應(yīng)用NUM數(shù)控系統(tǒng)P參數(shù)實(shí)現(xiàn)雙軸同步控制
| 在工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械加工和生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)雙軸(或多軸)同步傳動，如動梁式龍門銑床的橫梁升降控制，龍門框架移動式加工中心的龍門框架移動控制等。采用一臺電機(jī)通過傳動鏈將運(yùn)動分配到同步運(yùn)動軸的方案，雖可實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動，但存在傳動鏈較長、傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜、間隙誤差大且無法補(bǔ)償，以及維護(hù)困難等問題。采用兩個(gè)電機(jī)同步控制運(yùn)動運(yùn)動機(jī)構(gòu)的兩邊，可以解決上述不足，但帶來了兩邊同步驅(qū)動控制新問題。本文詳細(xì)介紹在數(shù)控系統(tǒng)中機(jī)床雙軸同步控制原理，并以法國NUM公司的NUM1040M數(shù)控系統(tǒng)為例介紹雙軸同步控制調(diào)試及應(yīng)用。 數(shù)控系統(tǒng)采用雙交流伺服電機(jī)同步控制原理與結(jié)構(gòu) 在數(shù)控加工中心中，常采用交流伺服電機(jī)作為同步控制的驅(qū)動單元。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有體積小、重量輕、動作反應(yīng)快、過載能力大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，能提供高的動態(tài)響應(yīng)和扭矩，在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域已得到非常廣泛應(yīng)用。 采用交流伺服驅(qū)動裝置的數(shù)控機(jī)床雙軸運(yùn)動同步控制的結(jié)構(gòu)圖[1-3>，其基本工作原理是:將兩個(gè)同方向運(yùn)動的進(jìn)給軸，一個(gè)設(shè)定為主動軸，另一個(gè)設(shè)定為從動軸。由一個(gè)伺服驅(qū)動器、一個(gè)伺服電機(jī)、一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成主動軸伺服運(yùn)動控制回路，同時(shí)由另一個(gè)伺服驅(qū)動器、另一個(gè)伺服電機(jī)、另一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動軸伺服運(yùn)動控制回路。CNC的位置控制單元同時(shí)向主動軸及從動軸的伺服控制回路發(fā)出位置伺服運(yùn)動指令。兩個(gè)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(gè)數(shù)字比較器進(jìn)行差值比較，該差值送入從動軸伺服控制回路的輸入端 服指令進(jìn)行比較。兩個(gè)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(shí)，表明兩個(gè)軸的位置完全同步。 現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，可設(shè)CNC位置控制單元位置參考量為脈沖單位，交流伺服驅(qū)動器為脈沖驅(qū)動，取校正系數(shù)為1;當(dāng)CNC的位置控制單元同時(shí)向主動軸及從動軸的伺服控制回路發(fā)出100個(gè)脈沖伺服運(yùn)動指令，在一段時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動主動軸電機(jī)的交流伺服驅(qū)動器1向主動軸電機(jī)發(fā)出了20個(gè)脈沖，剩余:100－20＝80個(gè)脈沖，假定同時(shí)由于干擾等因素，驅(qū)動從動軸電機(jī)的交流伺服驅(qū)動器2向從動軸發(fā)出了10個(gè)脈沖，剩余90個(gè)脈沖。此時(shí)經(jīng)兩個(gè)位置檢測裝置反饋后的調(diào)整量為10個(gè)脈沖: 1×(20－10)＝10(個(gè)) 交流伺服驅(qū)動器2經(jīng)過調(diào)整量和位置檢測裝置2反饋信號調(diào)整后的調(diào)整剩余脈沖為100個(gè)脈沖: 100＋10－10＝100(個(gè)) 在接下來的一段時(shí)間內(nèi)，交流伺服驅(qū)動器1向主動軸發(fā)出10個(gè)脈沖，剩余脈沖70個(gè)脈沖: 80－10＝70(個(gè)) 同時(shí)交流伺服驅(qū)動器2向從動軸發(fā)出20個(gè)脈沖，則經(jīng)兩個(gè)位置檢測裝置反饋后的調(diào)整量為－10個(gè))脈沖: 1×(10－20)＝－10(個(gè)) 交流伺服驅(qū)動器2經(jīng)過調(diào)整量和位置檢測裝置2反饋信號調(diào)整后的調(diào)整剩余脈沖為70個(gè):100＋(－10)－20＝70(個(gè)) 此時(shí)，主動軸電機(jī)和從動軸電機(jī)均完成30個(gè)脈沖的指令，剩余脈沖均為70個(gè)，完成了位置的同步。 