基于Modbus协议的数控排钻伺服定位系统.doc

基于Modbus协议的数控排钻伺服定位系统 本文设计了基于交流伺服驱动和Modbus通信协议的数控排钻PLC控制系统。采用一体化PC机作上位机，利用VB编程的人机界面实现基于Modbus协议的PLC通信，完成交流伺服电机的精确定位控制：采用防碰撞算法解决了多台伺服电机定位过程中可能发生碰撞的问题。经现场调试，该系统达到了满意的定位控制效果。 0 引言 　　数控钻床是实现工件上各种类型孔自动定位和钻削的高精度机床，广泛应用于工业和电子行业的零件加工，其数控系统是机床的核心，一般多采用伺服系统来实现精确定位。伺服系统融合了电机、计算机、电力电子、自动控制、精密机械和新材料等多种高新技术，是装备制造、工业自动化、办公自动化和家庭生活自动化等不可缺少的重要技术。目前，国内的计算机数字控制(computer numerical control，CNC)数控钻床大多为进口设备，每次定位只能钻单个孔，而木工机械行业中经常需要钻大量的排孔，致使CNC数控钻床定位次数大大增加，无法体现效率，而且其价格昂贵，无法普及。 　　基于此问题，笔者采用现代伺服系统设计了新型数控排钻。采用交流伺服驱动器与可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)作为控制系统的核心，结合VB编程的上位机人机界面，同时使用4台伺服电机，依次分布于数控排钻的运动导轨(即x轴)上，每台伺服电机分别拖动1台钻孔定位器来实现定位。这样的设计每次最多可实现4个孔的同时定位，效率较高。 1 系统设计 　　数控排钻伺服定位系统总体设计原理如图1所示。该系统采用1台触摸屏电脑作为上位机，上位机提供VB程序操作界面，并发送定位目标数据到下位机PLC中；PLC根据当前位置与目标位置的关系再经过一系列计算，把定位距离转换为精确脉冲数发送给伺服驱动器；伺服驱动器实时响应PLC所发脉冲，配合自增益调整采用SVPWM 控制方式驱动伺服电机；伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器带动钻孔定位器做直线运动，实现x轴准确定位。该定位方式具有响应速度快、定位精度高、动态特性好等优点。伺服驱动器提供位置、速度、扭矩3种基本控制模式，本设计采用位置模式，脉冲列+方向控制方式。另外x轴运动方向上还安装了4个光电传感器供伺服电机做原点回归使用。PLC一方面发送脉冲控制x轴定位；另一方面根据数控钻床控制要求，控制各执行继电器动作。上位机与PLC之间使用RS232接口进行通信，采用Modbus通信协议。 ?图1 数控排钻伺服定位系统总体设计框图 　　1.1 硬件设计 　　1)上位机。上位机采用宇联公司QC-156工业级触摸屏电脑，操作界面采用VB编程语言编写。VB是一种结构化面向对象的程序设计语言，采用事件驱动的程序机制，可高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。上位机主要为用户提供人性化操作界面，设定各种运行参数，实时显示钻孔定位器的位置与运行速度，接收定位目标位置并发送给PLC。 　　2)下位机。下位机采用台达DVP-40EH型PLC，可同时支持2组AB相200 kHz脉冲输出(Y0，Y1)(Y2，Y3)，与2点200kHz脉冲输出(Y4，Y6)。内置RS-232与RS-485通讯端口，兼容Modbus ASCII／RTU通讯协议，且内置4组硬件高速计数器，可同时控制4台伺服电机实现定位。 　　3)伺服驱动器。采用台达ASDA-B2型伺服驱动器，内置高性能32位DSP芯片，配合增益自动调整技术，对伺服电机进行闭环控制，对其各种信息做出快速、准确反应，处理随时变化的信号。 　　4)台达伺服电机。本设计要求快速、准确地实现控制目标，决定配套采用台达ECMA C20807系列交流伺服系统。此系列伺服电机配合台达B2型伺服驱动器组成的伺服系统，已广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等各种有精确调速、定位要求的场合。 1.2 伺服系统接线 　　伺服驱动器的位置控制指令脉冲有3 种类型，分别是：正向脉冲+反向脉冲，脉冲+方向，相位相差90°的AB两相脉冲 。本文选用脉冲+方向方式，伺服驱动器的CN1接口中的Pulse 41号引脚接收PLC的脉冲信号，Sign 37号引脚接收方向信号。PLC的输出端口Y0，Y1构成一组脉冲控制信号，总共4组，分别控制4台伺服电机运行。伺服电机的转速南Y0口脉冲发送频率决定，移动距离由Y0口发送脉冲的个数决定。每个伺服驱动器控制1台伺服电机，伺服驱动器与PLC之间的接线如图2所示。 ?图2 PLC与伺服驱动器接线图? 2 上位机与PLC之间的通信实现 　　上位机与台达PLC之间采用Modbus通信协议。Modbus协议具有以下优点：开放性好、易实现、扩展性好、帧格式简单、可靠性高，可支持多种电气接口，可在各种介质上传送，如双绞