本文主要是基于dMC-1842系列运动控制卡来研究运动控制系统,根据活塞外圆车床设计要求,进行活塞外圆车床总体设计阶段工作,该设计为了解决中凸变椭圆活塞数控车削加工的高实时性要求,设计了具有上下位机、多处理器结构的数控系统,并对控制卡软件进行简单介绍.福建省科技重大专项/专题资助(2006HZ0002-4);厦门市科技计划项目资助(3502Z20083010

刘卫华

郭隐彪

饶睿智

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《机电技术》2009 年第 4 期                                    计算机技术应用  12变椭圆活塞加工系统的设计* 刘卫华  郭隐彪  饶睿智 （厦门大学机电工程系，福建 厦门 361005） 摘 要：本文主要是基于 DMC-1842 系列运动控制卡来研究运动控制系统，根据活塞外圆车床设计要求,进行活塞外圆车床总体设计阶段工作,该设计为了解决中凸变椭圆活塞数控车削加工的高实时性要求,设计了具有上下位机、多处理器结构的数控系统,并对控制卡软件进行简单介绍. 关键字：开放性 CNC 系统 智能控制卡 伺服运动控制 硬件设计 中图分类号： TG659  TP273┼.5  文献标识码：A  文章编号：1672-4801（2009）04-012-04 引言 作为工业应用越来越广泛的工业 PC 机, 除了具有一般通用计算机的特点外, 还由于具有开放式的模块化结构、较强的数据处理能力、很好的实时性能、较强的工业环境适应性、高可靠性、良好的软件开发环境, 以及高性能的网络和通信支持等优良性能, 使其在世界各国工业界得到广泛的应用。基于工业 PC 机的 CNC 系统是一种新型的开放式数控系统, 而“NC 嵌人 PC”结构的开放式 CNC 系统是当前 为理想的开放式 CNC 系统，可以满足开发者和用户适应环境改变或新技术出现而要求修改、扩展系统功能的要求, 可以更好地适应现代制造系统发展的要求。 1 硬件结构介绍 1.1 工控机(上位机) 本系统采用的是研华公司的 IPC-610L（图 1）作为开发平台，操作系统是 windows2000,该工业控制平台具有一般 PC 特性之外，还具有其自身的优点。IPC 是专为工业现场控制而设计，它与商用计算机在软硬件方面完全兼容，而且在防磁、防震、耐温、抗干扰等方面还进行了特殊的设计。IPC 机它可以通过一些外接设备（键盘、驱动器等）来接受外部的命令或者数据，并经过处理后向各执行机构发出控制信号或数据，从而控制整台设备的运行。IPC 机同时还能检测各执行机构的工作状态，根据不同的状态及要求做出相应的处理。 1.2 运动控制卡 本系统采用 GALIL 公司的 DMC-1842 运动控制卡（图 2）。Galil 提供了通用的控制算法，同时也可由用户指定，并通过 PC 总线下载到 Galil中。选用此控制卡的主要优点： (1)PCI BUS 总线可控制 1—4 轴； (2)各轴均可独立设定为伺服马达或步进马达控制轴，无刷马达正弦波换相控制； (3)PID 补偿与速度,加速度前馈功能，积分极限，陷波滤波器，低通滤波器； (4)运动模式：速度控制，点对点定位，连续路径运动，线性及圆弧补间，特色：椭圆轴伸缩比例，过弯减速，无线线段进给，超驰进给； (5)提供 200 多个指令，可执行条件式，事件驱动。  图 1 IPC-610L 工控机  图 2 DMC-1842 运动控制卡 1.3 伺服系统 本系统采用的是日本富士 FALDIC－β 系列AC 伺服系统（图 3），伺服放大器为 RYB401S3－*基金资助：福建省科技重大专项/专题资助（2006HZ0002-4）；厦门市科技计划项目资助（3502Z20083010）。 计算机技术应用                                  《机电技术》2009 年第 4 期  13VBC 型，伺服电机为 GYS401DC1－CA 型。  图 3 伺服系统     图 4 直线电机及其驱动器 1.4 直线电机(音圈电机) 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的 大区别是取消了从电机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，从而带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。  