李備備,林 滸,鄭飂默

1(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100190)2(中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所,沈陽 110168)3(沈陽高精數(shù)控智能技術(shù)股份有限公司,沈陽 110168) E-mail:li5566189@126.com

1 引 言

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展,飛機(jī)結(jié)構(gòu)件也普遍趨于大型化、復(fù)雜化和整體化.這些大型、復(fù)雜工件的加工精度往往要求較高,而加工周期則要求較短,傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床很難滿足要求.龍門式或橋式數(shù)控加工中心相較于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床具有加工范圍大、高速、高精等特點(diǎn),可以很好的滿足上述需求,因而在航空制造領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用[1].然而龍門式加工中心在使得對大型零部件的加工變得高效便捷的同時(shí),也帶來了運(yùn)動過程中龍門移動平臺較難的同步控制問題[2].目前龍門移動平臺的傳動方式主要有兩種[3,4]:一種是滾珠絲杠傳動方式,即采用單臺電機(jī)加上單個(gè)滾珠絲杠傳動的單邊驅(qū)動形式或者雙電機(jī)加上雙滾珠絲杠的雙邊驅(qū)動形式.其中單軸單邊驅(qū)動很難將驅(qū)動力龍門移動平臺的重心,其產(chǎn)生的不對稱的驅(qū)動力會造成絲杠的彎曲變形而影響系統(tǒng)的定位精度.因而龍門移動平臺通常會采用雙軸驅(qū)動,雙軸驅(qū)動時(shí)絲杠位于工作臺兩側(cè)對稱放置,電機(jī)通過兩側(cè)的絲杠共同驅(qū)動工作臺的運(yùn)動,合理的雙軸同步控制可以避免上述情況的發(fā)生.

國內(nèi)外學(xué)者對雙軸同步控制進(jìn)行了深入的研究[5-8],這些研究多采用主從式同步控制方式.在此同步方式下,從動軸將主動軸作為參考對象,從動軸依據(jù)主動軸的運(yùn)動情況對自身進(jìn)行調(diào)整,而其負(fù)載干擾不會反饋到主動軸,因而同步控制效果并不理想.另一種傳動方式是齒輪齒條傳動方式.在該傳動方式下,齒條位于工作臺兩側(cè)對稱放置,電機(jī)通過驅(qū)動兩邊的齒輪共同驅(qū)動工作臺的運(yùn)動.若采用雙電機(jī)驅(qū)動,即每側(cè)僅使用一臺電機(jī)驅(qū)動齒輪,系統(tǒng)在換向時(shí),由于齒輪與齒條之間存在齒輪的側(cè)向間隙,會使進(jìn)給運(yùn)動反向滯后,從而影響傳動精度.若采用四臺電機(jī)驅(qū)動,即每側(cè)使用兩臺電機(jī)驅(qū)動兩個(gè)齒輪同時(shí)與齒條嚙合傳動,若能使兩齒輪的輪齒分別與齒條輪齒的相反兩側(cè)相接觸,則可消除反向傳動側(cè)隙.因此如何在確保消除齒輪與齒條之間齒側(cè)間隙的同時(shí),并使龍門式數(shù)控機(jī)床兩側(cè)的位移量保持同步,是基于開放式數(shù)控系統(tǒng)對龍門移動平臺進(jìn)行控制需要解決的關(guān)鍵問題[9-15].

本文以四電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條傳動的龍門移動平臺為研究對象,提出了一種基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的龍門平臺的同步及消隙控制策略,該策略以基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)作為主要執(zhí)行平臺,并以實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線作為數(shù)據(jù)交換的載體.通過雙軸協(xié)調(diào)同步控制方法同時(shí)對兩個(gè)軸的位置進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到快速雙軸快速同步的目的.與此同時(shí),通過齒輪齒條傳動控制方法使得兩臺電機(jī)輸出相同的扭矩,再通過給兩臺電機(jī)施加偏置電流,使其在電機(jī)中產(chǎn)生偏置力矩,達(dá)到消除齒隙的目的.此外,為提高開放式數(shù)控系統(tǒng)的控制頻率與精度,本文將數(shù)控系統(tǒng)中的插補(bǔ)運(yùn)算分離為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)兩個(gè)過程,粗插補(bǔ)運(yùn)算的插補(bǔ)周期仍保持原有周期不變,而精插補(bǔ)周期則匹配伺服控制器的最小控制周期.

