活塞環(huán)CAD／CAM軟件是活塞環(huán)全數(shù)控加工的一個(gè)重要組成部分。與活塞環(huán)仿形車床相比較，活塞環(huán)數(shù)控車床更能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品多品種、小批量、高精度的市場(chǎng)要求。而活塞環(huán)CAD／CAM作業(yè)是實(shí)現(xiàn)快速更換產(chǎn)品型號(hào)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。活塞環(huán)CAD／CAM主要任務(wù)是根據(jù)不同活塞環(huán)的參數(shù)及計(jì)算模型．自動(dòng)完成活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)的計(jì)算，對(duì)活塞環(huán)加工速度和加速度特性進(jìn)行分析，生成符合活塞環(huán)全數(shù)控機(jī)床加工要求的NC程序。

　　數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，它是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)．包括輸入輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)等主要組成部分，其中起著關(guān)鍵作用的是數(shù)控裝置部分。本文將介紹活塞環(huán)數(shù)控車床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

1 活塞環(huán)數(shù)控加工控制原理

　　活塞環(huán)數(shù)控機(jī)床是利用電子靠模代替原有的機(jī)械靠模完成活塞環(huán)自由型線的加工。機(jī)械靠模的工作原理，它是利用凸輪強(qiáng)制驅(qū)刀具完成所需要的運(yùn)動(dòng)，凸輪輪廓曲線是根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)的。若要改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須重新設(shè)計(jì)、更換凸輪。它以主軸編碼器所產(chǎn)生脈沖為信息源。通過(guò)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的電子凸輪來(lái)驅(qū)動(dòng)徑向進(jìn)給電機(jī)完成所需的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)修改存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的電子凸輪數(shù)據(jù)可以很方便的完成各種活塞環(huán)型線的加工。

　　因而，在活塞環(huán)數(shù)控車床加工時(shí)，機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與刀具的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由電子靠模保持著嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。此外，為加工出整個(gè)活塞環(huán)表面．還需要刀具作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)僅是一種維持勻速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。由此可見，活塞環(huán)車床數(shù)控系統(tǒng)的選擇側(cè)重是如何保證刀具徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高速響應(yīng)工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能力，尤其是高轉(zhuǎn)速條件下的響應(yīng)能力。

2 基于PMAC的開放型數(shù)控系統(tǒng)

　　2.1 開放型數(shù)控系統(tǒng)

　　從麻省理工學(xué)院(MIT)所研制的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世至今，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的歷程，數(shù)控系統(tǒng)的性能和可靠性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展得到了根本性的提高。

　　從2O世紀(jì)90年代開始，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，PC微機(jī)的發(fā)展尤為突出，無(wú)論是本身軟硬件還是外圍器件的進(jìn)展日新月異，計(jì)算機(jī)所采用的芯片集成化程度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，而成本卻越來(lái)越底，原來(lái)在中小型機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在在微型機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)。利用PC微機(jī)優(yōu)越性，美國(guó)首先推出了基于PC微機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，IPPCNC系統(tǒng)，它被劃人所謂的第六代開放型數(shù)控系統(tǒng)。

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的目的是使系統(tǒng)構(gòu)筑于一個(gè)開放的平臺(tái)之上，具有模塊化的組織結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成．能夠自由更改或擴(kuò)展系統(tǒng)功能，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。開放式數(shù)控系統(tǒng)以通用PC機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)成總線式模塊、開放型、嵌入式的體系結(jié)構(gòu)，為數(shù)控設(shè)備制造廠和最終用戶進(jìn)行集成和二次開發(fā)給予了有力的支持。此外。開放式數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)能力，除了RS232串口通訊外，還帶有遠(yuǎn)程緩沖功能的DNC接口，甚至MAP或Ethernet接口，可實(shí)現(xiàn)控制器與控制器之間的連接，以及直接連接主機(jī)，便于將不同制造廠的數(shù)控設(shè)備用標(biāo)準(zhǔn)化通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，促進(jìn)系統(tǒng)集成化和信息綜合化。使遠(yuǎn)程操作、遙控及故障診斷成為可能。

　　基于PC微機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。目前有三種PC型數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：① 在PC機(jī)上增加數(shù)控模塊；②在數(shù)控系統(tǒng)上增加IPC模塊；③以純PC軟件形式。其中第一種形式，即在PC機(jī)中插入CNC運(yùn)動(dòng)模塊是一種常見的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，如人們常用PC微機(jī)+PMAC運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　　2.2 PMAC簡(jiǎn)介

　　PMAC (Programmable Multi—Axes Controler)是美國(guó)Delta Tau公司開發(fā)的新一代控制器．它集主機(jī)通訊、運(yùn)動(dòng)控制、后臺(tái)任務(wù)處理等基本數(shù)控功能于一體。PMAC采用Motorola 56000DSP f數(shù)字信號(hào)處理器)作為其CPU，由專門的PROM、RAM、EAROM以及IC門陣列電路等組成。PMAC能完成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制、PLC控制等實(shí)時(shí)任務(wù)．并能夠與上位PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊．接收主機(jī)發(fā)來(lái)的各種控制指令并將伺服電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)、位置信息等返回給主機(jī)。

