活塞環(huán)CAD／CAM軟件是活塞環(huán)全數(shù)控加工的一個重要組成部分。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)品型號必不可少的一個環(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．自動完成活塞環(huán)自由型線數(shù)據(jù)的計(jì)算，對活塞環(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，它是一個實(shí)時多任務(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，凸輪輪廓曲線是根據(jù)從動件運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)的。若要改變從動件的運(yùn)動規(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。通過系統(tǒng)中存儲的電子凸輪來驅(qū)動徑向進(jìn)給電機(jī)完成所需的進(jìn)給運(yùn)動，通過修改存儲系統(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，機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與刀具的徑向進(jìn)給運(yùn)動是由電子靠模保持著嚴(yán)格的運(yùn)動關(guān)系。此外，為加工出整個活塞環(huán)表面．還需要刀具作軸向進(jìn)給運(yùn)動，該運(yùn)動與主軸轉(zhuǎn)動僅是一種維持勻速進(jìn)給運(yùn)動的關(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)動高速響應(yīng)工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的能力，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)所研制的第一臺數(shù)控機(jī)床問世至今，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已走過了半個多世紀(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越高，功能越來越強(qiáng)，而成本卻越來越底，原來在中小型機(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)筑于一個開放的平臺之上，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，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)動控制器開發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　　2.2 PMAC簡介

　　PMAC (Programmable Multi—Axes Controler)是美國Delta Tau公司開發(fā)的新一代控制器．它集主機(jī)通訊、運(yùn)動控制、后臺任務(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)動控制系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制、PLC控制等實(shí)時任務(wù)．并能夠與上位PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)通訊．接收主機(jī)發(fā)來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)。

　　在伺服控制過程中，PMAC通過DAC模擬電壓輸出給伺服驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)對伺服運(yùn)動的控制，同時PMAC可接收0～5V的數(shù)字正交編碼器反饋信號實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)，在PAMC和伺服驅(qū)動器之間通過信號轉(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)動器、反饋元件和檢測元件。通過調(diào)用PMAC所提供的函數(shù)，可在VC、VB等語言編譯器和不同操作系統(tǒng)平臺下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與PMAC的可靠通訊，保證用戶完成對應(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，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)動控制器通過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 基于時基的“電子靠模"的設(shè)計(jì)

　　活塞環(huán)數(shù)控車床需要通過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，這是活塞環(huán)數(shù)控車床首先需要解決的問題。PMAC具有與外部事件同步控制功能，即時基控制，也稱電子凸輪，它是通過由外部采集輸入信號的頻率來控制所要求運(yùn)動的速度。對于本機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)而言，通過主軸編碼器采集的角度信號來控制X軸(直線電機(jī))的執(zhí)行，即主軸每旋轉(zhuǎn)一個角度。要求X軸直線電機(jī)運(yùn)動到指定的距離，直線電機(jī)運(yùn)動速度受主軸轉(zhuǎn)動速度控制。

　　在基于時基的控制中，PMAC將位置運(yùn)動軌跡表述為主位置的函數(shù)，而不是時間的函數(shù)。在本機(jī)床控制系統(tǒng)中，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動不受PMAC控制，但希望將受PMAC控制的X軸運(yùn)動軌跡表示成主軸運(yùn)動的函數(shù)．也就是說X軸運(yùn)動軌跡與主軸轉(zhuǎn)動的角度一一對應(yīng)。實(shí)際做法為，先定義主軸位置傳感器的實(shí)時輸入頻率(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，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)過了32*360／(4096*4)角度。定義了外部實(shí)時輸入頻率后，就可以將X軸的運(yùn)動軌跡與該主軸轉(zhuǎn)過的角度聯(lián)系起來。

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

　　通過上述分析，對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結(jié)構(gòu)。

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

　　第一步：信號解碼給PMAC輸入的信號必須是某一個增量編碼器輸入正交信號或一個脈沖和方向信號，通過定義PMAC的I變量選擇解碼方式

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

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

　　第四步：準(zhǔn)備觸發(fā)器為了使系統(tǒng)可靠的執(zhí)行．運(yùn)動控制程序不能啟動觸發(fā)器，而必須通過PLC程序來準(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)信號的到來。以使時基程序的觸發(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)是自動控制中最早產(chǎn)生的一種控制方法，其在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(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)性能和動態(tài)性能。

　　5.1 傳統(tǒng)PlD控制器基本原理簡介

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

　　系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。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、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量U(t)，對被控對象進(jìn)行控制。控制器的輸入輸出關(guān)系可描述為。

　　在系統(tǒng)中，比例作用的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號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 過大，會造成閉環(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)過程中如果使積分值過大．將會使系統(tǒng)的過渡過程變長。微分具有超前作用，能抑制超調(diào)，對于大的遲滯系統(tǒng)．引入微分控制對于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能有顯著的效果。但在設(shè)計(jì)過程中如果使微分控制量過大，將會使系統(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)給的高性能場合，就必須考慮到對象結(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，基于對對象模型結(jié)構(gòu)的認(rèn)識．必須從直線交流伺服電動機(jī)傳動系統(tǒng)是一個具有高度快速性的動態(tài)系統(tǒng)這一具體對象特征出發(fā)，不可能在非常短暫的動態(tài)調(diào)節(jié)過程中實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的控制算法。同時，要針對產(chǎn)生擾動的不同原因的特殊性．采用相應(yīng)見長的控制策略。伺服系統(tǒng)另一個重要性能就是其對指令的跟蹤能力，在理想情況下。輸出能無延遲、無超調(diào)地跟蹤指令的變化。一個成功的控制策略，必須針對具體對象的特點(diǎn)，在滿足主要要求的同時，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，用速度前饋來減小由于阻尼帶來的跟隨誤差，用加速度前饋來補(bǔ)償由于慣性帶來的跟隨誤差，同時加上陷波濾波器來防止諧振，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

　　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。