用NUM數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床雙軸同步控制 本文在開發(fā)數(shù)控玻璃雕刻加工中心時(shí)，選用法國NUM公司的NUM1040M數(shù)控系統(tǒng)，通過兩臺交流伺服電機(jī)分別驅(qū)動龍門框架的兩個(gè)軸，通過參數(shù)的設(shè)置及實(shí)驗(yàn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了大跨度(5米)龍門結(jié)構(gòu)雙軸位移的精確同步控制。 NUM數(shù)控系統(tǒng)平臺簡介 本項(xiàng)目研制的數(shù)控玻璃雕刻加工中心采用了龍門式結(jié)構(gòu)，具有C、X、Y1、Y2、Z五個(gè)伺服運(yùn)動軸，該加工中心的磨頭座沿橫梁導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動,方向設(shè)定為X軸，兩橫梁座沿機(jī)床床身導(dǎo)軌運(yùn)動,方向分別為Y1軸和Y2軸，磨頭沿磨頭座垂直運(yùn)動方向?yàn)閆軸，C軸為磨頭的旋轉(zhuǎn)軸，系統(tǒng)具有5軸4聯(lián)動功能。其中Y1、Y2軸為同步運(yùn)動軸，分別驅(qū)動兩個(gè)交流伺服電機(jī)同步帶動龍門框架運(yùn)動，行程為2m，Y1、Y2兩軸的跨度5m。 NUM1040M數(shù)控系統(tǒng)P參數(shù)及設(shè)置 該設(shè)備中選用法國NUM公司的MDLA2型伺服驅(qū)動器、BMH型交流伺服電機(jī)、NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的具有很強(qiáng)的開放性特征，對P參數(shù)的設(shè)置是其開放性的特征之一，NUM1040M系統(tǒng)中共115個(gè)P參數(shù)，通過修改P參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的配置。用戶可在NUM專用軟件的環(huán)境下，方便、快捷的通過P參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行配置與調(diào)整，亦可不借助任何軟件及工具，在線修改P參數(shù)。NUN系統(tǒng)中，多軸同步控制的功能也是通過設(shè)定P參數(shù)實(shí)現(xiàn)的[4>。 與同步軸控制有關(guān)的P參數(shù)有P3、P24、P27、P28等，具體含義如表1所示。 連接好伺服軸控制電路后，通過P3可定義系統(tǒng)中伺服控制軸的地址，本系統(tǒng)中設(shè)定了C、X、Y1、Y2、Z軸的地址分別為0、1、2、3、4。 P24參數(shù)由65個(gè)無符號十進(jìn)制數(shù)組成(字N0～N64)，其中字N0～N31分別指定0～31號軸地址的同步閾值1，該值表示同步控制中的******允許誤差(以內(nèi)部測量單位表示)，缺省值為160。當(dāng)超過同步閥值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出超差信息，但繼續(xù)驅(qū)動從動軸運(yùn)動。字N32～N63指定0～31號軸的校正系數(shù)(以1/1000為單位)，其缺省值為250。無誤差信號進(jìn)入從動軸伺服比較環(huán)時(shí)，即表示同步過程已經(jīng)完成。N64為同步閥值2，用于設(shè)定所有軸共同的******同步誤差(用內(nèi)部測量單位表示)。同步過程誤差超過所設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并停止伺服運(yùn)動軸的運(yùn)動。在同步控制中，參數(shù)N64的設(shè)置會影響雙軸同步控制的性能。若選用較大的閥值，會導(dǎo)致機(jī)床同步控制精度降低;若閥值選用過低，則會導(dǎo)致機(jī)床在允許加工精度范圍內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)因超出同步誤差閥值而報(bào)警停車的現(xiàn)象，從而影響機(jī)床正常運(yùn)行。該值必須通過實(shí)際調(diào)試確定，在允許的加工精度前提下，N64同步閾值應(yīng)盡可能取較大的值。 P27參數(shù)用于將一個(gè)從動軸分配到所設(shè)定的主驅(qū)動軸，這種分配有三種不同的類型: 第一， 簡單關(guān)聯(lián)，將主驅(qū)動軸的對應(yīng)控制量復(fù)制到從動軸上; 第二，對稱關(guān)聯(lián)，將主驅(qū)動軸的對應(yīng)控制量求反后復(fù)制到從動軸上; 第三，同步關(guān)聯(lián)。 