而在中凸变椭圆车床中，要求高频、高加速度、高精度(由于加工范围不大,无须高速度；由于加工材料无须高刚度无须高推力)，根据该选型原则，美新精密电机有限公司的美新直线电机（图4）符合要求。 2 控制系统流程简介 由于windows操作系统无法满足数控加工的实时性要求，因此，数控系统采用了基于上、下位机的双CPU开放式数控系统。上位机为工业控制计算机，主要完成数控编程、数控仿真和人机界面处理、网络功能等非实时任务；下位机由galil运动控制器来实现，主要承担实时性任务，如伺服控制、可编程逻辑控制等。 数控系统结构流程如图1所示：  图 5 控制系统流程图 从图 1.1 中可见，上位机中的控制中心是整个数控系统的核心，它通过调用对应于下位机中各种变量和功能的应用程序接口与下位机交换信息，并负责整个系统的协调。操作面板和人机界面是获取外部信息的主要渠道。上、下位机之间的通信采用 PC 总线。控制中心将参数集合中改变的信息，通过 PC 总线传递到下位机的控制参数模块中。同时，下位机也通过 PC 总线将系统实时运行状态信息传递到上位机。系统中的控制中心将数控编程传递来的数控代码经过编译生成控制卡能识别的运动程序并下载给下位机，下位机通过轨迹产生模块，将数控代码翻译成每个伺服轴运动所对应的指令代码，然后由轴控制模块实现伺服控制。而每个伺服电机都对应一个编码器，直线电机对应光栅尺，分别将测量的实时信息反馈到 ICM-1900ID 进而对轴的运动进行补偿形成一个闭环加工系统。 3 控制软件介绍 3.1 下位机控制软件WSDK(Windows Servo Design Kit) 3.1.1 WSDK简介 控制卡自带的该软件采用可视化编程方案，提供了简易的系统设置、参数微调及优化工具，并可很好的展示各各轴运动状态。 其原理如图 6 所示：  图 6 WSDK 自动参数调整示意图 从图 6 可知，比例控制能迅速反映误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，Kp加大时会引起系统的不稳定；积分控制作用是只《机电技术》2009 年第 4 期                                    计算机技术应用  14要系统存在误差，积分控制就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分控制能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。 3.1.2 利用WSDK进行PID参数调整 本软件可设置伺服系统的各项参数、自动调整PID、进行系统初始检测等，图7为PID参数调整示意图。  图 7  PID 参数调整图 下面以换刀机器人控制系统的纵轴为例，利用WSDK软件对PID参数用凑试法进行整定。采用先比例，后积分，再微分的顺序进行，具体步骤如下： (1)首先整定比例部分，并观察相应的系统响应，以求得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统静差已小到允许的范围内，并且响应曲线符合要求，那么 优比例系数由此确定； (2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，需加入积分环节。整定过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以期得到满意的控制过程与整定参数； (3)若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节。在整定时，可先置微分时间为零，在第（2）步整定的基础上，增大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，通过凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。 WSDK中的系统评价功能可帮助用户测试系统的响应特性，它提供了3种测试方法，即绝对稳定性测试、开环频率响应和闭环频率响应。本系统采用闭环频率响应的方法来分析系统的响应特性，将经过上述3步得到的参数输入系统中，用户可以根据测试结果决定是否需要进一步的调整。 3.1.3 基于WSDK的系统参数设置 WSDK的可视化编程界面，可直观的进行系统参数如:电机类型、主编码器、软硬件极限位置、加速度、减速度等参数的设置。本软件还提供多频道的存储， 多四个通道的数据展示（图8），可向用户实时的反映电机的运动位置、速度、扭矩及I/O状态。  