基于智能運(yùn)動(dòng)控制器的開放式多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)

1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)本文提出了以智能運(yùn)動(dòng)控制器為位控模塊，工業(yè)控制機(jī)為支撐單元的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的圖形化，用二次插補(bǔ)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)的控制。

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圖1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

智能運(yùn)動(dòng)控制器

    智能運(yùn)動(dòng)控制器是一個(gè)較高性能的伺服運(yùn)動(dòng)控制器。每一兩塊塊控制器上有三塊或四塊控制芯片，每一塊芯片獨(dú)立地控制一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，可對(duì)芯片進(jìn)行初始化編程，規(guī)定各控制芯片的工作狀態(tài)：發(fā)脈沖的速率，發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)。本文采用兩塊智能運(yùn)動(dòng)控制器控制五軸聯(lián)動(dòng)。

數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

    該數(shù)控系統(tǒng)的控制是在工業(yè)控制機(jī)(IPC)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用兩塊智能運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行位控。工控機(jī)上的CPU 和運(yùn)動(dòng)器上的控制芯片構(gòu)成了主從式處理機(jī)構(gòu)。主機(jī)完成粗插補(bǔ)運(yùn)算，得到每一次各軸需運(yùn)動(dòng)的步數(shù)及方向，用這些數(shù)據(jù)去控制智能運(yùn)動(dòng)控制器的工作狀態(tài)：各軸的運(yùn)動(dòng)步數(shù)、發(fā)脈沖速率：再由智能運(yùn)動(dòng)控制器完成五軸的精插補(bǔ)。工作臺(tái)的運(yùn)行情況通過(guò)傳感器直接反饋輸入智能運(yùn)動(dòng)控制器，此信號(hào)可由主CPU讀入。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

閉環(huán)控制系統(tǒng)

    在這種系統(tǒng)中，主機(jī)讀入長(zhǎng)光柵傳感器反饋回的工作臺(tái)的實(shí)際位移量，將此位移量與理想值相比較，得到誤差信號(hào)并用此誤差去控制智能運(yùn)動(dòng)控制器，使實(shí)際值與理想值趨于重合，從而消除運(yùn)行誤差。該系統(tǒng)如圖2所示。

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圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字控制的插補(bǔ)算法

    保證數(shù)控工作臺(tái)沿著預(yù)定的軌跡運(yùn)行的問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上是如何通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)按一定規(guī)律分配進(jìn)給脈沖，控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。插補(bǔ)運(yùn)算是根據(jù)數(shù)控語(yǔ)言代碼提供的軌跡類型選擇相應(yīng)算法，保證在一定精度范圍內(nèi)計(jì)算出一段直線或圓弧的一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并逐次以增量坐標(biāo)值或脈沖序列形式輸出，使伺服電機(jī)以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，控制工作臺(tái)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。數(shù)控技術(shù)中采用的插補(bǔ)算法可歸納為兩類：

    一次插補(bǔ)法 如逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分器法等，這類算法，進(jìn)給速度受到限制，過(guò)去的硬件數(shù)控系統(tǒng)常常采用。

    二次插補(bǔ)法 它將插補(bǔ)功能分為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)兩部份完成，常用的有擴(kuò)展數(shù)字積分器法和時(shí)間分割法。這類算法，在每個(gè)插補(bǔ)運(yùn)算周期里輸出的不是單個(gè)脈沖，而是一個(gè)線段(位置增量坐標(biāo)數(shù)據(jù))，因而能顯著提高進(jìn)給速度，在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛采用。本系統(tǒng)的插補(bǔ)算法就是采用時(shí)間分割法，它根據(jù)進(jìn)給速度計(jì)算出每個(gè)固定時(shí)間內(nèi)的進(jìn)給量，進(jìn)行粗插補(bǔ)運(yùn)算，求出這個(gè)插補(bǔ)周期各聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)應(yīng)移動(dòng)的位置增量值，然后再通過(guò)精插補(bǔ)將該插補(bǔ)周期的各軸位置增量值變換成各坐標(biāo)方向的均勻運(yùn)動(dòng)。

