雙軸同步控制

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1、. 雙軸同步控制技術(shù)的研究 曹毅 周會(huì)成 唐小琦 （華中科技大學(xué)國(guó)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(bǔ)償算法，并在華中數(shù)控的世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)下對(duì)同步控制方式及算法進(jìn)行了調(diào)試、驗(yàn)證。 關(guān)鍵詞：雙軸同步 補(bǔ)償算法 主動(dòng)軸 從動(dòng)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(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)通過錐齒輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)雙邊的方案，但是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

2、復(fù)雜、間隙較大，容易造成閉環(huán)控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，而且運(yùn)行噪聲大，維護(hù)困難。因此宜采用雙軸驅(qū)動(dòng)的方式。 所謂同步控制，就是一個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)指令能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，通過對(duì)這兩個(gè)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)量的檢測(cè)，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補(bǔ)償。其目的是將主、從兩個(gè)電動(dòng)機(jī)之間的位移偏差量控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。 1 雙軸同步控制方式 1.1 軟件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式 圖1所示的是采用交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)控機(jī)床雙軸運(yùn)動(dòng)同步控制的結(jié)構(gòu)圖。其基本工作原理是：將兩個(gè)同方向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給軸，一個(gè)設(shè)定為主動(dòng)軸，另一個(gè)設(shè)定為從動(dòng)軸，由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成

3、主動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路，同時(shí)由另一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、另一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、另一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路。CNC的位置控制單元同時(shí)向主動(dòng)軸及從動(dòng)軸的伺服控制回路發(fā)出位置伺服運(yùn)動(dòng)指令。兩個(gè)位置反饋裝置的反饋信號(hào)除了送回各自的伺服驅(qū)動(dòng)器比較環(huán)，還送入CNC內(nèi)部的一個(gè)數(shù)字比較器進(jìn)行差值比較，該差值送入從動(dòng)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(jìn)行比較。兩個(gè)位置反饋裝置的反饋信號(hào)差值就是主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的同步誤差。差值為零時(shí)，表明兩個(gè)軸的位置完全同步。 2.2 硬件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式 圖2是采用交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)控機(jī)床雙軸運(yùn)動(dòng)同步控制的結(jié)構(gòu)圖

4、。其基本工作原理是：將兩個(gè)同方向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給軸串聯(lián)在一起，一個(gè)由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成第一級(jí)伺服運(yùn)動(dòng)控制回路，同時(shí)由另一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、另一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、另一個(gè)位置反饋裝置組成第二級(jí)伺服運(yùn)動(dòng)控制回路。其中，前一級(jí)的輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)整后直接送入下一級(jí)回路，作為下一級(jí)的輸入，該信號(hào)跟第二級(jí)回路反饋的信號(hào)進(jìn)行比較，這樣實(shí)際上比較的是兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的位置反饋信號(hào)。 兩種控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用軟件主從方式時(shí)，分別對(duì)兩個(gè)回路進(jìn)行控制，再將兩個(gè)回路的位置反饋信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)處理后將補(bǔ)償量送入從動(dòng)軸，這種方式響應(yīng)迅速，能及時(shí)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

5、大，相對(duì)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(shí)，直接將前一級(jí)的輸出信號(hào)給下一級(jí)回路，隨動(dòng)軸的調(diào)整由伺服來完成，系統(tǒng)只需在插補(bǔ)周期結(jié)束時(shí)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(hào)從第一級(jí)傳到第二級(jí)時(shí)有一定的延時(shí)，并且伺服調(diào)整也需要一點(diǎn)時(shí)間，這就使得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，當(dāng)機(jī)床的速度很高時(shí)，極易造成事故。因此，兩種控制方式要根據(jù)實(shí)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(bǔ)償量的計(jì)算，以何種算法來計(jì)算補(bǔ)償值，對(duì)雙軸的同步有直接的影響。若補(bǔ)償準(zhǔn)確、及時(shí)，則同步性能良好，此時(shí)定位精確，加工出來的產(chǎn)品自然就會(huì)高質(zhì)量；相反，補(bǔ)償遲鈍，補(bǔ)償

