基于時基的通用數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 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.安陽鑫盛機床股份有限公司，河南 安陽 455000)

基于時基的通用數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 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.安陽鑫盛機床股份有限公司，河南 安陽 455000)

提出了一種基于時基的通用數控車床的雙通道控制方法。通過對雙通道復合式數控系統的功能結構進行劃分，構建雙通道系統控制模型。對PMAC模塊系統進行了PID參數整定，提高了系統的動態響應特性。建立了雙通道間的信號通訊，在時基控制原理的基礎上，完成了雙通道控制系統的同步運動控制算法。最后搭建雙通道試驗平臺，設計并完成了通道間的同步跟隨試驗，得出在不同主軸轉速下的系統跟隨誤差，驗證了雙通道控制系統的精度及可靠性。

雙通道控制；復合式；數控系統

0 引言

現今，中國市場對數控機床需求量大，在一定程度上促進了高檔數控系統、專用數控系統的發展。但是，目前高檔數控市場仍被國外品牌占領并實行技術封鎖，而專用機床尤其是非圓活塞加工專用系統價格昂貴、通用性差[1]。工業零件的復雜性增加和富有競爭性的產品生命周期的縮短使得國內廠家難以承擔起研發和制造專用系統所需的時間和費用。

本文針對當前中國市場提出一種通過自主設計PMAC控制模塊與現有通用數控裝備進行組合，構成復合加工組合式數控車床。這種多通道控制方式改造，使改造后的組合式數控車床既保留其傳統的數控系統及機械結構，又具備雙通道復合加工功能。為國內數控機床的發展提供了一種新思路。

1 雙通道復合加工數控系統的建立

1.1 雙通道復合式數控系統的功能結構

雙通道復合式數控是對并行加工過程的控制，其每個通道相當于一個控制系統，允許用戶配置相應進給軸、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現，使得通道間即能獨立運行，又可以相互協作共同完成復合加工任務。

其系統功能如圖1所示。雙通道系統中，通用數控模塊通過對主軸、X軸、Z軸的控制完成傳統車削工藝功能；PMAC模塊中，占用PMAC控制器一個軸口，定義為X1軸。其中，執行機構可根據所需的不同功能選取相應電機，例如：平板直線電機、可高頻往復進給的音圈電機亦或通用的交流伺服電機。不同的執行機構可為通用數控車床拓展不同的零件加工范圍。PMAC模塊與通用數控模塊相當于兩個獨立的控制系統。為實現兩者的通訊，需共享主軸及Z軸編碼器信號，以完成對工件的復合式車削。

圖1 雙通道復合加工系統功能圖

1.2 雙通道系統控制模型

雙通道控制系統由通用數控模塊和自主設計的PMAC模塊構成。通用數控模塊中，本文選取某機床廠CK6142型臥式數控車床，配備華中HNC-210A數控系統。PMAC模塊中，選取PMAC運動控制卡為控制機構，驅動器、電機為執行機構，編碼器為反饋機構。根據所需加工要求設計專用傳動刀架，專用刀架安裝在通用數控車床X方向滑臺上，以主軸為對稱，與普通四工位刀架構成雙刀架結構。

雙通道控制系統結構如圖2所示：采取上下位機結構，以工控機為雙通道控制的上位機。下位機中，PMAC模塊實現X1軸的運動控制；通用數控模塊實現主軸、X軸、Z軸的運動控制及系統潤滑、冷卻等輔助功能；上位機不參與實時控制，只需實現參數設置、運動程序編譯、加工狀態監測等功能。

圖2 雙通道系統結構圖

1.3 PMAC模塊系統調試

PMAC運動控制卡為用戶提供了PID和階式位置伺服環濾波器，其適用于各類電機的優化控制，其中控制量u的控制規律為：

(1)

式中，Kp為比例增益，Ti為積分增益，Td為微分增益，這種常規的數字PID算法通過調節以上參數可減小系統理論位移和實際位移的差值，獲得系統最佳控制量以提高運動控制的精度。在PMAC運動控制卡中，濾波器中各增益值通過設置每個電機相應的I變量來調節。本文中，X1軸占用PMAC的2號軸口，其相應的PID參數由以下I變量賦值。比例增益：I230，提供系統硬度；微分增益：I231，消除穩態誤差；積分增益：I233，提供穩定需要的阻尼；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，減小系統慣性帶來的跟隨誤差。其計算輸出的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為內部位置放大系數；I209為速度環內部放大系數；在伺服周期n內，FE(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) 為實際速度。當PMAC閉合控制伺服環時，它會由以上參數每周期內的變化產生為逼近要求位置所需要的位置輸出值，以達到控制要求，為通道間的復合運動加工精度提供了基礎。

圖3 系統階躍響應效果圖

PMAC運動控制器提供一種根據階躍響應曲線來完成系統PID參數整定的方法，為便于階躍曲線的效果分析，此處設定以1000脈沖為階躍幅度，以500ms為階躍響應時間，得出峰值時間與調節時間的理想階躍響應效果，如圖3所示。PID整定結果的相關參數值見表1。

表1 PID參數整定值

表1中的參數整定值將系統響應曲線的上升時間降至0.011s。有效地提高了PMAC模塊的系統動態特性，為通道間的同步運動控制精度奠定了基礎。

2 通道間的通訊及同步控制

2.1 通道間的通訊實現

為實現通道間的通訊，需對主軸及Z軸編碼器信號進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信號保護，實現抗干擾同步隔離輸出兩路反饋信號。

