基于時(shí)基的通用數(shù)控車床雙通道控制方法研究*

閆 森，徐彥偉，頡潭成，何愛軍，庫祥臣，李新星

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南 安陽 455000)

基于時(shí)基的通用數(shù)控車床雙通道控制方法研究*

閆 森1，徐彥偉1，頡潭成1，何愛軍2，庫祥臣1，李新星1

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司，河南 安陽 455000)

提出了一種基于時(shí)基的通用數(shù)控車床的雙通道控制方法。通過對(duì)雙通道復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，構(gòu)建雙通道系統(tǒng)控制模型。對(duì)PMAC模塊系統(tǒng)進(jìn)行了PID參數(shù)整定，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。建立了雙通道間的信號(hào)通訊，在時(shí)基控制原理的基礎(chǔ)上，完成了雙通道控制系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)控制算法。最后搭建雙通道試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并完成了通道間的同步跟隨試驗(yàn)，得出在不同主軸轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)跟隨誤差，驗(yàn)證了雙通道控制系統(tǒng)的精度及可靠性。

雙通道控制；復(fù)合式；數(shù)控系統(tǒng)

0 引言

現(xiàn)今，中國市場(chǎng)對(duì)數(shù)控機(jī)床需求量大，在一定程度上促進(jìn)了高檔數(shù)控系統(tǒng)、專用數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。但是，目前高檔數(shù)控市場(chǎng)仍被國外品牌占領(lǐng)并實(shí)行技術(shù)封鎖，而專用機(jī)床尤其是非圓活塞加工專用系統(tǒng)價(jià)格昂貴、通用性差[1]。工業(yè)零件的復(fù)雜性增加和富有競爭性的產(chǎn)品生命周期的縮短使得國內(nèi)廠家難以承擔(dān)起研發(fā)和制造專用系統(tǒng)所需的時(shí)間和費(fèi)用。

本文針對(duì)當(dāng)前中國市場(chǎng)提出一種通過自主設(shè)計(jì)PMAC控制模塊與現(xiàn)有通用數(shù)控裝備進(jìn)行組合，構(gòu)成復(fù)合加工組合式數(shù)控車床。這種多通道控制方式改造，使改造后的組合式數(shù)控車床既保留其傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)，又具備雙通道復(fù)合加工功能。為國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一種新思路。

1 雙通道復(fù)合加工數(shù)控系統(tǒng)的建立

1.1 雙通道復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

雙通道復(fù)合式數(shù)控是對(duì)并行加工過程的控制，其每個(gè)通道相當(dāng)于一個(gè)控制系統(tǒng)，允許用戶配置相應(yīng)進(jìn)給軸、刀庫軸或是主軸。通過雙通道控制模型的建立與通道間控制算法的實(shí)現(xiàn)，使得通道間即能獨(dú)立運(yùn)行，又可以相互協(xié)作共同完成復(fù)合加工任務(wù)。

其系統(tǒng)功能如圖1所示。雙通道系統(tǒng)中，通用數(shù)控模塊通過對(duì)主軸、X軸、Z軸的控制完成傳統(tǒng)車削工藝功能；PMAC模塊中，占用PMAC控制器一個(gè)軸口，定義為X1軸。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可根據(jù)所需的不同功能選取相應(yīng)電機(jī)，例如：平板直線電機(jī)、可高頻往復(fù)進(jìn)給的音圈電機(jī)亦或通用的交流伺服電機(jī)。不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可為通用數(shù)控車床拓展不同的零件加工范圍。PMAC模塊與通用數(shù)控模塊相當(dāng)于兩個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)兩者的通訊，需共享主軸及Z軸編碼器信號(hào)，以完成對(duì)工件的復(fù)合式車削。

圖1 雙通道復(fù)合加工系統(tǒng)功能圖

1.2 雙通道系統(tǒng)控制模型

雙通道控制系統(tǒng)由通用數(shù)控模塊和自主設(shè)計(jì)的PMAC模塊構(gòu)成。通用數(shù)控模塊中，本文選取某機(jī)床廠CK6142型臥式數(shù)控車床，配備華中HNC-210A數(shù)控系統(tǒng)。PMAC模塊中，選取PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為控制機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，編碼器為反饋機(jī)構(gòu)。根據(jù)所需加工要求設(shè)計(jì)專用傳動(dòng)刀架，專用刀架安裝在通用數(shù)控車床X方向滑臺(tái)上，以主軸為對(duì)稱，與普通四工位刀架構(gòu)成雙刀架結(jié)構(gòu)。

