CN104181904A - 一种基于EtherCAT和CAN总线的柔性工装控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种基于EtherCAT和CAN总线的柔性工装控制系统，所述柔性工装控制系统包括工业计算机、控制柜和横梁上的分站模块三大部分，其中工业计算机作为核心处理单元，控制柜及分站模块内分别具有耦合器模块、输入模块和输出模块，工业计算机与控制柜内的耦合器模块之间、控制柜的耦合器模块与分站模块中的耦合器模块之间、分站模块中的耦合器模块与分站模块中的耦合器模块之间分别通过EtherCAT总线通讯连接；分站模块中的CAN总线模块通过CAN总线与本分站模块控制的各个伺服电机通讯连接，系统将EtherCAT总线和CAN总线的结合进行数据传输，实现对系统的柔性调形运动控制。该系统集成度高，具有可靠性、稳定性、高传输性、可操作性、设计合理等优点。

Description

一种基于EtherCAT和CAN总线的柔性工装控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于EtherCAT和CAN总线的柔性工装控制系统，属于自动化控制技术领域。

背景技术

飞机制造业大量应用固定安装，严重影响了各种新机型的生产制造周期及其产品的质量。随着数字化技术快速发展，柔性工装比固定工装具有诸多优点，柔性工装技术在飞机制造中得到了越来越广泛的应用。柔性工装是由多台伺服电机构成的驱动运动装置，一般能够在X、Y、Z一个或三个方向运动，实现柔性调形形成所需的形状，多台电机运动控制方式尤为重要且不易实现。

目前大部分柔性工装控制系统形式多样，多以RS485或RS232通讯，伺服电机与伺服分站模块分立连接形式，虽然能够满足一般的控制要求，但对于参数较多，大量的电机及其分布较远的情况不合适，存在数据传输速率慢，传输不稳定，控制系统繁琐，分散独立，操作不便等问题，因此对于多台电机的柔性工装运动控制成为一个难点。

发明内容

本发明的目的是为柔性工装系统提供一种新的控制方法。

本发明创造是通过下述技术方案实现：一种基于EtherCAT和CAN总线的柔性工装控制系统，其柔性工装为X方向上布置若干个横梁，每个横梁由两台伺服电机驱动，在每个横梁上又布置有若干个可调整的立柱，每个立柱在Y方向上的行走及Z方向上的高度调整各由一台伺服电机驱动，所述柔性工装控制系统包括工业计算机、控制柜和横梁上的分站模块三大部分，其中工业计算机作为核心处理单元，控制柜及分站模块内分别具有EtherCAT耦合器模块、输入模块和输出模块，工业计算机通过EtherCAT总线与控制柜内的EtherCAT耦合器模块通讯连接，控制柜的EtherCAT耦合器模块与分站模块中的EtherCAT耦合器模块之间通过EtherCAT总线通讯连接，分站模块中的EtherCAT耦合器模块与分站模块中的EtherCAT耦合器模块之间通过EtherCAT总线通讯连接；分站模块中的输出模块还与CAN总线模块通讯连接，CAN总线模块通过CAN总线与本分站模块控制的各个伺服电机通讯连接，系统将EtherCAT总线和CAN总线的结合进行数据传输，实现对系统的柔性调形运动控制。

所述工业计算机实现数据的接收与管理，控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态实时显示，具备检测控制、数据分析处理、数据存储等功能；EtherCAT耦合器模块用于对控制柜内和5个横梁模块的数据转换，将现场的数据连入以太网，实现数据的有效传输；输入模块、输出模块用于对现场的信号采集和处理功能；CAN总线接口模块实现对伺服电机的现场通讯，伺服电机用于对横梁X方向和立柱在Y、Z方向的运动控制驱动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）此系统能够很好的解决柔性工装各个移动横梁分布远、布线困难所带来对通信稳定性、可靠性等造成的影响；（2）通过该方式可以增加扩展横梁数量网络中的节点，可以随机调整增、减节点数目及节点的地理位置，满足该柔性工装系统的扩充和整合的要求，便于系统实现分布式控制；（3）将EtherCAT总线和CAN总线有效结合，使数据传输速率提高了近10倍；（4）该系统集成度高、可靠性好、可操作性强、设计合理。

