驅(qū)動軸數(shù)控手輪功能實現(xiàn)方法
2014/9/2 11:29:53
數(shù)控機床正朝高速、精密、復(fù)合、智能的方向快速發(fā)展，同時也對伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)提出更高的要求。直線電動機進(jìn)給系統(tǒng)采用零傳動方式，徹底改變了傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動方式存在先天性缺點，具有加速度大、定位精度高、速度快、行程長度不受限制等優(yōu)點，故是先進(jìn)制造數(shù)控設(shè)備的理想驅(qū)動部件。在數(shù)控機床中，刀具微動、工件對刀、工作臺隨動、機床原點修正等功能通常是通過手輪操作實現(xiàn)。手輪功能是通過手輪脈沖編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號頻率和個數(shù)實現(xiàn)對隨動裝置的運動速度和位移進(jìn)行控制，使隨動裝置的運動和手輪脈沖編碼器所產(chǎn)生的信號成一定的比例關(guān)系;它是數(shù)控機床不可或缺的功能，直接關(guān)系到機床的實用性。在“PC+UMAC運動控制器”的開放式數(shù)控平臺上，采用UMAC的“主從跟隨”方式來實現(xiàn)手輪功能時，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)手輪控制直線電動機驅(qū)動軸時，加工平臺發(fā)生了劇烈的抖動現(xiàn)象。經(jīng)過深入分析，查找到了加工平臺抖動的原因，并提出了一種適用于直線電動機驅(qū)動軸的數(shù)控手輪功能實現(xiàn)方法。
1 硬件平臺簡介
1.1主要部件簡介以本項目組研發(fā)的某型號高速高精激光切割數(shù)控機床的部分硬件平臺為例，對基于UMAC的手輪功能實現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。
1.2平臺結(jié)構(gòu)為了對直線電動機驅(qū)動軸的數(shù)控手輪功能進(jìn)行研究，在某型號精密激光切割數(shù)控硬件平臺上，將軸卡通道1用于連接手輪、軸通道2連接X軸的直線電動機驅(qū)動器。
2 位置跟隨手輪實現(xiàn)方法及不足
位置跟隨方法實現(xiàn)手輪功能，是以PMAC位置跟隨(電子齒輪，electronicgearing)功能為基礎(chǔ)實現(xiàn)的。手輪脈沖編碼器產(chǎn)生的脈沖信號送至PMAC，經(jīng)PMAC運算處理，所得結(jié)果結(jié)合初始化設(shè)置驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行元件運動。連接有關(guān)硬件設(shè)備后，再簡單設(shè)置相關(guān)I變量，如I205(主從跟隨地址)、I206(跟隨使能)、I207(主動軸位置比例因子)、I208(從動軸位置比例因子)等;具體的實現(xiàn)方法已有多篇相關(guān)文獻(xiàn)介紹，在此不再贅述。
該方法最大的特點在于簡單，易于實現(xiàn)。從本質(zhì)上講，位置跟隨功能類似于機械中的齒輪功能，“從動輪”跟隨“主動輪”，運動性能參數(shù)完全受控于主動輪。然而，在搖動手輪時，產(chǎn)生脈沖信號的頻率并不穩(wěn)定，且隨動軸的運動參數(shù)不受UMAC運動控制器控制，因而，相對于加速度較大的直線電動機，更容易引起電動機速度的陡變，直接體現(xiàn)在所控加工平臺的劇烈“抖動”。因此，該方法不適合于直線電動機驅(qū)動軸的手輪功能實現(xiàn)。
3 手動跟隨手輪實現(xiàn)方法
位置跟隨手輪實現(xiàn)方法所引起的加工平臺“抖動”，其根本原因就是隨動軸在運動過程中缺少了對加速度、速度等運動性能參數(shù)的控制。為了避免上述不足，實現(xiàn)隨動軸的平滑運動，結(jié)合UMAC運動控制器的手動命令及其手動運動控制參數(shù)，系統(tǒng)地提出一種手動跟隨手輪實現(xiàn)方法;該方法尤其適合于直線電動機驅(qū)動軸的手輪功能實現(xiàn)。
3.1 手動跟隨流程設(shè)計
假設(shè)手輪所在軸通道的實際位置寄存器初始值為MPo，隨動軸通道的實際位置寄存器初始值為FPo，隨動軸通道手動位移寄存器的值為FPd，經(jīng)一定時間間隔后手輪所在軸通道位置寄存器的當(dāng)前值為MPc，其位置改變量ΔP=MPc－MPo。
3.2 功能實現(xiàn)
為了進(jìn)一步闡明手動跟隨手輪功能實現(xiàn)的方法，結(jié)合第1節(jié)所述的硬件平臺進(jìn)行介紹。要實現(xiàn)上述功能，首先要找到UMAC中事先分配的、與設(shè)計流程中各變量相對應(yīng)的M變量寄存器，其中M162對應(yīng)MPo、MPc，M262對應(yīng)FPo，M272對應(yīng)FPd。借助UMAC內(nèi)置的軟PLC語言，
根據(jù)手動跟隨手輪功能實現(xiàn)方法的具體流程編制PLC程序即可。根據(jù)手輪倍率設(shè)置軸通道2的電動機最大手動加速度I219、電動機手動速度I222的值。若設(shè)置I219的值過低，則會因加速度太慢而導(dǎo)致跟隨滯后;若其值設(shè)置過高，則會因加速度過大而引起加工平臺抖動。若I222設(shè)置過低，則當(dāng)手輪停止搖動后，會出現(xiàn)“隨動滯后”的現(xiàn)象;相反，若其值設(shè)置過高，則會因I219的限制，使系統(tǒng)的減速時間過長，同樣出現(xiàn)“隨動滯后”的現(xiàn)象。因此，在不同手輪倍率下，必須結(jié)合特定硬件平臺，經(jīng)反復(fù)試驗，才能確定I219、I222的最終值。
4 實驗結(jié)果及分析
為了對比上述兩種實現(xiàn)手輪功能的方法，在某型號精密激光切割數(shù)控硬件平臺上進(jìn)行了實驗。
利用位置跟隨實現(xiàn)手輪功能的情況下，電動機的響應(yīng)速度較快;但由于缺少了相關(guān)運動參數(shù)的控制，在勻速搖動手輪時X軸的速度出現(xiàn)了“陡升陡降”的現(xiàn)象，導(dǎo)致了所驅(qū)動的加工平臺劇烈“抖動”，嚴(yán)重影響了手輪的定位精度。
利用手動跟隨實現(xiàn)手輪功能時，將手輪脈沖變化手動跟隨速度曲線量的時間間隔設(shè)置為0.2s。該方法通過引入手動運動控制參數(shù)，對X軸的隨動運動進(jìn)行控制，有效避免了X軸速度“陡升陡降”現(xiàn)象的發(fā)生，提高了加工平臺運動的平滑性和定位精度。
5 結(jié)語
直線電動機具有加速度大、定位精度高、速度快等優(yōu)點，是先進(jìn)制造數(shù)控設(shè)備的理想驅(qū)動部件。在利用UMAC運動控制器的位置跟隨方式實現(xiàn)直線電動機所在軸的手輪功能時，加工平臺出現(xiàn)了劇烈抖動的現(xiàn)象。筆者對這一問題進(jìn)行了深入分析，找到了加工平臺劇烈抖動的原因，并提出了一種適用于直線電動機驅(qū)動軸的數(shù)控手輪功能實現(xiàn)方法;經(jīng)實驗驗證，該方法實現(xiàn)了加工平臺的平滑運動，有效提高了手輪定位精度。
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