CN112405107B - 一种数控机床通信异构进给系统及其调试方法 - Google Patents

一种数控机床通信异构进给系统及其调试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数控机床通信异构进给系统及其调试方法，属于数控机床伺服控制领域，其技术要点在于进给系统硬件分为四部分：工控机、通信协议转换模块、伺服驱动器、伺服电机。工控机中安装上位机控制软件，支持EtherCAT现场总线协议，伺服驱动器和伺服电机支持ProfiBUS现场总线协议，通过下位机控制软件进行调试，通信协议转换模块能够实现上、下位机通信协议的转换。调试方法分为三部分：上位机控制软件配置通信协议转换模块、下位机控制软件配置伺服驱动器和设置进给系统位置环、速度环参数。利用本申请的系统以及调试方法，能够实现数控机床中通信异构进给系统的高性能运动控制。

Description

一种数控机床通信异构进给系统及其调试方法
技术领域
本发明涉及数控机床伺服控制领域，更具体地说，尤其涉及一种数控机床通信异构进给系统及其调试方法。
背景技术
EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一种开放架构的工业现场总线，由德国倍福公司开发，因其通讯抖动量低，硬件的成本低而广泛应用在自动化领域中。ProfiBUS协议是由德国西门子公司开发，应用于实时性要求高，控制精度要求高的伺服驱动控制场景中。
目前很多开放式数控系统基于EtherCAT通信协议开发，因此想要对支持ProfiBUS协议伺服实现实时控制，必须打通两种协议的转换和调试过程，从而实现具有通信异构的机床进给系统的高性能运动控制。
现有技术中，对于EtherCAT-ProfiBUS协议的转换已有过相关研究，但是，其主要集中在两种通信协议如何解决转换的问题上。
然而，本申请要解决的问题在于，应用在工业领域中，如何解决工控机(上位机)-电机(下位机)采用不同通信协议如何连接的问题。
特别的，已有的“EtherCAT-ProfiBUS协议的转换技术”并不能直接移植到“工控机-电机”的连接上，而是要经过若干复杂的调试才行；而对于如何调试，发明人经过检索(包括：EPO数据库、CNKI数据库、HIMMPAT数据库、万方数据库、百度)，则没有文献进行披露过。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种数控机床通信异构进给系统及其调试方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种数控机床通信异构进给系统，包括：工控机、通信协议转换模块、伺服驱动器、伺服电机；
其中，所述工控机的输出端通过网线(不限于网线连接，也可以采用无线连接)与所述通信协议转换模块的输入端连接，所述通信协议转换模块的输出端通过网线(不限于网线连接，也可以采用无线连接)与伺服驱动器的输入端连接，所述伺服驱动器的输出端通过动力电缆与伺服电机的输入端连接；
其中，工控机中安装上位机控制软件后，能够识别机床当前位置且能够插补计算生成系统的指令位置，工控机将位置指令信号以EtherCAT协议传递给通信协议转换模块；
进一步，通信协议转换模块将EhtherCAT通信协议发送来的位置指令转换成ProfiBUS现场总线协议，同时以ProfiBUS协议中105标准报文的形式发送至伺服驱动器。
进一步，伺服驱动器以105标准报文的形式接收通信协议转换模块发送来的位置指令后，进行如图2所示的DSC(高性能运动控制)算法生成指令电流输出给伺服电机，进而驱动伺服电机运动。
一种数控机床通信异构进给系统的调试方法，所述的数控机床通信异构进给系统为前述的数控机床通信异构进给系统，调试方法包括以下步骤：
S1：上位机控制软件配置通信协议转换模块；
S2：下位机控制软件配置伺服驱动器；
S3：设置进给系统位置环、速度环参数。
进一步，S1中，上位机控制软件配置通信协议转换模块部分的调试步骤如下：
S1-1，在上位机控制软件安装目录中添加Profibus协议的描述文件。作用为使上位机控制软件和通信协议转化模块能够识别Profibus设备上传的信息，并能将生成的指令转换为Profibus协议下发给设备。
