基于PC的数控机床全闭环控制系统设计.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第4 1卷 第 1 9期 机床与液压 MAC HI NE T00L HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 3 Vo 1 ． 4 1 No ．1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 3 3 基于 P c的数控机床全闭环控制 系统设计 叶 华 聪 贵 州 1 大学机械 工程学院，贵州 I 贵阳 5 5 0 0 2 5 摘要提出一套能在线监测、实时控制的数控机床全闭环自适应伺服控制系统的解决方案。构建 “ P c自适应控制 器”模式，在线检测工件的精度指标或者引起误差的因素 ， 并将检测信号反馈回数控系统，经过数控系统的自动处理，实 时调整切削加工参数，从而使所检测的误差因素保持在合理的范围，以提高加工零件的精度。采用适应当前数控机床发展 潮流的基于 P c机的开放式计算机数控系统 ，实现了由软件来完成设定的功能，并且大大提高了数控系统的 自动化程度和 自适应控制能力 。 关键词数控机床 ；实时控制；全闭环；自适应；伺服控制 中图分类号T P 2 7 3 ． 2 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 9一l 1 63 De s i g n o f Ful l - c l o s e d Lo o p Co nt r o l S y s t e m f o r CNC M a c hi ne To o l Ba s e d o n PC YE Hua c o n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，G u i z h o u U n i v e r s i t y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t A s e t o f s o l v i n g s c h e me o f f u 1 1 一 c l o s e d l o o p a d a p t i v e s e r v o c o n t r o l s y s t e m o f C NC ma c h i n e t o o l 。 wh i c h c o u l d o n l i n e mo n i t o r a n d r e a l t i me c o n t r o 1 ．wa s p r o p o s e d ． T h e “ P Cs e l f - a d a p t i o n c o n t r o l l e r ” mo d e w a s b u i l t ． t h r o u g h wh i c h t h e a c c u r a c y i n d e x o f t h e w o r k p i e c e o r f a c t o r s c a u s i n g e r r o r we r e o n l i n e d e t e c t e d ．T h e d e t e c t e d s i g n a l w a s f e d b a c k t o CN C s y s t e m． T h r o u g h a u t o ma t i c p r o c e s s i n g o f C N C s y s t e m， t h e c u t t i n g p a r a m e t e r s w e r e t i m e l y a d j u s t e d i n o r d e r t h a t t h e d e t e c t e d e r r o r f a c t o r s w e r e r e m a i n e d w i t h i n a r e a s o n a b l e l i mi t s ，S O t h e w o r k p i e c e a c c u r a c y wa s i mp r o v e d ．An o p e n CNC s y s t e m b a s e d o n P C w a s a d o p t e d i n o r d e r t o me e t t h e c u r r e n t d e v e l o p me n t t r e n d o f C NC ma c h i n e t o o 1 ． Al l o f t h e s c h e d u l e d f u n c t i o n s we r e a c c o mp l i s h e d b y s o f t ware ．F u r t h e r mo r e ， t h e d e g r e e o f a u t o ma t i o n a n d t h e a b i l i t y o f s e l f a d a p t i v e c o n t r o l we r e gre a t l y i mp r o v e d ． Ke y wo r d s C NC ma c h i n e t o o l ；Re a l t i me c o n t r o l ； F u l l c l o s e d l o o p；S e l f - a d a p t i o n；S e r v o c o n t r o l 细长轴 的特 点是 刚性 比较差 ，在受到径 向力 时会 弯曲，甚至振动⋯。