一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统

摘要

一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统，具有P500控制器，P500控制器作为剪切线多轴数控系统的硬件载体，通过EtherCAT现场总线分别与远程输入/输出模块和至少三个伺服驱动单元高速通讯，伺服驱动单元对应驱动伺服电机，远程输入/输出模块分别与数字量/模拟量器件和至少三个液压执行单元通讯连接，以完成剪切线在生产过程中各个数控轴的数据采集和精确定位；剪切线多轴数控系统包括有人机界面模块、PLC逻辑处理模块、嵌入式高精度实时系统模块、数字轴运动控制模块、同步子模块和模拟轴运动控制模块；本发明性价比高，功能灵活,数据交互性良好，做到了剪切线上多个数控轴的精确定位和过程同步，实现了集中控制。

权利要求

1.一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统，其特征是：包括有P500控制器，P500控制器作为剪切线多轴数控系统的硬件载体，采用Windows CE 6.0操作系统，通过EtherCAT现场总线分别与远程输入和输出模块、至少三个伺服驱动单元进行高速通讯，远程输入和输出模块分别与数字量和模拟量器件、至少三个液压执行单元进行通讯连接，以完成剪切线在生产过程中各个数字轴的数据采集和精确定位，其中，每个伺服驱动单元对应与剪切线上用以驱动各个数字轴的伺服电机相连接，每个液压执行单元对应与剪切线上用以驱动各个模拟轴的电磁阀相连接；所述剪切线多轴数控系统的软件架构包括有以下单元：人机界面模块：通过组态界面将剪切线上各个运动部分的当前状态以实时动态图形和文字的方式表现出来，并通过界面上组态的输入域、按钮和选择切换开关接受用户数据编程和控制指令，有效地控制剪切线运行，同时提供声光报警功能，以形成良好的人机交互；

PLC逻辑处理模块：类似于一个内置式的PLC运行模块，其时钟扫描周期根据工程项目控制架构的容量和各个运动装置的需求，通过软件编辑和设定，负责处理工程项目的逻辑功能控制，并与Windows CE 6.0操作系统、嵌入式高精度实时系统模块、人机界面模块以及各个数字轴/模拟轴运动控制模块进行数据交互，以完成剪切线上各个机床所需的各种功能；

嵌入式高精度实时系统模块:作为嵌入在Windows CE 6.0操作系统中的软件模块，为人机界面模块、PLC逻辑处理模块、数字轴/模拟轴运动控制模块和同步子模块提供定时服务，并使各个模块在固定的时间周期中执行相应的事务；

数字轴运动控制模块：通过各个位置反馈单元所反馈的数字轴的位置信息，实时驱动相应的数字轴上的伺服驱动单元，以实现多个数字轴的精准定位；

同步子模块：基于数字轴运动控制模块，与各个位置反馈单元进行交互通讯，负责各数字轴之间的过程同步，采用主从式同步设计方案，将一个数字轴设定为主轴，其他所选数字轴为从轴，同时采用位置同步跟随误差方式，通过高精度的实时时钟对各个所选数控轴之间的误差进行循环扫描，并根据误差的情况相应地调整从轴的运行速度，以确保数控系统多轴的位置同步；

模拟轴运动控制模块：负责通过远程输入和输出模块采集各个模拟轴的模拟量信号，并将各个位置反馈单元所反馈的位置信息，经过内部转换和函数计算，实时驱动相应的模拟轴上的液压执行单元，用于完成位置显示和控制多个模拟轴的自动定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统，其特征是：所述远程输入和输出模块中集成有模拟量输入计数模块和数字量输入计数模块，其中模拟量输入计数模块用于采集剪切线上用于控制信号输入的直线/旋转电位器的模拟量信号，反馈主/侧剪板机的剪切角、刀片间隙和剪程的当前位置；数字量输入计数模块用于采集剪板机刀架下行沿信号，以完成剪切自动计数功能。

