From bc7e879c30924ca4ba9570c9c2e1051022cb7896 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: chuan Date: Wed, 13 May 2026 14:13:52 +0800 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?docs:=20=E6=8B=86=E5=88=86=E5=8D=8F=E8=AE=AE?= =?UTF-8?q?=E6=96=87=E6=A1=A3?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- README.md | 269 +++----------------------------------------------- docs/proto.md | 251 ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 2 files changed, 267 insertions(+), 253 deletions(-) create mode 100644 docs/proto.md diff --git a/README.md b/README.md index 8495a3a..69c3833 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -1,259 +1,18 @@ -# 线激光器上位机与运动控制器 Modbus RTU 通信协议 +# line-laser-modbus -## 1. 协议概述 +线激光器上位机与运动控制器的 Modbus RTU 通信模块，覆盖模式命令、设备状态、6 轴位姿、目标示教位姿和 6 轴纠偏量的读写。 -本协议用于焊缝识别设备（简称视觉设备）（主站）与运动控制器（从站）之间的双向通信，实现6轴位置/姿态数据传输、工作模式控制、设备状态反馈，覆盖系统标定、焊前示教、在线跟踪、轨迹批量复现全工作阶段。协议采用Modbus RTU标准，支持后期切换至Modbus TCP（寄存器地址、数据格式、功能码完全不变）。 +协议文档见 [docs/proto.md](docs/proto.md)。 -## 2. 基础通信参数 +## 功能 -### 2.1 串口参数 +- 基于 `pymodbus` 的 Modbus RTU 串口客户端 +- 按协议实现 uint16、float32、XYZABC 位姿和 CRC16 编解码 +- 提供无硬件内存模拟器用于测试 +- 提供模式状态机校验和 20ms 轮询运行器 +- 使用 TOML 作为运行配置入口 -| 参数名称 | 参数值 | 说明 | -| --- | --- | --- | -| 波特率 | 115200 bps | | -| 数据位 | 8位 | | -| 停止位 | 1位 | | -| 校验位 | 无校验（8N1） | 依赖CRC16校验保证数据完整性，简化配置 | -| 帧间隔 | ≥3.5个字符时间 | Modbus RTU标准要求，避免帧粘连 | - -### 2.2 协议核心规则 - -| 规则名称 | 具体要求 | 说明 | -| --- | --- | --- | -| 主从角色 | 主站：视觉设备；
从站：运动控制器 | 主站主动发起读写请求，从站被动响应、执行指令 | -| 从站地址（Slave ID） | 0x08（固定） | 后期切换Modbus TCP时，Unit ID保持一致 | -| 寄存器类型 | 仅使用保持寄存器（Holding Register） | 支持读写操作，适配位置、姿态、命令、状态等数据传输 | -| 核心功能码 | 0x03（读保持寄存器）；0x10（写多个保持寄存器） | 不使用其他功能码 | -| 字节序 | 大端模式（Big-Endian） | 高寄存器高字节在前，解析时需按此规则拼接数据 | -| 编址方式 | 寄存器从0xD000开始绝对编址 | 后期可切换到Modbus TCP | -| CRC16校验 | 多项式0xA001，初始值0xFFFF，低字节在前、高字节在后 | 每帧数据末尾添加2字节CRC校验，确保数据传输无误 | - -## 3. 保持寄存器地址映射 - -| 起始地址（十六进制） | 寄存器数量 | 数据类型 | 通信方向 | 寄存器名称 | 详细说明 | -| --- | --- | --- | --- | --- | --- | -| 0xD000 | 1 | ushort | 视觉→控制器 | 模式命令字 | 控制控制器切换工作模式，取值范围0~5（详见4.1） | -| 0xD001 | 1 | ushort | 控制器→视觉 | 设备状态字 | 反馈控制器当前运行状态，取值范围0~6（详见4.2） | -| 0xD002 ~ 0xD009 | 8 | 保留 | — | 预留扩展寄存器 | 暂不使用，用于后期功能扩展（如新增参数配置） | -| 0xD00A | 12 | float | 控制器→视觉 | 当前6轴位姿 | 反馈控制器当前实际位置（X/Y/Z）和姿态（A/B/C），具体排布详见5.1 | -| 0xD016 | 12 | float | 视觉→控制器 | 目标示教位姿 | 激光扫描后下发的标准轨迹位姿（X/Y/Z/A/B/C），具体排布详见5.2 | -| 0xD022 | 12 | float | 视觉→控制器 | 6轴全量纠偏量 | 实时下发的位置偏差（ΔX/ΔY/ΔZ）和姿态偏差（ΔA/ΔB/ΔC），具体排布详见5.3 | -| 0xD02E ~ 0xD02F | 2 | 保留 | — | 标定参数预留 | 用于存储手眼标定相关参数，后期可扩展使用 | - -## 4. 