摘要：應(yīng)用BECKHOFF CX1020運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TZ1001工業(yè)CT專機(jī)的主要控制功能，如閉環(huán)控制、NC程序運(yùn)行、HMI監(jiān)控和雙向位置精度補(bǔ)償?shù)取?br />  
TZ1001高能X射線工業(yè)DR/CT快速檢測專機(jī)由兩個(gè)同步運(yùn)行的加速器X1和探測器X2運(yùn)行軸、分度B軸、探測微動(dòng)調(diào)整W軸和工件定位移動(dòng)X3軸構(gòu)成，其中X1、X2、B、W均為伺服軸，X1、X2軸行程10500mm，X3軸行程7500mm，設(shè)備對(duì)同步定位、重復(fù)定位、分度等精度均有較高要求。
1.      系統(tǒng)配置
選用具有較高性能CPU的嵌入式PC模塊CX1020，帶TwinCAT PLC/NCI軟件，通過EtherCAT總線與I/O模塊、AX5000系列伺服驅(qū)動(dòng)裝置通訊，EK1110是EtherCAT總線的擴(kuò)展端子模塊，它與前一段EtherCAT的末端相連，可將EtherCAT電纜束的電氣隔離長度增加到100米，并將E_bus信號(hào)轉(zhuǎn)換為100BASE-TX以太網(wǎng)信號(hào)。系統(tǒng)配置如圖1所示。

圖1 TZ1001控制系統(tǒng)配置圖
AX5206是雙軸2×6A伺服驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)AM3000系列伺服電機(jī)，通過EtherCAT與CX1020直接通訊，所有的組態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)均通過EtherCAT與PLC、NC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。AX5200系列雙軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置有一個(gè)特點(diǎn)，它的兩個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)電流可以軟分配，例如對(duì)AX5206來說，可以是A通道的負(fù)載電流為9A，B通道的負(fù)載電流為3A，只要總的工作電流不超過2×6A即可。各軸的行程限位、參考點(diǎn)等直接接入AX5000，也可接入PLC的I/O模塊。
X1、X2軸位置測量選用Renishaw LM10磁柵尺，其中X1的LM10方波信號(hào)通過RS422接入ELCO EMA信號(hào)分配器分為兩路隔離輸出，一路接入EL5101增量編碼器接口模塊，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，另一路作為X光機(jī)掃描觸發(fā)模塊的觸發(fā)信號(hào)。
HMI選用CP6909面板，其最大分辨率為1280×1024，帶有DVI/USB擴(kuò)展接口，可通過USB-E和DVI-E連接至CX的DVI/USB模塊，可通過軟件組態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，其與USB/DVI的距離支持最長50米。
2.      技術(shù)要點(diǎn)
倍福CX運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是基于PC的軟PLC和NC產(chǎn)品，控制上以PLC為核心，主要的NC功能均通過PLC庫文件中的相應(yīng)功能塊的編程實(shí)現(xiàn)。CX的PLC是符號(hào)表編程，NC的參數(shù)和狀態(tài)可以通過通道和軸接口信號(hào)直接在PLC中編程，例如旋轉(zhuǎn)軸B（軸4）的實(shí)際角度變量值為axis4.NCtoPLC.fModuloPoslst。所有I/O點(diǎn)及一些通用的中間變量信號(hào)可以定義為全局變量，在任何程序塊中均可使用。對(duì)于一些對(duì)掃描周期要求較短的程序塊（如位置精度補(bǔ)償塊等），可以設(shè)置獨(dú)立任務(wù)并定義其優(yōu)先級(jí)和掃描周期。
2.1    閉環(huán)控制
LM10磁柵尺的分辨率有1um、2um、5um、10um、20um、50um六種，計(jì)數(shù)頻率有250kHz、500kHz、1000kHz、2000kHz、8333kHz五種。而EMA的最大工作頻率是250kHz，六種分辨率的LM10磁柵尺在250kHz頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的最大運(yùn)行速度分別是7.8m/min、15m/min、37.8m/min、76m/min、76m/min、47m/min，現(xiàn)X1、X2軸的最大運(yùn)行速度要求15m/min，所以應(yīng)選擇分辨率為5um計(jì)數(shù)頻率最大250kHz的LM10磁柵尺。LM10的9針D型插頭與EL5101的各端子信號(hào)分配關(guān)系如表1：