说明书

一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统

技术领域

[0001] 本发明涉及机械自动化控制技术领域，尤其是一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统，运用于自动化程度较高的数控控制场合。

背景技术

[0002] 当前，国内市场上用于钢板剪切线的电气控制系统大多采用进口剪板机数控系统，再配搭可编程逻辑控制器PLC和人机界面终端操作器HMI构成控制架构，其中进口剪板机数控系统大多选用荷兰DELEM公司生产的DAC350、360或瑞士CYBELEC公司生产的DNC61G CUT等剪板机专用数控系统。上述控制架构不仅成本高，而且剪板机数控系统和PLC、HMI之间无法进行数据总线通讯，数据交互性差，导致剪切线控制系统控制分散，操作起来极为不便；尤其是进口剪板机数控系统是为单台剪板机的控制而设计生产，不仅价格昂贵，而且功能已经固化，仅用于控制单台剪板机的剪切角、刀片间隙、剪程和挡料(X轴)等动作，无法控制剪切线前送料、侧送料、后出料等辅助机构的动作；并且该剪板机数控系统最多只能控制两个数字轴，满足不了剪切线上多轴控制的要求，而且还存在着多种功能性弊端，调试非常不方便。鉴于上述情况，开发出一套性价比高、功能灵活、数据交互性良好、便于集中控制、操作简单方便的高集合度剪切线数控系统就显得尤为必要。

发明内容

[0003] 本发明的目的就是要解决当前剪切线数控系统成本高，操作不方便，数据交互性差，最多用于控制单台剪板机上的两个数字轴，不能做到多轴同时控制以实现对剪切线上前送料、侧送料和后送料等辅助机构的动作的问题，为此提供一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统。

[0004] 本发明的具体方案是：一种基于P500控制器的剪切线多轴数控系统，其特征是：包括有P500控制器，P500控制器作为剪切线多轴数控系统的硬件载体，采用Windows CE 6.0操作系统，通过EtherCAT现场总线分别与远程输入/输出模块和至少三个伺服驱动单元进行高速通讯，远程输入/输出模块分别与数字量/模拟量器件和至少三个液压执行单元进行通讯连接，以完成剪切线在生产过程中各个数控轴的数据采集和精确定位；各个伺服驱动单元依次编号为伺服驱动单元1、伺服驱动单元2······伺服驱动单元n,每个伺服驱动单元对应与剪切线上用以驱动各个数字轴(X1轴、X2轴······Xn轴)的伺服电机相连接；各个液压执行单元依次编号为液压执行单元1、液压执行单元2······液压执行单元n，每个液压执行单元对应与剪切线上用以驱动各个模拟轴(M1轴、M2轴······Mn轴)的电磁阀相连接；

[0005] 所述剪切线多轴数控系统软件架构包括有以下单元：

[0006] 人机界面模块：实现了强大的可视化功能，通过组态界面将剪切线各运动部分的当前状态以实时动态图形和文字的方式表现出来，并通过界面上组态的输入域、按钮、选择切换开关等接受用户数据编程和控制指令，有效地控制剪切线运行，同时设备运行过程中若出现报警、故障时，将以文字闪烁的形式提供报警消息功能，并通过声光报警方式告知操作者，如此形成良好的人机交互；

[0007] PLC逻辑处理模块：类似于一个内置式的PLC运行模块，其时钟扫描周期根据工程项目控制架构的容量和各个运动装置的需求，通过软件编辑和设定，负责处理工程项目的逻辑功能控制，并与Windows CE 6.0操作系统、嵌入式高精度实时系统模块、人机界面模块以及各个数字轴/模拟轴运动控制模块进行数据交互，以完成剪切线上各个机床所需的各种功能；

[0008] 嵌入式高精度实时系统模块:作为嵌入在Windows CE 6.0操作系统中的软件模块，为人机界面模块、PLC逻辑处理模块、数字轴/模拟轴运动控制模块和同步子模块提供定时服务，并使各个模块在固定的时间周期中执行相应的事务；

