活塞环数控车床控制系统设计

　　活塞环CAD／CAM软件是活塞环全数控加工的一个重要组成部分。与活塞环仿形车床相比较，活塞环数控车床更能满足现代产品多品种、小批量、高精度的市场要求。而活塞环CAD／CAM作业是实现快速更换产品型号必不可少的一个环节。活塞环CAD／CAM主要任务是根据不同活塞环的参数及计算模型．自动完成活塞环自由型线数据的计算，对活塞环加工速度和加速度特性进行分析，生成符合活塞环全数控机床加工要求的NC程序。

　　数控系统是数控机床的核心，它是一个实时多任务系统．包括输入输出装置、数控装置、伺服系统等主要组成部分，其中起着关键作用的是数控装置部分。本文将介绍活塞环数控车床控制系统的设计和开发。

1 活塞环数控加工控制原理

　　活塞环数控机床是利用电子靠模代替原有的机械靠模完成活塞环自由型线的加工。机械靠模的工作原理，它是利用凸轮强制驱刀具完成所需要的运动，凸轮轮廓曲线是根据从动件运动规律进行设计的。若要改变从动件的运动规律，必须重新设计、更换凸轮。它以主轴编码器所产生脉冲为信息源。通过系统中存储的电子凸轮来驱动径向进给电机完成所需的进给运动，通过修改存储系统内的电子凸轮数据可以很方便的完成各种活塞环型线的加工。

　　因而，在活塞环数控车床加工时，机床主轴的旋转运动与刀具的径向进给运动是由电子靠模保持着严格的运动关系。此外，为加工出整个活塞环表面．还需要刀具作轴向进给运动，该运动与主轴转动仅是一种维持匀速进给运动的关系。由此可见，活塞环车床数控系统的选择侧重是如何保证刀具径向进给运动高速响应工件旋转运动的能力，尤其是高转速条件下的响应能力。

2 基于PMAC的开放型数控系统

　　2.1 开放型数控系统

　　从麻省理工学院(MIT)所研制的第一台数控机床问世至今，数控机床的发展已走过了半个多世纪的历程，数控系统的性能和可靠性随着科学技术的发展得到了根本性的提高。

　　从2O世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是本身软硬件还是外围器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化程度越来越高，功能越来越强，而成本却越来越底，原来在中小型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。利用PC微机优越性，美国首先推出了基于PC微机的数控系统，IPPCNC系统，它被划人所谓的第六代开放型数控系统。

　　开放式数控系统的目的是使系统构筑于一个开放的平台之上，具有模块化的组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成．能够自由更改或扩展系统功能，以适应不同的应用需求。开放式数控系统以通用PC机为基础，构成总线式模块、开放型、嵌入式的体系结构，为数控设备制造厂和最终用户进行集成和二次开发给予了有力的支持。此外。开放式数控系统还为用户提供强大的联网能力，除了RS232串口通讯外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，甚至MAP或Ethernet接口，可实现控制器与控制器之间的连接，以及直接连接主机，便于将不同制造厂的数控设备用标准化通信网络连接起来，促进系统集成化和信息综合化。使远程操作、遥控及故障诊断成为可能。

　　基于PC微机的开放式数控系统是当今数控技术的发展方向。目前有三种PC型数控系统结构形式：① 在PC机上增加数控模块；②在数控系统上增加IPC模块；③以纯PC软件形式。其中第一种形式，即在PC机中插入CNC运动模块是一种常见的开放式数控系统的结构形式，如人们常用PC微机+PMAC运动控制器开发开放式数控系统。

　　2.2 PMAC简介

　　PMAC (Programmable Multi—Axes Controler)是美国Delta Tau公司开发的新一代控制器．它集主机通讯、运动控制、后台任务处理等基本数控功能于一体。PMAC采用Motorola 56000DSP f数字信号处理器)作为其CPU，由专门的PROM、RAM、EAROM以及IC门阵列电路等组成。PMAC能完成运动控制系统的插补计算、伺服控制、PLC控制等实时任务．并能够与上位PC机进行实时数据通讯．接收主机发来的各种控制指令并将伺服电机的各种运行状态、位置信息等返回给主机。

