

基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块；

数字运动控制器；

运动执行模块即交流伺服电机；

减速机模块；

其中基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块与数字运动控制器通过Ethernet网线连接进行通讯，数字运动控制器及其I/O子板直接与运动执行模块即交流伺服电机的I/O信号连接端子连接；数字运动控制器同样通过Ethernet总线与运动执行模块即伺服交流电机连接，构成伺服闭环系统，且多台交流伺服电机通过伺服驱动器EtherCAT通讯子硬件模块实现级联；数字运动控制器与四台交流伺服电机之间连接构建成双闭环运动控制系统，即这四台交流伺服电机首先通过本身提供的编码器与伺服控制器连接成第一运动闭环系统，并且每台交流伺服电机分别与一个减速机模块连接，另外还通过绝对式编码器与数字运动控制器连接成第二运动闭环系统。

所述的基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块为基于Windows平台的上位机触屏控制系统，它与数字运动控制器之间通过由Active X控件与其实现通讯联系，具体功能包括：

1) 状态显示：显示由下位机数字运动控制器计算出的各运动轴之间的相位差、已经印刷的易拉罐数量和已经吹除的损罐的数量，以及I/O口状态监测、机床运行状态监测、远程监控状态监测以及运行时间监测；

2) 参数更改：设置低级与高级用户两级权限，低级用户只能更改机床的运行速度参数，而高级用户在键入正确的密码后可以更改每个轴的比例、积分、微分、输出速度增益、速度反馈增益、回零偏置、回零方向与脉冲当量等参数；

3) I/O调试：检测所有Input口的当前状态，也能够手动操作Output口打开或者关闭；

4) 运行控制：控制机床以连续模式运行或者以手动模式运行，在手动模式中，能够选择选轴进行点动、连动、定距离模式正反方向运行以及手动回零等操作；

5) 日志记录与查看：控制软件在数据库的协同下记录机床的历史开关机时间、历史运行时间、历史印罐数量、吹除的损罐数量以及历史报警信息，用户可以选择特定的时间段查看以上数据。

所述的数字运动控制器，包括：控制器本体、EtherCAT通讯接口模块、4轴编码器反馈模块、16路数字输入模块、16路数字输出模块，具体结构为：

1）、控制器本体通过模块扩展对最多64个轴进行运动控制，使用Motion Perfect开发软件对控制器本体进行运动控制指令编写、模拟运行以及最终程序烧制。将程序烧制到控制器以后，控制器能够脱离PC上电后独立运行运动程序；

2）、EtherCAT通讯接口模块提供了与伺服驱动器通讯连接的EtherCAT接口，利用普通的网线就能够与伺服驱动器的EtherCAT通讯接口模块进行通讯，而伺服驱动器之间又可以通过EtherCAT通讯接口模块进行级联，另外，该EtherCAT通讯接口模块还提供了8路24V信号事件触发输入接口，作为限位开关的信号输入端口；

3）、4轴编码器反馈模块在该系统中完成电机编码器反馈信号获取的任务，以实现伺服交流电机的双反馈控制，其中，电机的外置编码器与4轴编码器反馈模块连接构成双编码器反馈回路2，电机的内置编码器和电机驱动器连接构成构成双编码器反馈回路1。编码器是一种反馈装置，可以提取电机的转速、位置等信号，本发明中，双反馈就是利用两路反馈信号达到精确控制；

4）、16路数字输入模块与16路数字输出模块即是I/O口扩展模块，与控制器本体上提供的I/O口一起完成输入输出端口控制任务。

所述的绝对式编码器物理刻线是2048线，经倍频处理后，其分辨率能够达到33554432位。

上述基于数字运动控制器的印罐机数控系统的实现方法，具体为：

1、机床运动控制信号由人机通讯部分即上位机触摸屏运动控制软件流向控制器，数字运动控制器已经预先存储了不同功能的运动执行程序模块，上位机的控制操作实际上就是利用Active X控件对运动执行程序模块进行调用，比如运动轴的正转反转停机等操作；