6、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(jiǎn)單的同步補(bǔ)償算法 所謂簡(jiǎn)單的同步補(bǔ)償算法，就是實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地獲取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(shí)時(shí)計(jì)算雙軸的差值，將所得的差值對(duì)從動(dòng)軸進(jìn)行補(bǔ)償。即 補(bǔ)償量 = 主動(dòng)軸位置 - 從動(dòng)軸位置 這種算法計(jì)算量極小，耗費(fèi)系統(tǒng)資源少。但是，這種只對(duì)當(dāng)前插補(bǔ)周期內(nèi)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)求差補(bǔ)償，而不考慮雙軸差值的變化趨勢(shì)，會(huì)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(shì)，在這個(gè)方面就有所改進(jìn)。 2.2 PID算法在同步補(bǔ)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

7、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(huì)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誤差，輸出控制量，以消除誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)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(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間。 由于積分環(huán)節(jié)在大幅增減時(shí)，短時(shí)間系統(tǒng)會(huì)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(jì)算從動(dòng)軸的補(bǔ)償值，并在后面的實(shí)驗(yàn)中給予驗(yàn)證。 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)積分分離的56"控制算法的表達(dá)式如下 式中 I ———采樣序號(hào)，i=0、1、2、

8、3… 精品 . e（i）———第i次采樣時(shí)刻誤差計(jì)算器輸出的位置偏差 u（i）———第i次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)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(xiàng)為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)。程序流程見圖3。 3 雙軸同步控制實(shí)驗(yàn)調(diào)試 根據(jù)檢驗(yàn)雙軸同步控制方式和算法的需要，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)來對(duì)所選擇的控制方式和算法進(jìn)行驗(yàn)證。 3.1 測(cè)試條件 一臺(tái)世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)HNC-22MF，兩臺(tái)HSV-16-020型伺服驅(qū)動(dòng)器，兩臺(tái)GK6040-6AC31-FE型伺服電動(dòng)機(jī)，指令和反饋均為A+B方式，脈沖指令分辨

9、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(hào)，F(xiàn)0和F1為從伺服驅(qū)動(dòng)反饋給系統(tǒng)的脈沖信號(hào)，F(xiàn)0’為電動(dòng)機(jī)0反饋至伺服驅(qū)動(dòng)的信號(hào)，分線器起信號(hào)轉(zhuǎn)移的作用。利用研華PCI1784計(jì)數(shù)卡對(duì)雙軸指令和編碼器反饋脈沖進(jìn)行采樣，采樣周期為1ms。原理圖如圖4。 精品 . 3.2 測(cè)試內(nèi)容與結(jié)果 （1）驗(yàn)證F0與F0’是否相同 數(shù)控系統(tǒng)指令信號(hào)為三角波，測(cè)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(dòng)機(jī)到伺服部分的編碼器信號(hào)與伺服到數(shù)控系統(tǒng)的編碼器信號(hào)為完全相同的信號(hào)。 精品 . （2）F0和F1的比較

10、 以指令位移200MM，指令加速度1000MM/S^2，指令速度分別為50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驅(qū)動(dòng)0軸和1軸電動(dòng)機(jī)按直線型加減速運(yùn)動(dòng)，測(cè)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(shí)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(shí)F0和F1的位移誤差曲線。 結(jié)果表明，空載情況下，對(duì)于相同的數(shù)控指令，兩相同電動(dòng)機(jī)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(huì)出現(xiàn)范圍為［-3，3］個(gè)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(dòng)機(jī)端加上負(fù)載時(shí)，每個(gè)采樣周期會(huì)出

11、現(xiàn)范圍為［ 精品 . -5，5］個(gè)脈沖誤差，加負(fù)載后對(duì)從動(dòng)軸進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，每個(gè)采樣周期都會(huì)出現(xiàn)［-4，3］個(gè)脈沖誤差，對(duì)于雙軸的同步性起到了一定的效果。 表1不同速度時(shí)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/S^2，指令速度分別為50MM/S、100MM/S、200MM/S和300MM/S驅(qū)動(dòng)0軸和1軸電動(dòng)機(jī)按直線型加減速運(yùn)動(dòng)，測(cè)得T0和F0的位移比較曲線如圖8所示，從圖8可以看出，測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)延約為5ms，說明硬件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式對(duì)我們的系統(tǒng)來說，延時(shí)太長(zhǎng)，因而本文采用了軟件實(shí)現(xiàn)的主從控制方式。 4 結(jié)語 本文只是針對(duì)華中數(shù)控的數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)做出的研究，對(duì)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(tái)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(shí)現(xiàn)了。 如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系告知?jiǎng)h除，感謝你們的配合！ 精品