基于MC464水火彎板機八軸運動控制系統的設計*

陳 翀 程良倫

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510006)

水火彎板工藝是船體外板復雜曲面成型的主要加工方法，具有技術性強、難度大的特點［1］。目前世界各國的造船廠采用的方法都是傳統的水火加工工藝，而且該項工藝仍停留在憑工人的經驗用手工方式來完成的階段。經驗型水火彎板加工方法，存在生產效率低、加工時間長、質量波動大、精度難以控制等問題，所以，各船廠對水火彎板工藝自動化的需求變得十分強烈［2］。當前，水火彎板工藝自動化已經成為實現船體加工自動化的一個重要的發展方向，也是船體建造的一大技術瓶頸。

國內第一臺水火彎板機是由大連理工大學、大連新船重工有限責任公司等機構合作研制的，該機器人解決了加工時鋼板隨機變形引起誤差的難題。廣船國際、上海交通大學于2005年11月研制出國內首臺具有自主知識產權的、全開放式智能控制水火彎板機，并投入生產使用。在國外，日本和韓國在水火彎板機研究中一直處于領先地位。作為水火彎板工藝的發源地，日本早在20世紀五六十年代就開始了對此工藝的探索，1999年日本石川島播磨重工業株式會社研制出一臺曲板成形的自動化加工裝置IHI－α。韓國漢城大學則研制出了ICALM自動水火彎板加工系統［3］。

文中以嵌入式運動控制器MC464為核心，采用運動控制器+PLC+工控上位機的結構形式，以精確定位和快速響應的同步速度跟蹤為控制核心，以節能降耗為基本原則，設計了一套高性能的水火彎板機八軸運動控制系統，最終，提高了加工彎板質量和效率，滿足了生產需求。

1 系統組成與控制原理

1.1 運動控制系統組成

整個水火彎板機控制系統由如圖1所示的三個子部分組成:彎板三維視覺重構系統、工控機與上位機軟件組成的人機界面、MC464與PLC組成的電氣控制系統。每個部分專職完成不同的任務，使得系統組合更合理、有效。文中主要對由上位工控機和電氣控制系統所構成的運動控制系統進行設計研究。

以Trio運動控制器為核心的八軸運動系統負責各軸伺服電動機的聯動控制和位置控制，實現加熱具對彎板的精確加工;PLC系統讀取各限位開關動作信號，進行行程保護，并通過控制加熱器具煤氣、氧氣等電磁閥的開啟和關閉來控制加工過程中水、火槍的工作狀態。上位機主要完成人機對話，文件管理等。

1.2 運動控制系統通信設計

水火彎板機八軸運動控制系統以MC464為核心，采用Trio Basic語言在控制器內實現八軸運動控制程序。此外，運動控制器分別通過以太網口和Modbus與上位PC機和PLC進行通信，完成整個運動控制系統的實時高效控制。如圖2所示為系統各模塊間的通信結構圖。

上位軟件在工控機平臺上使用Microsoft Visual C#開發工具進行開發，主要功能是人機對話，文件管理，以及作為焰道計算軟件和MC464的數據傳輸中介，一方面通過ActiveX控件將焰道計算軟件生成的焰道數據發送到控制器，另一方面從控制器中讀取當前彎板加工參數供上位界面顯示，兩者采用以太網口進行通信。

MC464本機的數字I/O和模擬輸入輸出資源有限，遠遠無法滿足本系統的設計需求，所以，使用PLC對輸入輸出口進行擴展，把所有數字量的輸入輸出和模擬量的輸入輸出交給PLC進行處理，兩者通過Modbus進行數據的實時交互。

運動控制系統通信設計中，運動控制器只負責傳輸部分運動數據和加熱具控制命令、數字I/O信號，數據通信量小，保證了八軸運動控制的實時性和穩定性。

2 八軸運動控制

2.1 伺服控制方式

伺服控制模式有位置模式、速度模式和轉矩模式3種模式，伺服系統可以包含電流環、速度環和位置環［4］。在實際的運動控制系統中，伺服控制方式應根據運動伺服控制系統的硬件結構和實際需求來進行選擇。文中設計的水火彎板機八軸運動控制系統采用英國Trio公司最新推出的一款高速、高精度嵌入式運動控制器MC464，其采用國際先進的64位處理器實現了高精度的控制運算，400 MHz主頻及200 MHz DDR內存，使得運算速度更快，確保對各個軸的基準控制。

針對控制器的以上特點及水火彎板加工過程中的實際需求，系統中各軸均采用速度控制模式。在速度控制模式下，伺服驅動器沒有實現位置環，無法實現位置控制，但對于整個伺服系統，實際上是將位置環的功能移到運算速度更快的運動控制器上來實現，控制器通過驅動器間接獲得位置信號的反饋，通過模擬量輸出口輸出模擬電壓指令來驅動伺服控制器，控制電壓大小和極性對應被控速度的大小和方向。通過采用該控制方式，各軸的位置、速度控制都能夠得到可靠的保證，滿足了彎板機運動控制需求。

2.2 八軸運動控制設計

文中所設計的水火彎板機采用龍門式結構，整個系統共設計了八個軸:機床縱向移動X1、X2軸;機械手在龍門架上橫向移動Y軸;機械手垂直上下移動Z軸;火槍旋動R1軸;火槍擺動R2軸;火槍頭360°旋轉C軸;水槍繞火槍旋轉V軸。如圖3和圖4所示為水火彎板機結構圖和機械手結構圖。

