基于Modbus协议的数控排钻伺服定位系统

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。