CN102540965A - 总线式伺服双轴同步控制方法 - Google Patents

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何平
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陈猛
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Abstract

本发明涉及一种总线式伺服双轴同步控制方法,包括以下部分:采用总线式控制系统结构,将两个需要同步的伺服轴分别设置为主动伺服轴和从动伺服轴;从动伺服轴通过现场总线获取CNC的位置指令与主动伺服轴的位置反馈信息;从动伺服轴利用内部建立的同步控制器对从动轴进行同步误差控制。本发明的伺服双轴同步控制方法实时性高和控制精度高,结构简单,便于扩展,在数控系统中易于实现,方便升级,成本低。

Description

总线式伺服双轴同步控制方法
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,具体地说是一种总线式伺服双轴同步控制方法。
背景技术
随着数控技术的推广,大型数控设备被广泛地用于各种机械加工领域以满足一些体积较大、精度较高、生产周期要求短的工件的加工需求。在这些大型的龙门式和桥式数控设备的机床控制中,双轴同步驱动技术已成为一种常见的控制方法,如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。
虽然在这些情况下,可以采用一台电机通过传动链将运动分配到同步运动轴的方案,但存在传动链较长、传动机构复杂、间隙误差大且无法补偿,以及维护困难等问题。因此,采用两个电机同步驱动运动机构的两边,已成为当前解决机床中同步控制问题具有代表性的方案。所谓双轴同步驱动,就是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,其目的是将主、从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。
近年来,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。从已经具备双轴同步控制功能的控制系统来看,同步控制功能均由数控系统提供,如目前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。同步控制功能由数控系统实现,虽然解决了同步轴控制问题,同时也带来很多弊端,如增加了数控系统的负担,接口复杂,难于扩展为多轴同步功能等。随着数字通讯技术的发展,现场总线技术已经成功地引入到控制领域,成为各功能模块如计算机控制器(Computer Numerical Controller,CNC)、伺服驱动器等之间进行数据交换的手段。现场总线有抗干扰、通讯灵活、易联接、成本低等诸多优点,是未来的发展趋势。目前也已形成多种总线相互竞争的态势。现场总线的使用及DSP技术的发展,都要求与控制相关的功能下移到伺服中实现,以充分地利用伺服的控制优势,提高控制的响应频率和控制性能。因此研究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总线式伺服双轴同步控制方法及实现装置尚未见报道。
发明内容
针对现有双轴同步控制技术中数控系统负担过重、扩展困难、同步控制精度低等的不足之处,本发明要解决的问题是提供一种总线式伺服双轴同步控制方法。本发明通过改进现场总线通信功能,使其支持分布共享通信;将两个伺服轴分别设为主动伺服轴和从动伺服轴;在从动伺服轴中增加同步控制器,以控制主、从动伺服间的同步误差。基于此方法,本发明采用高精的伺服平台开发双轴同步控制实现装置,以实现数控机床中双轴同步驱动的高精度控制。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
本发明总线式双轴伺服同步控制方法包括以下步骤:
采用总线式控制系统结构,将两个需要同步的伺服轴分别设置为主动伺服轴和从动伺服轴;
从动伺服轴通过现场总线获取CNC的位置指令与主动伺服轴的位置反馈信息;
从动伺服轴利用上述获得的指令与反馈信息,在内部建立同步控制器,利用同步控制器对从动轴进行同步误差控制。
主动轴与从动轴设置方式为:通过伺服驱动器软件实现同步控制中两种伺服的功能设置,主动轴即为普通的位置伺服控制系统,从动轴除了实现普通的位置伺服控制系统外,还要有两方面的功能:一是监视总线,获取主动轴的位置给定和反馈信息;二是同步控制功能。
从动轴信息获取方式为:通过现场总线的旁听从站功能和信息共享功能的支持,从动轴从现场总线上获取CNC发送给主动轴的位置指令和从动轴的位置反馈数据;以主动轴的位置指令与从动轴的位置反馈数据的偏差作为同步控制器的输入。
现场总线旁听功能为:在常规的现场总线中,主站与每个从站建立连接,在与从站进行实时通讯的同时,监视从站的运行状态。
信息共享功能为:CNC和伺服驱动器挂接到现场总线上,通过现场总线实现数据共享,总线上传输的数据在每个设备都有相同的拷贝。
同步控制器的设置过程为:以主动轴和从动轴的同步位置偏差作为输入,建立一个单输入单输出的控制系统作为同步控制器,在主动轴和从动轴的相对位置上形成一个闭环控制,其输出作为一种补偿附加到从动轴伺服位置指令上。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果及优点:
1.系统结构简单,便于扩展。基于现场总线的控制系统结构,只要再增加从动伺服轴,即可将双轴同步控制扩展成多轴同步控制,对CNC没有特殊要求。
2.实时性高。传统控制的同步控制器在CNC中实现,CNC的运算量增大,实时性差。而伺服的控制响应频率高,控制周期能小,实时性高。
3.控制精度高。同步控制器在CNC中实现,不易于使用复杂的控制算法,一般采用的方法是对算法做近似来简化运算。但近似不可避免带来计算的误差,所以控制效果要受到影响。
附图说明
图1为本发明方法中基于现场总线的数控系统结构示意图;
