基于Sysmac自動化平臺的工業(yè)CT運動控制系統(tǒng)*

2020-08-21 08:10:54張馳宇王奎華

機電工程 2020年8期

張馳宇,王奎華,未永,劉冉

(天津三英精密儀器股份有限公司,天津 300399)

0 引言

目前,國內(nèi)工業(yè)CT領(lǐng)域常用控制方式有:PMAC或其他多軸控制器[1]、上位PC直接控制[2]。其存在現(xiàn)場接線復雜,下位機編程繁瑣,上位機信息處理時效差等問題。國外產(chǎn)品和科研院所多采用PLC控制[3-4],系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,接線簡潔,編程方便,可維護性高。本文需要實現(xiàn)高精度的點位運動和同步運動,使用帶有運動控制功能的PLC運動控制器[5],可以實現(xiàn)要求,并且采用總線控制,布線簡單。采用歐姆龍Sysmac平臺,NJ系列控制器,搭配EtherCAT伺服系統(tǒng),實現(xiàn)一體化控制。

控制系統(tǒng)設(shè)計除了需要實現(xiàn)運動平臺每個軸的精確運動,更重要的是實現(xiàn)規(guī)定的兩個軸的同步運動。系統(tǒng)采用了伺服加光柵尺的全閉環(huán)結(jié)構(gòu),以保證單軸的定位精度。

對于同步軸,筆者研究不同的控制方式,設(shè)計相應(yīng)的程序,并進行對比測試,分析試驗結(jié)果。

1 運動平臺組成

運動平臺如圖1所示。

圖1 運動平臺

運動平臺包括5個軸:射線源Z(以下簡稱源Z)、樣品臺X、樣品臺Y、探測器Y、探測器Z(以下簡稱探Z)。樣品臺X和Y用于水平移動樣品,探測器Y用于水平移動探測器,源Z和探Z分別用于豎直方向上升降射線源和探測器,以及在某些掃描模式下,進行同步運動。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件組成

歐姆龍Sysmac通過一個連接和一個軟件提供了一個集成式解決方案[6]。NJ系列自動化控制器集成了運動、程序設(shè)計和網(wǎng)絡(luò),并且可通過一個EtherNet/IP接口進行訪問;軟件系統(tǒng)Sysmac Studio包括了配置、編程、模擬和監(jiān)控[7];基于Ethernet的機器控制網(wǎng)絡(luò)EtherCAT可無縫銜接運動、視覺、傳感器和執(zhí)行器。

控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)

PLC選用歐姆龍NJ控制器,通過EtherNet/IP與上位機通信,通過EtherCAT總線連接伺服。運動軸配置光柵尺,組成閉環(huán)系統(tǒng)[8],以保證定位精度和運動精度。

2.2 與上位機通信

由于CT系統(tǒng)整體上基于上位工控機構(gòu)建,射線源和探測器均需要與上位機通信,由上位機軟件控制射線源、探測器和運動平臺動作,PLC也需要與上位機通信。本文采用基于EtherNet/IP的FINS(factory interface network service)協(xié)議進行通信。

FINS是歐姆龍公司開發(fā)的通信協(xié)議[9-10]。在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上通過編程發(fā)送相應(yīng)的指令對PLC或計算機進行數(shù)據(jù)的讀取和寫入,可實現(xiàn)在PLC和計算機之間讀寫I/O存儲器區(qū)、改變操作模式。此處,配合PLC內(nèi)編程,通過FINS操縱運動平臺,獲取軸位置信息和其他信息。

2.3 軸配置

系統(tǒng)共包括5個軸、射線源Z、樣品臺X、樣品臺Y、探測器Y、探測器Z,每個軸都配置光柵尺形成全閉環(huán)。對于源Z和探Z這兩個軸,有同步運動的要求,對于其他軸沒有同步要求,只進行獨立運動。對于運動軸的要求是:同步運動時,同步精度高,達到微米、亞微米量級;非同步運動,定位精度高,達到所選光柵尺定位精度。

軸的參數(shù)配置在Sysmac軟件中完成,包括單位換算設(shè)置、回零設(shè)置等。

2.4 同步控制方案分析

筆者設(shè)計了兩種方案,控制模式如圖3所示。

圖3 控制模式

由圖3可知:

第一種是“主從”模式,采用1個軸作為主軸,另1個軸使用1:1的齒輪比跟隨;

第二種是“一拖二”模式,添加1個虛擬軸,然后將需要同步的2個軸,都作為從軸,使用1 ∶1的齒輪比跟隨。

為了便于比對,筆者也進行了不考慮同步運動的試驗,同時給2個軸運動指令,但它們各自獨立,互不影響。

2.5 程序設(shè)計

歐姆龍PLC采用梯形圖編程,通過Syamac軟件添加功能或功能塊,也可以添加ST語言。根據(jù)平臺運動需求,本文主要使用基于PLCopen開發(fā)的內(nèi)部功能[11-12],包括定位運動(MC_MoveAbsolute)、定速運動(MC_MoveVelocity)、電子齒輪開關(guān)(MC_GearIn、MC_GearOut)、使能(MC_Power)、回零(MC_Home)。