2 四電機(jī)驅(qū)動龍門移動平臺結(jié)構(gòu)

四電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條傳動的龍門移動平臺如圖1(a)所示,由電機(jī)、齒輪齒條、移動臺和基座等組成,其中移動平臺橫跨在兩邊的基座上,兩邊分別由雙電機(jī)通過減速器和聯(lián)軸器驅(qū)動雙齒輪與齒條嚙合進(jìn)行傳動,并從各自的距離碼光柵尺得到反饋位置,從而構(gòu)成兩套獨(dú)立的位置閉合環(huán)路,共同驅(qū)動龍門移動平臺.

圖1 四電機(jī)驅(qū)動龍移動平臺示意圖Fig.1 Schematic of four-motor driven gantry platform

四電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條傳動的龍門移動平臺的電氣連接如圖1(b)所示,開放式數(shù)控系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線以菊花鏈的形式連接四套伺服驅(qū)動器和電機(jī).我們將這四套驅(qū)動器和電機(jī)分為兩組,分別將位于龍門工作臺同側(cè)的兩套驅(qū)動器和電機(jī)劃分在同一組并定義為組1和組2.從數(shù)控系統(tǒng)角度來看,每一套驅(qū)動器和電機(jī)都對應(yīng)著一個(gè)單獨(dú)的軸,因此我們將組1中的軸定義為X1軸,其中組內(nèi)的兩個(gè)軸分別為X11軸和X12軸.同理將組2定義為X2軸,組內(nèi)兩軸分別為X21軸和X22軸.組內(nèi)采用雙電機(jī)驅(qū)動消隙技術(shù),將組內(nèi)兩個(gè)軸的其一個(gè)軸X11/X21設(shè)置為主控軸(Master),另一個(gè)軸X21/X22設(shè)置被控軸(Slave),它們之間通過串行總線交換數(shù)據(jù),借助于被控軸驅(qū)動器中消隙卡的控制,雙電機(jī)通過驅(qū)動同側(cè)的兩個(gè)齒輪與齒條進(jìn)行嚙合傳動.組間則采用雙軸同步控制技術(shù),將各組中的主控軸作為雙軸同步的對象,采用雙軸并行同步控制方法進(jìn)行同步控制,進(jìn)而共同驅(qū)動龍門移動平臺的兩側(cè)一起運(yùn)動.

3 同步及消隙控制策略

本文提出的基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的四電機(jī)驅(qū)動同步及消隙控制策略如圖2所示,其控制過程可分為插補(bǔ)運(yùn)算處理和同步及消隙控制兩個(gè)階段.

在插補(bǔ)運(yùn)算處理階段,開放式數(shù)控系統(tǒng)將原有插補(bǔ)運(yùn)算進(jìn)行分離,劃分為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)兩部分.粗插補(bǔ)的插補(bǔ)周期保持不變,將精插補(bǔ)的插補(bǔ)周期調(diào)整為粗插補(bǔ)的1/n,以匹配伺服驅(qū)動器的控制周期,提高控制頻率.在同步及消隙控制階段,其過程又可分為雙軸同步控制和雙電機(jī)驅(qū)動消隙控制兩部分.對于雙軸同步控制,采用雙軸并行同步控制方法,控制對象為兩組軸中的主控軸(Master).首先依據(jù)兩個(gè)同步軸的反饋位置計(jì)算同步誤差,并將它作為輸入量輸入到雙軸并行同步控制器中,控制器經(jīng)過運(yùn)算得到補(bǔ)償量,最后采用補(bǔ)償量分配策略將補(bǔ)償量通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線分配到兩個(gè)同步軸中.對于雙電機(jī)驅(qū)動消隙控制,則采用齒輪齒條傳動控制方法,該方法可使主從軸均輸出相同的扭矩,控制對象為每組中的主控軸(Master)和被控軸(Slave).數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)各組消隙卡中監(jiān)測到的電機(jī)電流計(jì)算各個(gè)組內(nèi)主從軸之間需要施加的偏置力矩,并將偏置力矩通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線傳送到消隙卡中.