S1-2，在上位机控制软件中安装Profibus设备站点描述文件(GSD文件)。作用为将Profibus设备唯一编号提供给上位机控制软件，实现点对点通信。
S1-3，在上位机控制软件中扫描通信协议转换模块，成功后将Profibus设备添加至通信协议转化模块下，并分配设备的分散外部号(DP号)。
S1-4，添加驱动通信通道。假设机床伺服轴数为N，则需要添加的通道个数为N+1。
S1-5，设置驱动通道的通信报文和周期。依次将N+1个通信通道的报文,设置为一个390标准报文和N个105标准报文。通讯周期设置为2ms。
S1-6，添加与驱动相对应的虚拟轴，并将虚拟轴与驱动通道相关联。作用为将上位机控制软件对虚拟轴的操作转换为对驱动通道的操作；
S1-7，设置虚拟轴的编码器比例因子。计算公式为：
Figure BDA0002799406280000021
(半闭环控制)
Figure BDA0002799406280000022
(全闭环控制)
其中：K1为半闭环控制时的编码器比例因子，K2为全闭环控制时的编码器比例因子，kl为丝杠螺距，n为电机编码器位数，num为光栅单位步进的脉冲数。
S1-8，激活项目，使上述所有配置生效。
进一步，S2中，下位机控制软件配置伺服驱动器部分的调试步骤如下：
S2-1，在下位机控制软件中扫描Profibus设备。其中包括1个控制器和N个伺服轴；
S2-2，修改Profibus设备的通信报文和通信周期。将控制器通信报文设置为390标准报文，将N个伺服轴通信报文选择为105标准报文。将通信周期修改为2ms。
S2-3，DSC高性能运动控制参数设置。针对如图2所示的的控制流程，若控制方式为半闭环控制，则将位置反馈通道设置为电机编码器，若控制方式为全闭环控制，则将位置反馈通道设置为光栅。设置位置反馈比例因子，计算公式为：
Figure BDA0002799406280000031
其中：Kp为位置反馈比例因子，n为编码器位数，Kl为电机所带丝杠导程，num为光栅单位步进的脉冲数；
进一步，S3中，设置系统位置环、速度环参数部分的调试步骤如下：
S3-1，调整系统速度环增益Kv。在上位机控制软件中给系统输入指令，在下位机控制软件中不断增大DSC(高性能运动控制)算法中的Kv值，直至电机到达极限出现蜂鸣声，记录此时的比例系数Kr，则最终系统的速度环增益Kv设置为：
Kv＝0.45×Kr
S3-2，调整系统位置环增益KPC。在上位机控制软件中给系统输入指令，观察系统输出延时时间，若大于10ms，则在上位机控制软件中增大KPC值，直到延时时间缩小至10ms以内。
本发明的有益效果是：
第一，本发明要解决的技术问题是，支持EtherCAT协议的控制软件完成对支持ProfiBUS协议硬件的控制，既能增加控制的开放性，又能充分利用硬件的精度。
第二，在上位机控制软件中添加Profibus协议的描述文件是必须的，若不进行此项操作，通信协议转化模块无法工作，并且描述文件的内容为：
Simodrive 611U＝
Sinamics S＝si0480e5.gsg
FC310x-MC-Slave＝FC310xMC.gsd
第三，添加驱动通道时通道个数必须比伺服轴个数多一个，用来给控制器通信，否则会出现通信错误。
第四，下位机控制软件在修改通信周期时要注意相关参数修改的顺序，顺序错误可能导致修改不成功，通信周期不一致则无法进行通信。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明系统的调试流程图。
图2为本发明系统的硬件架构图。
图3为DSC高性能运动控制框图。
图4为激光加工机床电器柜实物图。
图5为TwinCAT软件中通信报文选择界面。
图6是TwinCAT软件中虚拟轴设置界面。
图7是Starter软件中伺服轴配置界面。
图8是Starter软件中通信报文选择界面。
图9是Starter软件中专家列表界面。
附图标记说明如下：
工控机1，EL6731模块2，西门子S120驱动器3，西门子电机4。
具体实施方式
实施例一：以一台激光加工机床进给系统为例对本发明进行具体说明。