基于擴(kuò)充內(nèi)存的時(shí)間分割插補(bǔ)法

    數(shù)控系統(tǒng)的加工過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)插補(bǔ)、輸出脈沖、反饋等幾個(gè)過(guò)程。傳統(tǒng)的方法是插補(bǔ)一次，發(fā)出一個(gè)脈沖，檢測(cè)一次誤差。在這種方法下，控制過(guò)程是一個(gè)順序過(guò)程，其中各個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，互相制約，因此很難實(shí)現(xiàn)誤差的快速響應(yīng)。同時(shí)，由于DOS系統(tǒng)的尋址能力有限，因此必須考慮存放大量插補(bǔ)數(shù)據(jù)的方法。為了解決這些問(wèn)題，本系統(tǒng)采用基于擴(kuò)充內(nèi)存的時(shí)間分割插補(bǔ)方法：為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，控制方法上采用讀入運(yùn)行代碼文件后，先在主機(jī)完成粗插補(bǔ)運(yùn)算，并把插補(bǔ)得到的數(shù)據(jù)放入擴(kuò)充內(nèi)存，然后采用中斷的方式從擴(kuò)充內(nèi)存取數(shù)，并與反饋系統(tǒng)檢測(cè)的誤差數(shù)據(jù)合并處理，再用得到的結(jié)果(各軸的位置坐標(biāo)增量數(shù)據(jù))去控制智能運(yùn)動(dòng)控制器的工作狀態(tài)，然后由智能運(yùn)動(dòng)控制器完成精插補(bǔ)，它發(fā)出序列脈沖去直接控制各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。放入擴(kuò)充內(nèi)存的數(shù)據(jù)類型定義如下：

struct emms

{char complete：

 char dirr[5]：

 char stepp[5]：

}：

    其中complete 是定義粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)是否完成的標(biāo)志，dirr[5]定義五軸的運(yùn)動(dòng)方向：0x00為不動(dòng)，0x01為正轉(zhuǎn)，0x10為反轉(zhuǎn)：stepp[5]定義五軸的運(yùn)動(dòng)步數(shù)。中斷程序從擴(kuò)充內(nèi)存讀入這些數(shù)據(jù)后，再與反饋系統(tǒng)檢測(cè)的誤差數(shù)據(jù)合并處理，并用得到的結(jié)果去控制智能運(yùn)動(dòng)控制器控制芯片的工作狀態(tài)，就可完成精插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)在相同時(shí)間內(nèi)各軸沿相應(yīng)方向運(yùn)動(dòng)一定的步數(shù)。圖3 是系統(tǒng)閉環(huán)控制程序框圖。

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圖3 閉環(huán)控制程序框圖

 

    這里采用的閉環(huán)控制方法是在精插補(bǔ)前根據(jù)誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)自動(dòng)與粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)合并而實(shí)現(xiàn)的。例如取得粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)后(各軸應(yīng)運(yùn)動(dòng)的步數(shù)及方向)，在發(fā)給智能運(yùn)動(dòng)控制器之前，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)反饋的誤差數(shù)據(jù)重新配置，假設(shè)粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)0軸是：dirr[0]=0x01，stepp[0]=0x01，而系統(tǒng)反饋情況是上一次反轉(zhuǎn)運(yùn)行有一步未運(yùn)行，則精插補(bǔ)數(shù)據(jù)變?yōu)閐irr[0]=0x00，stepp[0]=0x00，此次0軸電機(jī)不運(yùn)行：如反饋情況是上一次正轉(zhuǎn)有一步未運(yùn)行，則精插補(bǔ)數(shù)據(jù)變?yōu)閐irr[0]=0x01，step-p[0]=0x02，此次0軸電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行- 步。經(jīng)過(guò)這樣的處理后，位控系統(tǒng)及時(shí)地將運(yùn)行誤差在緊鄰的一個(gè)粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，避免了影響后面的插補(bǔ)運(yùn)行，提高了反饋補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度和精度。而傳統(tǒng)的間接控制方法是將誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)編入插補(bǔ)算法中，這樣補(bǔ)償被人為地滯后，而且如果補(bǔ)償不到位，將影響后面的插補(bǔ)數(shù)據(jù)精度，其精度和響應(yīng)速度都降低了。

3 實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)是在我們教研室自制的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)構(gòu)上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)所用的閉環(huán)檢測(cè)元件是普通金屬長(zhǎng)光柵尺，其檢測(cè)分辨率為0.004mm。數(shù)控系統(tǒng)采用PⅡ233 研華工控機(jī)為控制主機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制器采用兩塊國(guó)產(chǎn)智能運(yùn)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)。實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)試了兩軸、三軸、四軸、五軸的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)速度為1500mm/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)誤差為0.02mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較令人滿意。

4 結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)比較令人滿意，其開放性令人滿意，能夠滿足不同用戶的需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)的開環(huán)或閉環(huán)實(shí)時(shí)控制。