數(shù)控組合機(jī)絕對(duì)值的實(shí)現(xiàn)方法

孫建業(yè)，李法光，王朝偉

(沈陽(yáng)理工大學(xué)遼寧省高速切削工程技術(shù)研究中心，遼寧沈陽(yáng)110159)

組合機(jī)床是大批量生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)備，具有高效率和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。組合機(jī)床具有多個(gè)加工工位，同時(shí)對(duì)一個(gè)工件進(jìn)行加工，通常幾十秒可完成一個(gè)復(fù)雜零件的加工。多工位組合機(jī)每次開(kāi)機(jī)回零，不僅浪費(fèi)時(shí)間而且過(guò)程繁瑣，為此采用運(yùn)動(dòng)控制卡控制絕對(duì)值伺服電機(jī)。絕對(duì)值編碼器是一種直接編碼、絕對(duì)測(cè)量的檢測(cè)裝置，與增量脈沖編碼器不同，它是通過(guò)讀取絕對(duì)編碼盤(pán)、編碼尺的代碼信息指示絕對(duì)位置，電源斷電后，沒(méi)有積累差，所以位置信息不會(huì)丟失，不僅避免接線(xiàn)帶來(lái)的故障，提高機(jī)床的可靠性，而且減少輔助時(shí)間，具有高效性。

1 組合機(jī)系統(tǒng)與絕對(duì)值驅(qū)動(dòng)器的硬件搭建

組合機(jī)專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)為PC機(jī)與PMAC相結(jié)合形成并行雙CPU開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。MOTECα系列伺服驅(qū)動(dòng)器本身具備數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警等基本功能，有兩個(gè)獨(dú)立的通訊接口，9針RS232/485串口JP3與控制器相連接，6針RS485串口JP4用于多個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的連接，如圖1所示。

圖1 控制器與多個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接圖

MOTECα系列伺服驅(qū)動(dòng)器通信端口(9Px)RS485方式接線(xiàn)如表1所示。

表1 MOTECα(9Px)RS485方式接線(xiàn)

2 Moubus通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式

Modbus協(xié)議支持傳統(tǒng)的 RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備等。ModBus協(xié)議有ASCII、RTU兩種模式，RTU模式因傳輸效率高而在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較廣。RTU模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，還要采用16位CRC校驗(yàn)［2］。Modbus采用主從方式定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用中如果某Slave站點(diǎn)斷開(kāi)后(如故障或關(guān)機(jī))，Master端可診斷發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障修復(fù)后，又可自動(dòng)接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較好。

MOTECα系列伺服驅(qū)動(dòng)器底層軟件內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn) ModBus通信協(xié)議。具有常用的01、02、03、05、06、0F、10號(hào)通信協(xié)議功能。當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器與ModBus控制器成功連接后，控制器則很方便地利用通信協(xié)議對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)收取等，同時(shí)可采用RS-485方式進(jìn)行多機(jī)聯(lián)機(jī)控制。

Modbus RTU協(xié)議有24種命令，α系列伺服驅(qū)動(dòng)器只支持其中最常用的7種命令，這7種協(xié)議可滿(mǎn)足大多數(shù)控制器對(duì)伺服的控制。具體功能碼見(jiàn)表2。

表2 常用功能碼及其含義

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序采用VB編寫(xiě)，采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)程序包括各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、通訊子模塊等［3］。Modbus協(xié)議要求區(qū)分設(shè)備的主從，主設(shè)備PC機(jī)與PMAC相結(jié)合的并行雙CPU開(kāi)放式組合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)作為上位機(jī)，從設(shè)備絕對(duì)值式驅(qū)動(dòng)器作為下位機(jī)，Modbus協(xié)議中包含CRC計(jì)算與驗(yàn)證、信息幀的編制和分解［4］。

通過(guò)RS485串口JP4用于多個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間的連接，現(xiàn)以一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)和絕對(duì)值電機(jī)為例，介紹工控機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)之間的信息交換，詳細(xì)說(shuō)明編碼器位置的讀取方法。MOTECα系列伺服驅(qū)動(dòng)器通信數(shù)據(jù)格式為:半雙工方式、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無(wú)校驗(yàn)位。通信波特率為 9600Bps、38400Bps、57600Bps、115200Bps 可選。為 方便Modbus控制器對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)讀取和修改，α系列伺服驅(qū)動(dòng)器將參數(shù)號(hào)定義為地址，如參數(shù)PA60對(duì)應(yīng)參數(shù)地址為0x60，參數(shù)PA70對(duì)應(yīng)參數(shù)地址為0x70，其它參數(shù)同樣定義，即對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器地址如0x60的數(shù)據(jù)操作結(jié)果關(guān)聯(lián)到PA60號(hào)參數(shù)上，等同于對(duì)參數(shù)的操作。

