李唐 洪晴

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心，江蘇南京 210023）

1 概述

在自動(dòng)化設(shè)備中經(jīng)常會(huì)遇到多軸轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，比如多軸機(jī)床。在復(fù)雜的環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)多軸精確定位，需要考慮復(fù)雜電路對系統(tǒng)的干擾問題，同時(shí)，系統(tǒng)要盡量簡單，避免多環(huán)節(jié)造成的可靠性降低問題。CAN （Controller Area Network）總線由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的抗干擾能力,適合用于實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)[1]。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡單，考慮采用總線控制方式，因?yàn)镃AN 總線抗干擾性比較強(qiáng)，所以設(shè)計(jì)了基于CAN 總線的多軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)。目前多采用單片機(jī)、plc 作為主控制器，采用串口總線控制方式，人機(jī)交互采用上位機(jī)或顯示屏實(shí)現(xiàn)，這樣系統(tǒng)元件增加，成本較高。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了四軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍-180°～+180°，轉(zhuǎn)動(dòng)速度1-10°/s 可調(diào)。采用基于CAN 總線的控制方式，同時(shí)選用觸摸屏作為控制，實(shí)現(xiàn)控制器與人機(jī)界面一體，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精度高，可靠性高。

2 系統(tǒng)組成

CAN 總線可根據(jù)總線驅(qū)動(dòng)能力支持100 個(gè)以上節(jié)點(diǎn)，具有接口簡單，傳輸速率高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合伺服系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)、高實(shí)時(shí)性的要求[2]。威綸eMT 系列觸摸屏可以作為主站，從而實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器的控制。同時(shí)觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。電機(jī)為伺服電機(jī)，本文以施耐德BSH 伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器型號為匹配的LXM32A 系列伺服驅(qū)動(dòng)器為例。觸摸屏與節(jié)點(diǎn)之間采用CAN 總線進(jìn)行通信，接口協(xié)議為CANopen，采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

觸摸屏作為主站，通過CAN 總線與4 臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置4 臺(tái)電機(jī)分別設(shè)置為節(jié)點(diǎn)1 至節(jié)點(diǎn)4，比特率均為1Mbp，觸摸屏與上位機(jī)留有RS485 串口，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對系統(tǒng)的監(jiān)控。

觸摸屏中添加4 個(gè)CAN 從機(jī)，在EasyBuilder Pro 軟件的系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)添加。如圖2 所示，共添加了4 個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)從機(jī)，節(jié)點(diǎn)號分別為1-4.波特率為1Mbp，添加了一個(gè)RS232 串口，用于與上位機(jī)的通訊，該串口波特率設(shè)置為115200kbps。至此觸摸屏添加硬件設(shè)置已完成，下面需要軟件設(shè)計(jì)。

圖2 添加CAN 節(jié)點(diǎn)從機(jī)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件框圖

軟件開發(fā)工具為EasyBuilder Pro，是一款非常好用的威綸通觸摸屏編程軟件，軟件提供了人性化的人機(jī)交互界面，可以滿足不同編程人員的需要，適用于威綸通eMT、cMT、iE、MT（iP）以及TK（iP）機(jī)型，可以有效地提升編程人員的效率。為了實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的精確定位，軟件設(shè)計(jì)通過CAN 總線操作伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器位置環(huán)。首先上電初始化CAN，然后判斷是否按下相應(yīng)軸的啟動(dòng)按鈕，如啟動(dòng)則關(guān)使能，選擇工作模式為位置模式，以及位置模式下的速度值。最后判斷輸入角度是否合法，是否在-180°～+180°范圍內(nèi)，如合法則使能電機(jī)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)角度?？刂瞥绦蛟砜驁D如圖3 所示。

圖3 控制程序原理框圖

3.2 宏指令設(shè)計(jì)

觸摸屏是通過運(yùn)行宏指令來給電機(jī)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)的，宏指令，是威綸通觸摸屏提供的一個(gè)附加功能。簡而言之，它是一個(gè)腳本編輯界面，用戶可以在上面編寫一些指令，從而對組態(tài)的控件執(zhí)行一些復(fù)雜的邏輯運(yùn)算等處理。宏指令語法類似于簡化的C 語言。