雙通道控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：采取上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，以工控機(jī)為雙通道控制的上位機(jī)。下位機(jī)中，PMAC模塊實(shí)現(xiàn)X1軸的運(yùn)動(dòng)控制；通用數(shù)控模塊實(shí)現(xiàn)主軸、X軸、Z軸的運(yùn)動(dòng)控制及系統(tǒng)潤滑、冷卻等輔助功能；上位機(jī)不參與實(shí)時(shí)控制，只需實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)程序編譯、加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

圖2 雙通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 PMAC模塊系統(tǒng)調(diào)試

PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為用戶提供了PID和階式位置伺服環(huán)濾波器，其適用于各類電機(jī)的優(yōu)化控制，其中控制量u的控制規(guī)律為：

(1)

式中，Kp為比例增益，Ti為積分增益，Td為微分增益，這種常規(guī)的數(shù)字PID算法通過調(diào)節(jié)以上參數(shù)可減小系統(tǒng)理論位移和實(shí)際位移的差值，獲得系統(tǒng)最佳控制量以提高運(yùn)動(dòng)控制的精度。在PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡中，濾波器中各增益值通過設(shè)置每個(gè)電機(jī)相應(yīng)的I變量來調(diào)節(jié)。本文中，X1軸占用PMAC的2號(hào)軸口，其相應(yīng)的PID參數(shù)由以下I變量賦值。比例增益：I230，提供系統(tǒng)硬度；微分增益：I231，消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分增益：I233，提供穩(wěn)定需要的阻尼；此外，PMAC還提供了速度前饋增益：I232，減小阻尼引入的跟隨誤差；加速度前饋增益：I235，減小系統(tǒng)慣性帶來的跟隨誤差。其計(jì)算輸出的PID算法公式如下：

(2)

式中，DACount(n)為16位伺服周期輸出命令，其值由I269定義；I208為內(nèi)部位置放大系數(shù)；I209為速度環(huán)內(nèi)部放大系數(shù)；在伺服周期n內(nèi)，F(xiàn)E(n)為跟隨誤差；CV(n) 為指令速度；CA(n) 為指令加速度；IE(n) 為跟隨誤差積分；AV(n) 為實(shí)際速度。當(dāng)PMAC閉合控制伺服環(huán)時(shí)，它會(huì)由以上參數(shù)每周期內(nèi)的變化產(chǎn)生為逼近要求位置所需要的位置輸出值，以達(dá)到控制要求，為通道間的復(fù)合運(yùn)動(dòng)加工精度提供了基礎(chǔ)。

圖3 系統(tǒng)階躍響應(yīng)效果圖

PMAC運(yùn)動(dòng)控制器提供一種根據(jù)階躍響應(yīng)曲線來完成系統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法，為便于階躍曲線的效果分析，此處設(shè)定以1000脈沖為階躍幅度，以500ms為階躍響應(yīng)時(shí)間，得出峰值時(shí)間與調(diào)節(jié)時(shí)間的理想階躍響應(yīng)效果，如圖3所示。PID整定結(jié)果的相關(guān)參數(shù)值見表1。

表1 PID參數(shù)整定值

表1中的參數(shù)整定值將系統(tǒng)響應(yīng)曲線的上升時(shí)間降至0.011s。有效地提高了PMAC模塊的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，為通道間的同步運(yùn)動(dòng)控制精度奠定了基礎(chǔ)。

2 通道間的通訊及同步控制

2.1 通道間的通訊實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)通道間的通訊，需對(duì)主軸及Z軸編碼器信號(hào)進(jìn)行雙路同步隔離輸出此處選取高速光耦隔離的XFGB5型編碼器脈沖分配器，并在分配電路中采用雙絞屏蔽線連接以加強(qiáng)信號(hào)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)抗干擾同步隔離輸出兩路反饋信號(hào)。

利用示波器對(duì)編碼器信號(hào)分配效果進(jìn)行波形檢測(cè)，以Z軸編碼器A相信號(hào)為例，將其信號(hào)分離前后波形進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

(a) 信號(hào)分離前 (b) 信號(hào)分離后圖4 信號(hào)分配效果圖

圖4 a為信號(hào)分離前編碼器A相輸入信號(hào)波形，圖4 b為信號(hào)分離后同步輸出的兩路A相信號(hào)波形，經(jīng)對(duì)比，分離前后信號(hào)無明顯雜波、干擾和失真現(xiàn)象，分配效果理想。為雙通道間的同步運(yùn)動(dòng)提供了精確的位置信號(hào)通訊保證。