[0009] 数字轴运动控制模块：通过各个位置反馈单元所反馈的数字轴的位置信息，实时驱动相应的数字轴上的伺服驱动单元(每个伺服驱动单元与每个位置反馈单元相对应)，以实现多个数字轴(最多64轴)的精准定位。其模块编辑显示器界面(Visualization)可根据需要自由组态，可配置各种控制模块、图片等，通过可视化管理器，非常直观地进行寻零、Jogging、急停、运行速度及启停加速度等参数的设置和模拟调试；

[0010] 同步子模块：基于数字轴运动控制模块，与各个位置反馈单元进行交互通讯，负责各数控轴之间的过程同步，采用主从式同步设计方案，将一个轴设定为主轴，其他所选轴为从轴，同时采用位置同步跟随误差方式，通过高精度的实时时钟对各个所选数控轴之间的误差进行循环扫描，并根据误差的情况相应地调整从轴的运行速度，以确保数控系统多轴的位置同步；

[0011] 模拟轴运动控制模块：负责通过远程输入/输出模块采集各个模拟轴的模拟量信号，并将各个位置反馈单元所反馈的位置信息，经过内部转换和函数计算，实时驱动相应的模拟轴上的液压执行单元(每个液压执行单元与每个位置反馈单元相对应)，用于完成位置显示和控制多个模拟轴的自动定位。

[0012] 本发明中所述远程输入/输出模块中集成有模拟量输入计数模块和数字量输入计数模块，其中模拟量输入计数模块用于采集剪切线上用于控制信号输入的直线/旋转电位器的模拟量信号，反馈主/侧剪板机的剪切角、刀片间隙和剪程的当前位置；数字量输入计数模块用于采集剪板机刀架下行沿信号，以完成剪切自动计数功能。

[0013] 本发明中所述P500控制器作为数控系统的核心中枢，将运动控制(MOTION)、逻辑控制(PLC)和可视化功能(HMI)完美融合于一个设备中，主要用于实现集中式运动控制，并采用控制面板式结构，小巧紧凑，性能优异，功能强大，其硬件配置数据如下：

[0014]

[0015]

[0016] 本发明中所述EtherCAT现场总线采用一个封闭的Ethernet系统，由于使用基于主从的环形拓扑结构，在每一个总线循环中只有一个报文发送给总线，因此总线循环时间在每个周期内保持完全一致，波特率高达100Mbps，理论上可连接256个节点，两节点间电缆最大长度可达100m；另外针对每一个Tx/Rx最大可达32个过程数据(每次总量达100字节)可以映射到节点设备或与其进行交换；根据CoE(CAN over EtherCAT)EtherCAT规范和FoE EtherCAT文件服务(固件下载)，EtherCAT提供参数通道。

[0017] 本发明中P500控制器采用插入式SD存储卡，该存储卡存储容量大而且更换方便，可用于保存用户编写的加工程序(最多250个，每个加工程序最大15步)、消息、报警记录和设备操作者的日常登陆记录等。对应某种规格的产品，会有一套诸如产品材料、尺寸、剪板机剪切角、刀片间隙、剪程、X/Z轴位置、速度及各个辅助功能等参数，一旦设定调试好，可将这些参数以加工程序形式保存在数控系统中，便于下次直接调用，大大提高了生产效率。

[0018] 本发明具有以下优点：

[0019] (1)本发明成本低，性价比极高，具有良好的经济性。

[0020] 当前，一条普通的数控剪切生产线在工作时，需要配置两台进口剪板机数控系统、一台可编程逻辑控制器PLC、一台人机界面终端操作器HMI和数套伺服驱动单元，成本动辄数十万元，而本发明将剪板机数控系统、PLC和HMI集合于一台P500控制器中，通过自主编写的数控软件，实现了使用一台数控系统对整条剪切线的集中控制，大大降低了设备成本；同时还可通过在P500控制器的操作界面上组态输入/输出域、按钮、开关、指示灯等仿真控件，节省了大量的硬件、安装和维修成本。