表1：LM10磁柵尺與EL5101編碼器模塊的信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系

按表1連接好信號(hào)線后就可以進(jìn)行軟件調(diào)試了，打開NC Configuration下Axes中Axisn的Axis_Enc下的NC_Encoder頁面并設(shè)置：
Type：Encoder(KL5101/KL5111/IP5109/EL5101/EL5151/Profile MDP 511)
Link To (all type)：Term 2 (EL5101) # ’MDP 510’
軸傳動(dòng)比可以在Parameter下的Scaling Factor（單位mm/INC）中設(shè)置，其數(shù)值表示每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的軸行程計(jì)算值。
2.2    NC程序執(zhí)行
雖然該專機(jī)是上位機(jī)定位與簡單聯(lián)動(dòng)，不需要運(yùn)行工件程序，但做位置精度檢測和調(diào)試時(shí)還是需要NC程序執(zhí)行功能，而TwinCAT的設(shè)計(jì)理念是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，沒有設(shè)計(jì)專門的NC加工MMC界面，需要通過System Manager來做一些處理。
系統(tǒng)默認(rèn)在CF卡上僅有一個(gè)NC程序STADION.NC，為了方便需一次性加入將要用的程序?？赏ㄟ^CP6909或外接顯示器對(duì)CX進(jìn)行操作，在Windows CE或XP下運(yùn)行“explorer.exe”進(jìn)入資源管理器，然后進(jìn)入harddisk\TwinCAT\CNC目錄，可以看到STADION.NC等文件，通過COPY生成幾個(gè)新文件再重命名，如X1comp.NC等。
在System Manager的NC Task 1 SAF下右鍵激活A(yù)ppend Channel，在Channel 2下的Group 5的3D Online中設(shè)置各對(duì)應(yīng)的軸號(hào)，并設(shè)置倍率Override，然后在Channel2_Itp下的Editor頁面點(diǎn)擊Browse打開已生成的X1comp.NC文件，修改其內(nèi)容并F9存盤、F7裝載文件，最后按F5運(yùn)行程序即可。
2.3    HMI面板
若要CP面板顯示CX的頁面，則先激活PLC Control中Project菜單下的Option選項(xiàng)窗口，并選擇TwinCAT項(xiàng)中的Enable CE Target Visualization并激活。若要顯示中文，則需安裝中文字體，目前僅支持宋體。
在Visualizations中直接建立頁面，其頁面中直接使用PLC或NCTOPLC中的變量，載入CX后，通過CP6909直接顯示，CP6909是不帶CPU的面板，相當(dāng)于CX的顯示器。如果選用帶CPU的控制面板，則頁面程序需載入面板，通過EtherCAT或以太網(wǎng)通訊來顯示。
其HMI畫面編輯比較方便，但功能較簡單，支持的數(shù)據(jù)類型比較全，例如%.3f表示小數(shù)點(diǎn)后保留3位小數(shù)的實(shí)數(shù)，%d表示整數(shù)等。
2.4    雙向位置精度補(bǔ)償
位置精度補(bǔ)償可調(diào)用PLC庫TCNC.lib中的FB PositionCompensation和FB WritePositionCorrection來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于需補(bǔ)償?shù)妮S應(yīng)修改其Parameter下Other setting下的“Position Correction…”值為“TRUE”，使補(bǔ)償值修改位置給定有效。
值得注意的是，TCNC.lib庫中的軸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型是NCTOPLC_AXLESTRUCT和PLCTONC_AXLESTRUCT，而不是TCMC2.lib中AXIS_REF數(shù)據(jù)類型，所以PLC程序中的有關(guān)MC的功能只能調(diào)用TCMC.lib庫中的功能塊，而不是TCMC2.lib庫。
一個(gè)典型的直線軸X2位置精度補(bǔ)償全局變量定義及程序如下：
VAR_GLOBAL
fbPitchCompensationX2:FB_PositionCompensation;
fbWritePosCorrectionX2:FB_WritePositionCorrection;
axis2_NCtoPLC AT %I*: NCTOPLC_AXLESTRUCT;
axis2_PLCtoNC AT %Q*: PLCTONC_AXLESTRUCT;
AxisRefInX2 AT %I*:NCTOPLC_AXLESTRUCT;
