UMAC伺服同步控制技術(shù)在軌跡制孔上的實現(xiàn)

劉建東，張云志

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

伺服電機同步聯(lián)動要解決的關(guān)鍵問題是確保運行過程中每個聯(lián)動電機的動態(tài)特性的一致性，以使得雙軸系統(tǒng)的運行如同單軸系統(tǒng)一樣。為此,雙軸同步聯(lián)動伺服系統(tǒng)需要使用同步聯(lián)動的各種控制方法來達到各關(guān)聯(lián)電機動態(tài)特性的一致性，雙軸同步聯(lián)動伺服系統(tǒng)是一種強耦合性的非線性系統(tǒng)，因此其中存在著各種非線性因素,如飽和非線性、摩擦非線性等，如何通過控制理論來有效地消除這些非線性的影響,確保雙軸同步運行過程中每個關(guān)聯(lián)軸的動態(tài)特性的一致性，成為伺服控制技術(shù)研究領(lǐng)域中的熱點。隨著鈦合金、碳纖維復(fù)合材料等在航空制造業(yè)中的大量應(yīng)用，對航空裝配中制孔的高效、高質(zhì)量和高精度的加工需求也越來越高。軌跡制孔技術(shù)由于采用了先進的結(jié)構(gòu)和加工工藝，目前已經(jīng)在國外一些著名飛機制造廠商的裝配車間中使用。軌跡制孔技術(shù)不同于傳統(tǒng)的制孔方式，采用了斷續(xù)銑削的技術(shù)，一把刀具能在1個工序內(nèi)完成對不同孔徑的加工，既減少了換刀時間，又消除毛刺、脫層、剝離、孔表面粗糙度等問題，大大提高了工作效率和制孔質(zhì)量。

本文根據(jù)軌跡制孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和制孔工藝需求運動機理和控制要求，要求控制系統(tǒng)應(yīng)具備伺服控制、多軸同步控制、通過現(xiàn)場總線與上位機數(shù)據(jù)交換等功能。本文介紹提出一種一種以UMAC運動控制器為核心的軌跡制孔控制系統(tǒng)，雙電機同步聯(lián)動控制系統(tǒng)，詳細分析了符合系統(tǒng)要求的控制方案及其工作原理。該運動控制器系統(tǒng)具有功能強大、同步特性好、系統(tǒng)開放性高好和實時性強等特點，結(jié)配合安川伺服系統(tǒng)，能夠完全滿足完成軌跡制孔過程中的復(fù)雜運動控制。

1 UMAC簡介

UMAC是美國Delta Tau系統(tǒng)公司推出的一種可編程多軸運動控制器,它是世界上功能最強，計算速度最快，質(zhì)量可靠的運動控制產(chǎn)品之一。它采用Motorola公司的DSP5630X系列處理器作為CPU, 最多可控制32個伺服軸。它的速度、分辨率、帶寬等指標(biāo)遠優(yōu)于一般的控制器。伺服控制包括PID伺服調(diào)整和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達60μs，二軸聯(lián)動為110μs。UMAC 具有開放平臺，它可以同時執(zhí)行多個運動程序和PLC程序[1]，并且各個任務(wù)能夠按照優(yōu)先級進行組織安排，使應(yīng)用程序以最優(yōu)化、高效、安全的運行。

UMAC作為軌跡制孔系統(tǒng)的多軸控制器, 控制結(jié)構(gòu)可以大大簡化,系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試過程也變得更簡單。

圖1 UMAC多軸運動控制器Fig.1 UMAC Multi-axis motion controller

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軌跡制孔設(shè)備主要由主軸單元、偏心調(diào)整單元、圍繞主軸旋轉(zhuǎn)的公轉(zhuǎn)單元、進給單元和壓腳控制單元組成。制孔主軸通過高速自轉(zhuǎn)進行切削，它靠變頻器驅(qū)動電主軸來完成；偏心單元和公轉(zhuǎn)單元主要用來調(diào)整偏心的角度，從而改變刀具的加工直徑，實現(xiàn)一把刀具完成一系列直徑孔的功能；進給單元可以實現(xiàn)刀具的快速和精確的定位；壓腳控制單元完成對工件的壓緊動作。軌跡制孔設(shè)備的實物如圖2所示。

