0 引言

　　數(shù)控鉆床是實(shí)現(xiàn)工件上各種類型孔自動(dòng)定位和鉆削的高精度機(jī)床，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和電子行業(yè)的零件加工，其數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的核心，一般多采用伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位。伺服系統(tǒng)融合了電機(jī)、計(jì)算機(jī)、電力電子、自動(dòng)控制、精密機(jī)械和新材料等多種高新技術(shù)，是裝備制造、工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化和家庭生活自動(dòng)化等不可缺少的重要技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(computer numerical control，CNC)數(shù)控鉆床大多為進(jìn)口設(shè)備，每次定位只能鉆單個(gè)孔，而木工機(jī)械行業(yè)中經(jīng)常需要鉆大量的排孔，致使CNC數(shù)控鉆床定位次數(shù)大大增加，無(wú)法體現(xiàn)效率，而且其價(jià)格昂貴，無(wú)法普及。

　　基于此問(wèn)題，筆者采用現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新型數(shù)控排鉆。采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器與可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)作為控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合VB編程的上位機(jī)人機(jī)界面，同時(shí)使用4臺(tái)伺服電機(jī)，依次分布于數(shù)控排鉆的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(即x軸)上，每臺(tái)伺服電機(jī)分別拖動(dòng)1臺(tái)鉆孔定位器來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。這樣的設(shè)計(jì)每次最多可實(shí)現(xiàn)4個(gè)孔的同時(shí)定位，效率較高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用1臺(tái)觸摸屏電腦作為上位機(jī)，上位機(jī)提供VB程序操作界面，并發(fā)送定位目標(biāo)數(shù)據(jù)到下位機(jī)PLC中；PLC根據(jù)當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的關(guān)系再經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，把定位距離轉(zhuǎn)換為精確脈沖數(shù)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器；伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)響應(yīng)PLC所發(fā)脈沖，配合自增益調(diào)整采用SVPWM 控制方式驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)；伺服電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速器帶動(dòng)鉆孔定位器做直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)x軸準(zhǔn)確定位。該定位方式具有響應(yīng)速度快、定位精度高、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。伺服驅(qū)動(dòng)器提供位置、速度、扭矩3種基本控制模式，本設(shè)計(jì)采用位置模式，脈沖列+方向控制方式。另外x軸運(yùn)動(dòng)方向上還安裝了4個(gè)光電傳感器供伺服電機(jī)做原點(diǎn)回歸使用。PLC一方面發(fā)送脈沖控制x軸定位；另一方面根據(jù)數(shù)控鉆床控制要求，控制各執(zhí)行繼電器動(dòng)作。上位機(jī)與PLC之間使用RS232接口進(jìn)行通信，采用Modbus通信協(xié)議。

　　1.1 硬件設(shè)計(jì)

　　1)上位機(jī)。上位機(jī)采用宇聯(lián)公司QC-156工業(yè)級(jí)觸摸屏電腦，操作界面采用VB編程語(yǔ)言編寫。VB是一種結(jié)構(gòu)化面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，采用事件驅(qū)動(dòng)的程序機(jī)制，可高效、快速地開發(fā)Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。上位機(jī)主要為用戶提供人性化操作界面，設(shè)定各種運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示鉆孔定位器的位置與運(yùn)行速度，接收定位目標(biāo)位置并發(fā)送給PLC。

　　2)下位機(jī)。下位機(jī)采用臺(tái)達(dá)DVP-40EH型PLC，可同時(shí)支持2組AB相200 kHz脈沖輸出(Y0，Y1)(Y2，Y3)，與2點(diǎn)200kHz脈沖輸出(Y4，Y6)。內(nèi)置RS-232與RS-485通訊端口，兼容Modbus ASCII／RTU通訊協(xié)議，且內(nèi)置4組硬件高速計(jì)數(shù)器，可同時(shí)控制4臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位。

　　3)伺服驅(qū)動(dòng)器。采用臺(tái)達(dá)ASDA-B2型伺服驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置高性能32位DSP芯片，配合增益自動(dòng)調(diào)整技術(shù)，對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，對(duì)其各種信息做出快速、準(zhǔn)確反應(yīng)，處理隨時(shí)變化的信號(hào)。

　　4)臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)。本設(shè)計(jì)要求快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，決定配套采用臺(tái)達(dá)ECMA C20807系列交流伺服系統(tǒng)。此系列伺服電機(jī)配合臺(tái)達(dá)B2型伺服驅(qū)動(dòng)器組成的伺服系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線等各種有精確調(diào)速、定位要求的場(chǎng)合。

