变加减速结构在开放性数控系统中的应用

变加减速结构控制原理

　　传统数控系统中，一般由系统程序直接实现单一特定的加减速控制。它无法保证在机床启停频繁的情况下，同时满足高进给速度的瞬间起停和机床运行的平稳性。为解决此问题，一方面要求数控系统能因机而异、因时而异来动态确定加减速控制规律;另一方面，需在控制系统中采用特殊方法来实现这种加减速曲线。本文提出的变加减速结构控制方法采用数据库原理，将加减速控制分为加减速描述与实施两部分，并将加减速描述与系统程序相分离。这样，若要改变系统的加减速控制规律只需独立地修改加减速描述数据，而不需要修改数控系统程序，从而为用户提供一种开放的改变加减速曲线新方法。其原理为:将各种理想的加减速曲线事先进行数字式处理，得到其离散化，并以样板数表的形式存放于数控系统内的加减速曲线库中。在数控系统软件中，则设计一条通用的与加减速数据库内容无关的控制通道，由其独立完成加减速计算和轨迹控制。该方法的实现原理如图1所示。

图1 变加减速结构控制原理框图

　　图1中，加减速曲线库中存放着各种样板曲线。系统运行时，首先根据数据处理模块给出的有关控制数据和来自检测反馈环节的机床实际运行数据进行加减速分析。如需加减速控制，则通知曲线选择模块从加减速曲线库中选出最合适的加减速曲线，并发出加减速控制指令给加减速计算模块，由其根据所选定的加减速曲线计算出当前采样周期的瞬时速度。进一步由插补轨迹计算模块生成工作台运动轨迹，并发出运动指令送往驱动装置，最后由驱动装置以希望的加减速控制规律驱动机床运动，从而使机床运动的动态特性达到最佳。

三轴运动工作台组成及特点

　　整个系统以基于“工业PC机+专业运动控制卡”为核心，采用松下数字交流伺服系统构成一个开放式硬件结构。同时配备内容丰富、功能强大的运动函数库，采用VC++面向对象的编程技术，实现PC机、运动控制卡和伺服驱动器之间的通讯，其结构如图2所示。

图2 三轴运动系统组成框图

　　PC机主要实现加工程序的输入、编辑、参数设置、运动状态显示以及加减速分析计算等非实时控制。运动控制卡完成各运动轴插补轨迹计算、输出脉冲/方向运动指令信号以及接收机床上一些与运动控制有关的I/O量输入。其中，脉冲信号控制电机所走的步数，方向信号控制电机正反转，以实现三轴的位置控制。X轴、Y轴、Z轴原点、限位检测是通过一组机械开关来实现，原点检测开关用来生成用户三维运动系统坐标系原点，限位检测开关确保每轴工作行程极限。这些状态信号经逻辑电平整形电路、光电隔离电路后送入运动控制卡状态寄存器中，由CPU随时读出，达到对I/O状态信号的检测。在硬件上，由于采用了光电隔离措施，这样，既隔离了外设对内部数字系统的干扰，又能有效地防止过电压、过电流等外界突发事件对计算机系统的损坏，大大提高了系统的控制精度和可靠性。
 

　　本系统充分发挥了PC机软件资源丰富和计算速度快的优点，吸收CAD/CAM的特点，在利用造型软件生成零件图后，再利用数控系统转化为加工G代码，将指令G代码与机床实际位置进行分析比较产生瞬时速度，然后由板卡将其解释为运动轨迹控制函数，最后通过调用运动函数库内的插补程序段，输出脉冲和方向信号，控制半闭环位置伺服系统带动工作台运转，实现所希望的空间轨迹路径动态特性和稳态精度。

　　基于松下交流伺服电机驱动器半闭环位置控制的实现

　　在松下伺服驱动器接线端子上，PULS1、SIGN1分别与运动控制器的脉冲信号和方向信号相连，PULS2、SIGN2接+5V信号，形成集电极开路的位置传输信号。COM+，COM-分别接+15V电源正负端。SRV-ON与COM-相连。这样，就完成了位置控制模式下的基本连线。其它连线可根据系统的需要进行适当连接。参数设置通过触摸面板进行，控制方式选择置为位置控制，转矩限制置为输入无效，驱动禁止置为输入无效，指令脉冲输入方式选择置为脉冲/符号方式，指令脉冲禁止置为输入无效。每转输出脉冲数置为2500。电子齿轮比可根据实际需要进行设置。由于伺服电机通过联轴器与工作台的滚株丝杠相连，机械刚性高，将自动增益调整时，机械刚性置为9，保证整个传动系统的高速响应性。增益参数采用自动调整方式:按照预定(内部设定)的模式使电机加速和减速，从所需转矩计算负荷的惯量，然后根据惯量，自动地决定适当的增益。其它参数按出厂时的缺省设置。由于传动机构采用了半闭环交流伺服驱动，控制精度和运行速度得到极大的提高，大大提高了产品的性价比。

　　在位置控制方式下，伺服驱动器接收运动控制器发出的位置指令信号(脉冲/方向)，送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机旋转时所产生的实际脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号(与位置检测装置相同)比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由SPWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。它分增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实际应用较多。本系统采用的是增量式光电编码器。绝对式光电编码器按二进制编码输出，信号线多，由于精度取决于位数，所以高分辨率不易得到。但是这种编码器即使不动时也能输出绝对角度信息，主要用于全闭环高级数控机床中。松下公司增量式光电编码器伺服电机驱动器方框图如图3所示：

图3 松下公司伺服驱动器控制方框图

结语

　　合理的自动加减速控制是保证高速运动系统动态性能和稳态精度的重要环节。传统的基于固定曲线的自动加减速控制由于缺乏柔性，不易保证在机床运行平稳的前提下，实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律，难以满足高速加工对精度的要求。采用变加减速结构，利用系统的开放性，将加减速描述与数控系统程序相分离，使得改变系统加减速性能时只需独立地修改加减速描述数据，它可方便地用实时离散数据库来实现。这样，系统可按实际情况改变升降速控制曲线，保证机床运行的平滑性，是一种适合于高速加工的柔性自动加减速控制方式。