　　在伺服控制過(guò)程中，PMAC通過(guò)DAC模擬電壓輸出給伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服運(yùn)動(dòng)的控制，同時(shí)PMAC可接收0～5V的數(shù)字正交編碼器反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)，在PAMC和伺服驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接板Acc-8P進(jìn)行連接，除提供高精度的模擬輸出外。還接收編碼器的反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。

　　PMAC主要功能有：強(qiáng)大的伺服控制和插補(bǔ)計(jì)算；多軸控制；網(wǎng)絡(luò)通訊；與外部事件同步；高分辨率的模擬輸出控制；數(shù)據(jù)采集和分析；反向間隙和多種誤差補(bǔ)償：軟硬件超行程限位等功能。PMAC的最主要特點(diǎn)也就其軟硬件的全面開放性，它可以適用于各種不同總線、放大驅(qū)動(dòng)器、反饋元件和檢測(cè)元件。通過(guò)調(diào)用PMAC所提供的函數(shù)，可在VC、VB等語(yǔ)言編譯器和不同操作系統(tǒng)平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與PMAC的可靠通訊，保證用戶完成對(duì)應(yīng)用程序的開發(fā)。

3 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

　　所研制的活塞環(huán)車床數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有開放性．以便于機(jī)床特有功能的開發(fā)。其核心由工控機(jī)和主頻為40MHZ的PMAC構(gòu)成，采用WINDOWS操作平臺(tái)，具有刀具補(bǔ)償、提前預(yù)處理、以及標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口等一般高檔數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能，可以滿足活塞環(huán)所要求的高速響應(yīng)控制精度要求。

　　該數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)其主機(jī)為通用工控機(jī)(IPC)，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)ISA總線插槽嵌入PC微機(jī)，從而構(gòu)成主從控制結(jié)構(gòu)形式。PMAC作為從機(jī)負(fù)責(zé)伺服計(jì)算、軌跡插補(bǔ)、數(shù)據(jù)采集、PLC邏輯計(jì)算等實(shí)時(shí)性控制任務(wù)：主機(jī)擁有豐富的軟硬件資源，負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊功能。IPC與PMAC主從機(jī)之間通過(guò)雙端El RAM(DPRAM)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，從而具有高速的數(shù)據(jù)通信能力，共同協(xié)調(diào)完成控制任務(wù)。

4 基于時(shí)基的“電子靠模"的設(shè)計(jì)

　　活塞環(huán)數(shù)控車床需要通過(guò)電子靠模代替通常的硬靠模完成活塞環(huán)自由型線的加工。必須使主軸旋轉(zhuǎn)編碼器所采集的機(jī)床主軸角度信息和直線電機(jī)的徑向位移匹配起來(lái)，這是活塞環(huán)數(shù)控車床首先需要解決的問(wèn)題。PMAC具有與外部事件同步控制功能，即時(shí)基控制，也稱電子凸輪，它是通過(guò)由外部采集輸入信號(hào)的頻率來(lái)控制所要求運(yùn)動(dòng)的速度。對(duì)于本機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)而言，通過(guò)主軸編碼器采集的角度信號(hào)來(lái)控制X軸(直線電機(jī))的執(zhí)行，即主軸每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。要求X軸直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定的距離，直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度受主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制。

　　在基于時(shí)基的控制中，PMAC將位置運(yùn)動(dòng)軌跡表述為主位置的函數(shù)，而不是時(shí)間的函數(shù)。在本機(jī)床控制系統(tǒng)中，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不受PMAC控制，但希望將受PMAC控制的X軸運(yùn)動(dòng)軌跡表示成主軸運(yùn)動(dòng)的函數(shù)．也就是說(shuō)X軸運(yùn)動(dòng)軌跡與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度一一對(duì)應(yīng)。實(shí)際做法為，先定義主軸位置傳感器的實(shí)時(shí)輸入頻率(RITF)，其單位為每毫秒步，例如設(shè)RITF為32每毫秒步，表示程序運(yùn)行1毫秒時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)32步。若主軸編碼器每轉(zhuǎn)有4096脈沖．?dāng)?shù)控系統(tǒng)采用4倍頻。則主軸在每毫秒實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)了32*360／(4096*4)角度。定義了外部實(shí)時(shí)輸入頻率后，就可以將X軸的運(yùn)動(dòng)軌跡與該主軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度聯(lián)系起來(lái)。

　　雖然基于時(shí)基的控制可以使從動(dòng)軸和主軸保持良好的同步，但對(duì)于活塞環(huán)車削還存在一個(gè)相位問(wèn)題．即主軸上某相位點(diǎn)應(yīng)與X進(jìn)給軸某一位置點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。為此，我們使用了主軸編碼器的基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)觸發(fā)時(shí)基．在觸發(fā)之前凍結(jié)時(shí)基，當(dāng)觸發(fā)器捕捉了主軸基準(zhǔn)點(diǎn)開始觸發(fā)時(shí)基，這樣就可以使時(shí)基的觸發(fā)與主軸的相位保持良好的同步。