2、上位机控制软件直接读取数字运动控制器的若干I/O端口信号状态并实时地显示在触屏界面；

3、上位机软件完成参数更改和自动日志录入等功能；

4、数字运动控制器快速地处理上位机给出的运动控制调用指令，并将运动指令传递给交流伺服电机的驱动装置，随后动作执行模块实现对机床运动的同步控制和速度控制；

5、数字运动控制器调用数据处理模块，计算出各运动轴之间的相位差以及已印刷数量等运行数据并反馈给上位机以实现实时状态监测。

本发明的有益效果如下：

基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块、数字运动控制器、运动执行模块即交流伺服电机及减速机模块组合搭建的印罐机运动控制系统使得该系统制造成本相对低廉，同步控制好，位置精度高，安装调试易，此外控制器还具有丰富的接口并能与远程计算机进行通讯。本发明系统结构简单，各组成部分相对独立，部分硬件可直接采购市售商品为组成部分，加上已经开发成熟的运动控制模块，整个控制系统与现行的控制系统相比，不仅性能可以与之相媲美、成本降低，而且装配、使用、升级极为简单，可以成批推广至易拉罐印刷生产线及类似的印铁生产线。

附图说明

图1为本发明所述无轴传动系统示意图。

图2为本发明所述伺服系统控制环流程图。

图3为本发明所述伺服交流电机与减速机模块连接示意图。

图4为本发明的操作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种基于数字运动控制器的印罐机数控系统，如图1所示，包括基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块、数字运动控制器、运动执行模块即交流伺服电机及减速机模块。基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块担负着对整个系统管理的任务，而数字运动控制器担负着接受上位机指令传递给运动模块并完成数据处理和信号判定的中介任务。

在本发明中，基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块与数字运动控制器通过Ethernet网线连接进行通讯，人机通讯触摸屏操作控制模块采用易操作的触摸屏界面方式完成使运动执行模块按指定运动方式加工罐体的任务，同时也起着运动模式控制、IO信号开断、状态监测、参数更改以及日志查看等作用。

数字运动控制器及其I/O子板直接与机床的I/O信号连接端子连接，实现一系列开关量的输出控制任务，同时也担负着机床限位开关信号等信号的读入任务。

数字运动控制器通过Ethernet总线与运动执行模块即伺服交流电机连接，构成伺服闭环系统，且多台交流伺服电机仅通过伺服驱动器EtherCAT通讯子硬件模块就可以实现级联，EtherCAT通讯子硬件模块的加入使得添加或者减少运动轴极其容易、连接方式简单、安装调试方便、更换升级易行。

数字运动控制器与四台同步伺服交流电机之间连接构建成双闭环运动控制系统，即这四台伺服交流电机首先通过本身提供的编码器与伺服控制器连接成第一运动闭环系统，并且每台交流伺服电机与分别与一个减速机模块连接，另外还绝对式编码器与数字运动控制器连接成第二运动闭环系统。本发明采用的绝对式编码器物理刻线是2048线，经倍频处理后，其分辨率可以达到33554432位，此高精度的编码器，完全可以满足印刷精度要求。这样的物理双闭环系统，实现了对交流电机位置环、速度环以及电流环的三环控制，如图2所示，位置精度高、同步控制好，完全可以实现连续印罐的任务。

本发明所述的基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块，实质上是利用Microsoft Visual C++ 开发的一款基于Windows平台的上位机触屏控制系统，它与数字运动控制器之间通过Active X控件与其实现通讯联系。