　　在伺服控制过程中，PMAC通过DAC模拟电压输出给伺服驱动器实现对伺服运动的控制，同时PMAC可接收0～5V的数字正交编码器反馈信号实现位置闭环，在PAMC和伺服驱动器之间通过信号转接板Acc-8P进行连接，除提供高精度的模拟输出外。还接收编码器的反馈信号构成闭环或半闭环控制。

　　PMAC主要功能有：强大的伺服控制和插补计算；多轴控制；网络通讯；与外部事件同步；高分辨率的模拟输出控制；数据采集和分析；反向间隙和多种误差补偿：软硬件超行程限位等功能。PMAC的最主要特点也就其软硬件的全面开放性，它可以适用于各种不同总线、放大驱动器、反馈元件和检测元件。通过调用PMAC所提供的函数，可在VC、VB等语言编译器和不同操作系统平台下，实现应用程序与PMAC的可靠通讯，保证用户完成对应用程序的开发。

3 机床数控系统

　　所研制的活塞环车床数控系统应具有开放性．以便于机床特有功能的开发。其核心由工控机和主频为40MHZ的PMAC构成，采用WINDOWS操作平台，具有刀具补偿、提前预处理、以及标准以太网接口等一般高档数控系统所具有的功能，可以满足活塞环所要求的高速响应控制精度要求。

　　该数控系统的硬件结构其主机为通用工控机(IPC)，PMAC运动控制器通过ISA总线插槽嵌入PC微机，从而构成主从控制结构形式。PMAC作为从机负责伺服计算、轨迹插补、数据采集、PLC逻辑计算等实时性控制任务：主机拥有丰富的软硬件资源，负责完成人机交互、网络通讯功能。IPC与PMAC主从机之间通过双端El RAM(DPRAM)实现数据交换，从而具有高速的数据通信能力，共同协调完成控制任务。

4 基于时基的“电子靠模"的设计

　　活塞环数控车床需要通过电子靠模代替通常的硬靠模完成活塞环自由型线的加工。必须使主轴旋转编码器所采集的机床主轴角度信息和直线电机的径向位移匹配起来，这是活塞环数控车床首先需要解决的问题。PMAC具有与外部事件同步控制功能，即时基控制，也称电子凸轮，它是通过由外部采集输入信号的频率来控制所要求运动的速度。对于本机床数控系统而言，通过主轴编码器采集的角度信号来控制X轴(直线电机)的执行，即主轴每旋转一个角度。要求X轴直线电机运动到指定的距离，直线电机运动速度受主轴转动速度控制。

　　在基于时基的控制中，PMAC将位置运动轨迹表述为主位置的函数，而不是时间的函数。在本机床控制系统中，主轴旋转运动不受PMAC控制，但希望将受PMAC控制的X轴运动轨迹表示成主轴运动的函数．也就是说X轴运动轨迹与主轴转动的角度一一对应。实际做法为，先定义主轴位置传感器的实时输入频率(RITF)，其单位为每毫秒步，例如设RITF为32每毫秒步，表示程序运行1毫秒时，主轴旋转32步。若主轴编码器每转有4096脉冲．数控系统采用4倍频。则主轴在每毫秒实际转过了32*360／(4096*4)角度。定义了外部实时输入频率后，就可以将X轴的运动轨迹与该主轴转过的角度联系起来。

　　虽然基于时基的控制可以使从动轴和主轴保持良好的同步，但对于活塞环车削还存在一个相位问题．即主轴上某相位点应与X进给轴某一位置点相对应。为此，我们使用了主轴编码器的基准点来触发时基．在触发之前冻结时基，当触发器捕捉了主轴基准点开始触发时基，这样就可以使时基的触发与主轴的相位保持良好的同步。