传统的封闭式专用数控系统没有 强有力的体系结构支撑平台，无法胜任可靠的软件扩 展功能，不利于发挥数控机床 自动控制、高效加工的 优势 。机床 自适应控制方法将从误差产生 的源头来解 决高精度细长轴的加工精度难题。控制的主体拟采用 P C机 ，构建一个 开放式计 算机 数控 系统 ，由软件来 完成主要的功能，在数控机床上切削高精度细长轴的 过程 中 ，在线检测并实 时调整输 出量 ，由伺服 系统控 制支架跟随变化的信号适时运动，始终保持恒定的加 工尺寸，从而保证良好的精度。 1 数控机床全闭环控制系统的提 出 1 ． 1 传 统数 控 系统 的不足 与挑 战 如图 i 所示，传统的机床数控系统实际上是半闭 环控制系统，通过位置和速度反馈实现伺服控制，加 工时机床数控系统所显示的加工数值仅仅是机床 自身 的运动精度 ，根本就不是零件的真正适时精度 。虽 然实现了加工过程的自动化进程，却没有实现加工精 度 的 自适应控制 。 位 置 和速 度伺 服 系 统扰 动 图 1 传统机床数控系统 1 ． 2 数控 机 床全 闭环控 制 系统 机床 自适应控制是全闭环的伺服控制，它实际上 是基 于实 际加工 状态变量的在线监测和实时控制来调 节加工参数 切削速度、进给量等 。这样，就可消 除加工过程中机床状态变化和外界扰动的影响，以优 化加工过程 、提高生产效率和产品质量 ，如图 2所 示 。 位 置 和速 度 伺服 系 统扰 动 厂 ] l 菘 缸 帮 约柬条件 器 卜 优 化 计 算 r 卜 - ]堡 苎 墨 11 _ J 性 指 标L 控制条件 图2 数控机床全闭环控制系统 收稿 日期 2 0 1 2 0 91 2 作者简介叶华聪 1 9 8 8 一 ， 男 ，硕士，研究方向为机电传动与控制。Em a i l h c y e 1 9 8 8 q q ． c o rn。 第 1 9期 叶华聪基于 P c的数控机床全闭环控制系统设计 1 1 7 采用机 床 白适应全闭环伺服控制技 术 ，将 在线检 5所示 。 测量通过信号采集和处理单元传给数控系统，数控系 统分析实时加工的尺寸误差是否超过了零件精度指标 所规定的公差阈值 ，进而自动调整加工过程参数 ，以 减小加工误 差。加 工控制流程如 图3所示 。 加 工结 束 数 控 机床 复 位 轴精 度 、振 动 、刀 具 磨损 以及在线检测 I 采集 、调理 1 检 测信 号 二二]二 数据采集卡输入端 口接 收到 检 测信 号 并传输 给 上 位机 圭 箕 髭 随动 跟 刀支 架 及加 工 过程 参 数 自适 应调 整 ]广一 ．．．．．．．．．．．．．．】．． ．．一 运 动控 制 卡输 出控制 信 号 图3 加工控制流程图 2控制系统硬件设计 “ P C自适应控制模块 ”构 成开放式 结构 。控制 系统可以在 Wi n d o w s 平台下由用户 自行开发 。借助 所插入控制板编写软件程序 ，实现核心功能的用户定 制 ，得 到的数控系 统兼具 工业 机 的柔 性 和 C N C系统 的稳定性 和可靠性 。硬件系统框 图如 图 4所示 。 图4 系统硬件结构图 2 ． 1 数 控伺 服 机 构 数控随动支架起限位作用，避免细长轴弯 曲变 形，支架本身不会施加力给细长轴来抵消刀具施加给 细长轴的力。为了保证切削过程中，工件轴径超差 后，随动支架支承爪能对细长轴的横向位置进行适时 调整 ，作者采用电致伸缩器。该装置能保证支架与工 件之间产生一个微小的相对位移。机械结构原理如图 液 压 检 测 运 动 j 空 一 液 压系 ， ，电致伸 I 挚 n ； 、 电致 伸缩 压 系统2 P L C 控 制 图 5 数控伺服支架结构原理图 2 ． 2 数据采集卡 数据采集卡的主要功能是对模拟信号进行数字采 样、组合，或者直接接收由前端检测环节调理好的数 字量 ，并快速传输给计算机内存来分析和后期处理。 其工作程序包含信号采集和调理、A ／ D转换、触发 控制和与 P C I 接口的通信 。 2 ． 3运 动控 制 器 运动控制器采用上 、下位机控制方式 ，考 虑到该 控制系统对操作过程中的实时轨迹跟踪和加工精度检 测要求 较 高 ，所 以上 位 机选 用 P C机 ，下 位机 选 用 MC T 8 0 0 0 4 F 4型运动控制器，将运动控制器嵌入 P C 机，由P c机完成信息处理。为实现数据快速传输和 控制 ，上位机和下位机通过 I S A工业标准总线形式来 连接 。如 图 6 所示 。 MCT 8 0 0 0 F 4 主板 MCT8 0 0 0 F4 ． I ／ 0 S 总 线 J 2 J1 P7l坠 J1 j ＼ I 矗 豸 冀 嚣 。 致伸缩器 r0_0 丽面谣丽 秀 三相 交流 电 变 频器 主轴 三 相交 流 变频 电机 图6 M C T S 0 0 0 F 4控制主轴电机运动 D A C 2输出端子用于控制主轴电机的转速大小， D O 1 2和 D O 1 3 用 于控 制变 频器输 出正负 电压 ，即控 制主轴的正反转。当 D O 1 2接通时，变频器输出正电 压 ，主轴正转 ；当 D O 1 3接通 时，变频器输 出负电 压 ，主轴反转 。 电致伸缩器是利用压电晶体在电场作用下，产生 电致 伸缩效应 ，即电介质在外界 电场作用下 ，由于感 应极化作用而引起应变。选择电子工业部二十六所研 制的WT D S - I C型电致伸缩器和哈尔滨工业大学机器 人教研室研制的P D I I 1 型驱动电源。技术指标如表 1 所示 。 至一 ／ ／{