2.2 通道間的同步控制

2.2.1 PMAC時(shí)基控制原理

時(shí)基控制是一種使PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡與外部軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間基數(shù)控制方法，即用外部輸入信號(hào)的頻率來控制加工運(yùn)動(dòng)和程序執(zhí)行速度的方法。時(shí)基控制是通過外部的伺服周期時(shí)間來給每個(gè)伺服周期內(nèi)的位置提供一個(gè)指令修改公式，而伺服周期的實(shí)際時(shí)間及動(dòng)態(tài)性能并沒有改變，僅僅是指令軌跡的速率隨外部頻率變化。

另外，時(shí)基控制還提供一種與外部軸運(yùn)動(dòng)特殊點(diǎn)同步的觸發(fā)控制方法。這項(xiàng)特性使用編碼器的硬件捕捉功能，在主動(dòng)軸編碼器上將一精確位置鎖定在捕捉器中，以此位置作為時(shí)基控制運(yùn)動(dòng)的零點(diǎn)位置。通過時(shí)基控制功能可精確的實(shí)現(xiàn)通道間的同步運(yùn)動(dòng)。

2.2.2 同步算法及運(yùn)動(dòng)編程

為實(shí)現(xiàn)雙通道時(shí)基控制的同步算法，需完成以下設(shè)計(jì)與計(jì)算：

(1)信號(hào)解碼與插補(bǔ)

為獲取更好的信號(hào)精度，對(duì)于主軸及Z軸編碼器的正交信號(hào)，我們選擇4倍正交譯碼(I70x0=3)，定義每個(gè)編碼器周期為4步。一旦信號(hào)解碼后，每個(gè)伺服周期信號(hào)的值都被輸入編碼器轉(zhuǎn)換表，此處使用1/T轉(zhuǎn)換法，可提供更好的信號(hào)脈沖插補(bǔ)，以顯著提高時(shí)基信息的平滑度。

(2)時(shí)基計(jì)算與賦值

時(shí)基控制的關(guān)鍵在于PMAC所設(shè)的虛擬時(shí)間與實(shí)際距離之間的關(guān)系，即外部實(shí)時(shí)輸入頻率(RTIF)。時(shí)間基數(shù)轉(zhuǎn)換的公式如下：

(3)

式中：%value即進(jìn)給率超調(diào)值，用以控制位置更新率，此值為100時(shí)，程序和運(yùn)動(dòng)將以“真實(shí)時(shí)間”執(zhí)行；TBSF為一整數(shù)值，須確定此值以準(zhǔn)確的完成時(shí)間基數(shù)的配置；INPUT為計(jì)數(shù)率(由信號(hào)和編碼器I變量決定)當(dāng)通過“實(shí)時(shí)”輸入計(jì)數(shù)頻率時(shí)，程序和運(yùn)動(dòng)以指定的速度運(yùn)行，此時(shí)%value的值為100，解出時(shí)基因子：

(4)

其中實(shí)時(shí)輸入頻率RTIF計(jì)算公式：

RTIF=主軸轉(zhuǎn)速×編碼器分辨率×解碼步數(shù)

本文中，PMAC模塊需跟隨主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，此處應(yīng)根據(jù)主軸編碼器信號(hào)的相關(guān)參數(shù)來計(jì)算PMAC所需的時(shí)基因子TBSF。以主軸轉(zhuǎn)速1200r/min、主軸編碼器分辨率2048線/r、四步頻為例：計(jì)算得出RTIF為163.84步/ms；時(shí)基因子TBSF=800。

使用時(shí)基控制和時(shí)基觸發(fā)功能時(shí)，需對(duì)PMAC進(jìn)行相關(guān)I變量的設(shè)置：用戶必須指定哪一個(gè)編碼器寄存器接受外部輸入頻率，及其與程序執(zhí)行速度間的關(guān)系，即TBSF的數(shù)值及存放位置。TBSF及時(shí)基最大變化率等設(shè)置參數(shù)通過I變量賦值輸入PMAC，由上文中的計(jì)算結(jié)果對(duì)時(shí)基控制過程中所需設(shè)置的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行I變量賦值在部分設(shè)置如表2所示。

表2 I變量設(shè)置

(3)運(yùn)動(dòng)編程

雙通道運(yùn)動(dòng)的程序分為通用數(shù)控模塊程序與PMAC模塊程序兩部分。此處著重介紹由外部時(shí)基控制下的PMAC運(yùn)動(dòng)編程。程序流程圖如圖5所示。