模式命令字与设备状态字详细定义 - -### 4.1 模式命令字（地址：0xD000，视觉→控制器） - -用于切换工作模式，由运动控制上位机下发到运动控制器，视觉设备轮询运动控制器读取设置值并执行对应逻辑，取值范围0~5。 - -| 模式值 | 模式名称 | 主辅角色 | 核心功能 | 适用场景 | -| --- | --- | --- | --- | --- | -| 0 | 待机复位模式 | 空闲态 | 控制器停机、轨迹清空、纠偏量清零，处于就绪待命状态；视觉仅监控状态，不下发任何控制指令 | 上电初始、停机复位、模式切换前过渡 | -| 1 | 系统标定模式 | 控制器主、视觉辅 | 控制器按标定流程自动走位到标定点；视觉读取控制器当前位姿，完成手眼标定计算，下发标定参数 | 设备首次调试、视觉与控制器坐标系校准 | -| 2 | 焊前扫描示教模式 | 视觉主、控制器辅 | 视觉扫描工件轮廓，拟合空间轨迹，循环下发目标示教位姿；控制器跟随走位，记录轨迹点并内部保存 | 批量生产前，生成标准工艺轨迹 | -| 3 | 在线全轴跟踪模式 | 视觉主、控制器辅 | 视觉20ms周期读取控制器当前位姿，计算6轴全量偏差并下发；控制器按“基准轨迹+实时纠偏”连续运动 | 工件偏差较大、需实时跟随的生产场景（如焊接、坡口切割） | -| 4 | 轨迹批量复现模式 | 控制器主、视觉辅 | 控制器调用内部保存的标准轨迹，自动循环批量运行；视觉仅监控位姿，小幅下发纠偏量，超差报警 | 工件一致性好、批量量产的场景 | -| 5 | 紧急停止模式 | 系统强制态 | 任意模式下可立即切入，控制器立刻断使能、急停刹车；视觉暂停扫描、停止下发指令，仅保持通信监听 | 设备故障、安全隐患、紧急停机场景 | - -### 4.2 设备状态字（地址：0xD001，控制器→视觉） - -用于反馈运动控制器当前的运行状态，由控制器实时更新，视觉设备读取后判断设备工况，取值范围0~6。 - -| 状态值 | 状态名称 | 对应模式 | 详细说明 | -| --- | --- | --- | --- | -| 0 | 待机就绪 | 0（待机复位） | 控制器停机、无故障、无轨迹，等待模式指令下发 | -| 1 | 运动运行中 | 2（示教）、3（跟踪）、4（复现） | 控制器正在执行运动指令（跟随示教、实时跟踪、批量复现） | -| 2 | 示教完成 | 2（示教） | 视觉扫描示教完成，控制器已保存完整标准轨迹，可切换至跟踪或复现模式 | -| 3 | 在线跟踪正常 | 3（跟踪） | 实时跟踪正常，纠偏量在合理范围，无超差、无故障 | -| 4 | 设备报警 | 任意模式 | 出现异常（轨迹超差、限位触发、通信故障、电机故障等），控制器停机，等待排查 | -| 5 | 标定完成 | 1（标定） | 系统标定流程完成，坐标系校准成功，可切换至其他运行模式 | -| 6 | 急停已触发 | 5（急停） | 紧急停止指令已执行，控制器锁定所有运动，仅可切换至待机模式 | - -## 5. 6轴数据（位置/姿态/纠偏）详细格式 - -当前位姿、目标示教位姿、6轴纠偏量均为6个32位float，排布顺序统一（X→Y→Z→A→B→C），每个float占用2个连续寄存器，大端模式存储，解析规则一致。 - -### 5.1 当前6轴位姿（地址：0xD00A ~ 0xD015，控制器→视觉） - -反馈控制器当前实际的位置和姿态，视觉设备读取后用于标定计算、跟踪偏差分析、状态监控。 - -| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应物理量 | 单位 | 说明 | -| --- | --- | --- | --- | --- | -| 0xD00A ~ 0xD00B | float | X 位置 | mm | 空间X轴坐标，根据实际设备坐标系定义 | -| 0xD00C ~ 0xD00D | float | Y 位置 | mm | 空间Y轴坐标 | -| 0xD00E ~ 0xD00F | float | Z 位置 | mm | 空间Z轴坐标（垂直方向） | -| 0xD010 ~ 0xD011 | float | A 姿态角 | °（度） | 绕X轴翻滚角 | -| 0xD012 ~ 0xD013 | float | B 姿态角 | °（度） | 绕Y轴俯仰角 | -| 0xD014 ~ 0xD015 | float | C 姿态角 | °（度） | 绕Z轴偏航角 | - -### 5.2 目标示教位姿（地址：0xD016 ~ 0xD021，视觉→控制器） - -激光扫描工件后，拟合生成的标准轨迹位姿，下发给控制器后，控制器跟随走位并保存轨迹，排布与当前位姿完全一致。 - -| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应物理量 | 单位 | 说明 | -| --- | --- | --- | --- | --- | -| 0xD016 ~ 0xD017 | float | X 目标位置 | mm | 示教轨迹的X轴坐标 | -| 0xD018 ~ 0xD019 | float | Y 目标位置 | mm | 示教轨迹的Y轴坐标 | -| 0xD01A ~ 0xD01B | float | Z 目标位置 | mm | 示教轨迹的Z轴坐标 | -| 0xD01C ~ 0xD01D | float | A 目标姿态角 | °（度） | 示教轨迹的绕X轴翻滚角 | -| 0xD01E ~ 0xD01F | float | B 目标姿态角 | °（度） | 示教轨迹的绕Y轴俯仰角 | -| 0xD020 ~ 0xD021 | float | C 目标姿态角 | °（度） | 示教轨迹的绕Z轴偏航角 | - -### 5.3 6轴全量纠偏量（地址：0xD022 ~ 0xD02D，视觉→控制器） - -视觉设备根据当前位姿与目标轨迹的偏差，实时计算并下发纠偏数据，控制器接收后叠加到基准轨迹，实现高精度跟踪。 - -| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应偏差量 | 单位 | 说明 | -| --- | --- | --- | --- | --- | -| 0xD022 ~ 0xD023 | float | ΔX 偏差 | mm | X轴方向偏差，正值=正向纠偏，负值=反向纠偏 | -| 0xD024 ~ 0xD025 | float | ΔY 偏差 | mm | Y轴方向偏差 | -| 0xD026 ~ 0xD027 | float | ΔZ 偏差 | mm | Z轴方向偏差 | -| 0xD028 ~ 0xD029 | float | ΔA 偏差 | °（度） | 绕X轴姿态偏差 | -| 0xD02A ~ 0xD02B | float | ΔB 偏差 | °（度） | 绕Y轴姿态偏差 | -| 0xD02C ~ 0xD02D | float | ΔC 偏差 | °（度） | 绕Z轴姿态偏差 | - -## 6. Modbus RTU 帧格式标准 - -所有通信帧均遵循以下格式，CRC16校验码位于帧末尾，用于验证数据完整性；仅使用0x03（读）和0x10（写）两个功能码。 - -### 6.1 读保持寄存器（功能码：0x03） - -用于视觉设备读取控制器的寄存器数据（如当前位姿、设备状态字），控制器被动响应并返回数据。 - -#### 6.1.1 请求帧格式（主站→从站） - -| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | -| --- | --- | --- | --- | -| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08 | -| 2 | 1B | 功能码 | 0x03（读保持寄存器） | -| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 大端模式，如读取模式+状态，起始地址为0xD000 | -| 5~6 | 2B | 读取寄存器数量 | 大端模式，如读取2个寄存器（模式+状态），数量为0x0002 | -| 7~8 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | - -#### 6.1.2 响应帧格式（从站→主站） - -| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | -| --- | --- | --- | --- | -| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08，与请求帧一致 | -| 2 | 1B | 功能码 | 0x03，与请求帧一致 | -| 3 | 1B | 数据字节长度 | 后续数据的总字节数（1个16位ushort=2B，1个float=4B） | -| 4~N | NB | 寄存器数据 | 按大端模式排列，连续存储 | -| N+1~N+2 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | - -### 6.2 写多个保持寄存器（功能码：0x10） - -用于视觉设备向控制器下发数据（如模式命令、目标位姿、纠偏量），控制器接收后执行并返回确认帧。 - -#### 6.2.1 请求帧格式（主站→从站） - -| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | -| --- | --- | --- | --- | -| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08 | -| 2 | 1B | 功能码 | 0x10（写多个保持寄存器） | -| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 大端模式，如写模式命令，起始地址为0xD000 | -| 5~6 | 2B | 写入寄存器数量 | 大端模式，如写1个寄存器（模式命令），数量为0x0001 | -| 7 | 1B | 后续字节数 | 写入数据的总字节数（1个16位ushort=2B，1个float=4B） | -| 8~N | NB | 寄存器数据 | 按大端模式排列，连续存储 | -| N+1~N+2 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | - -#### 6.2.2 响应帧格式（从站→主站） - -控制器接收并执行写指令后，返回确认帧，仅反馈写指令的关键信息，不返回写入的数据。 - -| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | -| --- | --- | --- | --- | -| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08，与请求帧一致 | -| 2 | 1B | 功能码 | 0x10，与请求帧一致 | -| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 与请求帧一致，大端模式 | -| 5~6 | 2B | 写入寄存器数量 | 与请求帧一致，大端模式 | -| 7~8 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | - -## 7. 常用指令帧示例 - -以下指令帧均为十六进制格式，CRC16校验码已计算（可根据实际数据重新校验），适配所有工作阶段，直接下发即可执行。 - -| 指令用途 | 指令帧（十六进制） | 说明 | -| --- | --- | --- | -| 读模式命令字+设备状态字（一次读2个寄存器） | 08 03 D0 00 00 02 FC 52 | 从站0x08，读起始地址0xD000，读2个寄存器，CRC= FC 52 | -| 写模式：进入待机复位模式（0xD000=0） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 00 1D CD | 从站0x08，写起始地址0xD000，写1个寄存器，数据=0x0000，CRC=1D CD | -| 写模式：进入系统标定模式（0xD000=1） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 01 DC 0D | 数据=0x0001，CRC= DC 0D | -| 写模式：进入焊前扫描示教模式（0xD000=2） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 02 9C 0C | 数据=0x0002，CRC=9C 0C | -| 写模式：进入在线全轴跟踪模式（0xD000=3） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 03 5D CC | 数据=0x0003，CRC=5D CC | -| 写模式：进入轨迹批量复现模式（0xD000=4） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 04 1C 0E | 数据=0x0004，CRC=1C 0E | -| 写模式：紧急停止（0xD000=5） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 05 DD CE | 数据=0x0005，CRC= DD CE | -| 读当前6轴位姿（起始0xD00A，读12个寄存器） | 08 03 D0 0A 00 0C 5D 94 | 读X/Y/Z/A/B/C当前位姿，CRC=5D 94 | -| 写6轴全量纠偏量（起始0xD022，写12个寄存器） | 08 10 D0 22 00 0C 18 3F 80 00 00 40 00 00 00 40 40 00 00 00 00 00 00 3F 80 00 00 40 00 00 00 3D 5C | 示例数据：ΔX=1.0、ΔY=2.0、ΔZ=3.0、ΔA=0.0、ΔB=1.0、ΔC=2.0，CRC=3D 5C | -| 读设备状态字（单独读，起始0xD001，读1个寄存器） | 08 03 D0 01 00 01 ED 93 | 单独读取当前设备状态，CRC= ED 93 | - -## 8. 各模式下通信行为规范 - -明确各工作模式下，主站（视觉）与从站（控制器）的通信职责，确保主辅关系清晰、通信高效，避免数据冲突。 - -### 8.1 待机复位模式（0） - -控制器：轴停机、轨迹清空、纠偏清零、就绪待命。 - -视觉设备：只读取状态字与当前位姿，不下发目标位姿、不下发纠偏量。 - -### 8.2 系统标定模式（1） - -控制器：按标定流程自动走标定点位。 - -视觉设备：周期读取 6 轴当前位姿，进行手眼标定计算，不启用示教与实时纠偏。 - -### 8.3 焊前扫描示教模式（2） - -控制器：跟随激光下发的目标 6 轴位姿运动，自动记录并保存完整轨迹。 - -视觉设备：扫描工件轮廓，连续生成并下发 XYZABC 目标示教位姿。 - -### 8.4 在线全轴跟踪模式（3） - -视觉设备以 20ms 固定周期轮询： - -读取控制器当前 6 轴位姿； - -对比理论轨迹，计算 ΔX ΔY ΔZ ΔA ΔB ΔC 全量偏差； - -写入 6 轴纠偏量寄存器。 - -控制器：基准轨迹叠加实时全轴纠偏，连续插补运动。 - -### 8.5 轨迹批量复现模式（4） - -控制器主导：调用内部已保存标准轨迹，自动循环批量运行。 - -视觉辅助：仅周期读取位姿做轨迹监控；仅小装夹偏差做微量 6 轴纠偏；偏差超阈值直接报警停机，不重新规划轨迹。 - -### 8.6 紧急停止模式（5） - -任意模式可立即切入；控制器立刻停止所有轴运动、锁定使能；视觉设备停止轨迹下发、停止纠偏输出，仅保持通信监听。 - -## 9 模式状态机切换规则 - -- （1）任意模式可随时切换至 0 待机、5 急停； - -- （2）急停 5 只能退回 0 待机，不能直接进入运行模式； - -- （3）标定完成自动回待机； - -- （4）示教完成可切待机、在线跟踪、批量复现； - -- （5）在线跟踪与轨迹批量复现可互相切换； - -- （6）非法模式值控制器直接拒收不执行。 - -## 10 通信时序与稳定性要求 - -- （1）视觉设备独立线程轮询周期：20ms； - -- （2）单帧通信超时：50ms，超时重发，多次超时判定通信断开； - -## 11 Python 实现说明 - -本仓库提供 `line_laser_modbus` Python 模块，使用 Python 3.12 和 `uv` 管理依赖。真实串口通信基于 `pymodbus`，无硬件测试使用内存模拟器。 - -### 11.1 安装与测试 +## 安装与测试 ```powershell python -m uv sync --default-index https://mirrors.ustc.edu.cn/pypi/simple @@ -261,7 +20,7 @@ python -m uv run pytest python -m uv run ruff check ``` -### 11.2 模拟运行 +## 模拟运行 ```powershell python -m uv run line-laser-modbus --simulate read-status @@ -270,7 +29,7 @@ python -m uv run line-laser-modbus --simulate poll-once --target 1 2 3 0 1 2 python -m uv run line-laser-modbus --simulate demo ``` -### 11.3 TOML 配置 +## TOML 配置 外部配置入口参考 `config.example.toml`。真实串口运行时可使用： @@ -279,3 +38,7 @@ python -m uv run line-laser-modbus --config config.example.toml read-status ``` 配置文件包含 `[serial]` 和 `[polling]` 两段，其中 `[polling]` 用于配置 20ms 轮询周期和连续超时判定次数。 + +## 类型标记 + +`src/line_laser_modbus/py.typed` 是 PEP 561 类型标记文件。它可以为空，文件存在本身就表示这个包发布后应被类型检查器按 typed package 处理。 diff --git a/docs/proto.md b/docs/proto.md new file mode 100644 index 0000000..1d1b964 --- /dev/null +++ b/docs/proto.md @@ -0,0 +1,251 @@ +# 线激光器上位机与运动控制器 Modbus RTU 通信协议 + +## 1. 协议概述 + +本协议用于焊缝识别设备（简称视觉设备）（主站）与运动控制器（从站）之间的双向通信，实现6轴位置/姿态数据传输、工作模式控制、设备状态反馈，覆盖系统标定、焊前示教、在线跟踪、轨迹批量复现全工作阶段。协议采用Modbus RTU标准，支持后期切换至Modbus TCP（寄存器地址、数据格式、功能码完全不变）。 + +## 2. 基础通信参数 + +### 2.1 串口参数 + +| 参数名称 | 参数值 | 说明 | +| --- | --- | --- | +| 波特率 | 115200 bps | | +| 数据位 | 8位 | | +| 停止位 | 1位 | | +| 校验位 | 无校验（8N1） | 依赖CRC16校验保证数据完整性，简化配置 | +| 帧间隔 | ≥3.5个字符时间 | Modbus RTU标准要求，避免帧粘连 | + +### 2.2 协议核心规则 + +| 规则名称 | 具体要求 | 说明 | +| --- | --- | --- | +| 主从角色 | 主站：视觉设备；
从站：运动控制器 | 主站主动发起读写请求，从站被动响应、执行指令 | +| 从站地址（Slave ID） | 0x08（固定） | 后期切换Modbus TCP时，Unit ID保持一致 | +| 寄存器类型 | 仅使用保持寄存器（Holding Register） | 支持读写操作，适配位置、姿态、命令、状态等数据传输 | +| 核心功能码 | 0x03（读保持寄存器）；0x10（写多个保持寄存器） | 不使用其他功能码 | +| 字节序 | 大端模式（Big-Endian） | 高寄存器高字节在前，解析时需按此规则拼接数据 | +| 编址方式 | 寄存器从0xD000开始绝对编址 | 后期可切换到Modbus TCP | +| CRC16校验 | 多项式0xA001，初始值0xFFFF，低字节在前、高字节在后 | 每帧数据末尾添加2字节CRC校验，确保数据传输无误 | + +## 3. 保持寄存器地址映射 + +| 起始地址（十六进制） | 寄存器数量 | 数据类型 | 通信方向 | 寄存器名称 | 详细说明 | +| --- | --- | --- | --- | --- | --- | +| 0xD000 | 1 | ushort | 视觉→控制器 | 模式命令字 | 控制控制器切换工作模式，取值范围0~5（详见4.1） | +| 0xD001 | 1 | ushort | 控制器→视觉 | 设备状态字 | 反馈控制器当前运行状态，取值范围0~6（详见4.2） | +| 0xD002 ~ 0xD009 | 8 | 保留 | — | 预留扩展寄存器 | 暂不使用，用于后期功能扩展（如新增参数配置） | +| 0xD00A | 12 | float | 控制器→视觉 | 当前6轴位姿 | 反馈控制器当前实际位置（X/Y/Z）和姿态（A/B/C），具体排布详见5.1 | +| 0xD016 | 12 | float | 视觉→控制器 | 目标示教位姿 | 激光扫描后下发的标准轨迹位姿（X/Y/Z/A/B/C），具体排布详见5.2 | +| 0xD022 | 12 | float | 视觉→控制器 | 6轴全量纠偏量 | 实时下发的位置偏差（ΔX/ΔY/ΔZ）和姿态偏差（ΔA/ΔB/ΔC），具体排布详见5.3 | +| 0xD02E ~ 0xD02F | 2 | 保留 | — | 标定参数预留 | 用于存储手眼标定相关参数，后期可扩展使用 | + +## 4. 