(1)讀參數(shù)格式

發(fā)送:機(jī)號(hào)+功能碼+地址高8位+地址低8位+字個(gè)數(shù)高8位+字個(gè)數(shù)低8位+CRC低8位+CRC高8位

回發(fā):機(jī)號(hào)+功能碼+字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)高8位+數(shù)據(jù)低8位+CRC低8位+CRC高8位

例:通過(guò)Modbus RTU 03號(hào)功能碼在α系列伺服驅(qū)動(dòng)器中讀取參數(shù)，例當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器參數(shù)PA50參數(shù)值為32，則讀取此參數(shù)通信格式為

發(fā)送:0x01 0x03 0x00 0x50 0x00 0x01 0x84 0x1B

回發(fā):0x01 0x03 0x02 0x00 0x20 0xB9 0x9C

(2)寫(xiě)參數(shù)格式

發(fā)送:機(jī)號(hào)+功能碼+地址高8位+地址低8位+字個(gè)數(shù)高8位+字個(gè)數(shù)低8位+字節(jié)數(shù)+字的值+CRC低8位+CRC高8位

回發(fā):機(jī)號(hào)+功能碼+字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)高8位+數(shù)據(jù)低8位+CRC低8位+CRC高8位

例:Modbus RTU 06號(hào)功能碼為寫(xiě)單個(gè)寄存器功能協(xié)議，10號(hào)功能碼為寫(xiě)多個(gè)寄存器功能協(xié)議，在α系列伺服驅(qū)動(dòng)器中多數(shù)控制器采用10號(hào)功能碼進(jìn)行寄存器修改參數(shù)，例將驅(qū)動(dòng)器PA50參數(shù)值修改為50，則寫(xiě)取此參數(shù)通信格式為

發(fā)送:0x01 0x10 0x00 0x50 0x00 0x01 0x02 0x00 0x32 0x2B 0xD5

回發(fā):0x01 0x10 0x00 0x50 0x00 0x01 0x01 0xD8

3.1 VB編寫(xiě)串行通信程序

利用VB創(chuàng)建一個(gè)串口調(diào)試界面，如圖2所示。

圖2 串口調(diào)試界面

首先設(shè)置好串口、波特率、停止位、校驗(yàn)位等，定義發(fā)送和接收的格式都為16進(jìn)制格式。該絕對(duì)值電機(jī)為多圈電機(jī)，圈數(shù)和單圈脈沖數(shù)分別存放在不同的地址0x8037、0x8026中，機(jī)床運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置是電機(jī)運(yùn)動(dòng)圈數(shù)乘以電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)再與單圈脈沖數(shù)求和的值。根據(jù)協(xié)議發(fā)送和接收的都是十六進(jìn)制的字符串，首先要在接收的字符串中提取電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)和單圈編碼器的十六進(jìn)制值，再轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制值進(jìn)而計(jì)算得到機(jī)床實(shí)際的運(yùn)動(dòng)位置。

首先進(jìn)行串口初始化:

VB6.0MSComm控件是高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的串行通信程序和PC串口之間的橋梁，在應(yīng)用程序中嵌入MSComm控件，可完成串口的通信。使用MSComm控件時(shí)，對(duì)輸入緩沖區(qū)或輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以是字符(comInputModeText)或Hex(comInputModeBinary)發(fā)送，字符方式是以Unicode碼發(fā)送，Hex是以二進(jìn)制流發(fā)送［5］。Mod-Bus RTU模式為十六進(jìn)制，發(fā)送接收都為 Hex(comInputModeBinary)方式，程序如:

圖3為以Hex方式進(jìn)行發(fā)送與接收時(shí)對(duì)應(yīng)程序流程圖［6］。

圖3 Hex方式進(jìn)行發(fā)送與接收時(shí)對(duì)應(yīng)程序流程圖

comInputModeBinary方式將Inputlen設(shè)為0，即全部讀入輸入緩沖區(qū)的內(nèi)容，對(duì)緩沖區(qū)中所有字節(jié)進(jìn)行計(jì)數(shù)，將收到的字符進(jìn)行甄別，如果小于128數(shù)，則不再讀入下一個(gè)字節(jié)，如果大于128字節(jié)的數(shù)，則繼續(xù)讀入下一個(gè)字節(jié)，將前后兩個(gè)字節(jié)當(dāng)作一個(gè)字符處理，輸入的高字節(jié)放前，低字節(jié)放后。