圖2 軌跡制孔設(shè)備Fig.2 Orbital drilling equipment

軌跡制孔設(shè)備控制系統(tǒng)由上位機人機界面（HMI）、下位機UMAC多軸運動控制器、ACC-34AA數(shù)字I/O接口卡、安川伺服控制系統(tǒng)組成。上位機采用BEIJER公司的觸摸屏人機界面，基于WINCE的實時操作系統(tǒng)保證了和下位機數(shù)據(jù)通信的實時性。上位機主要完成對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控、按照制孔工藝的要求進行手動和自動操作、設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)的設(shè)定等功能。

下位機UMAC運動控制器是整個系統(tǒng)的控制核心，強大的插補功能和較高的伺服更新率，保證了偏心軸和公轉(zhuǎn)軸的精確同步。伺服系統(tǒng)采用安川的SGDV系列驅(qū)動器，該驅(qū)動器主要用于需要高速、高頻度、高定位精度的場合，該伺服單元可以在最短的時間內(nèi)最大限度地發(fā)揮機械性能。由變頻器驅(qū)動的電主軸和安川伺服驅(qū)動器驅(qū)動的安川伺服電機構(gòu)成軌跡制孔設(shè)備的鉆銑動力執(zhí)行機構(gòu)。

上位機和下位機的通訊采用Modbus/TCP總線方式。UMAC控制器和變頻器作為Modbus的服務(wù)器端，上位機為客戶端。Modbus/TCP是在基于以太網(wǎng)的TCP/IP上實現(xiàn)的Modbus協(xié)議，它憑借高速以太網(wǎng)的物理傳輸介質(zhì)和modbus協(xié)議的開放性與CRC校驗糾錯的特性，保證了軌跡制孔系統(tǒng)數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)膶崟r性和正確性。軌跡制孔控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌跡制孔設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of orbital drilling equipment

3 UMAC PID伺服調(diào)整

為了保證電機的定位精度和同步精度，需要根據(jù)電動機的負(fù)載、工作環(huán)境、機械性能等對UMAC多軸控制器進行PID參數(shù)調(diào)整。只有這樣電動機才能真正穩(wěn)定地工作, 并且具有高效的工作性能。PID控制器是比例、積分、微分校正裝置。比例增益為系統(tǒng)提供剛性, 它的大小決定系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,積分增益可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差, 微分增益是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定性的阻尼項,能夠改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。

首先，為了保證控制系統(tǒng)的位置精度，需要把速度控制和力矩控制設(shè)置成由安川伺服驅(qū)動器來完成, 位置控制由UMAC多軸控制器完成。然后，通過調(diào)整階躍響應(yīng)來調(diào)整反饋增益，保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定性。其中階躍信號常用來衡量反饋濾波器的性能。調(diào)整UMAC多軸運動控制器的參數(shù)Kp（比例積分增益I×30）、Kd（微分增益 I×31）、Ki（積分增益 I×33） 的數(shù)值來調(diào)整反饋濾波器。給伺服電機一個階躍信號,觀察系統(tǒng)對階躍信號的響應(yīng),根據(jù)調(diào)整軟件自動生成的調(diào)試曲線圖，統(tǒng)計出衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)數(shù)值,通過反復(fù)調(diào)整，使系統(tǒng)運動參數(shù)滿足軌跡制孔設(shè)備的性能要求。圖4和圖5是PID整定前、后的階躍響應(yīng)圖例。

