經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法

閉環(huán)控制是數(shù)控機(jī)床提高加工精度的重要方法。其控制精度的高低和響應(yīng)速度直接決定著數(shù)控系統(tǒng)的加工精度和加工效率。目前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制，是各數(shù)控廠家和數(shù)控工作者面臨的一個(gè)難題。由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)一般是以單CPU為控制核心。大部分的硬件功能均由軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此控制效率不高，實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制具有相當(dāng)?shù)碾y度。因此，研究閉環(huán)控制原理，探討新的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的加工性能具有重要意義。

    

    1閉環(huán)控制原理

    數(shù)控系統(tǒng)基本的閉環(huán)控制原理是：控制核心將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置進(jìn)行比較，用其差值去控制進(jìn)給電機(jī)，使實(shí)際值與理論值趨于重合，從而消除加工誤差。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，閉環(huán)控制主要應(yīng)用于工作臺(tái)的直線移動(dòng)位置控制，其閉環(huán)控制模型見(jiàn)示意圖圖1[1，2]。

    在數(shù)控系統(tǒng)中，閉環(huán)控制與插補(bǔ)是緊密相關(guān)的，閉環(huán)控制以插補(bǔ)的數(shù)據(jù)為控制基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方法主要有：

    1）間接控制方法

    間接控制方法將位置檢測(cè)的誤差值加人到插補(bǔ)過(guò)程中，通過(guò)修改插補(bǔ)數(shù)據(jù)的方法將加工誤差在下一次插補(bǔ)輸出的結(jié)果中得以修正，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。這是一種軟件閉環(huán)控制方法，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)由于本身的限制常用此法。不難看出，間接控制方法具有控制滯后、響應(yīng)精度低的缺點(diǎn)，采用這種方法很難提高閉環(huán)控制精度。

    2）直接控制方法

    直接控制方法將位置檢測(cè)的誤差值反饋到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的硬件電路將其與插補(bǔ)數(shù)據(jù)綜合，形成對(duì)伺服電機(jī)的二次控制，達(dá)到減小誤差的目的。這是一種硬件控制方法，其控制實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)精度高，但硬件系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，常用于高精度的數(shù)控系統(tǒng)中。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，提高閉環(huán)精度的有效方法是采用直接控制方法。在實(shí)踐中，我們提出了基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法。

    2基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法

    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)出個(gè)脈沖，檢測(cè)一次誤差。在這種方法下，控制過(guò)程是一種順序過(guò)程，其中各個(gè)環(huán)節(jié)相互制約，因此很難實(shí)現(xiàn)誤差的快速響應(yīng)。基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法利用現(xiàn)代先進(jìn)的多任務(wù)并行處理技術(shù)，采用前后臺(tái)控制模型來(lái)提高閉環(huán)響應(yīng)速度。其基本原理是：建立一個(gè)高速插補(bǔ)緩沖插補(bǔ)區(qū)，插補(bǔ)過(guò)程插補(bǔ)出的控制數(shù)據(jù)存放在此緩沖區(qū)中。位控系統(tǒng)根據(jù)加工速度從此緩沖區(qū)中取出加工數(shù)據(jù)，并與反饋系統(tǒng)檢測(cè)的誤差數(shù)據(jù)合并處理。然后直接控制伺服電機(jī)。在這種方法下。位控過(guò)程與插補(bǔ)過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，它們僅通過(guò)插補(bǔ)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，插補(bǔ)送人數(shù)據(jù)，它是在前臺(tái)實(shí)現(xiàn)的；位控提取數(shù)據(jù)，它是在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。這種前后臺(tái)控制模型是一個(gè)多任務(wù)并行處理過(guò)程．它使插補(bǔ)和位控可以不順序?qū)崿F(xiàn)，位控系統(tǒng)可以同時(shí)處理多個(gè)插補(bǔ)數(shù)據(jù)。而不必等待插補(bǔ)過(guò)程的執(zhí)行．因此它可以隨時(shí)將誤差數(shù)據(jù)與插補(bǔ)數(shù)據(jù)合并處理，實(shí)時(shí)地跟蹤誤差，從而可以提高閉環(huán)控制精度。