[0021] (2)本发明功能灵活，数据交互性强，控制集合度高，操作方便。

[0022] 现有的进口剪板机专用数控系统功能已经固化，无法根据具体应用进行二次开发，只能控制单台剪板机的剪切，而且其剪切角、刀片间隙、剪程和挡料位置等重要数据不能和可编程逻辑控制器PLC、人机界面终端操作器HMI进行适时交互，更无法用于控制剪切线前送料、侧送料、后出料等辅助机构的动作，而本发明较好地克服了进口剪板机数控系统的这些问题，根据剪切线的实际情况，将剪板机和辅助机构均纳入控制范围，采用EtherCAT数据总线进行高速适时通讯，定位精度高，而且实现了集中控制，操作极为方便。

[0023] (3)本发明界面友好，人机交互性强，语言和操作习惯更贴近国人使用。

[0024] 进口剪板机数控系统的主流语言几乎都是英语，很少使用中文，即使汉化，一些专业术语也被翻译得不伦不类，导致模糊甚至误解，而本数控系统是自主开发，使用中文，标识清晰，同时操作界面的组态更加直观简洁，易于观察和操作，更适合国人的操作习惯。

[0025] (4)本发明可控轴数多，单轴的定位精度高，多轴同步性能优异。

[0026] 本发明理论上可控制64个全闭环的伺服轴(数字轴)，并为每个轴都单独配备了一套运动控制参数，而且该运动控制参数全部开放出来以供用户选择和调整。用户可以根据每个控制轴的运动装置的类型来单独调整该轴的运动控制参数，从而可使该轴达到最佳的运动状态和最好的控制精度。同时还可根据现场需要，灵活选择所需数控轴并使之同步。用于控制数控轴同步的同步子模块是根据各控制轴的运动状态作出的相应运算控制，并实时向运动驱动器给出数字指令，根据设置的同步控制参数做出与之相对应同步控制处理，从而达到各数控轴运动的过程同步。

[0027] (5)本发明适用性广，应用灵活。

[0028] 由于本发明的软件编写自主、灵活，采用大量的模块化控制，因而互换性极佳。用户可以根据不同的运动控制对象而采取互不相同的运动控制参数和同步控制参数，到达不同的运动控制对象同步运动的目的。在大多数生产线的运动机构中，只要控制不多于64个轴的机床设备都可以适合使用本发明中的多轴数控系统来控制，特别是在大型的剪板、冲压、成型装备的控制领域将会有更大的应用空间。

[0029] (6)本发明稳定可靠，可维护性好。

[0030] 本发明采用的P500控制器，硬件质量稳定可靠，其驳接的以太网接口通过EtherCAT数据总线和伺服驱动单元、远程输入/输出IO模块进行高速适时通讯，可以获得大量丰富的现场设备数据，具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作。同时P500控制器还为剪切线的故障诊断组态了专门的界面，使用不同颜色的文字来模拟显示数控系统各个运动部分正常运行所需满足的条件，大大方便了设备的故障诊断，减少了停车时间。由于系统的硬件和软件的设计都是基于模块化的符合工业标准的组件，软硬件的升级、替换和维护都非常的方便快捷，从而在整体上提高了数控系统的可维护性。

附图说明

[0031] 图1是本发明的结构框图；

[0032] 图2是本发明中剪切线多轴数控系统的软件构架图。

具体实施方式

[0033] 参见图1-2，本发明包括有P500控制器、至少三个伺服驱动单元和远程输入/输出模块，P500控制器作为剪切线多轴数控系统的硬件载体，采用Windows CE 6.0操作系统，并通过EtherCAT现场总线分别与伺服驱动单元和远程输入/输出模块进行高速通讯，远程输入/输出模块再联接至少三个液压执行单元和按钮、开关、指示灯、直线/旋转电位器等数字量/模拟量器件，以完成整条剪切线在生产过程中各个数控轴的数据采集和精确定位，其中，各个伺服驱动单元依次编号为伺服驱动单元1、伺服驱动单元2······伺服驱动单元n,每个伺服驱动单元对应与剪切线上用以驱动各个数字轴(X1轴、X2轴······Xn轴)的伺服电机相连接；各个液压执行单元依次编号为液压执行单元1、液压执行单元2······液压执行单元n，每个液压执行单元对应与剪切线上用以驱动各个模拟轴(M1轴、M2轴······Mn轴)的电磁阀相连接。