 AxisRefOutX2 AT %Q*: PLCTONC_AXLESTRUCT;
bAxisIsHomedX2: BOOL;
bEnablePitchCompensationX2: BOOL := FALSE;
fCompensationValueX2: LREAL;
bErrorX2: BOOL;
nErrorIdX2: UDINT;
bActiveX2: BOOL;
bLimitingX2: BOOL;
END_VAR
VAR_GLOBAL CONSTANT
st_DescPitchX2: ST_CompensationDesc := (fPosMin:=0.0, fPosMax:=100.0, nTableElements: =11);
st_PitchTableX2: ARRAY[0..10] OF ST_CompensationElement :=
(fPos:=0.0, fCompensation: =0.0),
    (fPos:=1000.0, fCompensation:=0.012),
     (fPos:=2000.0, fCompensation:=-0.008),
     (fPos:=3000.0, fCompensation:=-0.013),
     (fPos:=4000.0, fCompensation:=-0.014),
     (fPos:=5000.0, fCompensation:=-0.005),
     (fPos:=6000.0, fCompensation:=0.006),
     (fPos:=7000.0, fCompensation:=0.007),
     (fPos:=8000.0, fCompensation:=0.018),
     (fPos:=9000.0, fCompensation:=0.009),
     (fPos:=10000.0, fCompensation:=0.011);
END_VAR
IF bAxisIsHomedX2 THEN
   bEnablePitchCompensationX2 := TRUE;
ELSE
   bEnablePitchCompensationX2 := FALSE;
END_IF
fbPitchCompensationX2(
Enable:= bEnablePitchCompensationX2 ,
   pTable:=ADR(st_PitchTableX2),
cbSize:=SIZEOF(st_PitchTableX2),
ReferenceAxis:=AxisRefInX2,
Desc:= st_DescPitchX2,
  Compensation=>fCompensationValueX2,
Error=>bErrorX2,
  ErrorId=>nErrorIdX2,
Active=>bActiveX2);
fbWritePosCorrectionX2(
  Enable:=TRUE,
  PositionCorrectionValue:=fCompensationValueX2,
  CorrectionMode:= POSITIONCORRECTIONMODE_FAST,
  Acceleration:= 500,
  CorrectionLength:= ,
  AxisRefIn:= AxisRefInX2,
AxisRefOut:= AxisRefOutX2,
  Busy=> bLimitingX2,
  Error=> ,
  ErrorID=> ,
Limiting=> );
補(bǔ)償值生效時(shí)可在Axis_Enc的Online下監(jiān)控到：其Position值=Uncorrected值+Correction值。如果無補(bǔ)償值，則Correction值始終為0
有些時(shí)候由于機(jī)械特性不滿足等原因，需要對(duì)軸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向分別進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)需建立兩個(gè)補(bǔ)償表，分別進(jìn)行補(bǔ)償，并修改全局變量中的st_DescPitchX2，在其參數(shù)中加入eDirection:=WorkingDirectionPlus和WorkingDirectionMinus，分別對(duì)X2的正向和負(fù)向進(jìn)行位置設(shè)定值補(bǔ)償。 
3.      結(jié)語
對(duì)于TZ1001專機(jī)來說，還有同步軸（實(shí)際上是鏈接軸）、分度軸、電子齒輪等功能，由于篇幅原因就不一一贅述。本文講述的調(diào)試技術(shù)在常用的數(shù)控系統(tǒng)如SIEMENS 840D、FANUC 30i、Rexroth MTX都是通用的功能，很容易實(shí)現(xiàn)，由于BECKHOFF CX的產(chǎn)品定位是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所以需要一些間接手段才能實(shí)現(xiàn)，且主要是通過PLC完成的。