機床縱向X1、X2和橫向Y軸，控制機床在XOY平面上自由運動，完成加工點的初步定位;R1、R2軸的旋轉和擺動可以保證火槍頭在加工過程中始終垂直于待加工彎板曲面上當前加工點的切面，使得彎板受熱均勻，結合槍頭垂直方向的運動可以精確地控制彎板加工時火焰至彎板的距離，提高了彎板加工的質量。控制V軸的旋轉可以實現水槍始終跟隨火槍移動，有利于節約水資源和提高冷卻效果。C軸的設計使得加工時，擴展了火槍加熱面，提高了彎板機加工效率。表1為八軸運動控制系統各軸的運動精度和范圍指標。

表1 八軸運動控制系統運動性能指標

表2 PLC讀寫Trio控制器VR區數據通信協議數據包舉例

八軸運動控制系統的設計，解決了水火彎板工藝中彎板受熱不均、加工大曲率板困難、資源浪費等問題，提高了加工質量和效率。

3 基于Modbus的Trio與PLC通信設計

3.1 通信數據包設計

Modbus協議是MODICON公司推出的一個開放式現場總線通信協議，已經成為了一種通用的工業標準，該協議采用主從技術，是一種問答式的通信協議［5］。通信時，主機按照規定的數據格式給從機發送一系列數據信息，從機接收到主機發送的信息后，對信息進行解讀，執行后，再按規定的數據格式應答。系統通過Modbus通信協議來完成Trio與PLC間的實時通信。圖5是Trio與PLC的Modbus RTU通信協議數據通信模式。

Trio運動控制器提供了內置功能的Modbus RTU協議，支持Modbus從站協議，允許主機讀寫運動控制器內部寄存器VR［6］。在 Trio與PLC進行數據交換時，并不需要在運動控制器內部編寫通信程序，只需對運動控制器的相關通信參數進行設置即可，通過在PLC內編寫Modbus主站協議通信程序對Trio運動控制器內的VR區進行讀寫。另外，由于Modbus通信中數據是以16位寄存器的方式進行傳輸，而一個VR變量對應為24位寄存器，所以，通信時VR的值必須拆成高低字節分別傳送。表2給出了PLC讀寫Trio控制器VR區數據包格式，例1中PLC從Trio中讀取地址為0×001F開始的4個VR寄存器共8個字節的數據。例2中PLC將兩個16位的數寫到地址為0×0006開始的兩個VR寄存器，表中數據均為16進制格式。

3.2 浮點數通信

在Trio運動控制器中，VR區可以存放實數，其浮點數的存放格式符合IEEE 754標準，如表3所示，而在Modbus通信中，VR只被作為16位的寄存器來使用，而實數占4個字節共32位，所以，在傳送實數時，必須先將實數拆成4個字節進行傳送，接收到后重新轉化成一個正確的實數。

表3 Trio中浮點數數據格式

在表3所示的浮點數表示方式中，采用浮點數的大小等于底數乘以2的指數次方的方法計算相關數據位，但需要注意IEEE規定:因指數可正可負，標準格式中的指數位記錄的是計算所得次方加上127，對應的實際指數范圍為－126到128;標準格式中的底數記錄的是將計算所得底數變換至小數點前只剩一位為1的形式后的小數部分［7］。例如將浮點數18.5轉換成二進制表示的單精度數，首先將18.5轉換成二進制的形式為10010.1，進一步轉換為1.00101*24。所以，存儲格式中的底數為00101，指數為4+127=131為10000011。即可得出浮點數18.5對應的float存儲格式為:0100 0001 1001 0100 0000 0000 0000 0000即為十六進制數41 94 00 00。

針對浮點數的存儲格式轉換問題，Trio運動控制器中提供了兩條命令可實現浮點數跟二進制之間的轉化。IEEE 1N(byte0，bytel，byte2，byte3)返回四個字節表示的浮點數。IEEE_OUT(value，n)返回浮點數value轉化為二進制數后的第n個字節的值。以下程序1是Trio從PLC讀取2兩個字的數據并轉換成浮點數的數據轉換程序，程序2是Trio將一個浮點數傳給PLC前，先轉換成兩個字的數據格式的轉換程序，兩個程序均在Trio運動控制程序中完成。

程序1:

程序2:

4 基于以太網的Trio與工控上位機通信設計

為了方便用戶程序設計，Trio公司提供了Trio ActiveX控件，該控件可以被大多數軟件開發平臺支持［8］。八軸運動控制系統上位機軟件采用Microsoft Visual C#在工控機上編程實現，在加載該控件后，采用Modbus TCP協議進行以太網通信時，上位機可以直接對Trio內部的全局變量進行讀寫，實現上位機和Trio數據的實時交換。

圖6為Trio與上位機間的通信框圖。在運動控制器內建立主進程、運動控制進程和實時狀態進程。彎板加工時，上位機主程序將加工命令參數發送至主進程，主進程啟動運動控制進程和實時狀態進程，進行相應操作并將當前加工參數信息反饋至上位機主程序，上位機則根據加工實時參數信息，不斷更新運動控制器內TABLE數據區數據，運動控制進程再從TABLE數據區讀取數據，控制電動機運動，完成彎板加工。

5 結語

八軸運動控制系統設計以先進的運動控制器為核心，通過以太網協議與上位工控機的交互完成人機對話，與控制器PLC進行Modbus通信實現I/O口的擴展和多軸聯動，滿足全自動控制與機電一體化的需求，系統結構合理，實時性和協調性得到可靠保證，從而實現了該機在船板水火加工的自動化，縮短造船周期，提高船舶建造質量，降低造船成本，最終提高造船企業的生產效益。

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