0 引言

　　數控鉆床是實現工件上各種類型孔自動定位和鉆削的高精度機床，廣泛應用于工業和電子行業的零件加工，其數控系統是機床的核心，一般多采用伺服系統來實現精確定位。伺服系統融合了電機、計算機、電力電子、自動控制、精密機械和新材料等多種高新技術，是裝備制造、工業自動化、辦公自動化和家庭生活自動化等不可缺少的重要技術。目前，國內的計算機數字控制(computer numerical control，CNC)數控鉆床大多為進口設備，每次定位只能鉆單個孔，而木工機械行業中經常需要鉆大量的排孔，致使CNC數控鉆床定位次數大大增加，無法體現效率，而且其價格昂貴，無法普及。

　　基于此問題，筆者采用現代伺服系統設計了新型數控排鉆。采用交流伺服驅動器與可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)作為控制系統的核心，結合VB編程的上位機人機界面，同時使用4臺伺服電機，依次分布于數控排鉆的運動導軌(即x軸)上，每臺伺服電機分別拖動1臺鉆孔定位器來實現定位。這樣的設計每次最多可實現4個孔的同時定位，效率較高。

1 系統設計

　　該系統采用1臺觸摸屏電腦作為上位機，上位機提供VB程序操作界面，并發送定位目標數據到下位機PLC中；PLC根據當前位置與目標位置的關系再經過一系列計算，把定位距離轉換為精確脈沖數發送給伺服驅動器；伺服驅動器實時響應PLC所發脈沖，配合自增益調整采用SVPWM 控制方式驅動伺服電機；伺服電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動鉆孔定位器做直線運動，實現x軸準確定位。該定位方式具有響應速度快、定位精度高、動態特性好等優點。伺服驅動器提供位置、速度、扭矩3種基本控制模式，本設計采用位置模式，脈沖列+方向控制方式。另外x軸運動方向上還安裝了4個光電傳感器供伺服電機做原點回歸使用。PLC一方面發送脈沖控制x軸定位；另一方面根據數控鉆床控制要求，控制各執行繼電器動作。上位機與PLC之間使用RS232接口進行通信，采用Modbus通信協議。

　　1.1 硬件設計

　　1)上位機。上位機采用宇聯公司QC-156工業級觸摸屏電腦，操作界面采用VB編程語言編寫。VB是一種結構化面向對象的程序設計語言，采用事件驅動的程序機制，可高效、快速地開發Windows環境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統。上位機主要為用戶提供人性化操作界面，設定各種運行參數，實時顯示鉆孔定位器的位置與運行速度，接收定位目標位置并發送給PLC。

　　2)下位機。下位機采用臺達DVP-40EH型PLC，可同時支持2組AB相200 kHz脈沖輸出(Y0，Y1)(Y2，Y3)，與2點200kHz脈沖輸出(Y4，Y6)。內置RS-232與RS-485通訊端口，兼容Modbus ASCII／RTU通訊協議，且內置4組硬件高速計數器，可同時控制4臺伺服電機實現定位。

　　3)伺服驅動器。采用臺達ASDA-B2型伺服驅動器，內置高性能32位DSP芯片，配合增益自動調整技術，對伺服電機進行閉環控制，對其各種信息做出快速、準確反應，處理隨時變化的信號。

　　4)臺達伺服電機。本設計要求快速、準確地實現控制目標，決定配套采用臺達ECMA C20807系列交流伺服系統。此系列伺服電機配合臺達B2型伺服驅動器組成的伺服系統，已廣泛應用于數控機床、機器人、自動化生產線等各種有精確調速、定位要求的場合。

　　1.2 伺服系統接線

　　伺服驅動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，伺服驅動器的CN1接口中的Pulse 41號引腳接收PLC的脈沖信號，Sign 37號引腳接收方向信號。PLC的輸出端口Y0，Y1構成一組脈沖控制信號，總共4組，分別控制4臺伺服電機運行。伺服電機的轉速南Y0口脈沖發送頻率決定，移動距離由Y0口發送脈沖的個數決定。

2 上位機與PLC之間的通信實現

　　上位機與臺達PLC之間采用Modbus通信協議。Modbus協議具有以下優點：開放性好、易實現、擴展性好、幀格式簡單、可靠性高，可支持多種電氣接口，可在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等 ，因而具有廣闊的應用前景，被越來越多的設備廠商所支持。不同廠商生產的控制設備可以連成Modbus工業網絡。

　　Modbus的實質是一種主從應答的通訊協議，其通訊遵循以下過程：主機準備請求并向從機發送請求；從機接收主機請求后進行校驗，然后處理，并向主機發送回復；如果出現差錯，從機將返回一個異常的功能碼。

　　在Modbus系統中有2種傳輸模式可選擇，一種是美國信息交換碼(ASCII)，另一種是遠程終端單元(remote terminal unit，RTU)。ASCII采用的格式和校驗相對簡單，本設計采用ASCII格式，LRC校驗。

　　VB與臺達PLC通訊的基本流程。上位機讀PLC中相應數據寄存器的數值時，應輸入正確的寄存器號，并按照通訊協議生成正確的發送字符串，觸發MSComm控件，在其OnComm事件中調用公用模塊中的Public Sub MSComml_OnComm10過程，對所獲取字符串進行處理及顯示。向PLC中的數據寄存器寫人數值操作時，應輸入正確的寄存器號與數值，生成發送字符串后觸發MSComm控件的OnComm事件，向PLC中寫入數值。

3 防碰撞算法

　　由于4個伺服定位器在數控鉆床X軸方向上依次分布，運動過程中要防止它們相互間的碰撞。所以在設計過程中采取了防碰撞保護措施。首先，在 軸導軌的下方依次安裝4個光電接近傳感器做定位校準使用，將這4個光電傳感器依次接到PLC的4個輸入點上，作為伺服定位系統的零點傳感器。當伺服系統每次開機運行時，使用dzrn指令可使4臺伺服定位器分別移動到4個光電傳感器的位置，然后把此位置換算成脈沖數，賦給伺服驅動器里的脈沖計數器作為定位初值。當伺服定位器移動時，脈沖計數器會根據PLC所發脈沖數自動增減。根據脈沖計數器的數值即可知道伺服定位器的精確位置，再將4個脈沖計數器的數值經過一定的換算關系，轉換為 軸導軌上4個伺服定位器的實際位置，即可在運行過程中不斷監視4個定位器的位置差。在程序中設定4臺伺服定位器的防碰撞安全距離，一旦監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，使伺服電機停止轉動，從而防止碰撞發生。

4 結語

　　本文通過臺達交流伺服控制器、PLC及其t位機的組合來完成一個數控排鉆的運動控制實現，上位機與PLC采用基于Modbus協議的串口通信實現。由于采用了PLC與上位機人機界面，可采用不同的控制算法，對系統采用不同的控制方式，控制實現上有較大的靈活性。

　　經過一段時問的使用，該數控排鉆伺服定位系統運行良好，在定位精度、控制可靠性、運行穩定性方面效果較好。