本文主要用到了如下宏指令，分別用于實(shí)現(xiàn)不同的功能。如“回告”指令用于上報(bào)給上位機(jī)系統(tǒng)的角度數(shù)據(jù)?！按诮邮战嵌取庇糜趯邮盏降纳衔粰C(jī)指令進(jìn)行解析?！巴Ｖ埂焙汀罢伊恪敝噶罘謩e用于停止工作和各軸回歸原點(diǎn)。四個(gè)軸的定位工作分別通過相應(yīng)的宏指令實(shí)現(xiàn)。最后的“差值顯示”指令用于顯示定位目標(biāo)角度與當(dāng)前角度的差值（圖4）。

圖4 主要宏指令

3.3 軸1 定位示例

定位模式屬于點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)行模式，這種模式僅可通過現(xiàn)場總線的方式來執(zhí)行運(yùn)行模式，在設(shè)定目標(biāo)位置時(shí)有相對位置和絕對位置兩種方式。兩種方式均可以使用加速斜坡和減速斜坡以及最終速度參考值來設(shè)置運(yùn)動(dòng)曲線[3]。在執(zhí)行相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)以上次目標(biāo)位置或者當(dāng)前電機(jī)位置為參考；執(zhí)行絕對運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)閳?zhí)行的絕對運(yùn)動(dòng)是完全以零點(diǎn)為參考的，所有在首次執(zhí)行絕對定位之前，必須通過Homing 模式來定義零點(diǎn)[4]。我們采用的是絕對運(yùn)動(dòng)，所以需要定義零點(diǎn)，我們先將各種調(diào)整至機(jī)械零點(diǎn)，然后通過can 總線讀取各軸電機(jī)編碼器的數(shù)據(jù)，將機(jī)械零點(diǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)標(biāo)定為零點(diǎn)。后面產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)都是以此零點(diǎn)為基礎(chǔ)。

在軸1 定位宏指令中，我們分別通過函數(shù)SetDataEx 關(guān)使能，設(shè)置位置模式，設(shè)置速度。然后在循環(huán)中，不斷通過GetData函數(shù)讀取觸摸屏數(shù)值元件RW25 輸入的軸1 的目標(biāo)角度，并進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，最后通過函數(shù)SetDataEx 使能驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。具體程序如圖5 所示。其他功能宏指令與此示例類似，均通過相應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這里不再贅述。

圖5 主要程序

4 界面設(shè)計(jì)

利用EasyBuilder Pro 軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)界面，每個(gè)軸包含啟動(dòng)停止按鈕，下發(fā)目標(biāo)角度的數(shù)值元件，顯示實(shí)際角度的數(shù)值元件和誤差角度數(shù)值元件。當(dāng)觸摸屏右上方伺服狀態(tài)為“開”時(shí)，用戶可對系統(tǒng)進(jìn)行操作。伺服狀態(tài)為“關(guān)”時(shí)，系統(tǒng)禁止使用。（圖6）

圖6 界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)階段，所有軸先恢復(fù)到機(jī)械零點(diǎn)，通過施耐德伺服電機(jī)調(diào)試軟件SoMove 軟件監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通過觸摸屏設(shè)置目標(biāo)角度10°，運(yùn)動(dòng)速度2°/s，然后按下“軸1 啟動(dòng)按鈕”后，軸1從當(dāng)前位置開始運(yùn)動(dòng)，直至運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，運(yùn)動(dòng)曲線如圖7 所示，最上方曲線為位置曲線，中間為速度曲線，最下方為電流曲線?？梢?，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

對其他軸進(jìn)行相同操作均可獲得準(zhǔn)確定位。多個(gè)軸可以同時(shí)操作。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了多軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，以四軸為例做了具體說明，控制方式為CAN 總線控制，選用威綸通觸摸屏作為主站，各軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為從站。軟件開發(fā)使用宏指令實(shí)現(xiàn)。最后模擬驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍-180°～+180°，轉(zhuǎn)動(dòng)速度1-10°/s 可調(diào)的技術(shù)要求，控制精度0.1°。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。