如图4所示为一台激光加工机床电气柜实物图，其中工控机采用倍福C6640-0040工控机，配有CoreTM i7 2.3GHz CPU，具有8G运行内存，系统采用win7专业版，并安装TwinCAT软件，支持EtherCAT协议。
伺服系统采用西门子CU320电机控制单元、S120 DC/AC伺服电机驱动器、1FK7系列伺服电机，均支持ProfiBUS协议。
通信协议转换模块采用倍福EL6731模块。
进给系统供电及通信接线为：工控机采用单相220V供电，西门子伺服采用三相380V供电，EL6731模块供电采用24V直流供电。互相之间的通信采用超六类网线连接，以保证数据传输的稳定性。
工控机中安装TwinCAT软件，作用为读入机床当前位置并插补计算生成系统的指令位置，而后通过EhtherCAT通信协议将位置指令发送给EL6731模块。
EL6731模块的作用是将EhtherCAT通信协议发送来的位置指令转换成ProfiBUS现场总线协议，以105标准报文的形式发送至西门子S120驱动器。
西门子S120驱动器以105标准报文的形式接收EL6731模块发送来的位置指令后，进行如图3所示的DSC高性能运动控制计算，生成指令电流驱动伺服电机。
本系统的调试过程如下，在TwinCAT安装目录C:\TwinCAT\3.1\Config\Io\Profibus\下添加文件Profidrive2.dat，文件内容为：
Simodrive 611U＝
Sinamics S＝si0480e5.gsg
FC310x-MC-Slave＝FC310xMC.gsd
将西门子CU320 DP CF卡中的GSD描述文件拷贝至上述安装目录中，在TwinCAT中配置(Config)一次生效。
如图5所示，在TwinCAT软件I/O设备中添加Profibus设备，并关联EL6731模块，配置EL6731模块并添加设备对象，CU320的通信报文设置为390标准报文，伺服轴报文选择为105标准报文，通讯周期设置为2ms。
如图6所示，在TwinCAT软件NC轴中添加相应的虚拟轴，关联对应的Profidrive的对应通道，设置编码器比例因子；激活TwinCAT项目，选择NC轴Drive中Profidirve选项卡，选择相应的序号计算转速比例因子。
如图7所示，在Starter软件中扫描添加伺服轴设备，并配置各轴基本参数。
如图8所示，修改通信报文，CU320的通信报文设置为390标准报文，伺服轴报文选择为105标准报文。
如图9所示，修改通讯周期，将如表1中所示的专家列表参数按顺序修改为相应的参考值。
表1
Figure BDA0002799406280000051
设置DSC高性能运动控制参数，针对如图3所示的的控制流程，将专家列表中参数P1192值设置为2，将P1193值设置为0.65536，计算公式为：
Figure BDA0002799406280000061
其中：n为编码器位数，Kl为电机所带丝杠导程；
调整系统速度环增益Kv。表2中为三个伺服轴速度环增益最终结果。调整过程为：在上位机控制软件中给系统输入指令，在下位机控制软件中不断增大DSC(高性能运动控制)算法中的Kv值，直至电机到达极限出现蜂鸣声，记录此时的比例系数Kr，则最终系统的速度环增益Kv设置为：
Kv＝0.45×Kr
表2
Figure BDA0002799406280000062
调整系统位置环增益KPC。表3中为三个伺服轴位置环增益最终结果。调整过程为：在上位机控制软件中给系统输入指令，观察系统输出延时时间，若大于10ms，则在上位机控制软件中增大KPC值，直到延时时间缩小至10ms以内。
表3
Figure BDA0002799406280000063
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更改或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (5)