圖2 同步及消隙控制策略Fig.2 Control strategy of synchronization and anti-backlash

3.1 插補(bǔ)運(yùn)算分離

開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件可分為五大模塊如圖3(a),分別為人機(jī)操作界面模塊、任務(wù)控制模塊、PLC控制模塊、運(yùn)動控制模塊和實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線驅(qū)動模塊.其中人機(jī)操作界面模塊是數(shù)控系統(tǒng)最直觀的表現(xiàn),它為操作用戶提供一致性的方便友好的操作接口.任務(wù)控N制模塊負(fù)責(zé)解釋與執(zhí)行零件加工程序,并連續(xù)控制運(yùn)動控制模塊與PLC控制模塊以完成一個(gè)完整的加工任務(wù).PLC控制器主要負(fù)責(zé)對離散I/O的控制.運(yùn)動控制模塊主要負(fù)責(zé)運(yùn)動軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)運(yùn)算處理.實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線模塊則負(fù)責(zé)依據(jù)總線通信協(xié)議封裝和解析插補(bǔ)數(shù)據(jù)及控制命令.

通常情況下,數(shù)控系統(tǒng)所采用的插補(bǔ)周期要大于伺服驅(qū)動器內(nèi)部的控制周期以及其提供給總線的最小的控制周期.為匹配伺服驅(qū)動器的控制周期以提高控制頻率及精度,本文將開放式數(shù)控系統(tǒng)原有插補(bǔ)運(yùn)算進(jìn)行分離,劃分為粗插補(bǔ)與精插補(bǔ).其中粗插補(bǔ)的插補(bǔ)周期保持不變,精插補(bǔ)的插補(bǔ)周期調(diào)整為粗插補(bǔ)的1/n,n的取值據(jù)實(shí)際情況可分別設(shè)定為1、2和4.當(dāng)伺服驅(qū)動器的最小控制周期大于數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期時(shí),伺服驅(qū)動器的控制精度不滿足要求,該情況不作考慮;當(dāng)伺服驅(qū)動器的最小控制周期等于數(shù)控系統(tǒng)的粗插補(bǔ)周期時(shí),數(shù)控系統(tǒng)的精插補(bǔ)周期和粗插補(bǔ)周期保持一致,此時(shí)n設(shè)定為1;當(dāng)伺服驅(qū)動器的最小控制周期為數(shù)控系統(tǒng)粗插補(bǔ)周期的一半時(shí),設(shè)定n的值為2;當(dāng)伺服驅(qū)動器的最小控制周期小于等于數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期的四分之一時(shí),設(shè)定n的值為4.

圖3 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of open CNC system

分離插補(bǔ)運(yùn)算所涉及到的模塊為開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件層中的運(yùn)動控制模塊與實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線驅(qū)動模塊,如圖3(b)所示.粗插補(bǔ)運(yùn)算取代原有插補(bǔ)運(yùn)算在運(yùn)動控制模塊中的位置, 而精插補(bǔ)運(yùn)算被置于底層的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線驅(qū)動模塊中.上層運(yùn)動控制模塊與底層實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線驅(qū)動模塊之間采用兩個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.一個(gè)用于模塊之間的非周期性數(shù)據(jù)交換,采用普通的共享緩沖區(qū),其交換的數(shù)據(jù)包括伺服驅(qū)動器配置及報(bào)警信息等.另一個(gè)用于模塊之間的周期性數(shù)據(jù)交換,采用環(huán)形緩沖區(qū),以確保被交換數(shù)據(jù)的一致性.其中運(yùn)動控制模塊負(fù)責(zé)向環(huán)形緩沖區(qū)尾部插入粗插補(bǔ)值,總線驅(qū)動模塊則負(fù)責(zé)從環(huán)形緩沖區(qū)的頭部取出粗插補(bǔ)值進(jìn)而進(jìn)行精插補(bǔ)運(yùn)算.

3.2 雙軸同步控制

對于雙軸同步控制,采用雙軸并行同步控制方法,控制對象為兩組軸中的主控軸(Master).首先數(shù)控系統(tǒng)會依據(jù)兩個(gè)同步軸的反饋位置計(jì)算各自的位置跟隨誤差以及兩個(gè)軸之間的位置同步誤差.緊接著將位置同步誤差作為輸入量輸入到雙軸并行同步控制器中,控制器經(jīng)過運(yùn)算得到補(bǔ)償量.并將位置跟隨誤差作為補(bǔ)償量分配的依據(jù),計(jì)算兩個(gè)同步軸的補(bǔ)償分量.最后通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線將計(jì)算得到的補(bǔ)償分量分配到相應(yīng)的同步軸中.

