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1、.雙軸同步控制技術(shù)的研究曹毅 周會成 唐小琦（華中科技大學(xué)國家數(shù)控系統(tǒng)工程研究中心，湖北武漢012230）摘要：介紹了基于Linux數(shù)控系統(tǒng)的雙軸同步控制技術(shù)，雙軸同步控制方式以及同步補償算法，并在華中數(shù)控的世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)平臺下對同步控制方式及算法進行了調(diào)試、驗證。關(guān)鍵詞：雙軸同步 補償算法 主動軸 從動軸隨著數(shù)控技術(shù)的推廣，大型數(shù)控設(shè)備被廣泛地用于各種機械加工領(lǐng)域以滿足一些體積較大、精度較高、生產(chǎn)周期要求短的工件的加工需求。對于這些大型的龍門式和橋式數(shù)控設(shè)備來講，雖然在這些情況下可以采用單電動機通過錐齒輪等機械機構(gòu)驅(qū)動雙邊的方案，但是傳動機構(gòu)復(fù)雜、間隙較大，容易造成閉環(huán)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且
2、運行噪聲大，維護困難。因此宜采用雙軸驅(qū)動的方式。所謂同步控制，就是一個坐標(biāo)的運動指令能夠驅(qū)動兩個電動機同時運行，通過對這兩個電動機移動量的檢測，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補償。其目的是將主、從兩個電動機之間的位移偏差量控制在一個允許的范圍內(nèi)。1 雙軸同步控制方式1.1 軟件實現(xiàn)的主從控制方式圖1所示的是采用交流伺服驅(qū)動裝置的數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結(jié)構(gòu)圖。其基本工作原理是：將兩個同方向運動的進給軸，一個設(shè)定為主動軸，另一個設(shè)定為從動軸，由一個伺服驅(qū)動器、一個伺服電動機、一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成主動軸伺服運動控制回路，同時由另一個伺服驅(qū)動器、另一個伺服電動機、另一個位
3、置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動軸伺服運動控制回路。CNC的位置控制單元同時向主動軸及從動軸的伺服控制回路發(fā)出位置伺服運動指令。兩個位置反饋裝置的反饋信號除了送回各自的伺服驅(qū)動器比較環(huán)，還送入CNC內(nèi)部的一個數(shù)字比較器進行差值比較，該差值送入從動軸伺服控制回路的輸入端，與CNC位置控制單元發(fā)來的位置伺服指令進行比較。兩個位置反饋裝置的反饋信號差值就是主動軸與從動軸的同步誤差。差值為零時，表明兩個軸的位置完全同步。2.2 硬件實現(xiàn)的主從控制方式圖2是采用交流伺服驅(qū)動裝置的數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結(jié)構(gòu)圖。其基本工作原理是：將兩個同方向運動的進給軸串聯(lián)在一起，一個由一個伺服驅(qū)動器、一個伺服電
4、動機、一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成第一級伺服運動控制回路，同時由另一個伺服驅(qū)動器、另一個伺服電動機、另一個位置反饋裝置組成第二級伺服運動控制回路。其中，前一級的輸出信號經(jīng)過調(diào)整后直接送入下一級回路，作為下一級的輸入，該信號跟第二級回路反饋的信號進行比較，這樣實際上比較的是兩個電動機的位置反饋信號。兩種控制方式各有優(yōu)缺點。采用軟件主從方式時，分別對兩個回路進行控制，再將兩個回路的位置反饋信號經(jīng)過系統(tǒng)處理后將補償量送入從動軸，這種方式響應(yīng)迅速，能及時地調(diào)整雙軸的不同步狀態(tài)，但是，由于處理的數(shù)據(jù)量大，相對來說給系統(tǒng)造成了一定的負(fù)擔(dān)；采用硬件主從方式時，直接將前一級的輸出信號給下一級回路，
5、隨動軸的調(diào)整由伺服來完成，系統(tǒng)只需在插補周期結(jié)束時發(fā)送一定的數(shù)據(jù)即可，系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)減輕了，但是由于信號從第一級傳到第二級時有一定的延時，并且伺服調(diào)整也需要一點時間，這就使得整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，當(dāng)機床的速度很高時，極易造成事故。因此，兩種控制方式要根據(jù)實際情況的不同有所取舍。精品.2 雙軸同步控制算法雙軸同步控制的關(guān)鍵在于補償量的計算，以何種算法來計算補償值，對雙軸的同步有直接的影響。若補償準(zhǔn)確、及時，則同步性能良好，此時定位精確，加工出來的產(chǎn)品自然就會高質(zhì)量；相反，補償遲鈍，補償量不準(zhǔn)，極有可能造成系統(tǒng)振蕩，從而引發(fā)事故。2.1 簡單的同步補償算法所謂簡單的同步補償算法，就是實時、動態(tài)地獲取