1.一种数控机床通信异构进给系统的调试方法，所述的数控机床通信异构进给系统：包括：工控机、通信协议转换模块、伺服驱动器、伺服电机；其中，所述工控机的输出端与所述通信协议转换模块的输入端连接，所述通信协议转换模块的输出端与伺服驱动器的输入端连接，所述伺服驱动器的输出端通过动力电缆与伺服电机的输入端连接；其中，工控机中安装上位机控制软件后，能够识别机床当前位置且能够插补计算生成系统的指令位置，工控机将位置指令信号以EtherCAT协议传递给通信协议转换模块；
调试方法包括以下步骤：
S1：上位机控制软件配置通信协议转换模块；
S2：下位机控制软件配置伺服驱动器；
S3：设置进给系统位置环、速度环参数；
其特征在于，
S1中，上位机控制软件配置通信协议转换模块部分的调试步骤如下：
S1-1，在上位机控制软件安装目录中添加Profibus协议的描述文件；作用为使上位机控制软件和通信协议转化模块能够识别Profibus设备上传的信息，并能将生成的指令转换为Profibus协议下发给设备；
S1-2，在上位机控制软件中安装Profibus设备站点描述文件，作用为将Profibus设备唯一编号提供给上位机控制软件，实现点对点通信；
S1-3，在上位机控制软件中扫描通信协议转换模块，成功后将Profibus设备添加至通信协议转化模块下，并分配设备的分散外部号；
S1-4，添加驱动通信通道：假设机床伺服轴数为N，则需要添加的通道个数为N+1；
S1-5，设置驱动通道的通信报文和周期：依次将N+1个通信通道的报文,设置为一个390标准报文和N个105标准报文，通讯周期设置为2ms；
S1-6，添加与驱动相对应的虚拟轴，并将虚拟轴与驱动通道相关联：作用为将上位机控制软件对虚拟轴的操作转换为对驱动通道的操作；
S1-7，设置虚拟轴的编码器比例因子；计算公式为：
半闭环控制：
Figure FDA0003180224940000011
全闭环控制：
Figure FDA0003180224940000012
其中：K1为半闭环控制时的编码器比例因子，K2为全闭环控制时的编码器比例因子，kl为丝杠螺距，n为电机编码器位数，num为光栅单位步进的脉冲数；
S1-8，激活项目，使上述所有配置生效。
2.根据权利要求1所述的一种数控机床通信异构进给系统的调试方法，其特征在于：
S2中，下位机控制软件配置伺服驱动器部分的调试步骤如下：
S2-1，在下位机控制软件中扫描Profibus设备：其中包括1个控制器和N个伺服轴；
S2-2，修改Profibus设备的通信报文和通信周期：将控制器通信报文设置为390标准报文，将N个伺服轴通信报文选择为105标准报文，将通信周期修改为2ms；
S2-3，DSC高性能运动控制参数设置：若控制方式为半闭环控制，则将位置反馈通道设置为电机编码器，若控制方式为全闭环控制，则将位置反馈通道设置为光栅；设置位置反馈比例因子，计算公式为：
Figure FDA0003180224940000021
其中：Kp为位置反馈比例因子，n为编码器位数，Kl为电机所带丝杠导程，num为光栅单位步进的脉冲数。
3.根据权利要求2所述的一种数控机床通信异构进给系统的调试方法，其特征在于：
S3中，设置系统位置环、速度环参数部分的调试步骤如下：
S3-1，调整系统速度环增益Kv；在上位机控制软件中给系统输入指令，在下位机控制软件中不断增大DSC算法中的Kv值，直至电机到达极限出现蜂鸣声，记录此时的比例系数Kr，则最终系统的速度环增益Kv设置为：
Kv＝0.45×Kr
S3-2，调整系统位置环增益KPC；在上位机控制软件中给系统输入指令，观察系统输出延时时间，若大于10ms，则在上位机控制软件中增大KPC值，直到延时时间缩小至10ms以内。
4.根据权利要求1所述的一种数控机床通信异构进给系统的调试方法，其特征在于，通信协议转换模块将EhtherCAT通信协议发送来的位置指令转换成ProfiBUS现场总线协议，同时以ProfiBUS协议中105标准报文的形式发送至伺服驱动器。
5.根据权利要求1所述的一种数控机床通信异构进给系统的调试方法，其特征在于，伺服驱动器以105标准报文的形式接收通信协议转换模块发送来的位置指令后，进行DSC算法生成指令电流输出给伺服电机，进而驱动伺服电机运动。
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