CN102298357A

CN102298357A - 基于现场总线的cnc双轴协调式同步控制方法

Info

Publication number: CN102298357A
Application number: CN2011100755281A
Authority: CN
Inventors: 马跃; 李培新; 于东; 王志成; 田军锋
Original assignee: SHENYANG HIGH-END COMPUTER NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd; Shenyang Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Computing Technology of CAS
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: CN102298357B

Abstract

本发明涉及一种基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，包括以下步骤：采用现场总线式控制系统结构，将CNC中两个需要同步控制的伺服轴在控制系统结构中处于相同地位；CNC通过现场总线获得两个同步轴的反馈信息，以两个同步轴的同步位置偏差作为输入，在两个同步轴的相对位置上增加同步误差控制环节，结合CNC发给伺服驱动器的指令信息在CNC内部实现对两个伺服轴的同步误差控制。本发明应用现场总线技术实现双轴协调式同步控制，同时调节两个同步轴，使得同步轴的响应速度加快，同时提高了控制精度高，实施便捷。

Description

基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法

技术领域

本发明涉及计算机数字控制的双轴同步控制技术，具体地说是一种基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法。

背景技术

数控系统中，伺服轴的控制是数控机床中的关键环节，轴的运动速度和控制精度直接关系到数控机床的加工精度。目前，为了满足一些体积较大、控制精度要求较高、生产周期要求短的工件的加工需求，出现了大型的数控设备，例如，龙门式和桥式数控设备。在这些大型的数控设备的机床控制中，大都采用双轴同步驱动技术来实现对动梁式龙门铣床的横梁升降控制，龙门框架移动式加工中心的龙门框架移动控制等。

所述双轴同步驱动是指一个坐标的运动指令能够驱动两个电机同时运行，通过对这两个电机移动量的检测，将位移偏差反馈到数控系统获得同步误差补偿，其目的是将两个电机之间的位移偏差量控制在一个允许的范围内。从整体结构来看就是采用双电机、双检测的同步进给驱动系统。

目前，许多高档数控系统具备了双轴同步功能，如市场上广泛使用的高档数控系统西门子840D提供了龙门轴功能，FANUC-18i数控系统提供了简易同步控制轴功能等。双轴同步驱动技术在数控机床中的应用越来越成为业界的热点。从已经具备龙门轴功能的数控系统来看，大多数控系统采用主从方式的同步控制方法，其原理是从动轴按照一定的同步关系跟踪主动轴运动，同步控制器根据主动轴和从动轴的位置偏差来调节从动轴，从而达到控制同步误差的目的。这种控制方法有一定的缺陷，即当出现同步误差时，主从同步控制方式只是根据主动轴的运动情况调节从动轴位置，而从动轴的负载干扰不会反馈回主动轴，因而其同步控制的精度不高。假设在控制过程中能将两个同步轴同时调节，那么将会快速提高同步轴的响应速度。现场总线技术的出现为这一设想提供了研究思路，现场总线承载的大量数据信息可以为双轴同步控制提供必要的数据支持。基于现场总线的同步轴控制功能符合数控技术的发展趋势。而目前能够满足上述要求的基于现场总线的双轴协调式同步控制方法尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的主从式双轴同步控制技术中伺服轴响应速度慢、同步控制精度低等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种响应速度快、控制精度高的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法包括以下步骤：

采用现场总线式控制系统结构，将CNC中两个需要同步控制的伺服轴在控制系统结构中处于相同地位；

CNC通过现场总线获得两个同步轴的反馈信息，以两个同步轴的同步位置偏差作为输入，在两个同步轴的相对位置上增加同步误差控制环节，结合CNC发给伺服驱动器的指令信息在CNC内部实现对两个伺服轴的同步误差控制。