　　通過(guò)上述分析，對(duì)PMAC特定變量進(jìn)行設(shè)置以及所需PLC程序的編寫，可以很好的啟動(dòng)PMAC電子凸輪的功能，滿足活塞環(huán)加工的特定要求。表l為本機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所采用的電子靠模的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

　　歸納上述，本機(jī)床基于時(shí)基的電子靠模程序設(shè)計(jì)步驟如下：

　　第一步：信號(hào)解碼給PMAC輸入的信號(hào)必須是某一個(gè)增量編碼器輸入正交信號(hào)或一個(gè)脈沖和方向信號(hào)，通過(guò)定義PMAC的I變量選擇解碼方式

　　第二步：插補(bǔ)與時(shí)基設(shè)置通過(guò)對(duì)PMAC系統(tǒng)I變量的設(shè)置，使系統(tǒng)啟動(dòng)電子凸輪的控制模式。

　　第三步：編寫運(yùn)動(dòng)程序編寫使用觸發(fā)時(shí)基的運(yùn)動(dòng)程序，使所有從動(dòng)控制軸停止在等待觸發(fā)點(diǎn)上，在未被觸發(fā)前，時(shí)基必須被凍結(jié)，以防止開始運(yùn)動(dòng)。

　　第四步：準(zhǔn)備觸發(fā)器為了使系統(tǒng)可靠的執(zhí)行．運(yùn)動(dòng)控制程序不能啟動(dòng)觸發(fā)器，而必須通過(guò)PLC程序來(lái)準(zhǔn)備觸發(fā)，這樣保證在程序計(jì)算未進(jìn)行完之前不可能產(chǎn)生時(shí)基的觸發(fā)。

　　第五步：開始觸發(fā)一旦觸發(fā)器準(zhǔn)備完畢．PMAC就等待主編碼器的基點(diǎn)信號(hào)的到來(lái)。以使時(shí)基程序的觸發(fā)。

5 基于PMAC的直線電機(jī)速度／加速度前饋控制

　　PID調(diào)節(jié)是自動(dòng)控制中最早產(chǎn)生的一種控制方法，其在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用已有幾十年的歷史，作為一種最基礎(chǔ)最主要的調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)控制簡(jiǎn)單且效果顯著．在本系統(tǒng)中將在PMAC中引入PID調(diào)節(jié)，以獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。

　　5.1 傳統(tǒng)PlD控制器基本原理簡(jiǎn)介

　　PID(Proportional、Integral and Differentia1)控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，它以算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制中。

　　系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。作為一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值Y (t)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量U(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P(guān)系可描述為。

　　在系統(tǒng)中，比例作用的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，以最快速度產(chǎn)生控制作用．使偏差向減小的方向變化。增加比例增益可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，提高響應(yīng)速度，但K 過(guò)大，會(huì)造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。

　　積分控制能對(duì)誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中如果使積分值過(guò)大．將會(huì)使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程變長(zhǎng)。微分具有超前作用，能抑制超調(diào)，對(duì)于大的遲滯系統(tǒng)．引入微分控制對(duì)于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有顯著的效果。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中如果使微分控制量過(guò)大，將會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。

　　5.2 基于PMAC的直線電機(jī)速度／加速度前饋控制

　　傳統(tǒng)的PID控制策略在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但在高精度微進(jìn)給的高性能場(chǎng)合，就必須考慮到對(duì)象結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化、各種非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等不確定因素，才能得到滿意的控制效果。

　　在采取各種控制方法時(shí)，基于對(duì)對(duì)象模型結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)．必須從直線交流伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)具有高度快速性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)這一具體對(duì)象特征出發(fā)，不可能在非常短暫的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的控制算法。同時(shí)，要針對(duì)產(chǎn)生擾動(dòng)的不同原因的特殊性．采用相應(yīng)見長(zhǎng)的控制策略。伺服系統(tǒng)另一個(gè)重要性能就是其對(duì)指令的跟蹤能力，在理想情況下。輸出能無(wú)延遲、無(wú)超調(diào)地跟蹤指令的變化。一個(gè)成功的控制策略，必須針對(duì)具體對(duì)象的特點(diǎn)，在滿足主要要求的同時(shí)，兼顧跟蹤能力和抗擾能力。

　　在這種情況下，考慮到PMAC強(qiáng)大的伺服控制功能，在傳統(tǒng)的PID控制算法的基礎(chǔ)上，再加上速度和加速度的前饋，用速度前饋來(lái)減小由于阻尼帶來(lái)的跟隨誤差，用加速度前饋來(lái)補(bǔ)償由于慣性帶來(lái)的跟隨誤差，同時(shí)加上陷波濾波器來(lái)防止諧振，以抵消共振，正是基于上述的分析，提出了基于PMAC的直線電機(jī)速度／力Ⅱ速度前饋控制，控制結(jié)構(gòu)圖

　　在圖中，Kp是比例增益，Kd是微分增益，Ki是積分增益，Kvff提速度前饋增益，Kaff提加速度前饋增益。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了活塞環(huán)數(shù)控車床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為非圓產(chǎn)品的高速加工提供了控制系統(tǒng)解決方案。