所述的数字运动控制器，包括：控制器本体、EtherCAT通讯接口模块、4轴编码器反馈模块、16路数字输入模块、16路数字输出模块，具体的结构及功能如下：

1) 由24V直流电源供电的控制器本体通过模块扩展对最多64个轴进行运动控制，使用Motion Perfect开发软件可以对数字运动控制器进行运动控制指令编写、模拟运行以及最终程序烧制。将程序烧制到数字运动控制器以后，数字运动控制器可以脱离PC上电后独立运行运动程序，本发明提供的数字运动控制器可以同时运行20条运动程序，满足多数运行控制要求。控制器本体与EtherCAT模块连接后，利用该模块就可以让数字运动控制器与伺服驱动器以及上位机电脑连接通讯，十分方便。在本发明中，使用了Motion Perfect开发软件及数字运动控制器支持的丰富的Basic指令进行运动指令的编写调试与烧制，并利用了其提供的I/O接口进行输入输出控制；

2) EtherCAT通讯接口模块设置有与伺服驱动器通讯连接的EtherCAT接口，利用普通的网线就可以去伺服驱动器的SM-ECT模块进行通讯，而伺服驱动器之间又可以通过EtherCAT通讯接口模块进行级联。另外，EtherCAT通讯接口还提供了8路24V信号事件触发输入接口，可以作为限位开关的信号输入端口；

3) 4轴编码器反馈模块在该系统中完成电机编码器反馈信号获取的任务，以实现伺服交流电机的双反馈控制；

4) 16路数字输入模块与16路数字输出模块即是I/O口扩展模块，与控制器本体上提供的I/O口一起完成输入输出端口控制任务。

如图3所示，在本发明中四个伺服交流电机分别连接有一个负载，负载是直径约1米、重达半吨的圆形辊轮，即芯轴转盘：负责装载易拉罐；胶版轮：负责给易拉罐套印颜色；转输盘和传输链轮：负责传输易拉罐体，所以直接用电机不能驱动这样的负载，因为电机转速快、可驱动的负载扭矩小，因此在本发明中，每个交流伺服电机都连接有一个减速机模块，减速机模块的加入就可以驱动负载的运行。减速机模块的作用就类似于一个变速箱，将它加在负载与电机之间，就可以起到牺牲电机转速来提高驱动扭矩的作用。

从控制流程与数据信息走向来分析，可以将整个系统的工作过程分为以下两个部分：第一部分：上位机与控制器。首先，交流伺服电机运动控制信号由人机通讯部分即上位机触屏控制系统流向数字运动控制器。数字运动控制器预先存储了不同功能的运动执行程序模块，上位机的控制操作实际上就是利用Active X控件对运动执行程序模块进行调用，如运动轴的正转反转停机等操作。第二，上位机触屏控制系统可以直接读取控制器的若干I/O端口信号状态并实时地显示在触屏界面。第三，上位机触屏控制系统要完成参数更改和自动日志录入等功能。

第二部分：控制器与运动执行模块。首先，数字运动控制器快速地处理上位机触屏控制系统给出的运动控制调用指令，并将运动指令传递给交流伺服电机的驱动装置，随后动作执行模块实现对机床运动的同步控制和速度控制。第二，控制器还要调用数据处理模块，计算出各运动轴之间的相位差以及已印刷数量等运行数据并反馈给上位机以实现实时状态监测。

Claims (5)

1.一种基于数字运动控制器的印罐机数控系统，包括：

基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块；

数字运动控制器；

运动执行模块即交流伺服电机；

减速机模块；

其特征在于：基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块与数字运动控制器通过Ethernet网线连接进行通讯，数字运动控制器及其I/O子板直接与运动执行模块即交流伺服电机的I/O信号连接端子连接；数字运动控制器同样通过Ethernet总线与运动执行模块即伺服交流电机连接，构成伺服闭环系统，且多台交流伺服电机通过伺服驱动器EtherCAT通讯子硬件模块实现级联；数字运动控制器与四台交流伺服电机之间连接构建成双闭环运动控制系统，即这四台交流伺服电机首先通过本身提供的编码器与伺服控制器连接成第一运动闭环系统，并且每台交流伺服电机与分别与一个减速机模块连接，另外这四台交流伺服电机还通过绝对式编码器与数字运动控制器连接成第二运动闭环系统。