其運(yùn)算式為“主驅(qū)動軸的對應(yīng)控制量準(zhǔn)＋校正值＝從動軸的對應(yīng)控制量”。所研制的系統(tǒng)中采用簡單關(guān)聯(lián)類型，即將Y1主驅(qū)動軸的對應(yīng)控制量復(fù)制到Y(jié)2從動軸上，如表2所示。 P28參數(shù)用于使主驅(qū)動軸和從動軸的同步功能有效，它是一個(gè)32位的十六進(jìn)制數(shù)。如果同步軸關(guān)聯(lián)使能位的值為1，則在參數(shù)P27中申報(bào)的從動軸與其對應(yīng)的主驅(qū)動軸同步功能狀態(tài)有效，本例中要求使Y2軸與Y1軸的同步功能有效，因此將P28參數(shù)值設(shè)置為(二進(jìn)制): 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (位31) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 (位0) 十六進(jìn)制形式為:$00000008。 雙軸同步控制調(diào)試方法與步驟 初步設(shè)定好Y1、Y2軸的同步功能的P參數(shù)后，可進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)速度環(huán)的控制要求滿足時(shí)，還不能實(shí)現(xiàn)高速率下兩軸的動態(tài)精密同步進(jìn)給控制，需要對伺服驅(qū)動、數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)(速度環(huán))及外環(huán)(位置環(huán))參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)整，以獲得好的控制性能。以下為實(shí)際中采用的調(diào)試步驟及參數(shù)選擇的過程: 初步確定伺服運(yùn)動工作正常 松開伺服電機(jī)與負(fù)載軸之間的連接，接通電源，用NUM公司調(diào)試伺服驅(qū)動器參數(shù)的DPM軟件調(diào)整伺服驅(qū)動器的速度環(huán)控制參數(shù)。如伺服驅(qū)動器的增益、速度升降時(shí)間常數(shù)、PID參數(shù)等，確定伺服驅(qū)動器與伺服電機(jī)的工作基本正常。 速度環(huán)及電流環(huán)參數(shù)優(yōu)化 在伺服驅(qū)動器輸入端加上約10％的速度指令值，如果電機(jī)的運(yùn)動特性感覺很“硬”，則用示波器觀察到的轉(zhuǎn)矩電流及速度響應(yīng)曲線會如圖3a所示，其超調(diào)量較大、調(diào)整時(shí)間較長。調(diào)整伺服驅(qū)動器中的控制參數(shù)(加大P.052/053的數(shù)值)可改善動態(tài)特性，如圖3b所示。反之，如果電機(jī)的運(yùn)動特性感覺很“軟”，示波器觀察到的波形將會如圖3c所示。此時(shí)需減少速度環(huán)的增益(減少P.054/055的數(shù)值)，以獲得如圖3d所示的波形。 調(diào)整雙軸同步誤差參數(shù) 逐步減少，直至滿足同步運(yùn)動的特性及工作臺所需的精度。該系統(tǒng)設(shè)定的內(nèi)部測量單位為0.001mm，龍門式結(jié)構(gòu)Y1、Y2軸的尺寸誤差不大于0.05 mm，即同步時(shí)的******允許誤差為50×0.001=0.05mm。實(shí)際調(diào)試時(shí)，Y1及Y2同步軸的同步誤差閥值1從默認(rèn)值的160逐漸減少至50，即P24中，N2=N3=50。 設(shè)兩軸的******同步誤差為0.5mm時(shí)系統(tǒng)禁止伺服電機(jī)運(yùn)動。則誤差閥值2取500，即N64=500。 由于Y1與Y2軸的跨度為5m，因而X軸移動方向的角度偏差為: δ≈0.000573°時(shí)系統(tǒng)給出報(bào)警信息，角度偏差為 δ2≈0.0573°時(shí)系統(tǒng)禁止伺服電機(jī)運(yùn)動。 結(jié)語 采用P參數(shù)與伺服驅(qū)動器參數(shù)結(jié)合調(diào)整的方式可滿意的實(shí)現(xiàn)雙軸(多軸)伺服運(yùn)動控制。NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場開放特性，便于現(xiàn)場調(diào)試，同步控制精度高、調(diào)整方便。經(jīng)過同步控制調(diào)試，NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)已成功的應(yīng)用在所開發(fā)的數(shù)控玻璃雕刻加工中心上。生產(chǎn)結(jié)果表明，伺服運(yùn)動精度控制、同步軸特性等相關(guān)性能參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期指標(biāo)，機(jī)床雙軸同步控制效果良好。 |