    插補(bǔ)緩沖區(qū)定義為一個(gè)先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)隊(duì)列，長(zhǎng)度可根據(jù)系統(tǒng)處理速度確定，以一個(gè)三軸數(shù)控系統(tǒng)為例，每一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)16位無(wú)符號(hào)整形數(shù)，格式定義如圖2。

    每個(gè)電機(jī)的控制數(shù)據(jù)由4位組成，第1、2位確定電機(jī)轉(zhuǎn)向：o0為不動(dòng)；01為正轉(zhuǎn)；10為反轉(zhuǎn)。第3位指定該次進(jìn)給是誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)還是正常插補(bǔ)數(shù)據(jù)。例如：緩沖區(qū)某個(gè)數(shù)據(jù)為0xxxx010x001x000，表示X軸不動(dòng)，Y軸正向進(jìn)給，Z軸反向進(jìn)給。位控系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)送出正確的電機(jī)控制字。

    基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法是由位控系統(tǒng)根據(jù)誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)自動(dòng)與插補(bǔ)數(shù)據(jù)合并而實(shí)現(xiàn)的。例如同樣的插補(bǔ)數(shù)據(jù)，位控任務(wù)在發(fā)送給伺服電機(jī)之前會(huì)根據(jù)誤差數(shù)據(jù)重新設(shè)置．假設(shè)此時(shí)向正向有誤差（未移動(dòng)夠），位控系統(tǒng)根據(jù)向的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，在本例中向不動(dòng)（x000），合并后變?yōu)閤l01，即使電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果向本身為反向（x010）．則合并為xl00，即電機(jī)不轉(zhuǎn)；如果向本身為正向（x001）則將誤差留到與下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。經(jīng)過(guò)這樣的處理之后，位控系統(tǒng)及時(shí)地將加工誤差進(jìn)行樸膳，提高了反饋補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度。而傳統(tǒng)的間接控制方法是將誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)編人插補(bǔ)算法中，這樣補(bǔ)償被人為地滯后，其響應(yīng)速度自然降低。

    3實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)是在Ⅻ一CXZ300數(shù)控多功能機(jī)床上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)中所用的閉環(huán)檢測(cè)元件是普通金屬光柵尺．其檢測(cè)分辨率為0.001mm，Z向電機(jī)的脈沖當(dāng)量為0.01mm。光柵尺安裝在Z軸上，系統(tǒng)通過(guò)與光柵尺配套的檢測(cè)控制卡讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件采用多任務(wù)并行處理技術(shù)中的前后臺(tái)控制方法實(shí)現(xiàn)，位控模塊采用定時(shí)器中斷驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，插補(bǔ)模塊采用循環(huán)控制方式運(yùn)行，誤差檢測(cè)模塊由閉環(huán)控制卡的硬件中斷驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。數(shù)控系統(tǒng)使用PID00通用微機(jī)做控制核心，插補(bǔ)緩沖區(qū)長(zhǎng)度為200。

    實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了高速（1500mm／min、2500mm／min）、中速（300mm／min、720mm／min）、低速（18mm／min、60mm／min）下的誤差補(bǔ)償情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

    數(shù)據(jù)表明，補(bǔ)償后誤差在0.01～0.03mm之間比沒(méi)有反饋補(bǔ)償?shù)恼`差0.02～0.05mm減小了1～2倍（此數(shù)據(jù)于1999年8月通過(guò)鑒定時(shí)所測(cè)），且高速時(shí)效果明顯，低速時(shí)效果較差，這主要是由于機(jī)床本身的精度較低所致。

    4結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在不使用特殊硬件系統(tǒng)的條件下，采用本文提出的閉環(huán)控制方法可以有效地提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度，是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的有效方法。