图 8  WSDK 多通道显示运动状态图 3.2 程序设计软件DMC SMART TERMINAL Galil卡内运动控制程序，控制程序根据Galil卡自身的语言编写，程序编写好后直接由上层程序在适当的时候由硬盘下载到卡内并在适当的时候启动。该程序也为一个循环，主要任务是读取上层下载的数据并执行，改变有关数据的数值提供给上层程序，图9为其主界面。  图 9 DMC SMART TERMNAL 主界面 计算机技术应用                                  《机电技术》2009 年第 4 期  154 结论 该系统采用主从式两级控制结构，规划级主机即工业PC机，负责完成运动命令的接收、命令解析、系统故障诊断、人机接口等功能；伺服级从机即运动控制器，负责完成机器人各轴的位置数字控制。应用程序启动时，首先在主机和从机之间建立通 讯，由于控制器具有独立存储程序及运行的功能，主机只需通过控制语言调用运动程序即可，关节运动的闭环控制完全由控制器来完成，无需主机干预，提高了整个系统控制的实时性,从而较好的解决了国内目前普遍机床存在的数控系统不够快，以及可能出现加工的紊乱的问题。 参考文献： [1] 於凤兵,胡军舰,苟卫忠.基于 PCI 的运动控制卡 SMP330 应用技术[M].可编程控制器与工厂自动化，2007(1):102-106. [2] 武洪恩.基于 Windows 的开放结构控制平台及应用研究[D].济南：山东大学机械学院，2007. [3] 王先述,刘金凌,吴丹等.直线电机微进给机构的研究[J].中国机械工程,1997(8):79-81. [4] 刘金凌,王先选.中凸变椭圆活塞数控车削技术[J].组合机床与自动化加工技术,1994(4):7-9 [5] 刘金凌,王先透.直线电机伺服系统的模糊推理自校正 PID 控制[J].清华大学学报（自然科学版）,1998,38(2) :44-46. [6] 孙斌,扬汝清.基于 PC 的数控系统的研究现状和发展趋势[J].机床与液压，2001(4):3-5.                 作者简介：刘卫华（1982 年-），男，硕士研究生，主要研究方向：超精密加工与检测技术。 通讯作者：郭隐彪（1962 年-），男，工学博士，教授，研究方向：精密超精密加工，光机电一体化，数控技术。   （上接第 7页） 求得 FIR 滤波器的单位抽样响应 h(n),n = 0,1,……,N-1；然后根据序列的傅立叶变换求H(ejω)： ∫+∞∞−−= ωωω denheH njj )()(               （6） 后根据 H(ejω)分析滤波器的幅频特性,检验设计结果是否满足要求。 窗函数可以作为其他信号处理方法的工具，同时它也是信号处理的重要方法。所谓的“窗”就是指通过窗口使我们能看到原始信号的一部分。因为在数字处理时必须把长时间的信号序列截断，而截断就是将无限长的信号乘以有限宽的窗函数，所以窗函数就是在数据处理过程中对信号取样时所采用的截断函数。 2 结论 我们根据前文所分析的机床加工时的各性能特征搭建了测试平台，对所设计的多通道精密检测系统进行了模拟信号、数字信号以及系统重复性的测试实验，从测试结果可以看出，本系统具有较高的精度和良好的稳定性，基本上符合当前精密加工检测的要求。 超精密加工是一种对加工精度要求很高的技术，振动误差和温升引起的热误差是影响其加工精度的两个主要因素，而微小的误差都会严重影响加工精度，因此如何检测机床加工的特征并给予控制或补偿已经成为该领域研究的热点。本文通过对机床加工的主要误差来源及其特点的分析，利用数据采集原理、数据预处理算法等知识，开发出一套针对振动和热误差的多通道信号采集系统，并在实验平台上取得了良好的实验结果。 参考文献： [1] 王先逵. 精密和超精密加工技术[J]. 机械工人（冷加工），2000（8）3-4. [2] 马明建，周长城. 数据采集与处理技术[M]. 西安：西安交通大学出版社，2005. [3] 靳希，杨尔滨，赵玲. 信号处理原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004. [4] 胡海生，李升亮. Visual C++ 6.0 编程[M]. 北京：清华大学出版社，2003.                作者简介：饶睿智（1987 年-），男，硕士研究生，主要研究方向：超精密加工与检测技术。 通讯作者：郭隐彪（1962 年-），男，工学博士，教授，研究方向：精密超精密加工，光机电一体化，数控技术。 

变椭圆活塞加工系统的设计

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