4 虛軸同步

根據(jù)軌跡制孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，圍繞主軸進行公轉(zhuǎn)的兩個軸的同步精度決定了最終加工孔的精度。通過對UMAC多軸運動控制器的PID調(diào)整，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和控制精度，為多軸的精確同步打下了堅實的基礎(chǔ)。

目前多軸運動控制器的同步控制方式基本有3種：主命令參考模式、主-從命令模式和耦合命令模式。在主命令參考模式的同步控制方式下，系統(tǒng)的所有軸節(jié)點共享一個主命令參考信號，系統(tǒng)的控制信號直接作用到每個伺服驅(qū)動軸，各伺服軸的信號一致，各單元之間沒有信號耦合和相互聯(lián)系[2]。如果其中任意一個軸出現(xiàn)外部擾動而發(fā)生速度躍變時，其它軸卻并不知曉，從而不能保證多個軸的同步。主-從命令模式與主命令參考模式相似，區(qū)別在于系統(tǒng)中有一個主動軸，而其它軸為從運動軸。同步信號由主動軸發(fā)出，其他從動軸跟隨主運動軸的運動信號。當(dāng)主動軸的負(fù)載發(fā)生變化或速度發(fā)生跳變，跟隨的從動軸會跟蹤主動軸的變化，達到多軸同步控制需求。但當(dāng)任意一個從動軸出現(xiàn)負(fù)載變化而發(fā)生速度跳變時，主運動軸卻不能得到反饋，從而不能保證多軸的同步。耦合命令模式下，系統(tǒng)中的各個伺服軸之間存在命令或參數(shù)的耦合關(guān)系，雖然提高了各軸之間的同步性，但如果系統(tǒng)總線帶寬不高或同步的節(jié)點太多，容易出現(xiàn)丟軸的問題，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

虛軸同步控制方式是在主-從命令模式的基礎(chǔ)上，加入了反饋環(huán)節(jié)，通過在多軸運動控制器上虛擬一個主軸，其他需要同步的運動軸模擬虛擬主軸的特性，實現(xiàn)了各個軸的同步控制。如圖6所示，在虛軸法同步控制方式中，當(dāng)任意一臺電機受到擾動時，都會引起虛擬主軸參考信號的變化，從而使另一臺電機的速度也相應(yīng)的快速發(fā)生變化。由于主軸是虛擬的，其參數(shù)更可以進一步的優(yōu)化，從而達到最滿意的控制效果。

在軌跡制孔控制系統(tǒng)中，通過對UMAC多軸運動控制器的I變量和M變量的設(shè)置，虛擬出第4個軸作為虛主動軸，公轉(zhuǎn)軸和偏心軸作為從動軸。公轉(zhuǎn)軸和偏心軸的P變量和I變量設(shè)置與虛軸保持一致，UMAC控制器通過總線把速度和位置信號發(fā)送給虛擬軸的同時也發(fā)送給偏心軸和公轉(zhuǎn)軸，并且響應(yīng)同虛軸一樣的控制指令，從而實現(xiàn)精確的同步控制。

圖4 PID調(diào)整前電機階躍響應(yīng)曲線Fig.4 Motor step response curve before PID adjust

圖5 PID調(diào)整后電機階躍響應(yīng)曲線Fig.5 Motor step response curve after PID adjust

圖6 虛軸同步控制原理Fig.6 Control principle of the synchronous virtual axis

5 控制軟件設(shè)計

5.1 軟件結(jié)構(gòu)

軌跡制孔設(shè)備的控制軟件包括下位機實時控制軟件和上位機監(jiān)控、操作軟件兩部分。下位機軟件由UMAC多軸運動控制器的PLC和PMC程序編寫，包括系統(tǒng)初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、編碼器讀寫模塊、同步控制模塊、回零控制模塊、數(shù)據(jù)更新模塊等。由于UMAC控制器采用實時操作系統(tǒng)，下位機的各個任務(wù)模塊按照任務(wù)優(yōu)先級進行分配，保證了伺服更新和其它控制模塊的任務(wù)的合理分配，提高了系統(tǒng)的運行速度和穩(wěn)定性。上位機采用北爾公司的HMI（人機界面），完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示、JOG控制、參數(shù)設(shè)置、制孔操作等功能。上位機和下位機的通訊采用Modbus/TCP總線方式進行。Modbus是一種應(yīng)用于工業(yè)控制器上的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，由于其功能比較完善而且協(xié)議開放，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。軌跡制孔設(shè)備的控制軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5.2 下位機程序設(shè)計

