周賢德 顧鵬 朱傳敏

摘 要：為實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式數(shù)控機(jī)床中工作臺(tái)的直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，采用運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服電機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)Visual Studio C#編程實(shí)現(xiàn)了絲杠螺母副直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，利用光柵測(cè)量平臺(tái)位移，反饋給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的閉環(huán)控制，提高了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)位移的精確定位，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)開(kāi)放式數(shù)控機(jī)床打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制卡;光柵;直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái);滾珠絲桿;閉環(huán)控制;Visual Studio

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）10-00-02

0 引 言

1952年世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床誕生[1]，當(dāng)時(shí)由晶體管電路組成的控制系統(tǒng)體積龐大，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)向集約化、小型化發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也日趨完善。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了硬件數(shù)控（NC）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、微計(jì)算機(jī)數(shù)控（MNC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和分布式數(shù)控系統(tǒng)（DCNC）等階段，現(xiàn)在正向互聯(lián)網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)方向發(fā)展[2-3]。

雖然數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)和功能發(fā)展日趨完善，但由于系統(tǒng)封閉性的特點(diǎn)使得系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足部分用戶(hù)的特殊性要求，數(shù)控系統(tǒng)制造商出于保密原因，一般不對(duì)用戶(hù)開(kāi)放底層代碼，用戶(hù)無(wú)法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，因此個(gè)性化加工機(jī)床很難基于常規(guī)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，開(kāi)放式數(shù)控應(yīng)運(yùn)而生?；赑C和運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源，可使用通用的高級(jí)語(yǔ)言方便地編輯具有用戶(hù)特性的應(yīng)用程序，可將標(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)、應(yīng)用軟件進(jìn)行靈活組合和使用，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化[4]。

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)由于其功能配置和編程靈活性、加工工藝專(zhuān)業(yè)性、用戶(hù)易操作等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)部件的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)精密控制是影響開(kāi)放式數(shù)控機(jī)床性能的主要技術(shù)之一，本文針對(duì)滾珠絲杠螺母副運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，采用伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和光柵尺組成的控制系統(tǒng)，通過(guò)Visual Studio C#編程實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)開(kāi)放式數(shù)控機(jī)床提供了技術(shù)支撐。

1 滾珠絲杠螺母副直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

絲杠螺母副直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是數(shù)控機(jī)床中實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)械部件，圖1所示為典型的滾珠絲杠螺母副直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由于滾珠絲杠摩擦阻力小、傳動(dòng)精度高而被廣泛采用。

直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由基礎(chǔ)座、水平調(diào)整螺釘、直線(xiàn)圓導(dǎo)軌、導(dǎo)軌滑塊、聯(lián)軸器、滾珠絲桿、絲桿螺母、軸承座、移動(dòng)平臺(tái)、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、光柵、磁柵、編碼器、運(yùn)動(dòng)控制卡、計(jì)算機(jī)、顯示屏、電氣控制箱等組成。

直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)傳遞路徑如圖2所示。伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿配合螺母使安裝在螺母上的平臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。由光柵直線(xiàn)測(cè)量傳感器測(cè)量平臺(tái)的直線(xiàn)位移量，光柵信號(hào)均輸入至運(yùn)動(dòng)控制卡編碼器輸入端，運(yùn)動(dòng)控制卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

運(yùn)動(dòng)控制是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和設(shè)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的核心是運(yùn)動(dòng)控制器，本研究采用基于PCI總線(xiàn)的以DSP和FPGA為核心處理器的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制器以DSP芯片作為運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”模式。將PC機(jī)的信息處理能力和開(kāi)放式特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)結(jié)合，使系統(tǒng)具有信息處理能力強(qiáng)、開(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好等特點(diǎn)。這類(lèi)控制器充分利用了DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的超強(qiáng)邏輯處理能力，便于設(shè)計(jì)出功能完善、性能優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)控制器，能提供多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[5]。

圖3所示為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本架構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成為控制器、驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。

由于滾珠絲杠直線(xiàn)平臺(tái)在制造、安裝過(guò)程中存在一定誤差，因此當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向換向時(shí)會(huì)存在一定的反向間隙，所有這些問(wèn)題綜合作用會(huì)導(dǎo)致直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的跟隨誤差。在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，控制運(yùn)動(dòng)的位置命令與實(shí)際位置的差值稱(chēng)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟隨誤差。跟隨誤差會(huì)影響數(shù)控機(jī)床輪廓加工的精度，當(dāng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟隨誤差過(guò)大而無(wú)法滿(mǎn)足精度要求時(shí)，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)閉環(huán)控制，進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟隨誤差的補(bǔ)償。本文利用光柵尺實(shí)時(shí)測(cè)量直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)位移并反饋回控制器，通過(guò)與理想位移值進(jìn)行比較，計(jì)算出位移補(bǔ)償值，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償。

3 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及編程、測(cè)試

直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)伺服電機(jī)閉環(huán)控制組成如圖4所示。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序基于C#開(kāi)發(fā)，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)伺服電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)程序流程如圖5所示，編寫(xiě)完成的程序運(yùn)行界面如圖6所示。

利用開(kāi)發(fā)制造的滾珠絲杠直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和伺服電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別利用開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制方式進(jìn)行了四組不同移動(dòng)距離的定位實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。從表1中可以看出，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制誤差較大，說(shuō)明系統(tǒng)存在較大的誤差，開(kāi)環(huán)控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確移動(dòng)補(bǔ)位。從表中還可以看出，伺服電機(jī)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制方式大大提高了移動(dòng)定位精度，可滿(mǎn)足需要精確移動(dòng)定位的場(chǎng)合。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)制造的滾珠絲杠螺母副滑臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)滑臺(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

（2）基于Visual Studio C#開(kāi)發(fā)的程序能夠?qū)崿F(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的伺服電機(jī)閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的不同速度移動(dòng)、正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及不同位移運(yùn)動(dòng)的控制。相比于開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)伺服電機(jī)閉環(huán)控制可有效提高直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]汪鵬，王焱.數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)變革與未來(lái)發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2013（5）：55-60.

[2]張恒，彭建飛.典型數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件裝配與精度檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3]朱傳敏，秦德斌.異構(gòu)數(shù)控機(jī)床群控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（3）：108-110.

[4]房朝暉，白瑞峰，汪麗新.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016（8）：91-94.

[5]陳先鋒.伺服控制技術(shù)自學(xué)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6]李宏科，王萬(wàn)玉，馮旭詳，等.基于前饋的伺服系統(tǒng)控制技術(shù)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（5）：104-105.

[7]孟凡菲，王文君，愈竹青.基于DSP2812無(wú)刷直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，22（2）：42-44.

[8]何成.浸沒(méi)式光刻機(jī)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（4）：234-236.

[9]朱澤瑋，沈奶連.基于EPICS的伺服平臺(tái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)[J].電子科技，2017，30（5）：188-192.

[10]孫世勇.基于PID閉環(huán)反饋的隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)，2015.