雙軸同步控制器采用專家PID控制算法,所謂專家控制是根據(jù)專家所掌握的控制規(guī)律及經(jīng)驗(yàn)對被控對象進(jìn)行智能控制,具體到專家PID控制中,其核心為分區(qū)域或是分段的對被控對象進(jìn)行PID控制,即針對不同的區(qū)域采用不同的控制策略.本文根據(jù)同步誤差e(k)及其變化量Δe(k)對專家PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),可分3種情況如圖4所示,其中emin、emid和emax分別為所設(shè)定的同步誤差的最小值、中間值和最大值.較強(qiáng)的控制作用和一般的控制作用分別是讓PID控制器輸出較大和較小的補(bǔ)償量,可以通過在控制器中增加調(diào)節(jié)PID參數(shù)的放大系數(shù)和抑制系數(shù)來實(shí)現(xiàn).

圖4 專家PID控制器分區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.4 Partition structure of expert PID controller

此外,本文依據(jù)兩同步軸跟隨誤差之間的正負(fù)性對控制器輸出的補(bǔ)償量進(jìn)行補(bǔ)償分量的劃分,其補(bǔ)償分量的大小由兩個(gè)同步軸各自跟隨誤差的大小決定,補(bǔ)償分量分配給兩個(gè)同步軸并補(bǔ)償?shù)礁髯缘乃俣拳h(huán)中.采用這種方式對兩個(gè)軸同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié),可以快速減小兩個(gè)同步軸之間的同步誤差.

3.3 雙電機(jī)驅(qū)動消隙控制

對于雙電機(jī)驅(qū)動消隙控制,采用齒輪齒條傳動控制方法(Rack-and-Pinion Drive Control,RPDC),該方法集成在消隙卡中,可使主從軸均輸出相同的扭矩,控制對象為每組中的主控軸(Master)和被控軸(Slave).數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)各組消隙卡中監(jiān)測到的電機(jī)電流計(jì)算各個(gè)組內(nèi)主從軸之間需要施加的偏置力矩,并將偏置力矩通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線傳送到消隙卡中.

RPDC是一種用于控制齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)或者行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)的雙電機(jī)驅(qū)動控制方法.該方法在兩個(gè)電機(jī)之間施加一個(gè)大小相等方向相反的預(yù)緊力,用于消除齒輪在啟動或是換向時(shí)產(chǎn)生的齒側(cè)間隙.此外齒輪齒條傳動控制采用了主從式(Master/Slave)控制結(jié)構(gòu),在該控制結(jié)構(gòu)下,當(dāng)所需扭矩不斷增大并高于預(yù)緊力產(chǎn)生的扭矩時(shí),從(Slave)驅(qū)動器也逐漸越過補(bǔ)償后的間隙并開始輔助主(Master)驅(qū)動器共同驅(qū)動負(fù)載.

圖5 齒輪齒條傳動控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of rack and pinion drive control

RPDC控制結(jié)構(gòu)如圖5所示,被控對象為同組內(nèi)的兩個(gè)軸X11(X21)和X12(X22),采用主從式控制結(jié)構(gòu),X11(X21)軸被設(shè)置為主控軸,其驅(qū)動器內(nèi)部采用位置控制模式,X12(X22)軸被設(shè)置為從動軸,其驅(qū)動器內(nèi)部采用速度控制模式.主從驅(qū)動器之間通過串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,為了使主從軸之間輸出相同的扭矩,主從驅(qū)動器首先交換各自的參考電流,在得到雙方的參考電流后,將其與各自的參考電流相加,從而使主從驅(qū)動器的參考電流保持相同.雖然這樣可以確保兩個(gè)軸輸出相同的扭矩從而得到相同的負(fù)載,但是兩個(gè)驅(qū)動器內(nèi)速度環(huán)的輸出可能變得大不相同.位于從驅(qū)動器內(nèi)的過程控制器(Process Controller,PRC)用于對此進(jìn)行補(bǔ)償,它通過調(diào)整從驅(qū)動器內(nèi)的速度控制器使其輸出量與主驅(qū)動器內(nèi)速度控制器的輸出量之間的偏差趨近于零.