圖7 軌跡制孔設(shè)備控制軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of software

UMAC運動控制器是一臺具有獨立內(nèi)存、獨立運算操作能力的計算機，它使用DSP數(shù)字處理芯片，內(nèi)部有一套自己的編程語言。具有內(nèi)置PLC和PMC運動控制程序，可以在后臺同時運行32個異步PLC程序。在UMAC上運行運動程序前必須定義一個坐標(biāo)系，多個軸可以聯(lián)動于一個坐標(biāo)系下，也可以獨立的運行在不同的坐標(biāo)系下。軌跡制孔系統(tǒng)中的各軸根據(jù)模塊的功能被分配到了4個不同的的坐標(biāo)系下。

5.3 上位機程序設(shè)計

軌跡制孔設(shè)備中上位機以Visual C#作為開發(fā)工具，按照自動制孔模塊、制孔參數(shù)模塊、手動調(diào)試模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、信息顯示模塊等的功能進行相應(yīng)界面的開發(fā)，其中手動調(diào)試還包括主軸調(diào)試和JOG調(diào)試兩個界面。圖8是自動制孔功能的操作界面。

圖8 自動制孔操作界面Fig.8 Operation interface of automatic drilling

6 制孔試驗和檢測

根據(jù)軌跡制孔設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)特點，我們進行了鋁合金材料、鈦合金材料、復(fù)合材料、鈦合金+復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)制孔的制孔試驗。試驗過程中通過調(diào)整刀具主軸轉(zhuǎn)速、軌道轉(zhuǎn)速、軸向進給量和中心偏移距離等參數(shù)對銑削力進行了相應(yīng)測試試驗[1]，并對試驗數(shù)據(jù)進行了采集和分析。試驗結(jié)果表明不同的加工材料對各個軸的受力情況是不同的。表1和表2是在對鋁合金材料、復(fù)合材料進行制孔試驗時各軸力矩電流數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果。

在軌跡制孔設(shè)備的試驗階段，我們根據(jù)不同材料確定了制孔工藝流程和制孔工藝參數(shù)，并且對制孔的精度進行了檢測，檢測結(jié)果表明針對鋁合金材料制孔孔徑能夠達到H9精度。

7 結(jié)論

本文通過對UMAC伺服同步運動控制功能的開發(fā)與研究，搭建了基于UMAC為核心的多軸伺服控制系統(tǒng)，并開發(fā)了配套運動控制程序和操作軟件，并以機器人為載體，利用國產(chǎn)刀具在所研制的螺旋軌跡制孔樣機上，完成了對鈦合金、CFRP等難加工材料的制孔驗證，制孔精度、孔內(nèi)表面粗糙度等均達預(yù)期，驗證了本控制方法的合理性和的有效性，使一種刀具加工多種直徑的孔成為現(xiàn)實，同時為多軸伺服系統(tǒng)的同步控制提供了一個行之有效的方法。

表1 鋁合金材料制孔試驗數(shù)據(jù)

表2 復(fù)合材料制孔試驗數(shù)據(jù)

[1] 秦旭達, 陳仕茂. 螺旋銑孔技術(shù)在航空制造裝配業(yè)中的發(fā)展應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2009(6)：2-3.QIN Xuda, CHEN Shimao. The development and application of spiral milling technology in aviation manufacturing and assembly industry[J].Aviation Manufacturing Technology, 2009(6)：2-3.

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