[0034] 所述剪切线多轴数控系统的软件架构包括有以下单元：

[0035] 人机界面模块：实现了强大的可视化功能，通过组态界面将剪切线各运动部分的当前状态以实时动态图形和文字的方式表现出来，并通过界面上组态的输入域、按钮、选择切换开关等接受用户数据编程和控制指令，有效地控制剪切线运行，同时设备运行过程中若出现报警、故障时，将以文字闪烁的形式提供报警消息功能，并通过声光报警方式告知操作者，如此形成良好的人机交互；

[0036] PLC逻辑处理模块：类似于一个内置式的PLC运行模块，其时钟扫描周期根据工程项目控制架构的容量和各个运动装置的需求，通过软件编辑和设定，负责处理工程项目的逻辑功能控制，并与Windows CE 6.0操作系统、嵌入式高精度实时系统模块、人机界面模块以及各个数字轴/模拟轴运动控制模块进行数据交互，以完成剪切线上各个机床所需的各种功能；

[0037] 嵌入式高精度实时系统模块:作为嵌入在Windows CE 6.0操作系统中的软件模块，为人机界面模块、PLC逻辑处理模块、数字轴/模拟轴运动控制模块和同步子模块提供定时服务，并使各个模块在固定的时间周期中执行相应的事务；

[0038] 数字轴运动控制模块：通过各个位置反馈单元所反馈的数字轴的位置信息，实时驱动相应的数字轴上的伺服驱动单元(每个伺服驱动单元与每个位置反馈单元相对应，并且各个位置反馈单元依次编号为位置反馈单元1、位置反馈单元2······位置反馈单元n)，以实现多个数字轴(最多64轴)的精准定位。并且，数字轴运动控制模块编辑的显示器界面(Visualization)可根据需要自由组态，可配置各种控制模块、图片等，通过可视化管理器，非常直观地进行寻零、Jogging、急停、运行速度及启停加速度等参数的设置和模拟调试；

[0039] 同步子模块：基于数字轴运动控制模块，与各个位置反馈单元进行交互通讯，负责各数控轴之间的过程同步，采用主从式同步设计方案，将一个轴设定为主轴，其他所选轴为从轴，同时采用位置同步跟随误差方式，通过高精度的实时时钟对各个所选数控轴之间的误差进行循环扫描，并根据误差的情况相应地调整从轴的运行速度，以确保数控系统多轴的位置同步；

[0040] 模拟轴运动控制模块：负责通过远程输入/输出模块采集各个模拟轴的模拟量信号，并将各个位置反馈单元所反馈的位置信息，经过内部转换和函数计算，实时驱动相应的模拟轴上的液压执行单元(每个液压执行单元与每个位置反馈单元相对应)，用于完成位置显示和控制多个模拟轴的自动定位。

[0041] 本实施例中所述远程输入/输出模块中集成有模拟量输入计数模块和数字量输入计数模块，其中模拟量输入计数模块用于采集剪切线上用于控制信号输入的直线/旋转电位器的模拟量信号，反馈主/侧剪板机的剪切角、刀片间隙和剪程的当前位置，经过内部转换和函数计算，显示和控制剪切角、刀片间隙及剪程的自动定位；数字量输入计数模块用于采集剪板机刀架下行沿信号，以完成剪切自动计数功能。

