基于Modbus協(xié)議與MCX314的自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文基于Modbus串口協(xié)議的威倫觸摸屏與通用型C8051系列單片機(jī)作為硬件平臺(tái)，結(jié)合MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、有良好人機(jī)交互且控制精度高的自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)。

　　1 自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)架構(gòu)

　　為實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互，系統(tǒng)通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示鉆頭運(yùn)行狀態(tài)，包括位置，轉(zhuǎn)速，鉆孔速度等參數(shù)，同時(shí)可以對(duì)轉(zhuǎn)速，鉆孔速度，鉆孔深度，攻牙牙距等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后通過觸摸屏上的按鍵分別進(jìn)行自動(dòng)鉆孔、自動(dòng)攻牙、啄鉆等操作。

　　系統(tǒng)中，鉆頭運(yùn)行距離以毫米為基本單位，要求達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后2位的精度，也即10-2mm，對(duì)鉆孔速度則以10-2mm/s為最小調(diào)節(jié)精度。最高轉(zhuǎn)速200 r/s，最大鉆孔深度為200 mm。攻牙過程中，牙距值范圍為0.01～1.99。同時(shí)要求提供可設(shè)定次數(shù)的啄鉆操作。

　　人機(jī)交互界面采用臺(tái)灣威倫電子公司開發(fā)的MT6100i觸摸屏，使用Modbus協(xié)議與微處理器C8051系列單片機(jī)進(jìn)行通信。微處理器通過總線方式對(duì)MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片進(jìn)行控制與參數(shù)讀取。MCX314芯片通過光電耦合驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)鉆頭，整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)主控板硬件設(shè)計(jì)

　　主控板以微控制器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片的控制以及與觸摸屏的串口通信，并對(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片的輸出脈沖進(jìn)行光電耦合，作為伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸入。

　　2.1 主控板硬件框圖

　　主控板主要由微處理器C8051F040和MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片構(gòu)成，兩者通過16位數(shù)據(jù)/地址總線方式通信，MCU通過讀寫運(yùn)動(dòng)控制芯片內(nèi)部寄存器對(duì)其輸出脈沖的開關(guān)、速率和脈沖量等進(jìn)行設(shè)置，并經(jīng)過光電耦合電路驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)做出不同的動(dòng)作。主控板提供RS 232的串行接口作為MCU與觸摸屏的通信接口，通過Modbus協(xié)議由觸摸屏控制MCU對(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)送指令以及讀取數(shù)據(jù)。同時(shí)還提供E2PROM作為參數(shù)存儲(chǔ)模塊，可將設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)保存起來(lái)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)先讀取E2PROM獲取參數(shù)，而無(wú)需每次開機(jī)都重新設(shè)置參數(shù)。主控板框圖如圖2所示。

　　2.2 主拉芯片C8051F040

　　C8051F040單片機(jī)是美國(guó)Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯SoC，具有64 KB FLASH、4 352 B RAM，CAN控制器2.0，2個(gè)串行接口，5個(gè)16位定時(shí)器，12位A/D轉(zhuǎn)換器，8位A/D轉(zhuǎn)換器及12位D/A轉(zhuǎn)換器等，它內(nèi)部還帶有JTAG接口，在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行，使調(diào)試變得非常方便。

　　2.3 運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314

　　MCX314是日本NOVA公司研制的DSP運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，通過它可以控制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或由脈沖型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的4軸的位置、速度和插補(bǔ)，從而進(jìn)行定位控制、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)、任意兩軸的圓弧插補(bǔ)，脈沖速度范圍在1 pps～4 Mpps，可滿足絕大多數(shù)的高速驅(qū)動(dòng)的需求。在MCX314中對(duì)應(yīng)于每軸電機(jī)都有4個(gè)在驅(qū)動(dòng)過程中使之減速停止/立即停止的外部輸入信號(hào)。通過對(duì)這些輸入信號(hào)的分配可以進(jìn)行原點(diǎn)附近的高速檢

　　索、原點(diǎn)檢索、編碼器Z相檢索等，該芯片還有輸入位置控制信號(hào)、報(bào)警信號(hào)和編碼器信號(hào)，而且，在驅(qū)動(dòng)過程中還可以實(shí)時(shí)讀取控制器運(yùn)動(dòng)軌跡的理論位置、實(shí)際位置、驅(qū)動(dòng)速度、加速度、加減速度狀態(tài)等。

　　MCX314運(yùn)動(dòng)控制芯片的性能指標(biāo)如下：

　　(1)能夠同時(shí)控制4個(gè)軸的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī);

　　(2)輸出的驅(qū)動(dòng)速度范圍是從1 pps～4 Mpps;

　　(3)脈沖輸出頻率的精確度大于±0.1%(在CLK=16 MHz時(shí));

　　(4)圓弧/直線插補(bǔ)中，坐標(biāo)范圍是從當(dāng)前位置到-8 388 607～+8 388 607間;

　　(5)圓弧/直線插補(bǔ)中，插補(bǔ)精度是±0.5 LSB;

　　(6)圓弧/直線插補(bǔ)中，插補(bǔ)速度范圍是從1 pps～4 Mpps;

　　(7)連續(xù)插補(bǔ)的最大驅(qū)動(dòng)速度是2 MHz。

　　為達(dá)到系統(tǒng)對(duì)速度及位置精度的控制要求，設(shè)計(jì)中采用了10-3mm/p的下鉆電機(jī)與10-3rad/p的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)軟件流程

　　系統(tǒng)軟件包括觸摸屏軟件與MCU程序。其中觸摸屏軟件設(shè)計(jì)包括操作界面與各寄存器地址分配，通過威倫電子公司的配套組態(tài)軟件Easy Builder系列可以方便地完成這部分軟件的設(shè)計(jì)與下載。本系統(tǒng)中觸摸屏參數(shù)設(shè)置為：PLC類型為Modbus RTU，通信口類型設(shè)置為RS 232/2W，波特率、數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)、效驗(yàn)位、停止位個(gè)數(shù)設(shè)置與MCU系統(tǒng)一致。MCU通過串口中斷接收觸摸屏指令，進(jìn)而控制運(yùn)動(dòng)芯片，其程序主要包括MCU初始化與運(yùn)動(dòng)芯片初始化、串口中斷程序、MCX314運(yùn)動(dòng)芯片讀/寫驅(qū)動(dòng)、鉆孔/攻牙/啄鉆操作函數(shù)以及E2PROM讀寫程序。MCU主函數(shù)流程如圖3所示，串口中斷程序流程如圖4所示。