　　1.2 伺服系統(tǒng)接線

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的位置控制指令脈沖有3 種類型，分別是：正向脈沖+反向脈沖，脈沖+方向，相位相差90°的AB兩相脈沖 。本文選用脈沖+方向方式，伺服驅(qū)動(dòng)器的CN1接口中的Pulse 41號(hào)引腳接收PLC的脈沖信號(hào)，Sign 37號(hào)引腳接收方向信號(hào)。PLC的輸出端口Y0，Y1構(gòu)成一組脈沖控制信號(hào)，總共4組，分別控制4臺(tái)伺服電機(jī)運(yùn)行。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速南Y0口脈沖發(fā)送頻率決定，移動(dòng)距離由Y0口發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)決定。

2 上位機(jī)與PLC之間的通信實(shí)現(xiàn)

　　上位機(jī)與臺(tái)達(dá)PLC之間采用Modbus通信協(xié)議。Modbus協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：開放性好、易實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展性好、幀格式簡(jiǎn)單、可靠性高，可支持多種電氣接口，可在各種介質(zhì)上傳送，如雙絞線、光纖、無(wú)線等 ，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，被越來(lái)越多的設(shè)備廠商所支持。不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成Modbus工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

　　Modbus的實(shí)質(zhì)是一種主從應(yīng)答的通訊協(xié)議，其通訊遵循以下過(guò)程：主機(jī)準(zhǔn)備請(qǐng)求并向從機(jī)發(fā)送請(qǐng)求；從機(jī)接收主機(jī)請(qǐng)求后進(jìn)行校驗(yàn)，然后處理，并向主機(jī)發(fā)送回復(fù)；如果出現(xiàn)差錯(cuò)，從機(jī)將返回一個(gè)異常的功能碼。

　　在Modbus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇，一種是美國(guó)信息交換碼(ASCII)，另一種是遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit，RTU)。ASCII采用的格式和校驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，本設(shè)計(jì)采用ASCII格式，LRC校驗(yàn)。

　　VB與臺(tái)達(dá)PLC通訊的基本流程。上位機(jī)讀PLC中相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)值時(shí)，應(yīng)輸入正確的寄存器號(hào)，并按照通訊協(xié)議生成正確的發(fā)送字符串，觸發(fā)MSComm控件，在其OnComm事件中調(diào)用公用模塊中的Public Sub MSComml_OnComm10過(guò)程，對(duì)所獲取字符串進(jìn)行處理及顯示。向PLC中的數(shù)據(jù)寄存器寫人數(shù)值操作時(shí)，應(yīng)輸入正確的寄存器號(hào)與數(shù)值，生成發(fā)送字符串后觸發(fā)MSComm控件的OnComm事件，向PLC中寫入數(shù)值。

3 防碰撞算法

　　由于4個(gè)伺服定位器在數(shù)控鉆床X軸方向上依次分布，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要防止它們相互間的碰撞。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中采取了防碰撞保護(hù)措施。首先，在 軸導(dǎo)軌的下方依次安裝4個(gè)光電接近傳感器做定位校準(zhǔn)使用，將這4個(gè)光電傳感器依次接到PLC的4個(gè)輸入點(diǎn)上，作為伺服定位系統(tǒng)的零點(diǎn)傳感器。當(dāng)伺服系統(tǒng)每次開機(jī)運(yùn)行時(shí)，使用dzrn指令可使4臺(tái)伺服定位器分別移動(dòng)到4個(gè)光電傳感器的位置，然后把此位置換算成脈沖數(shù)，賦給伺服驅(qū)動(dòng)器里的脈沖計(jì)數(shù)器作為定位初值。當(dāng)伺服定位器移動(dòng)時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器會(huì)根據(jù)PLC所發(fā)脈沖數(shù)自動(dòng)增減。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)器的數(shù)值即可知道伺服定位器的精確位置，再將4個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器的數(shù)值經(jīng)過(guò)一定的換算關(guān)系，轉(zhuǎn)換為 軸導(dǎo)軌上4個(gè)伺服定位器的實(shí)際位置，即可在運(yùn)行過(guò)程中不斷監(jiān)視4個(gè)定位器的位置差。在程序中設(shè)定4臺(tái)伺服定位器的防碰撞安全距離，一旦監(jiān)視到伺服定位器之間的距離差小于或等于防碰撞安全距離，則立即停止PLC脈沖輸出，使伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而防止碰撞發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文通過(guò)臺(tái)達(dá)交流伺服控制器、PLC及其t位機(jī)的組合來(lái)完成一個(gè)數(shù)控排鉆的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)與PLC采用基于Modbus協(xié)議的串口通信實(shí)現(xiàn)。由于采用了PLC與上位機(jī)人機(jī)界面，可采用不同的控制算法，對(duì)系統(tǒng)采用不同的控制方式，控制實(shí)現(xiàn)上有較大的靈活性。

　　經(jīng)過(guò)一段時(shí)問(wèn)的使用，該數(shù)控排鉆伺服定位系統(tǒng)運(yùn)行良好，在定位精度、控制可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性方面效果較好。