圖5 PMAC時(shí)基控制程序流程圖

零件加工時(shí)，PMAC模塊在運(yùn)動(dòng)至復(fù)合加工跟隨零點(diǎn)時(shí)，必須先停止運(yùn)動(dòng)和前瞻，凍結(jié)時(shí)基，凍結(jié)指令為M99=＄90，待收到時(shí)基觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)后開始跟隨運(yùn)動(dòng)。PMAC運(yùn)動(dòng)程序無法準(zhǔn)備觸發(fā)功能，為了程序可靠的運(yùn)行，時(shí)基觸發(fā)利用PMAC內(nèi)置PLC來控制完成。PLC程序中，根據(jù)時(shí)基是否被凍結(jié)以及系統(tǒng)是否已運(yùn)動(dòng)至跟隨零點(diǎn)為判斷條件，來觸發(fā)時(shí)基信號(hào)，觸發(fā)指令為M99=＄B0。本文中，以通用數(shù)控Z軸加工零點(diǎn)為觸發(fā)位置，Z軸編碼器信號(hào)經(jīng)過信號(hào)分離接入PMAC控制器3號(hào)軸口，其信號(hào)存儲(chǔ)位置為D：＄00018B，賦值量為M362。故時(shí)基跟隨觸發(fā)信號(hào)為M362=0。

3 通道間的同步跟隨實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文雙通道改造方法精度及可靠性，設(shè)計(jì)通道間的同步跟隨實(shí)驗(yàn)。PMAC模塊選擇臺(tái)達(dá)ASDA-B2系列伺服驅(qū)動(dòng)及ECMA-C交流伺服電機(jī)為軸X1的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其有關(guān)參數(shù)為：編碼器線數(shù)為2500pulse，四倍細(xì)分，單周脈沖數(shù)為1000ppr，絲杠螺距選取3mm，由單位脈沖位移量的計(jì)算公式可得出X1軸單位脈沖位移量為0.0001mm。

實(shí)驗(yàn)方案為雙通道配合同步跟隨實(shí)驗(yàn)，PMAC模塊以通用數(shù)控模塊Z軸坐標(biāo)零點(diǎn)為復(fù)合加工跟隨零點(diǎn)，跟隨主軸旋轉(zhuǎn)。并由PMAC內(nèi)置數(shù)據(jù)采集軟件Plot Pro2監(jiān)測(cè)不同主軸轉(zhuǎn)速下X1軸跟隨誤差的脈沖個(gè)數(shù)。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出不同轉(zhuǎn)速下X1軸跟隨誤差曲線，如圖6所示，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，跟隨誤差脈沖個(gè)數(shù)呈線性遞增趨勢(shì)。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下X1軸跟隨誤差曲線圖

由圖6中不同轉(zhuǎn)速下的脈沖跟隨誤差及X1軸單位脈沖位移量，計(jì)算得出：主軸轉(zhuǎn)速為500r/min時(shí)，通道間跟隨誤差為0.0032mm；主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，通道間跟隨誤差為0.0066mm；主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，通道間跟隨誤差為0.0085r/min；主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min時(shí)，跟隨誤差為0.0131mm。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過對(duì)雙通道控制理論的研究及通道間的跟隨實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于時(shí)基的通用數(shù)控車床雙通道控制方法的可行性。

(2)雙通道數(shù)控車床可進(jìn)行復(fù)合加工的主軸轉(zhuǎn)速范圍為0～2000r/min范圍內(nèi)，加工過程中跟隨誤差隨主軸轉(zhuǎn)速升高而線性增加。

(3)添加PMAC模塊構(gòu)成的雙通道數(shù)控車床的復(fù)合加工精度為微米級(jí)，其跟隨誤差小于0.0131mm。

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(編輯 李秀敏)

Research on Double-Channel Control of General NC Lathe Based on Time-base

YAN Sen1，XU Yan-wei1，XIE Tan-cheng1，HE Ai-jun2，KU Xiang-chen1，LI Xin-xing1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering , Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471003,China;2.Anyang Xinsheng Machine Tool Co., Ltd,Anyang Henan 455000,China)

A method of gneral NC lathe double-channel control based on time-base was proposed.Constructed the double-channel model of control system by the fuction struction dividing of double-channel recombition CNC.acocomplish the PID parameters setting for the PMAC moudle system, improve the dynamic response characteristic of system. realizing the communication and Synchronous motion control algorithm between the channels on the basis of time-base control theory. Finally establishing the experiment platform and design synchronous following test between the channels, obtain the system following error under different spindle speed, validity the accuracy and reliability of the double-channel system.

double-channel control; compound; CNC

1001-2265(2014)07-0080-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.022

2014-03-07；

2014-04-10

國家自然科學(xué)基金(51305127)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A460018)；河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012QN024)

閆森(1991—)，河南開封人，河南科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化控制，(E-mail)yansen0626@163.com；通訊作者：頡潭成(1966—)，男，甘肅天水人，河南科技大學(xué)教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控單元技術(shù)等。

TH16 ；TG65

A