利用示波器對編碼器信號分配效果進行波形檢測，以Z軸編碼器A相信號為例，將其信號分離前后波形進行對比，如圖4所示。

(a) 信號分離前 (b) 信號分離后圖4 信號分配效果圖

圖4 a為信號分離前編碼器A相輸入信號波形，圖4 b為信號分離后同步輸出的兩路A相信號波形，經對比，分離前后信號無明顯雜波、干擾和失真現象，分配效果理想。為雙通道間的同步運動提供了精確的位置信號通訊保證。

2.2 通道間的同步控制

2.2.1 PMAC時基控制原理

時基控制是一種使PMAC運動控制卡與外部軸協調運動的時間基數控制方法，即用外部輸入信號的頻率來控制加工運動和程序執行速度的方法。時基控制是通過外部的伺服周期時間來給每個伺服周期內的位置提供一個指令修改公式，而伺服周期的實際時間及動態性能并沒有改變，僅僅是指令軌跡的速率隨外部頻率變化。

另外，時基控制還提供一種與外部軸運動特殊點同步的觸發控制方法。這項特性使用編碼器的硬件捕捉功能，在主動軸編碼器上將一精確位置鎖定在捕捉器中，以此位置作為時基控制運動的零點位置。通過時基控制功能可精確的實現通道間的同步運動。

2.2.2 同步算法及運動編程

為實現雙通道時基控制的同步算法，需完成以下設計與計算：

(1)信號解碼與插補

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

(2)時基計算與賦值

時基控制的關鍵在于PMAC所設的虛擬時間與實際距離之間的關系，即外部實時輸入頻率(RTIF)。時間基數轉換的公式如下：

(3)

式中：%value即進給率超調值，用以控制位置更新率，此值為100時，程序和運動將以“真實時間”執行；TBSF為一整數值，須確定此值以準確的完成時間基數的配置；INPUT為計數率(由信號和編碼器I變量決定)當通過“實時”輸入計數頻率時，程序和運動以指定的速度運行，此時%value的值為100，解出時基因子：

(4)

其中實時輸入頻率RTIF計算公式：

RTIF=主軸轉速×編碼器分辨率×解碼步數

本文中，PMAC模塊需跟隨主軸旋轉運動，因此，此處應根據主軸編碼器信號的相關參數來計算PMAC所需的時基因子TBSF。以主軸轉速1200r/min、主軸編碼器分辨率2048線/r、四步頻為例：計算得出RTIF為163.84步/ms；時基因子TBSF=800。

使用時基控制和時基觸發功能時，需對PMAC進行相關I變量的設置：用戶必須指定哪一個編碼器寄存器接受外部輸入頻率，及其與程序執行速度間的關系，即TBSF的數值及存放位置。TBSF及時基最大變化率等設置參數通過I變量賦值輸入PMAC，由上文中的計算結果對時基控制過程中所需設置的相關參數進行I變量賦值在部分設置如表2所示。

表2 I變量設置

(3)運動編程

雙通道運動的程序分為通用數控模塊程序與PMAC模塊程序兩部分。此處著重介紹由外部時基控制下的PMAC運動編程。程序流程圖如圖5所示。

圖5 PMAC時基控制程序流程圖

零件加工時，PMAC模塊在運動至復合加工跟隨零點時，必須先停止運動和前瞻，凍結時基，凍結指令為M99=＄90，待收到時基觸發器觸發信號后開始跟隨運動。PMAC運動程序無法準備觸發功能，為了程序可靠的運行，時基觸發利用PMAC內置PLC來控制完成。PLC程序中，根據時基是否被凍結以及系統是否已運動至跟隨零點為判斷條件，來觸發時基信號，觸發指令為M99=＄B0。本文中，以通用數控Z軸加工零點為觸發位置，Z軸編碼器信號經過信號分離接入PMAC控制器3號軸口，其信號存儲位置為D：＄00018B，賦值量為M362。故時基跟隨觸發信號為M362=0。

3 通道間的同步跟隨實驗

為驗證本文雙通道改造方法精度及可靠性，設計通道間的同步跟隨實驗。PMAC模塊選擇臺達ASDA-B2系列伺服驅動及ECMA-C交流伺服電機為軸X1的執行機構，其有關參數為：編碼器線數為2500pulse，四倍細分，單周脈沖數為1000ppr，絲杠螺距選取3mm，由單位脈沖位移量的計算公式可得出X1軸單位脈沖位移量為0.0001mm。

實驗方案為雙通道配合同步跟隨實驗，PMAC模塊以通用數控模塊Z軸坐標零點為復合加工跟隨零點，跟隨主軸旋轉。并由PMAC內置數據采集軟件Plot Pro2監測不同主軸轉速下X1軸跟隨誤差的脈沖個數。由監測數據得出不同轉速下X1軸跟隨誤差曲線，如圖6所示，隨著主軸轉速的增加，跟隨誤差脈沖個數呈線性遞增趨勢。

圖6 不同轉速下X1軸跟隨誤差曲線圖

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

4 結論

(1)經過對雙通道控制理論的研究及通道間的跟隨實驗驗證了基于時基的通用數控車床雙通道控制方法的可行性。

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

(3)添加PMAC模塊構成的雙通道數控車床的復合加工精度為微米級，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

國家自然科學基金(51305127)；河南省教育廳科學技術研究重點項目(14A460018)；河南科技大學青年科學基金資助項目(2012QN024)

閆森(1991—)，河南開封人，河南科技大學碩士研究生，研究方向為機電一體化控制，(E-mail)yansen0626@163.com；通訊作者：頡潭成(1966—)，男，甘肅天水人，河南科技大學教授，研究方向為計算機輔助設計與制造、數控單元技術等。

TH16 ；TG65

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