1 數控係統的硬件結構

智能運動控製器

智能運動控製器是一個(ge) 較高性能的伺服運動控製器。每一兩(liang) 塊塊控製器上有三塊或四塊控製芯片，每一塊芯片獨立地控製一個(ge) 軸的運動，可對芯片進行初始化編程，規定各控製芯片的工作狀態：發脈衝(chong) 的速率，發脈衝(chong) 的個(ge) 數。本文采用兩(liang) 塊智能運動控製器控製五軸聯動。

數控係統硬件結構及工作原理

該數控係統的控製是在工業(ye) 控製機(IPC)平台的基礎上，采用兩(liang) 塊智能運動控製器進行位控。工控機上的CPU 和運動器上的控製芯片構成了主從(cong) 式處理機構。主機完成粗插補運算，得到每一次各軸需運動的步數及方向，用這些數據去控製智能運動控製器的工作狀態：各軸的運動步數、發脈衝(chong) 速率：再由智能運動控製器完成五軸的精插補。工作台的運行情況通過傳(chuan) 感器直接反饋輸入智能運動控製器，此信號可由主CPU讀入。其結構原理如圖1所示。

閉環控製係統



圖1 數控係統結構原理圖

在這種係統中，主機讀入長光柵傳(chuan) 感器反饋回的工作台的實際位移量，將此位移量與(yu) 理想值相比較，得到誤差信號並用此誤差去控製智能運動控製器，使實際值與(yu) 理想值趨於(yu) 重合，從(cong) 而消除運行誤差。該係統如圖2所示。



圖2 閉環控製係統

2 數控係統的軟件設計

數字控製的插補算法

保證數控工作台沿著預定的軌跡運行的問題，實質上是如何通過插補運算，實現按一定規律分配進給脈衝(chong) ，控製伺服電機運動。插補運算是根據數控語言代碼提供的軌跡類型選擇相應算法，保證在一定精度範圍內(nei) 計算出一段直線或圓弧的一係列中間點的坐標值，並逐次以增量坐標值或脈衝(chong) 序列形式輸出，使伺服電機以一定速度轉動，控製工作台按預定的軌跡運動。數控技術中采用的插補算法可歸納為(wei) 兩(liang) 類：

一次插補法 如逐點比較法、數字積分器法等，這類算法，進給速度受到限製，過去的硬件數控係統常常采用。

二次插補法 它將插補功能分為(wei) 粗插補和精插補兩(liang) 部份完成，常用的有擴展數字積分器法和時間分割法。這類算法，在每個(ge) 插補運算周期裏輸出的不是單個(ge) 脈衝(chong) ，而是一個(ge) 線段(位置增量坐標數據)，因而能顯著提高進給速度，在計算機數控係統中得到廣泛采用。本係統的插補算法就是采用時間分割法，它根據進給速度計算出每個(ge) 固定時間內(nei) 的進給量，進行粗插補運算，求出這個(ge) 插補周期各聯動坐標應移動的位置增量值，然後再通過精插補將該插補周期的各軸位置增量值變換成各坐標方向的均勻運動。

基於(yu) 擴充內(nei) 存的時間分割插補法

數控係統的加工過程一般要經過插補、輸出脈衝(chong) 、反饋等幾個(ge) 過程。傳(chuan) 統的方法是插補一次，發出一個(ge) 脈衝(chong) ，檢測一次誤差。在這種方法下，控製過程是一個(ge) 順序過程，其中各個(ge) 環節環環相扣，互相製約，因此很難實現誤差的快速響應。同時，由於(yu) DOS係統的尋址能力有限，因此必須考慮存放大量插補數據的方法。為(wei) 了解決(jue) 這些問題，本係統采用基於(yu) 擴充內(nei) 存的時間分割插補方法：為(wei) 了提高係統的實時性，控製方法上采用讀入運行代碼文件後，先在主機完成粗插補運算，並把插補得到的數據放入擴充內(nei) 存，然後采用中斷的方式從(cong) 擴充內(nei) 存取數，並與(yu) 反饋係統檢測的誤差數據合並處理，再用得到的結果(各軸的位置坐標增量數據)去控製智能運動控製器的工作狀態，然後由智能運動控製器完成精插補，它發出序列脈衝(chong) 去直接控製各個(ge) 伺服驅動器。放入擴充內(nei) 存的數據類型定義(yi) 如下：

struct emms
{char complete：
char dirr[5]：
char stepp[5]：
}：

其中complete 是定義(yi) 粗插補數據是否完成的標誌，dirr[5]定義(yi) 五軸的運動方向：0x00為(wei) 不動，0x01為(wei) 正轉，0x10為(wei) 反轉：stepp[5]定義(yi) 五軸的運動步數。中斷程序從(cong) 擴充內(nei) 存讀入這些數據後，再與(yu) 反饋係統檢測的誤差數據合並處理，並用得到的結果去控製智能運動控製器控製芯片的工作狀態，就可完成精插補，實現在相同時間內(nei) 各軸沿相應方向運動一定的步數。圖3 是係統閉環控製程序框圖。



圖3 閉環控製程序框圖

這裏采用的閉環控製方法是在精插補前根據誤差補償(chang) 數據自動與(yu) 粗插補數據合並而實現的。例如取得粗插補數據後(各軸應運動的步數及方向)，在發給智能運動控製器之前，會(hui) 根據係統反饋的誤差數據重新配置，假設粗插補數據0軸是：dirr[0]=0x01，stepp[0]=0x01，而係統反饋情況是上一次反轉運行有一步未運行，則精插補數據變為(wei) dirr[0]=0x00，stepp[0]=0x00，此次0軸電機不運行：如反饋情況是上一次正轉有一步未運行，則精插補數據變為(wei) dirr[0]=0x01，step-p[0]=0x02，此次0軸電機正轉運行- 步。經過這樣的處理後，位控係統及時地將運行誤差在緊鄰的一個(ge) 粗插補數據進行補償(chang) ，避免了影響後麵的插補運行，提高了反饋補償(chang) 的響應速度和精度。而傳(chuan) 統的間接控製方法是將誤差補償(chang) 數據編入插補算法中，這樣補償(chang) 被人為(wei) 地滯後，而且如果補償(chang) 不到位，將影響後麵的插補數據精度，其精度和響應速度都降低了。

3 實驗

實驗是在我們(men) 教研室自製的五軸聯動數控機構上進行的。實驗所用的閉環檢測元件是普通金屬長光柵尺，其檢測分辨率為(wei) 0.004mm。數控係統采用PⅡ233 研華工控機為(wei) 控製主機，運動控製器采用兩(liang) 塊國產(chan) 智能運動控製器，驅動電機為(wei) 國產(chan) 步進電機。實驗中，我們(men) 測試了兩(liang) 軸、三軸、四軸、五軸的聯動運行，運動速度為(wei) 1500mm/min。實驗結果，數據誤差為(wei) 0.02mm。實驗結果比較令人滿意。

4 結論

實驗結果證明，本係統的硬件、軟件設計比較令人滿意，其開放性令人滿意，能夠滿足不同用戶的需要，實現對多軸聯動的開環或閉環實時控製。