變加減速結構在開放性數控系統中的實際應用

    隨著計算機總線技術越來越成熟，數控系統也由固定模式發展為具有開放性結構，能方便用戶進行客制化重組的柔性模式。結合數據庫原理，將影響系統過渡過程的加減速曲線，采用變結構控制方式，能有效提高數控機床的動態性能和穩態精度。

變加減速結構控制原理 

    傳統數控系統中，一般由系統程序直接實現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性。為解決此問題，一方面要求數控系統能因機而異、因時而異來動態確定加減速控制規律;另一方面，需在控制系統中采用特殊方法來實現這種加減速曲線。本文提出的變加減速結構控制方法采用數據庫原理，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程序相分離。這樣，若要改變系統的加減速控制規律只需獨立地修改加減速描述數據，而不需要修改數控系統程序，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字式處理，得到其離散化，并以樣板數表的形式存放于數控系統內的加減速曲線庫中。在數控系統軟件中，則設計一條通用的與加減速數據庫內容無關的控制通道，由其獨立完成加減速計算和軌跡控制。

    加減速曲線庫中存放著各種樣板曲線。系統運行時，首先根據數據處理模塊給出的有關控制數據和來自檢測反饋環節的機床實際運行數據進行加減速分析。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，并發出加減速控制指令給加減速計算模塊，由其根據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，并發出運動指令送往驅動裝置，最后由驅動裝置以希望的加減速控制規律驅動機床運動，從而使機床運動的動態特性達到最佳。

三軸運動工作臺組成及特點

    整個系統以基于“工業PC機+專業運動控制卡”為核心，采用松下數字交流伺服系統構成一個開放式硬件結構。同時配備內容豐富、功能強大的運動函數庫，采用VC++面向對象的編程技術，實現PC機、運動控制卡和伺服驅動器之間的通訊。

    PC機主要實現加工程序的輸入、編輯、參數設置、運動狀態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的I/O量輸入。其中，脈沖信號控制電機所走的步數，方向信號控制電機正反轉，以實現三軸的位置控制。X軸、Y軸、Z軸原點、限位檢測是通過一組機械開關來實現，原點檢測開關用來生成用戶三維運動系統坐標系原點，限位檢測開關確保每軸工作行程極限。這些狀態信號經邏輯電平整形電路、光電隔離電路后送入運動控制卡狀態寄存器中，由CPU隨時讀出，達到對I/O狀態信號的檢測。在硬件上，由于采用了光電隔離措施，這樣，既隔離了外設對內部數字系統的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發事件對計算機系統的損壞，大大提高了系統的控制精度和可靠性。

    本系統充分發揮了PC機軟件資源豐富和計算速度快的優點，吸收CAD/CAM的特點，在利用造型軟件生成零件圖后，再利用數控系統轉化為加工G代碼，將指令G代碼與機床實際位置進行分析比較產生瞬時速度，然后由板卡將其解釋為運動軌跡控制函數，最后通過調用運動函數庫內的插補程序段，輸出脈沖和方向信號，控制半閉環位置伺服系統帶動工作臺運轉，實現所希望的空間軌跡路徑動態特性和穩態精度。

基于松下交流伺服電機驅動器半閉環位置控制的實現

     在松下伺服驅動器接線端子上，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。其它連線可根據系統的需要進行適當連接。參數設置通過觸摸面板進行，控制方式選擇置為位置控制，轉矩限制置為輸入無效，驅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。每轉輸出脈沖數置為2500。電子齒輪比可根據實際需要進行設置。由于伺服電機通過聯軸器與工作臺的滾株絲杠相連，機械剛性高，將自動增益調整時，機械剛性置為9，保證整個傳動系統的高速響應性。增益參數采用自動調整方式:按照預定(內部設定)的模式使電機加速和減速，從所需轉矩計算負荷的慣量，然后根據慣量，自動地決定適當的增益。其它參數按出廠時的缺省設置。由于傳動機構采用了半閉環交流伺服驅動，控制精度和運行速度得到極大的提高，大大提高了產品的性價比。

    在位置控制方式下，伺服驅動器接收運動控制器發出的位置指令信號(脈沖/方向)，送入脈沖列形態，經電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數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時所產生的實際脈沖數，經四倍頻后產生的。位置偏差信號經位置環的復合前饋控制器調節后，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速度環比例積分控制器調節后產生電流指令信號，在電流環中經矢量變換后，由SPWM輸出轉矩電流，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產生的脈沖數控制。它分增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式編碼器構造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實際應用較多。本系統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，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，主要用于全閉環高級數控機床中。

結語

    合理的自動加減速控制是保證高速運動系統動態性能和穩態精度的重要環節。傳統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的前提下，實現以過渡過程時間最短為目標的最優加減速控制規律，難以滿足高速加工對精度的要求。采用變加減速結構，利用系統的開放性，將加減速描述與數控系統程序相分離，使得改變系統加減速性能時只需獨立地修改加減速描述數據，它可方便地用實時離散數據庫來實現。這樣，系統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。