6、雙軸編碼器或光柵尺反饋至數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)雙軸的位置反饋值，實時計算雙軸的差值，將所得的差值對從動軸進行補償。即補償量 = 主動軸位置 - 從動軸位置這種算法計算量極小，耗費系統(tǒng)資源少。但是，這種只對當(dāng)前插補周期內(nèi)所采集的實時數(shù)據(jù)求差補償，而不考慮雙軸差值的變化趨勢，會造成系統(tǒng)振蕩。采用56控制，綜合考慮了誤差以及誤差的變化趨勢，在這個方面就有所改進。2.2 PID算法在同步補償中的應(yīng)用PID控制就是比例、積分、微分控制。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)加大，會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累
7、誤差，輸出控制量，以消除誤差。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制可減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間。由于積分環(huán)節(jié)在大幅增減時，短時間系統(tǒng)會輸出很大的偏差，致使雙軸的偏差超過了所允許的最大值，本文使用積分分離的56控制算法來計算從動軸的補償值，并在后面的實驗中給予驗證。計算機實現(xiàn)積分分離的56控制算法的表達式如下式中I 采樣序號，i=0、1、2、3精品.e（i）第i次采樣時刻誤差計算器輸出的位置偏差u（i）第i次采樣時刻的計算機輸出的控制值Ti 積分系數(shù)Td 微分系數(shù)Kp 比例系數(shù)T 采樣周期項為積分項的開關(guān)系數(shù)。程序流程見
8、圖3。3 雙軸同步控制實驗調(diào)試根據(jù)檢驗雙軸同步控制方式和算法的需要，設(shè)計以下實驗來對所選擇的控制方式和算法進行驗證。3.1 測試條件一臺世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)HNC-22MF，兩臺HSV-16-020型伺服驅(qū)動器，兩臺GK6040-6AC31-FE型伺服電動機，指令和反饋均為A+B方式，脈沖指令分辨率為40000c/r，編碼器分辨率為10000c/r。其中T0和T1為從世紀(jì)星發(fā)出的指令信號，F(xiàn)0和F1為從伺服驅(qū)動反饋給系統(tǒng)的脈沖信號，F(xiàn)0為電動機0反饋至伺服驅(qū)動的信號，分線器起信號轉(zhuǎn)移的作用。利用研華PCI1784計數(shù)卡對雙軸指令和編碼器反饋脈沖進行采樣，采樣周期為1ms。原理圖如圖4。精品.3.2
9、測試內(nèi)容與結(jié)果（1）驗證F0與F0是否相同數(shù)控系統(tǒng)指令信號為三角波，測得F0和F0的波形如圖5所示。結(jié)果表明，F(xiàn)0和F0無誤差，電動機到伺服部分的編碼器信號與伺服到數(shù)控系統(tǒng)的編碼器信號為完全相同的信號。精品.（2）F0和F1的比較以指令位移200MM，指令加速度1000MM/S2，指令速度分別為50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驅(qū)動0軸和1軸電動機按直線型加減速運動，測得F0和F1位移誤差如表1所示。圖6為空載下200MM/S和300MM/S時F0和F1的位移誤差曲線，圖7為雙軸負(fù)載都為1.5N/M，快移速度為200MM/S和300MM/S時F0和F1的位移誤差曲線。
10、結(jié)果表明，空載情況下，對于相同的數(shù)控指令，兩相同電動機編碼器反饋位移總量相等。但發(fā)送過程中，每一采樣周期會出現(xiàn)范圍為-3，3個脈沖的誤差。應(yīng)認(rèn)為在空載情況下具有較好的同步性；當(dāng)電動機端加上負(fù)載時，每個采樣周期會出現(xiàn)范圍為精品.-5，5個脈沖誤差，加負(fù)載后對從動軸進行補償時，每個采樣周期都會出現(xiàn)-4，3個脈沖誤差，對于雙軸的同步性起到了一定的效果。表1不同速度時兩軸反饋位移誤差（位移誤差單位：脈沖數(shù)）（3）T0和F0的比較以指令位移200MM，指令加速度1000MM/S2，指令速度分別為50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驅(qū)動0軸和1軸電動機按直線型加減速運動，測得T0和F0的位移比較曲線如圖8所示，從圖8可以看出，測量系統(tǒng)的響應(yīng)時延約為5ms，說明硬件實現(xiàn)的主從控制方式對我們的系統(tǒng)來說，延時太長，因而本文采用了軟件實現(xiàn)的主從控制方式。4 結(jié)語本文只是針對華中數(shù)控的數(shù)控系統(tǒng)平臺做出的研究，對于其他的數(shù)控系統(tǒng)，采取同樣的研究方法，具體分析，同樣可以得出適合該數(shù)控平臺的雙軸同步控制方式以及研究出有效的同步控制算法，這樣，雙軸同步控制就很容易實現(xiàn)了。如有侵權(quán)請聯(lián)系告知刪除，感謝你們的配合！精品
雙軸同步控制