[0042] 本发明在一条型号为HGSK73/13的钢板剪切生产线上获得成功应用，以下以此剪切线为例加以详细阐述。

[0043] 该剪切线由主剪板机、侧剪板机、前送料机、侧送料机和后出料机组成，各部分机构动作要求相互协调配合、自动定位，自动化程度和定位精度要求非常高，控制复杂，而且整条剪切线各部分的动作操作需集中控制。按照生产工艺要求在主剪板机全长的不同位置配置了三个前送料数字轴(X1轴,X2轴,X3轴)，每次送料时两轴同步运行；侧剪板机由侧送料机的数字轴(Z1轴)完成送料定位。除了能够完成通用的剪切功能外，还需根据板料的规格参数，自动选择相应的数控轴进行精确的送料定位。同时还需完成主/侧两台剪板机的剪切角、刀片间隙和剪程等模拟轴(M轴)的位置显示和自动定位。

[0044] 由此，本发明采用P500控制器,通过EtherCAT总线下挂4个伺服驱动单元和1套远程输入/输出模块，远程输入/输出模块再联接若干个液压执行单元和按钮、开关、指示灯、直线/旋转电位器等数字量/模拟量元器件，其中每个伺服驱动单元与相应的伺服电机相连接，每个液压执行单元与相应的电磁阀相连接，并在P500控制器中集成有上述剪切线多轴数控系统。

[0045] 本发明中多轴数控系统软件分别使用IL、ST、FBD、LD、CFC、SFC等不同的编程语言编写了很多转换、比较、滤波、诊断、时钟中断及自动定位控制等子程序和功能模块；采用多任务运行模式，通过任务管理器，对各个子程序和功能模块进行分配和调用，实现了多个数字轴的自由选择、使能、寻零、运行定位、过程同步和单边定位等功能，以及剪切角、刀片间隙和剪程等模拟轴的自动定位控制、剪切退让、剪切计数等功能。

[0046] 其中数字轴运动控制模块用于控制X1轴、X2轴、X3轴和Z1轴的精准定位，同步子模块负责X1轴、X2轴、X3轴中所选两个数字轴(数控轴)之间的过程同步；通过可视化管理器，对各个数控轴进行寻零、Jogging、急停、运行速度及启停加速度等参数的设置和模拟调试；其重复定位精度可达0.05mm，同步控制精度可达到0.15mm。

[0047] 模拟轴运动控制模块用于控制主/侧剪板机的剪切角、刀片间隙和剪程等各个模拟轴的位置显示和自动定位。通过远程输入/输出模块中的模拟量输入计数模块，采集各个模拟轴相连接的电位器的模拟量输入信号，经过内部模数转换，将模拟信号转换为数字信号输送给各个位置反馈单元，并将位置信号反馈给P500控制器，通过函数计算和放大处理，实时驱动相应的模拟轴上的液压执行单元，使液压电磁阀动作。剪切角的定位精度可达0.05度，刀片间隙的定位精度可达0.01mm。

[0048] 与此同时，P500控制器还可以通过自主编写的逻辑程序，将后托料、后出料、翻转等辅助机构的动作也纳入剪切线多轴数控系统中，通过PLC逻辑处理模块对程序中的逻辑关联、互锁进行逻辑处理，并与控制系统中其它模块进行交互通讯，依次控制剪切线上相应轴的精准定位和各个数控轴之间的同步运行，实现了使用一台数控系统集中控制整条剪切线的目的。

[0049] 如上所述，本发明不仅涵盖了当前剪板机专用数控系统所有的基本功能，而且根据剪切线的独有特性，将剪板机和辅助机构视为一体，在一个数控系统中加以集中控制，大大的方便了剪切线的操作。同时，根据剪切板料规格的不同，通过系统自动比较判断或人工选择等方式，完成不同数控轴之间的灵活选择和自由切换，经济而又稳定可靠地解决了当前剪板机数控系统只能控制两个数控轴的难题，实现了对多个数控轴的控制，不仅控制精度和同步精度高，而且控制成本大幅降低，具有良好的实用性和经济性。