一種直線電動機驅(qū)動軸數(shù)控手輪功能的實現(xiàn)方法*

李志明 胡海龍 吳榮華 王培德 陳喜東

(①燕山大學信息科學與工程學院(軟件學院)，河北 秦皇島 066004;②河北省計算機虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成重點實驗室，河北 秦皇島 066004;③北京機床所精密機電有限公司，北京，100102)

數(shù)控機床正朝高速、精密、復合、智能的方向快速發(fā)展，同時也對伺服進給控制系統(tǒng)提出更高的要求［1］。直線電動機進給系統(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，故是先進制造數(shù)控設備的理想驅(qū)動部件［2］。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系;它是數(shù)控機床不可或缺的功能，直接關系到機床的實用性［3］。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)方法進行了研究，涉及的部件見表1。

表1 UMAC 運動控制器配置

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;該平臺的具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 某型號精密激光切割數(shù)控硬件平臺結(jié)構(gòu)

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，electronic gearing)功能［4］為基礎實現(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)合初始化設置驅(qū)動相應的執(zhí)行元件運動。按圖2 連接有關硬件設備后，再簡單設置相關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)方法已有多篇相關文獻介紹［3，5］，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 手動跟隨流程設計

假設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前值為MPc，其位置改變量ΔP=MPc-MPo;則手動跟隨手輪功能實現(xiàn)方法的具體流程如圖2 所示。

圖2 手動跟隨手輪功能實現(xiàn)流程

3.2 功能實現(xiàn)

為了進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、與設計流程中各變量相對應的M 變量寄存器，其中M162 對應MPo、MPc，M262 對應FPo，M272 對應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。若設置I219的值過低，則會因加速度太慢而導致跟隨滯后;若其值設置過高，則會因加速度過大而引起加工平臺抖動。若I222 設置過低，則當手輪停止搖動后，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，在如圖2 所示的某型號精密激光切割數(shù)控硬件平臺上進行了實驗，并采集了手輪倍率為100 時的手輪和隨動軸X軸的實時速度曲線，分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 位置跟隨速度曲線

從圖3 可以看出，利用位置跟隨實現(xiàn)手輪功能的情況下，電動機的響應速度較快;但由于缺少了相關運動參數(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，導致了所驅(qū)動的加工平臺劇烈“抖動”，嚴重影響了手輪的定位精度。

圖4 手動跟隨速度曲線

利用手動跟隨實現(xiàn)手輪功能時，將手輪脈沖變化量的時間間隔設置為0.2 s。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，是先進制造數(shù)控設備的理想驅(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。

［1］汪木蘭，張崇巍，林健，等.數(shù)控機床用直線電機伺服試驗平臺開發(fā)及應用［J］.中國機械工程，2012，23(3):274 -278.

［2］張倩，萬里冰，趙彤.直線電機在高檔數(shù)控機床上的應用現(xiàn)狀［J］.航空制造技術(shù)，2013，(5):52 -54.

［3］史愛峰，張生芳，盛賢君，等.基于PMAC 數(shù)控系統(tǒng)手輪脈沖跟隨功能的實現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機床，2004 (10):42 -45.

［4］Delta Tau Data Systems，Inc.Turbo PMAC user manual［Z］.2008:345 -346.

［5］李志明，胡海龍，吳榮華，等.基于UMAC 的數(shù)控系統(tǒng)虛擬平臺及其應用［J］.制造技術(shù)與機床，2013 (7):140 -143.