變加減速結(jié)構(gòu)在開放性數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

變加減速結(jié)構(gòu)控制原理

　　傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中，一般由系統(tǒng)程序直接實現(xiàn)單一特定的加減速控制。它無法保證在機床啟停頻繁的情況下，同時滿足高進給速度的瞬間起停和機床運行的平穩(wěn)性。為解決此問題，一方面要求數(shù)控系統(tǒng)能因機而異、因時而異來動態(tài)確定加減速控制規(guī)律;另一方面，需在控制系統(tǒng)中采用特殊方法來實現(xiàn)這種加減速曲線。本文提出的變加減速結(jié)構(gòu)控制方法采用數(shù)據(jù)庫原理，將加減速控制分為加減速描述與實施兩部分，并將加減速描述與系統(tǒng)程序相分離。這樣，若要改變系統(tǒng)的加減速控制規(guī)律只需獨立地修改加減速描述數(shù)據(jù)，而不需要修改數(shù)控系統(tǒng)程序，從而為用戶提供一種開放的改變加減速曲線新方法。其原理為:將各種理想的加減速曲線事先進行數(shù)字式處理，得到其離散化，并以樣板數(shù)表的形式存放于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的加減速曲線庫中。在數(shù)控系統(tǒng)軟件中，則設(shè)計一條通用的與加減速數(shù)據(jù)庫內(nèi)容無關(guān)的控制通道，由其獨立完成加減速計算和軌跡控制。該方法的實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 變加減速結(jié)構(gòu)控制原理框圖

　　圖1中，加減速曲線庫中存放著各種樣板曲線。系統(tǒng)運行時，首先根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊給出的有關(guān)控制數(shù)據(jù)和來自檢測反饋環(huán)節(jié)的機床實際運行數(shù)據(jù)進行加減速分析。如需加減速控制，則通知曲線選擇模塊從加減速曲線庫中選出最合適的加減速曲線，并發(fā)出加減速控制指令給加減速計算模塊，由其根據(jù)所選定的加減速曲線計算出當前采樣周期的瞬時速度。進一步由插補軌跡計算模塊生成工作臺運動軌跡，并發(fā)出運動指令送往驅(qū)動裝置，最后由驅(qū)動裝置以希望的加減速控制規(guī)律驅(qū)動機床運動，從而使機床運動的動態(tài)特性達到最佳。

三軸運動工作臺組成及特點

　　整個系統(tǒng)以基于“工業(yè)PC機+專業(yè)運動控制卡”為核心，采用松下數(shù)字交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成一個開放式硬件結(jié)構(gòu)。同時配備內(nèi)容豐富、功能強大的運動函數(shù)庫，采用VC++面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，實現(xiàn)PC機、運動控制卡和伺服驅(qū)動器之間的通訊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三軸運動系統(tǒng)組成框圖

　　PC機主要實現(xiàn)加工程序的輸入、編輯、參數(shù)設(shè)置、運動狀態(tài)顯示以及加減速分析計算等非實時控制。運動控制卡完成各運動軸插補軌跡計算、輸出脈沖/方向運動指令信號以及接收機床上一些與運動控制有關(guān)的I/O量輸入。其中，脈沖信號控制電機所走的步數(shù)，方向信號控制電機正反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)三軸的位置控制。X軸、Y軸、Z軸原點、限位檢測是通過一組機械開關(guān)來實現(xiàn)，原點檢測開關(guān)用來生成用戶三維運動系統(tǒng)坐標系原點，限位檢測開關(guān)確保每軸工作行程極限。這些狀態(tài)信號經(jīng)邏輯電平整形電路、光電隔離電路后送入運動控制卡狀態(tài)寄存器中，由CPU隨時讀出，達到對I/O狀態(tài)信號的檢測。在硬件上，由于采用了光電隔離措施，這樣，既隔離了外設(shè)對內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發(fā)事件對計算機系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

　　本系統(tǒng)充分發(fā)揮了PC機軟件資源豐富和計算速度快的優(yōu)點，吸收CAD/CAM的特點，在利用造型軟件生成零件圖后，再利用數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為加工G代碼，將指令G代碼與機床實際位置進行分析比較產(chǎn)生瞬時速度，然后由板卡將其解釋為運動軌跡控制函數(shù)，最后通過調(diào)用運動函數(shù)庫內(nèi)的插補程序段，輸出脈沖和方向信號，控制半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)帶動工作臺運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)所希望的空間軌跡路徑動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。

　　基于松下交流伺服電機驅(qū)動器半閉環(huán)位置控制的實現(xiàn)

　　在松下伺服驅(qū)動器接線端子上，PULS1、SIGN1分別與運動控制器的脈沖信號和方向信號相連，PULS2、SIGN2接+5V信號，形成集電極開路的位置傳輸信號。COM+，COM-分別接+15V電源正負端。SRV-ON與COM-相連。這樣，就完成了位置控制模式下的基本連線。其它連線可根據(jù)系統(tǒng)的需要進行適當連接。參數(shù)設(shè)置通過觸摸面板進行，控制方式選擇置為位置控制，轉(zhuǎn)矩限制置為輸入無效，驅(qū)動禁止置為輸入無效，指令脈沖輸入方式選擇置為脈沖/符號方式，指令脈沖禁止置為輸入無效。每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)置為2500。電子齒輪比可根據(jù)實際需要進行設(shè)置。由于伺服電機通過聯(lián)軸器與工作臺的滾株絲杠相連，機械剛性高，將自動增益調(diào)整時，機械剛性置為9，保證整個傳動系統(tǒng)的高速響應(yīng)性。增益參數(shù)采用自動調(diào)整方式:按照預(yù)定(內(nèi)部設(shè)定)的模式使電機加速和減速，從所需轉(zhuǎn)矩計算負荷的慣量，然后根據(jù)慣量，自動地決定適當?shù)脑鲆?。其它參?shù)按出廠時的缺省設(shè)置。由于傳動機構(gòu)采用了半閉環(huán)交流伺服驅(qū)動，控制精度和運行速度得到極大的提高，大大提高了產(chǎn)品的性價比。

　　在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器接收運動控制器發(fā)出的位置指令信號(脈沖/方向)，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的實際脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號(與位置檢測裝置相同)比較后的偏差信號經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由SPWM輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機的運行。位置控制精度由光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制。它分增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式編碼器構(gòu)造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實際應(yīng)用較多。本系統(tǒng)采用的是增量式光電編碼器。絕對式光電編碼器按二進制編碼輸出，信號線多，由于精度取決于位數(shù)，所以高分辨率不易得到。但是這種編碼器即使不動時也能輸出絕對角度信息，主要用于全閉環(huán)高級數(shù)控機床中。松下公司增量式光電編碼器伺服電機驅(qū)動器方框圖如圖3所示：

圖3 松下公司伺服驅(qū)動器控制方框圖

結(jié)語

　　合理的自動加減速控制是保證高速運動系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的基于固定曲線的自動加減速控制由于缺乏柔性，不易保證在機床運行平穩(wěn)的前提下，實現(xiàn)以過渡過程時間最短為目標的最優(yōu)加減速控制規(guī)律，難以滿足高速加工對精度的要求。采用變加減速結(jié)構(gòu)，利用系統(tǒng)的開放性，將加減速描述與數(shù)控系統(tǒng)程序相分離，使得改變系統(tǒng)加減速性能時只需獨立地修改加減速描述數(shù)據(jù)，它可方便地用實時離散數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。這樣，系統(tǒng)可按實際情況改變升降速控制曲線，保證機床運行的平滑性，是一種適合于高速加工的柔性自動加減速控制方式。