附图说明

图1是该发明的控制系统的结构示意图。

图2是该发明的软件结构框架。

图3是该系统操作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明专利进一步的描述，参见附图1。该系统由工业计算机、位于控制柜内的模块、5个分布于移动横梁上的分站模块、伺服电机及相应的电源及保护电路组成。工业计算机与控制柜内耦合器模块之间、控制柜内耦合器模块与横梁1上的耦合器模块之间及其横梁1到横梁5耦合器模块之间分别采用EtherCAT总线通讯。而横梁1上的CAN总线模块与本横梁上伺服电机1、以及伺服电机1到伺服电机16相互间通过CAN总线通信，同时横梁2到横梁5上的CAN总线模块与伺服电机、伺服电机之间均以CAN总线通讯。以下对各个部分加以说明：

工业计算机是整个系统的控制核心，通过RJ45以太网接口与控制柜内耦合器模块进行连接，利用EtherCAT总线连接进行数据交换。在计算机中安装PLC实时运行环境以及人机界面软件。通过安装于工业计算机上的操作软件，完成整个柔性工装的参数设置、手动控制、自动调形、吸盘控制、模型数据输入输出及工艺计算等操作，同时显示电机的位置、速度、各个检测开关的状态、真空管路运行状态等信息功能。

控制柜内模块主要包括：耦合器模块、输入模块和输出模块，相互之间采用背板总线连接方式。耦合器模块将来自以太网的传递报文转换为EtherCAT总线信号进行数据交换，通过工业计算机上的RJ45以太网接口与耦合器EtherCAT网络相连。耦合器模块具有两个端口，一端作为EtherCAT总线的输入，另一端作为EtherCAT总线的输出。耦合器模块外界24V电源，保证正常工作。输入模块从现场获得控制信号，并把数据以电隔离的信号形式传输到更高层的自动化单元处理。输出模块将数字量输出以电隔离的信号形式，将自动化控制层传输过来控制信号传到设备层的执行机构。输入模块和输出模块实现X向横梁限位、零位输入、X向电机及Y向电机堵转数字量信号输入、真空管路真空度检测、真空回路控制、声光报警等信号的采集控制。

5个横梁上的分站模块分别放置在各个移动横梁的右端，跟随移动横梁一起移动，每个横梁上均由耦合器模块、输入模块、输出模块、CAN总线模块组成，相互之间采用背板总线连接方式。EtherCAT耦合器模块与控制柜内EtherCAT耦合器模块扩展端子连接，采用EtherCAT总线实现高速通信，对数据进行交换。输入模块检测Y方向电机左侧极限、右侧极限、电机堵转信号，Z轴方向电机上极限、下极限、电机堵转信号等。输出模块对真空回路吸附阀的开关控制，Z轴方向电机抱闸打开和关闭控制。CAN总线模块对CAN总线的接口模块与伺服电机通信，进行数据交换。通过CAN总线模块与带有CAN总线接口的伺服电机1到伺服电机16实现通讯模块发送或接受一般性CAN消息。布线中在CAN总线模块的CAN+、CAN-两端加一个120欧姆的电阻，对匹配总线阻抗起着相当重要性的作用，将大大提高数据通信的抗干扰能力，同时5个横梁采用电气控制连接方式相同。

系统中采用电击数量较多，共80台。在每个横梁上分别安装16个伺服电机，其中伺服电机1、伺服电机2两个电机用带动于X方向带动运动，伺服电机3到伺服电机9电机用于每个横梁Y轴方向，伺服电机10到伺服电机16电机用于Z轴方向运动。伺服电机具有CAN总线，从CAN总线模块的CAN+和CAN-两端接到伺服电机1的CAN+、CAN-两端，由伺服电机1的CAN+、CAN-两端，完成硬件连接。同时在每个电机上设置不同的地址，从1到16，并设置相同的波特率，完成数据通讯。电机具有CANopen协议接口，通过自带的CAN总线与横梁上CAN总线模块通讯，同时具有集成度高，功率密度大体积小的优点，工作在位置、速度和力矩三种模式，从而实现横梁和立柱的X、Y、Z向调整。