所述同步误差控制包括以下步骤：

同步误差计算步骤：将两个同步轴实际位置的偏差做相减比较，即得到同步误差；

同步控制步骤：以两个同步轴的同步误差作为输入，采用同步误差PID闭环控制，实现两个同步轴的转速控制；

信号分配步骤：依据两个轴的跟随误差的大小按比例进行分配。

所述同步误差PID闭环控制包括以下步骤：

判断同步误差的变化趋势；

判断步误差的绝对值是否具有增大趋势；

当同步误差的绝对值具有增大趋势时，判断当前同步误差是否大于设定的阈值；

当当前同步误差大于设定的阈值时，对同步轴实施强同步误差PID闭环控制，接续信号分配步骤。

当当前同步误差不大于设定的阈值时，对同步轴实施弱同步误差PID闭环控制，接续信号分配步骤。

当同步误差的绝对值不具有增大趋势时，判断当前同步误差的变化趋势处于平衡状态还是极值状态；

当当前同步误差的变化趋势处于平衡状态时，对输出信号不做调整，接续信号分配步骤。

当当前同步误差的变化趋势处于极值状态时，判断当前同步误差是否大于设定的阈值；

所述依据两个轴的跟随误差的大小按比例进行分配，分配策略为：

将K1×PIDerror分配给第一个同步轴的速度环，将K2×PIDerror分配给第二个同步轴的速度环；

其中K1和K2为设定的常数，且满足K1＝|rp|/(|rp|+|rp’|)，K2＝1-K2，PIDerror为同步控制步骤的输出值；|rp|为第一个同步轴的跟随误差，|rp’|为第二个同步轴的跟随误差。

所述相同地位是指：两个伺服轴同时接收来自CNC发送的指令信息，并且将各自的反馈信息同时送回CNC，两个同步轴不分主从。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.同步轴响应速度快。本发明应用现场总线技术实现双轴协调式同步控制，同时调节两个同步轴，使得同步轴的响应速度加快。

2.控制精度高。由于本发明采用双轴协调式同步控制，在同步轴的响应速度加快的同时，提高了控制精度高。

3.实施便捷。由于本发明方法中同步误差的控制过程在CNC内部完成，利用CNC的强大的计算能力，不需增加其他设备，因此实施起来比较方便。

附图说明

图1为本发明方法中基于现场总线的数控系统拓扑图；

图2为本发明方法同步通讯原理图；

图3为本发明方法中双轴协调式同步控制图；

图4为本发明方法中CNC与两个同步轴的信息交换示意图；

图5为本发明方法用到的同步误差PID控制流程图；

图6本发明方法中两同步轴跟随误差情况示意图；

图7为实验加工的曲线图

图8为测试滑台(负载)下双轴协调式控制与没有同步控制的同步误差比较；

图9为空载下双轴协调式与主从式同步控制的同步误差比较；

图10为测试滑台(负载)下双轴协调式与主从式同步误差比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

CNC通过现场总线获得两个同步轴的反馈信息，结合CNC发给伺服驱动器的指令信息，以两个同步轴的同步位置偏差作为输入，在两个同步轴的相对位置上增加同步误差控制环节，作为速度补偿分配给两个同步轴，在CNC内部实现对两个伺服轴的同步误差控制。

本发明应用的现场总线式控制系统结构如图1所示。系统中的功能模块主要有：计算机数字控制器(CNC)、伺服驱动器(Servo)、数字量输入/输出单元(I/O)等。现场总线(Fieldbus)的主设备以板卡的形式插入CNC，从设备一般直接在伺服驱动器的硬件板上实现。CNC做为上位装置，其命令通过现场总线发给指定的伺服驱动器或数字量输入/输出单元；伺服驱动器或数字量输入/输出单元的响应也通过现场总线传给上位装置。

本发明中使用的现场总线应该具备同步通信能力，其通信原理如图2所示。现场总线上连接两种设备，即主设备和从设备。在通信周期开始主设备在现场总线上发送同步帧，现场总线上的所有设备在同步帧后的某一确定时刻，产生同步中断。在同步中断产生后，上位装置向从设备逐个发送命令(图中命令1、命令2...)，并接收从设备的响应(图中应答1、应答2...)。一个通信周期即为两个中断之间的时间段，这个通信周期也为上位装置向伺服发送命令以及接收伺服响应完成同步控制的周期。在加工过程中，控制器将曲线的插补位置点分别发送给各进给轴的伺服驱动器，同时将各进给轴的位置锁定并上传到控制器。插补位置命令和进给轴的位置反馈要满足同步实时(通信周期小于1ms)的要求。

如图3所示，同步误差控制包括同步误差计算步骤、同步控制步骤以及信号分配步骤。

1)同步误差计算步骤：将两个同步轴实际位置的偏差做相减比较，即得到同步误差。

如图4所示，在双轴协调式同步控制中，同步误差为两个同步轴实际位置的偏差，由于两个同步轴的位置反馈值通过现场总线上传到CNC，所以在CNC中只需将这两个值做相减比较即得到同步误差。