模式命令字与设备状态字详细定义 + +### 4.1 模式命令字（地址：0xD000，视觉→控制器） + +用于切换工作模式，由运动控制上位机下发到运动控制器，视觉设备轮询运动控制器读取设置值并执行对应逻辑，取值范围0~5。 + +| 模式值 | 模式名称 | 主辅角色 | 核心功能 | 适用场景 | +| --- | --- | --- | --- | --- | +| 0 | 待机复位模式 | 空闲态 | 控制器停机、轨迹清空、纠偏量清零，处于就绪待命状态；视觉仅监控状态，不下发任何控制指令 | 上电初始、停机复位、模式切换前过渡 | +| 1 | 系统标定模式 | 控制器主、视觉辅 | 控制器按标定流程自动走位到标定点；视觉读取控制器当前位姿，完成手眼标定计算，下发标定参数 | 设备首次调试、视觉与控制器坐标系校准 | +| 2 | 焊前扫描示教模式 | 视觉主、控制器辅 | 视觉扫描工件轮廓，拟合空间轨迹，循环下发目标示教位姿；控制器跟随走位，记录轨迹点并内部保存 | 批量生产前，生成标准工艺轨迹 | +| 3 | 在线全轴跟踪模式 | 视觉主、控制器辅 | 视觉20ms周期读取控制器当前位姿，计算6轴全量偏差并下发；控制器按“基准轨迹+实时纠偏”连续运动 | 工件偏差较大、需实时跟随的生产场景（如焊接、坡口切割） | +| 4 | 轨迹批量复现模式 | 控制器主、视觉辅 | 控制器调用内部保存的标准轨迹，自动循环批量运行；视觉仅监控位姿，小幅下发纠偏量，超差报警 | 工件一致性好、批量量产的场景 | +| 5 | 紧急停止模式 | 系统强制态 | 任意模式下可立即切入，控制器立刻断使能、急停刹车；视觉暂停扫描、停止下发指令，仅保持通信监听 | 设备故障、安全隐患、紧急停机场景 | + +### 4.2 设备状态字（地址：0xD001，控制器→视觉） + +用于反馈运动控制器当前的运行状态，由控制器实时更新，视觉设备读取后判断设备工况，取值范围0~6。 + +| 状态值 | 状态名称 | 对应模式 | 详细说明 | +| --- | --- | --- | --- | +| 0 | 待机就绪 | 0（待机复位） | 控制器停机、无故障、无轨迹，等待模式指令下发 | +| 1 | 运动运行中 | 2（示教）、3（跟踪）、4（复现） | 控制器正在执行运动指令（跟随示教、实时跟踪、批量复现） | +| 2 | 示教完成 | 2（示教） | 视觉扫描示教完成，控制器已保存完整标准轨迹，可切换至跟踪或复现模式 | +| 3 | 在线跟踪正常 | 3（跟踪） | 实时跟踪正常，纠偏量在合理范围，无超差、无故障 | +| 4 | 设备报警 | 任意模式 | 出现异常（轨迹超差、限位触发、通信故障、电机故障等），控制器停机，等待排查 | +| 5 | 标定完成 | 1（标定） | 系统标定流程完成，坐标系校准成功，可切换至其他运行模式 | +| 6 | 急停已触发 | 5（急停） | 紧急停止指令已执行，控制器锁定所有运动，仅可切换至待机模式 | + +## 5. 6轴数据（位置/姿态/纠偏）详细格式 + +当前位姿、目标示教位姿、6轴纠偏量均为6个32位float，排布顺序统一（X→Y→Z→A→B→C），每个float占用2个连续寄存器，大端模式存储，解析规则一致。 + +### 5.1 当前6轴位姿（地址：0xD00A ~ 0xD015，控制器→视觉） + +反馈控制器当前实际的位置和姿态，视觉设备读取后用于标定计算、跟踪偏差分析、状态监控。 + +| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应物理量 | 单位 | 说明 | +| --- | --- | --- | --- | --- | +| 0xD00A ~ 0xD00B | float | X 位置 | mm | 空间X轴坐标，根据实际设备坐标系定义 | +| 0xD00C ~ 0xD00D | float | Y 位置 | mm | 空间Y轴坐标 | +| 0xD00E ~ 0xD00F | float | Z 位置 | mm | 空间Z轴坐标（垂直方向） | +| 0xD010 ~ 0xD011 | float | A 姿态角 | °（度） | 绕X轴翻滚角 | +| 0xD012 ~ 0xD013 | float | B 姿态角 | °（度） | 绕Y轴俯仰角 | +| 0xD014 ~ 0xD015 | float | C 姿态角 | °（度） | 绕Z轴偏航角 | + +### 5.2 目标示教位姿（地址：0xD016 ~ 0xD021，视觉→控制器） + +激光扫描工件后，拟合生成的标准轨迹位姿，下发给控制器后，控制器跟随走位并保存轨迹，排布与当前位姿完全一致。 + +| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应物理量 | 单位 | 说明 | +| --- | --- | --- | --- | --- | +| 0xD016 ~ 0xD017 | float | X 目标位置 | mm | 示教轨迹的X轴坐标 | +| 0xD018 ~ 0xD019 | float | Y 目标位置 | mm | 示教轨迹的Y轴坐标 | +| 0xD01A ~ 0xD01B | float | Z 目标位置 | mm | 示教轨迹的Z轴坐标 | +| 0xD01C ~ 0xD01D | float | A 目标姿态角 | °（度） | 示教轨迹的绕X轴翻滚角 | +| 0xD01E ~ 0xD01F | float | B 目标姿态角 | °（度） | 示教轨迹的绕Y轴俯仰角 | +| 0xD020 ~ 0xD021 | float | C 目标姿态角 | °（度） | 示教轨迹的绕Z轴偏航角 | + +### 5.3 6轴全量纠偏量（地址：0xD022 ~ 0xD02D，视觉→控制器） + +视觉设备根据当前位姿与目标轨迹的偏差，实时计算并下发纠偏数据，控制器接收后叠加到基准轨迹，实现高精度跟踪。 + +| 寄存器地址范围 | 数据类型 | 对应偏差量 | 单位 | 说明 | +| --- | --- | --- | --- | --- | +| 0xD022 ~ 0xD023 | float | ΔX 偏差 | mm | X轴方向偏差，正值=正向纠偏，负值=反向纠偏 | +| 0xD024 ~ 0xD025 | float | ΔY 偏差 | mm | Y轴方向偏差 | +| 0xD026 ~ 0xD027 | float | ΔZ 偏差 | mm | Z轴方向偏差 | +| 0xD028 ~ 0xD029 | float | ΔA 偏差 | °（度） | 绕X轴姿态偏差 | +| 0xD02A ~ 0xD02B | float | ΔB 偏差 | °（度） | 绕Y轴姿态偏差 | +| 0xD02C ~ 0xD02D | float | ΔC 偏差 | °（度） | 绕Z轴姿态偏差 | + +## 6. Modbus RTU 帧格式标准 + +所有通信帧均遵循以下格式，CRC16校验码位于帧末尾，用于验证数据完整性；仅使用0x03（读）和0x10（写）两个功能码。 + +### 6.1 读保持寄存器（功能码：0x03） + +用于视觉设备读取控制器的寄存器数据（如当前位姿、设备状态字），控制器被动响应并返回数据。 + +#### 6.1.1 请求帧格式（主站→从站） + +| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | +| --- | --- | --- | --- | +| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08 | +| 2 | 1B | 功能码 | 0x03（读保持寄存器） | +| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 大端模式，如读取模式+状态，起始地址为0xD000 | +| 5~6 | 2B | 读取寄存器数量 | 大端模式，如读取2个寄存器（模式+状态），数量为0x0002 | +| 7~8 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | + +#### 6.1.2 响应帧格式（从站→主站） + +| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | +| --- | --- | --- | --- | +| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08，与请求帧一致 | +| 2 | 1B | 功能码 | 0x03，与请求帧一致 | +| 3 | 1B | 数据字节长度 | 后续数据的总字节数（1个16位ushort=2B，1个float=4B） | +| 4~N | NB | 寄存器数据 | 按大端模式排列，连续存储 | +| N+1~N+2 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | + +### 6.2 写多个保持寄存器（功能码：0x10） + +用于视觉设备向控制器下发数据（如模式命令、目标位姿、纠偏量），控制器接收后执行并返回确认帧。 + +#### 6.2.1 请求帧格式（主站→从站） + +| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | +| --- | --- | --- | --- | +| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08 | +| 2 | 1B | 功能码 | 0x10（写多个保持寄存器） | +| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 大端模式，如写模式命令，起始地址为0xD000 | +| 5~6 | 2B | 写入寄存器数量 | 大端模式，如写1个寄存器（模式命令），数量为0x0001 | +| 7 | 1B | 后续字节数 | 写入数据的总字节数（1个16位ushort=2B，1个float=4B） | +| 8~N | NB | 寄存器数据 | 按大端模式排列，连续存储 | +| N+1~N+2 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | + +#### 6.2.2 响应帧格式（从站→主站） + +控制器接收并执行写指令后，返回确认帧，仅反馈写指令的关键信息，不返回写入的数据。 + +| 字节位置 | 字节长度 | 内容 | 说明 | +| --- | --- | --- | --- | +| 1 | 1B | 从站地址 | 固定为0x08，与请求帧一致 | +| 2 | 1B | 功能码 | 0x10，与请求帧一致 | +| 3~4 | 2B | 起始寄存器地址 | 与请求帧一致，大端模式 | +| 5~6 | 2B | 写入寄存器数量 | 与请求帧一致，大端模式 | +| 7~8 | 2B | CRC16校验码 | 低字节在前、高字节在后 | + +## 7. 常用指令帧示例 + +以下指令帧均为十六进制格式，CRC16校验码已计算（可根据实际数据重新校验），适配所有工作阶段，直接下发即可执行。 + +| 指令用途 | 指令帧（十六进制） | 说明 | +| --- | --- | --- | +| 读模式命令字+设备状态字（一次读2个寄存器） | 08 03 D0 00 00 02 FC 52 | 从站0x08，读起始地址0xD000，读2个寄存器，CRC= FC 52 | +| 写模式：进入待机复位模式（0xD000=0） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 00 1D CD | 从站0x08，写起始地址0xD000，写1个寄存器，数据=0x0000，CRC=1D CD | +| 写模式：进入系统标定模式（0xD000=1） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 01 DC 0D | 数据=0x0001，CRC= DC 0D | +| 写模式：进入焊前扫描示教模式（0xD000=2） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 02 9C 0C | 数据=0x0002，CRC=9C 0C | +| 写模式：进入在线全轴跟踪模式（0xD000=3） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 03 5D CC | 数据=0x0003，CRC=5D CC | +| 写模式：进入轨迹批量复现模式（0xD000=4） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 04 1C 0E | 数据=0x0004，CRC=1C 0E | +| 写模式：紧急停止（0xD000=5） | 08 10 D0 00 00 01 02 00 05 DD CE | 数据=0x0005，CRC= DD CE | +| 读当前6轴位姿（起始0xD00A，读12个寄存器） | 08 03 D0 0A 00 0C 5D 94 | 读X/Y/Z/A/B/C当前位姿，CRC=5D 94 | +| 写6轴全量纠偏量（起始0xD022，写12个寄存器） | 08 10 D0 22 00 0C 18 3F 80 00 00 40 00 00 00 40 40 00 00 00 00 00 00 3F 80 00 00 40 00 00 00 3D 5C | 示例数据：ΔX=1.0、ΔY=2.0、ΔZ=3.0、ΔA=0.0、ΔB=1.0、ΔC=2.0，CRC=3D 5C | +| 读设备状态字（单独读，起始0xD001，读1个寄存器） | 08 03 D0 01 00 01 ED 93 | 单独读取当前设备状态，CRC= ED 93 | + +## 8. 各模式下通信行为规范 + +明确各工作模式下，主站（视觉）与从站（控制器）的通信职责，确保主辅关系清晰、通信高效，避免数据冲突。 + +### 8.1 待机复位模式（0） + +控制器：轴停机、轨迹清空、纠偏清零、就绪待命。 + +视觉设备：只读取状态字与当前位姿，不下发目标位姿、不下发纠偏量。 + +### 8.2 系统标定模式（1） + +控制器：按标定流程自动走标定点位。 + +视觉设备：周期读取 6 轴当前位姿，进行手眼标定计算，不启用示教与实时纠偏。 + +### 8.3 焊前扫描示教模式（2） + +控制器：跟随激光下发的目标 6 轴位姿运动，自动记录并保存完整轨迹。 + +视觉设备：扫描工件轮廓，连续生成并下发 XYZABC 目标示教位姿。 + +### 8.4 在线全轴跟踪模式（3） + +视觉设备以 20ms 固定周期轮询： + +读取控制器当前 6 轴位姿； + +对比理论轨迹，计算 ΔX ΔY ΔZ ΔA ΔB ΔC 全量偏差； + +写入 6 轴纠偏量寄存器。 + +控制器：基准轨迹叠加实时全轴纠偏，连续插补运动。 + +### 8.5 轨迹批量复现模式（4） + +控制器主导：调用内部已保存标准轨迹，自动循环批量运行。 + +视觉辅助：仅周期读取位姿做轨迹监控；仅小装夹偏差做微量 6 轴纠偏；偏差超阈值直接报警停机，不重新规划轨迹。 + +### 8.6 紧急停止模式（5） + +任意模式可立即切入；控制器立刻停止所有轴运动、锁定使能；视觉设备停止轨迹下发、停止纠偏输出，仅保持通信监听。 + +## 9 模式状态机切换规则 + +- （1）任意模式可随时切换至 0 待机、5 急停； + +- （2）急停 5 只能退回 0 待机，不能直接进入运行模式； + +- （3）标定完成自动回待机； + +- （4）示教完成可切待机、在线跟踪、批量复现； + +- （5）在线跟踪与轨迹批量复现可互相切换； + +- （6）非法模式值控制器直接拒收不执行。 + +## 10 通信时序与稳定性要求 + +- （1）视觉设备独立线程轮询周期：20ms； + +- （2）单帧通信超时：50ms，超时重发，多次超时判定通信断开； +