2.根据权利要求1所述的基于数字运动控制器的印罐机数控系统，其特征在于：所述的基于Windows平台的人机通讯触摸屏操作控制模块为基于Windows平台的上位机触屏控制系统，它与数字运动控制器之间通过Active X控件与其实现通讯联系，具体功能包括：

1)  状态显示：显示由下位机数字运动控制器计算出的各运动轴之间的相位差、已经印刷的易拉罐数量和已经吹除的损罐的数量，以及I/O口状态监测、机床运行状态监测、远程监控状态监测以及运行时间监测；

2)  参数更改：设置低级与高级用户两级权限，低级用户只能更改机床的运行速度参数，而高级用户在键入正确的密码后可以更改每个轴的比例、积分、微分、输出速度增益、速度反馈增益、回零偏置、回零方向与脉冲当量等参数；

3)  I/O调试：检测所有Input口的当前状态，也能够手动操作Output口打开或者关闭；

4)  运行控制：控制机床以连续模式运行或者以手动模式运行，在手动模式中，能够选择选轴进行点动、连动、定距离模式正反方向运行以及手动回零等操作；

5)  日志记录与查看：控制软件在数据库的协同下记录机床的历史开关机时间、历史运行时间、历史印罐数量、吹除的损罐数量以及历史报警信息，用户可以选择特定的时间段查看以上数据。

3.根据权利要求1所述的基于数字运动控制器的印罐机数控系统，其特征在于：所述的数字运动控制器，包括：控制器本体、EtherCAT通讯接口模块、4轴编码器反馈模块、16路数字输入模块、16路数字输出模块，具体结构为：

1）、控制器本体通过模块扩展对最多64个轴进行运动控制，使用Motion Perfect开发软件对控制器本体进行运动控制指令编写、模拟运行以及最终程序烧制，将程序烧制到控制器以后，控制器能够脱离PC上电后独立运行运动程序；

2）、EtherCAT通讯接口模块提供了与伺服驱动器通讯连接的EtherCAT接口，利用普通的网线就能够与伺服驱动器的EtherCAT通讯接口模块进行通讯，而伺服驱动器之间又可以通过EtherCAT通讯接口模块进行级联，另外，该EtherCAT通讯接口模块还提供了8路24V信号事件触发输入接口，作为限位开关的信号输入端口；

3）、4轴编码器反馈模块在该系统中完成电机编码器反馈信号获取的任务，以实现伺服交流电机的双反馈控制；

4）、16路数字输入模块与16路数字输出模块即是I/O口扩展模块，与控制器本体上提供的I/O口一起完成输入输出端口控制任务。

4.根据权利要求1所述的基于数字运动控制器的印罐机数控系统，其特征在于：所述的绝对式编码器物理刻线是2048线，经倍频处理后，其分辨率能够达到33554432位。

5.为实现权利要求1所述的基于数字运动控制器的印罐机数控系统，其具体的实现方法为：

1）、机床运动控制信号由人机通讯部分即上位机触摸屏运动控制软件流向数字运动控制器，数字运动控制器已经预先存储了不同功能的运动执行程序模块，上位机的控制操作实际上就是利用Active X控件对运动执行程序模块进行调用；

2）、上位机控制软件直接读取数字运动控制器的若干I/O端口信号状态并实时地显示在触屏界面；

3）、上位机软件完成参数更改和自动日志录入等功能；

4）、数字运动控制器快速地处理上位机触摸屏运动控制软件给出的运动控制调用指令，并将运动指令传递给交流伺服电机的驱动装置，随后动作执行模块实现对机床运动的同步控制和速度控制；

5）、数字运动控制器调用数据处理模块，计算出各运动轴之间的相位差以及已印刷数量等运行数据并反馈给上位机以实现实时状态监测。

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