　　通过上述分析，对PMAC特定变量进行设置以及所需PLC程序的编写，可以很好的启动PMAC电子凸轮的功能，满足活塞环加工的特定要求。表l为本机床数控系统所采用的电子靠模的存储结构。

　　归纳上述，本机床基于时基的电子靠模程序设计步骤如下：

　　第一步：信号解码给PMAC输入的信号必须是某一个增量编码器输入正交信号或一个脉冲和方向信号，通过定义PMAC的I变量选择解码方式

　　第二步：插补与时基设置通过对PMAC系统I变量的设置，使系统启动电子凸轮的控制模式。

　　第三步：编写运动程序编写使用触发时基的运动程序，使所有从动控制轴停止在等待触发点上，在未被触发前，时基必须被冻结，以防止开始运动。

　　第四步：准备触发器为了使系统可靠的执行．运动控制程序不能启动触发器，而必须通过PLC程序来准备触发，这样保证在程序计算未进行完之前不可能产生时基的触发。

　　第五步：开始触发一旦触发器准备完毕．PMAC就等待主编码器的基点信号的到来。以使时基程序的触发。

5 基于PMAC的直线电机速度／加速度前馈控制

　　PID调节是自动控制中最早产生的一种控制方法，其在工业生产过程中的应用已有几十年的历史，作为一种最基础最主要的调节方式。PID调节控制简单且效果显著．在本系统中将在PMAC中引入PID调节，以获得良好的稳态性能和动态性能。

　　5.1 传统PlD控制器基本原理简介

　　PID(Proportional、Integral and Differentia1)控制是最早发展起来的控制策略之一，它以算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点而被广泛应用于工业过程控制中。

　　系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值Y (t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量U(t)，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为。

　　在系统中，比例作用的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，以最快速度产生控制作用．使偏差向减小的方向变化。增加比例增益可以提高系统的开环增益，提高响应速度，但K 过大，会造成闭环系统不稳定，导致系统振荡比较严重，超调量增大。

　　积分控制能对误差进行记忆并积分，有利于消除稳态误差，提高系统的稳态性能。但在设计过程中如果使积分值过大．将会使系统的过渡过程变长。微分具有超前作用，能抑制超调，对于大的迟滞系统．引入微分控制对于改善系统的动态性能有显著的效果。但在设计过程中如果使微分控制量过大，将会使系统的响应速度变慢。

　　5.2 基于PMAC的直线电机速度／加速度前馈控制

　　传统的PID控制策略在交流伺服系统中得到了广泛的应用，但在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑到对象结构与参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等不确定因素，才能得到满意的控制效果。

　　在采取各种控制方法时，基于对对象模型结构的认识．必须从直线交流伺服电动机传动系统是一个具有高度快速性的动态系统这一具体对象特征出发，不可能在非常短暂的动态调节过程中实现十分复杂的控制算法。同时，要针对产生扰动的不同原因的特殊性．采用相应见长的控制策略。伺服系统另一个重要性能就是其对指令的跟踪能力，在理想情况下。输出能无延迟、无超调地跟踪指令的变化。一个成功的控制策略，必须针对具体对象的特点，在满足主要要求的同时，兼顾跟踪能力和抗扰能力。

　　在这种情况下，考虑到PMAC强大的伺服控制功能，在传统的PID控制算法的基础上，再加上速度和加速度的前馈，用速度前馈来减小由于阻尼带来的跟随误差，用加速度前馈来补偿由于惯性带来的跟随误差，同时加上陷波滤波器来防止谐振，以抵消共振，正是基于上述的分析，提出了基于PMAC的直线电机速度／力Ⅱ速度前馈控制，控制结构图

　　在图中，Kp是比例增益，Kd是微分增益，Ki是积分增益，Kvff提速度前馈增益，Kaff提加速度前馈增益。

6 结束语

　　本文介绍了活塞环数控车床的控制系统设计方案，为非圆产品的高速加工提供了控制系统解决方案。