最后分別對主從驅(qū)動器施加一個(gè)偏置力矩,該偏置力矩始終保持大小相等并且方向相反,這樣齒輪的側(cè)間隙便可以消除,此外偏置力矩是等值反向的所以也不會導(dǎo)致齒輪的運(yùn)動.在這種情況下,一旦主驅(qū)動器接收到一個(gè)位置指令,主從驅(qū)動器便會產(chǎn)生大小相同的扭矩輸出.當(dāng)該扭矩大于所設(shè)置的偏置力矩后,從驅(qū)動器控制會協(xié)助主驅(qū)動器共同驅(qū)動負(fù)載.當(dāng)位置控制結(jié)束時(shí),主從驅(qū)動器產(chǎn)生的扭矩又會減小為零,在整個(gè)過程中偏置力矩始終存在因而齒隙也不會存在.

4 測試與分析

開放式數(shù)控系統(tǒng)LT-GJ400的物理連接如圖6(a)所示,其采用雙處理器的分體式結(jié)構(gòu),由人機(jī)接口單元(HMU)和機(jī)床控制單元(MCU)組成.分體式結(jié)構(gòu)將MCU與HMU分離開來,減輕了MCU的工作負(fù)載,使其可以專注于處理機(jī)床的相關(guān)控制任務(wù).數(shù)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)加現(xiàn)場總線架構(gòu),HMU和MCU之間分別通過Ethernet和SSB-III總線連接,伺服驅(qū)動器和電機(jī)則通過EtherCAT總線串聯(lián)在一起.

目前,這套開放式數(shù)控系統(tǒng)及其配套的龍門式五軸加工中心如圖6(b)所示,已應(yīng)用在航空制造領(lǐng)域,用于對飛機(jī)機(jī)身的大型結(jié)構(gòu)件的加工中.本文通過′S′試件的加工來對所提出的四電機(jī)驅(qū)動同步及消隙控制策略的控制效果進(jìn)行測試,加工后得到的′S′試件如圖6(c)所示,其表面光滑,沒有明顯的加工痕跡.測試結(jié)果如表1所示,從中可以看出GJ400加工試件的緣條厚度最大測量偏差為0.08毫米,雖然略大于西門子840D的0.03毫米,但是仍在允許偏差0.1毫米的范圍之內(nèi).在以0.05毫米的理想輪廓度為測量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),本系統(tǒng)加工的試件只有一個(gè)測量點(diǎn)超出了輪廓偏差,測量結(jié)果接近于840D系統(tǒng).在以0.08毫米的允許輪廓度為測量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),本系統(tǒng)未出現(xiàn)超出輪廓偏差的測量點(diǎn),因而滿足對航空典型結(jié)構(gòu)件的加工要求,同時(shí)也反映出所提出的同步及消隙控制策略取得了良好控制的效果.

表1 S試件加工結(jié)果
Table 1 Testing result of “S”specimen

數(shù)控系統(tǒng)LT-GJ400 SINUMERIK 840D緣條 厚度 允許偏差3mm±0.13mm±0.1最大測量偏差±0.08mm±0.03mm輪廓度理想輪廓度±0.05mm±0.05mm超差點(diǎn)數(shù)10允許輪廓度±0.08mm±0.08mm超差點(diǎn)數(shù)00

5 結(jié)束語

本文在分析了現(xiàn)有龍門移動平臺的傳動方式的基礎(chǔ)之上,針對傳統(tǒng)的基于運(yùn)動控制器對龍門移動平臺進(jìn)行同步控制存在的問題,提出了基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的四電機(jī)驅(qū)動同步及消隙控制策略.該策略既克服了雙電機(jī)驅(qū)動消隙效果差以及驅(qū)動力小的缺點(diǎn),同時(shí)又發(fā)揮了開放式數(shù)控系統(tǒng)控制方式靈活以及實(shí)時(shí)以太網(wǎng)高傳輸速率低延時(shí)的優(yōu)勢.最后本文以實(shí)際加工現(xiàn)場的大型龍門五軸加工中心為平臺,對航空制造領(lǐng)域的′S′試件進(jìn)行了實(shí)際加工測試,證明了該策略可以取得較好的控制精度.該控制策略為龍門式五軸機(jī)床或加工中心存在的同步及消隙問題提供了一種有效的解決方案,同時(shí)使得國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)配套大型龍門式機(jī)床或加工中心在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能.