基于硬件在回路的數控系統機械分析器設計

王莉

摘 要：在對高精度機械設備的加工過程中，機械振動是最為主要的一類影響因素，使系統工作遠離共振頻率，能夠極大促進加工精度的提升。而機械分析器最為核心的應用途徑便是對數控系統共振頻率進行測定，從而更加方便的對數控系統進行及時調節以確保加工性能的最優化。本文首先分析了機械振動與頻域，而后就硬件恢復仿真方法進行了詳細闡述，并最終提出了機械分析器設計的具體方案措施。

關鍵詞：硬件；回路仿真；數控系統；機械分析器

在數據系統的發展過程中高精度的加工一直是人們所追求的主要目標之一，同時也是發展的主流趨勢。數控機床伺服系統振動問題長期以來都是對高精度加工產生影響的核心要素之一，要想提升數控系統加工精度，就必須要設置以適當的伺服參數、現場總線傳輸參數，以免機床發生大幅度的共振。

機械分析器最為主要的作用即為對伺服系統共振頻率的測量，從而促使對伺服調整能夠達到最佳性能。當前國內在這一方面的研究還相對較少，因此就展開相關的研究工作便具有極其重要的作用與價值，應當引起相關從業人員的重視與思考，據此，下文將基于硬件在回路的數控系統機械分析器設計工作展開具體的探究。

一、機械振動與頻域

目前在加頻率基本等同于伺服電機固有頻率之時，伺服系統更易發生共振現象，并由此將會對加工精度產生重大的影響，對此便需盡量規避數控系統處于共振頻率附近。在數控系統遭受頻率為W的正弦信號激勵之時，相應的系統輸出則依舊為正弦信號，同時振動幅度以及所對應的相位將會受到信號頻率的改變而產生一定的變化，最終的變化結果將會受到系統傳遞函數變動幅度以及相角情況的影響。在W接近某一頻率之時，系統的輸出會發生較大幅度的改變，也就是出現共振；在共振超出最大W值即為系統的共振頻率。利用這一原理，便能夠針對數控系統的共振頻率予以檢測評定。

二、硬件回路仿真方法

一般較常應用的控制系統仿真，是將控制系統模型作為基礎，利用數學模型來取代具體的控制系統，針對控制系統采取相關的探究工作。數控系統硬件位于回路仿真系統時，可采用工程樣機來取代部分模型，通過仿真計算機來實現對其他部分模型的求解與測算，仿真計算機能夠利用模擬接口、數字接口以及網絡接口等和工程樣機產生閉環系統。在此過程當中仿真計算機能夠應用個人電腦或是性能較高的工控機，便可實現對仿真系統費用支出的大幅度削減。在硬件回路仿真當中，鑒于部分實物模型的應用，減少了電機等較為復雜設備的軟件模擬，大大降低了開發周期，提升了模擬的精確性。硬件回路模擬仿真在電機以及自動模型控制中也有較多的應用。

三、機械分析器設計

（一）系統整體設計與工作流程

此次系統設計是基于Scilab環境之下，其中主要就包括了用戶程序、激勵信號產生與反饋信號分析、實時通訊協議以及接口卡驅動等部分所共同構成。

而在硬件部分當中則采用了現場總線結構方式，于工控機之中嵌入PCI總線接口卡，利用工業以太網方式同伺服電機所互相連接起來。其具體的工作流程為：用戶設定出振動參數值，其原則為不會對伺服電機系統產生損傷。軟件模擬生成頻率由1Hz直至最大振動頻率的正弦波信號，在每一頻率的信號均通過等時距離進行采集，而針對電機的運行速度命令則利用總線結構直接發送至伺服電機當中，同時采集電機的具體運行速度并作出相應的反饋。針對每一頻率采樣點波段形態以及反饋點的波段形態，制定出振動特點曲線圖，進而尋找出系統共振頻率值。

（二）軟件解決方案

1.Linux2.6

這一系統內核在對內核模塊的加載及導出之時均相較于前一代2.5內核系統有所提升，有效的避免了針對正在應用過程當中內核模塊錯誤操作的有效預防，解決了因為用戶錯誤執行操作而導致的系統崩潰情況。并且同前一代2.5相比，其內核在可拓展性及容量方面均有了較大幅度的提升。

2.RTAI

RTAI系統能夠實現與Linux系統的完美結合，具備較高的實際應用價值，尅實現對商用系統性能的充分滿足，并符合數控系統實時性的要求同時可成功應用到數控系統軟件的開發工作當中。并且，RTAI能夠較為方便的和內核以及用戶空間碎石進行任務合并。RTAI所提供的FIFO管道以及共同分享內存同Linux用戶空間之中的進程互為通信，并利用這一方式，可及時將所獲得的數據信息傳送至用戶控件，并促使非實時性的進程能夠針對數據信息繼續采取后續處置。

3.硬件驅動

Linux系統能夠將硬件設備映射成一類文件，也就是對文件進行處理，同時給予每個設備配置一項主設備號以及次設備號作為特殊標志。在用戶對設備采取操作之時，內核便會依據設備號及類型查找有關驅動，同時由用戶態轉換為核心態，進而通過驅動程序判定設備的次設備號，并完成有關操作。

（三）硬件解決方案

在此次研究所設計的系統中硬件設備主要就包括了工控機、現場總線通訊接口卡、現場總線以及伺服驅動器、伺服電機與主軸等多項硬件設備，現具體分析如下：1）工控機：應用高檔數控國家工程研發中心所研制的“藍天NC210”工控機。2）現場總線通訊接口卡：選用省重點實驗室所自行研制的PCI總線通訊卡，能夠同時支持由65個從設備通訊。3）現場總線：用以實現對工控機以及伺服等硬件的連接方面，選用省重點實驗室所自主研發的數控現場總線。4）伺服驅動器、電機、主軸等相關硬件設備：應用對控制指令的執行進而達成對用戶創建加工任務的達成。應用GJS-020ADA數字伺服驅動器以及GJM-080BDB22伺服電機。

四、結語

總而言之，在本次研究中就針對機械分析器功能與整體設計予以了研究，并指出對于數控系統，可利用現場總線結構及工業以太網絡所連接的機械分析其來實現方案，從而給予數據系統的研究提供了重要的實踐依據。依據文章所提出的建模方式，可廣泛的應用在各類完全不同的數控應用軟件模型之中，能夠實現高效、快捷的數控系統構建。

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