2)同步控制步骤：以两个同步轴的同步误差作为输入，采用同步误差PID闭环控制，实现两个同步轴的转速控制；

以两个同步轴的同步误差作为输入，采用同步误差PID闭环控制，其输出作为一种速度补偿由信号分配步骤分配给两个同步轴，本质上是在两个同步轴的相对位置上加了一个闭环控制，其同步误差的控制效果取决于控制算法和控制参数。同步控制步骤是一个单输入单输出控制环节，有很多工程上适用的控制方法和设计方法可以使用。本发明采用同步误差PID闭环控制，即：当误差的绝对值较小时，实施较弱的控制作用；当误差的绝对值较大时，实施较强的控制作用；当误差处于稳定时只实施简单的积分控制，如图5所示：

判断同步误差的变化趋势：本实施例将两个同步轴的当前同步误差error(k)与该当前同步误差error(k)与前一时刻的同步误差的差值Δerror(k)相乘是否大于0作为判断的依据(error(k)*Δerror(k)＞0？)；

判断步误差的绝对值是否具有增大趋势：本实施例将两个同步轴的当前同步误差error(k)与阈值M进行比较(error(k)＞M？)

当当前同步误差大于设定的阈值时，对同步轴实施强同步误差PID闭环控制，接续信号分配步骤；

当当前同步误差不大于设定的阈值时，对同步轴实施弱同步误差PID闭环控制，接续信号分配步骤；

当同步误差的绝对值不具有增大趋势时，判断当前同步误差的变化趋势处于平衡状态还是极值状态，本实施例将两个同步轴的当前同步误差error(k)与前两个时刻的同步误差的差值Δerror(k-1)进行比较(error(k)*Δerror(k-1)＞0？)；

当当前同步误差的变化趋势处于平衡状态时，对输出信号不做调整，接续信号分配步骤；

当当前同步误差的变化趋势处于极值状态时，判断当前同步误差error(k)是否大于设定的阈值M(error(k)＞M？)；

3)信号分配步骤：依据两个轴的跟随误差的大小按比例进行分配。

图6为两个同步轴跟随的三种形式，控制信号分配策略依据两个轴的跟随误差进行分配。此时的调整是同时调整两个轴。在同步轴中任何一个补偿都可以减小同步误差，具体每个轴补偿量的大小，取决于两个轴跟随误差的大小。依据两个同步轴的跟随误差有三种形式，设同步控制步骤的输出为PIDerror，具体的信号分配策略如下：

其中K1和K2为设定的常数，且满足K1＝|rp|/(|rp|+|rp’|)，K2＝1-K2，PIDerror为同步控制步骤的输出值；|rp|为第一个同步轴的跟随误差，|rp’|为第二个同步轴的跟随误差，|pp’|为两个同步轴跟随误差的差值。

本实施例中CNC通过PCI板卡和现场总线与伺服连接、两个伺服直接的通信也由现场总线提供，两个电机分别接上测试滑台。实验采用的伺服、电机以及测试滑台均由沈阳高精数控技术有限公司提供。伺服型号是：GJS-015ADA，电机型号为：GJM096ADB22。

双轴运动要绘制的指令曲线如图7所示(心形曲线在x轴方向上的轨迹)，实验中将运动过程中采集到的数据信息在Matlab上重新绘制指令曲线和同步误差曲线。实验的采样周期为1ms。从所加工的指令曲线可以发现，虚线标注的两段指令曲线弧度比较大，相应的两个轴的同步误差会比较大，此时对伺服系统的控制要求也比较高。

从同步误差曲线比较图8可以发现，基于现场总线的双轴协调式同步控制方法可以明显提高同步误差的控制精度。从图9以及图10可以发现，采用双轴协调式的同步误差控制效果要好于主从式的控制效果。尤其是在3s-4s以及6s-7s这两个时间段，指令曲线的弧度比较大(见指令曲线图的虚线部分)电机加减速运动控制较为明显，系统的同步误差都比较大。双轴协调式控制由于两个同步轴的响应速度快，同步误差得到了较好的控制，控制精度比主从式控制有了较为明显的提高。

Claims

1.一种基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于包括以下步骤：

2.按权利要求1所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于所述同步误差控制包括以下步骤：

3.按权利要求2所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于所述同步误差PID闭环控制包括以下步骤：

判断同步误差的变化趋势；

判断步误差的绝对值是否具有增大趋势；

4.按权利要求3所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于：

5.按权利要求2所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于：

6.按权利要求5所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于：

7.按权利要求6所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于：

8.按权利要求2所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于所述依据两个轴的跟随误差的大小按比例进行分配，分配策略为：

9.按权利要求1所述的基于现场总线的CNC双轴协调式同步控制方法，其特征在于所述相同地位是指：两个伺服轴同时接收来自CNC发送的指令信息，并且将各自的反馈信息同时送回CNC，两个同步轴不分主从。