系统的电源包括电机供电电源和线性直流电源，电机的供电电源为电机运动提供能力，X和Y方向伺服电机供电为直流300V，专用电源模块将交流380V转换为所需的直流300V；Z方向伺服电机供电为直流510V，专用电源模块将交流380V转换为所需要的直流510V；线性直流电源为交流220V转换为直流24V，为EtherCAT耦合器、Z轴电机抱闸、真空阀控制电路、声光报警以及接近开关等电路提供能量。

同时保护电路包括主电路线路过电压、过电流、辅助电路、电机过流、真空系统超限、急停等保护电路，并提供声光报警提示灯功能。使系统得以可靠运行，使整个系统安全可靠。

软件结构框图如附图2所示：系统分为人机界面和PLC程序。人机界面和PLC运行程序安装在工业计算机中，实现整个系统的控制与监控功能、人机界面中的自动监视画面用于监控电机实际位置、速度信息、真空系统的开关与闭合；调整画面用于对电机运动控制、速度控制、转矩控制及其系统调试处理；程序画面负责将三维模型信息转换为立柱的空间坐标值数据，导入到监控画面中，及其程序的编辑、编译及管理功能；参数画面用于对轴参数、系统参数伺服信息设置和处理；报警信息画面用于对电机故障、系统故障以及报警信息的管理；PLC程序由多个子程序构成，完成数据的逻辑、运算处理，和其数据交换子程序用于将接收人机界面发送来的电机位置、速度、动作控制等数据，并将转换为PLC可处理的数据，同时将PLC的数据传送给人机界面；输入输出子程序，对左、右极限位、零位、上下极限位进行逻辑处理，现场I/O数据采集处理，对控制的进行逻辑运算；运动控制子程序，对电机进行运动控制、零位自动寻找，传动比例校正；真空控制子程序，通电测试、抽真空和释放真空等控制。

系统操作流程如附图3所示：首先导入产品三维数据模型，进行曲面显示和操作，系统在选定的工件空间位置的情况下进行工艺计算，自动或手动排布可调立柱空间位置，通过虚拟运动形成所要调整的形状，自动检查横梁之间，立柱之间是否存在相互干涉和碰撞等问题处理完成后执行运动控制程序使柔性工装自动的调整所需的形状，将产品放在工装上，通过真空系统完成产品的吸附。

Claims (1)

1.一种基于EtherCAT和CAN总线的柔性工装控制系统，其柔性工装为X方向上布置若干个横梁，每个横梁由两台伺服电机驱动，在每个横梁上又布置有若干个可调整的立柱，每个立柱在Y方向上的行走及Z方向上的高度调整各由一台伺服电机驱动，其特征在于：所述柔性工装控制系统包括工业计算机、控制柜和横梁上的分站模块三大部分，其中工业计算机作为核心处理单元，控制柜及分站模块内分别具有EtherCAT耦合器模块、输入模块和输出模块，工业计算机通过EtherCAT总线与控制柜内的EtherCAT耦合器模块通讯连接，控制柜的EtherCAT耦合器模块与分站模块中的EtherCAT耦合器模块之间通过EtherCAT总线通讯连接，分站模块中的EtherCAT耦合器模块与分站模块中的EtherCAT耦合器模块之间通过EtherCAT总线通讯连接；分站模块中的输出模块还与CAN总线模块通讯连接，CAN总线模块通过CAN总线与本分站模块控制的各个伺服电机通讯连接，系统将EtherCAT总线和CAN总线的结合进行数据传输，实现对系统的柔性调形运动控制。