通過(guò)StrHexToByteArray函數(shù)將字符串表示的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的字節(jié)串，并返回轉(zhuǎn)化后的字節(jié)數(shù)。

通過(guò)MSComm1控件的OnComm函數(shù)將伺服驅(qū)動(dòng)回發(fā)的內(nèi)容顯示在接收區(qū)文本框。

3.2 組合機(jī)床絕對(duì)位置讀取

首先設(shè)置串口調(diào)試窗口與絕對(duì)值式驅(qū)動(dòng)器相同的波特率，并將驅(qū)動(dòng)器PA90參數(shù)機(jī)器編號(hào)設(shè)定與代碼中機(jī)號(hào)相同。在發(fā)送區(qū)按Modbus協(xié)議發(fā)送一組規(guī)定的數(shù)據(jù)格式十六進(jìn)制數(shù)值，接收區(qū)回收到相應(yīng)的一組十六進(jìn)制值，按照格式發(fā)送一組十六進(jìn)制數(shù)，讀取寄存器0x8026中單圈編碼器值，機(jī)號(hào)為1，采用03號(hào)功能碼讀取字地址，讀取從0x8026起的兩個(gè)字節(jié)值，CRC校驗(yàn)碼為0x000C。

如:發(fā)送區(qū):0x01 0x03 0x80 0x26 0x00 0x02 0x0C 0x00

接收區(qū):0x01 0x03 0x04 0x00 0x01 0x5F 0x90 0x8A 0x28

從接收區(qū)數(shù)據(jù)0x01 0x03 0x04 0x00 0x01 0x5F 0x90 0x8A 0x28看出單圈編碼器相對(duì)位置為0x00015F90，0x288A為CRC校驗(yàn)碼。

同樣對(duì)1號(hào)伺服驅(qū)動(dòng)器，用03號(hào)功能碼讀取地址0x8037的值，計(jì)算得到校驗(yàn)碼為0x041C。

如:發(fā)送區(qū):0x01 0x03 0x80 0x37 0x00 0x01 0x1C 0x04

接收區(qū):0x01 0x03 0x02 0x00 0x07 0xF9 0x86

從接收區(qū)數(shù)據(jù)0x01 0x03 0x02 0x03 0xE8 0xB8 0xFA看出多圈數(shù)為0x03E8，即自從上次驅(qū)動(dòng)器清零后電機(jī)總共轉(zhuǎn)了0x03E8圈，0xB8FA為校驗(yàn)碼。

這是對(duì)一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器讀取編碼器絕對(duì)位置的方法，實(shí)際上包括多圈0x8037的值和單圈編碼器相對(duì)值0x8026，同理可用相同方法對(duì)其它伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器絕對(duì)位置進(jìn)行讀取。

3.3 組合機(jī)床無(wú)回零加工

通過(guò)VB編寫(xiě)的串口調(diào)試界面可以順利讀取驅(qū)動(dòng)器絕對(duì)位置，而組合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)就應(yīng)讀取到電機(jī)的絕對(duì)位置，所以把對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器讀取編碼器絕對(duì)位置的程序段，植入到組合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)主界面的加載程序中，即系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)首先讀取絕對(duì)值位置。

組合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際位置都存在PMAC卡的Mx62變量中，以1號(hào)電機(jī)為例，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器讀取編碼器絕對(duì)位置并賦予變量M162中，使系統(tǒng)記憶當(dāng)前位置，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)1開(kāi)機(jī)無(wú)需回零，即可從當(dāng)前記憶的絕對(duì)值位置開(kāi)始加工。

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取編碼器絕對(duì)位置的程序段［7-8］:

在系統(tǒng)主界面坐標(biāo)系顯示實(shí)際絕對(duì)值位置:

同樣方法，可實(shí)現(xiàn)其它工位的電機(jī)開(kāi)機(jī)讀到絕對(duì)值位置，并保存到系統(tǒng)變量Mx62地址中，完成組合機(jī)床自動(dòng)化加工。

4 結(jié)論

組合機(jī)床采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)方法，使主設(shè)備PC機(jī)與PMAC相結(jié)合的并行雙CPU開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)作為上位機(jī)，從設(shè)備絕對(duì)值式驅(qū)動(dòng)器作為下位機(jī)，完成上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的絕對(duì)位置數(shù)值的讀取，并加載到系統(tǒng)加工程序中，實(shí)現(xiàn)了組合機(jī)床的無(wú)回零自動(dòng)化加工，進(jìn)一步提高了組合機(jī)床的效率及可靠性。

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