图2为本发明方法同步通讯原理图;
图3为本发明方法中主从式双轴同步控制图;
图4为本发明方法中基于现场总线的双轴同步控制图;
图5本发明方法中从动轴伺服信息获取示意图;
图6本发明方法中现场总线的信息分布共享示意图。
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。
本发明的伺服双轴同步控制采用的是基于现场总线的数控系统结构,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)、主轴变频器、伺服驱动器、数字量输入/输出单元(I/O)等。在此控制系统中现场总线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。上位装置的命令通过现场总线发给指定的伺服驱动器或I/O;伺服驱动器或I/O的响应也通过现场总线传给CNC。
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。总线上包含两种设备(主设备和从设备),在通信周期的开始,主设备在总线上发送同步帧,所有总线上的设备,在同步帧后某一确定时刻,产生同步中断,两个中断之间的时间即为通讯周期,此周期也为上位装置给伺服发送命令和接收响应的控制周期。在同步中断产生后,上位装置会逐个给从设备发送命令(图中命令1、命令2...),并接收从设备响应(图中应答1、应答2...)。所有从设备在同步中断产生后,同时将命令送给伺服,并锁定伺服的响应。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(第三类实时,通信周期小于1ms,同步抖动小于1us)的要求。
本发明采用交流伺服驱动装置的数控机床,其双轴运动同步控制的结构如图3所示。基本工作原理是:将两个同方向运动的进给轴,一个设定为主动轴,另一个设定为从动轴,由一个伺服驱动器、一个伺服电动机、一个位置反馈装置及CNC位置控制单元组成主动轴伺服运动控制回路,同时由另一个伺服驱动器、另一个伺服电动机、另一个位置反馈装置及CNC位置控制单元组成从动轴伺服运动控制回路。CNC的位置控制单元同时向主动轴及从动轴的伺服控制回路发出位置伺服运动指令。两个位置反馈装置的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较环,还送入CNC内部的一个数字比较器进行差值比较,该差值送入从动轴伺服控制回路的输入端,与CNC位置控制单元发来的位置伺服指令进行比较。两个位置反馈装置的反馈信号差值就是主动轴与从动轴的同步误差。差值为零时,表明两个轴的位置完全同步。
基于上述双轴控制原理,本发明的基于现场总线的伺服双轴同步控制系统结构如图4所示。通过现场总线,主动轴伺服系统接收数字控制器(CNC)发出的位置指令,同时将位置反馈值作为响应返回给CNC,主动轴的伺服系统是一个普通的位置闭环伺服控制系统。由于从动轴也接在现场总线上,它可以监听到CNC与主动轴间的信息交换(位置指令和反馈),以此作为自身的控制信息进行位置闭环和同步控制。为了达到所述的目标,需要解决主动轴与从动轴设置、从动轴信息获取和同步控制器三项技术。
本发明总线式双轴伺服同步控制方法包括以下步骤:
采用总线式控制系统结构,将两个需要同步的伺服轴分别设置为主动伺服轴和从动伺服轴;从动伺服轴通过现场总线获取CNC的位置指令与主动伺服轴的位置反馈信息;从动伺服轴利用上述获得的指令与反馈反馈信息,在内部建立同步控制器,利用同步控制器对从动轴进行同步误差控制。
主动轴与从动轴设置过程为:通过伺服驱动器软件实现同步控制中两种伺服的功能设置,主动轴即为普通的位置伺服控制系统,从动轴除了实现普通的位置伺服控制系统外,还要有两方面的功能:一是监视总线,获取主动轴的位置给定和反馈信息;二是同步控制功能。
本实施例中,伺服从功能上要分为两种,主动轴伺服系统和从动轴伺服系统。主动轴即为普通的位置伺服控制系统。在实际的应用中,通过伺服参数的设置来选择是否启用从动轴功能,如果不启用,即作为普通伺服功能用作单轴伺服控制和主动轴伺服控制;如果启用,即可通过配置作为某一主动轴的从动轴伺服系统使用。
从动轴信息获取方式为:通过现场总线的旁听从站功能和信息共享功能的支持,从动轴从现场总线上获取CNC发送给主动轴的位置指令和从动轴的位置反馈数据;以主动轴的位置指令与从动轴的位置反馈数据的偏差作为同步控制器的输入;所述的现场总线旁听功能为:在常规的现场总线中,主站与每个从站建立连接,在与从站进行实时通讯的同时,监视从站的运行状态;所述的信息共享功能为:CNC和伺服驱动器挂接到现场总线上,通过现场总线实现数据共享,总线上传输的数据在每个设备都有相同的拷贝。
本实施例中,如下图5所示,从动轴需要从现场总线上获取两种信息。一是CNC发送给主动轴的位置指令,由于主动轴和从动轴作同步运动,所以发给主动轴的位置指令也是从动轴使用的位置指令,图5中虚线(1);另外由图5可以看出,同步控制器以主动轴和从动轴的位置差作为输入,所以从动轴需要获取主动轴的位置反馈信息,图5中虚线(2)。从动轴伺服系统只从总线上读取数据,并不输出数据,所以从动轴伺服的加入并不改变原有控制系统结构,同时不影响原有控制系统的运行工况。
在本实施例中,同步控制需要特殊的现场总线功能支持,包括从站的旁听功能功能和数据分布共享功能。在常规的现场总线中,主站与每个从站都会建立连接,在与从站进行实时通讯的同时,监视从站的运行状态。在本发明要求现场总线支持旁听从站功能,即从动轴伺服可以设置为旁听从站功能,使其不参与与现场总线主站设备的通讯,这样总线的主站设备忽略旁听从站的存在,而旁听从站要能够正确识别指定的被监听从站的通讯信息。在本实施例中,要求挂接到现场总线上的所有设备(包括CNC和伺服),均能够实现数据共享,即所传输的数据,在每个设备都有相同的拷贝。图6为双轴控制系统的示意。其中Xr、Yr分别为x轴和y轴的位置插补指令,Xb和Yb分别为x轴和y轴的位置反馈。双轴同步控制是这种总线分布共享使用的特例,即x轴为主动轴伺服,假定为图6中从站#1,要使用CNC的插补位置命令Xr,并将位置反馈Xb传送给CNC;而y轴设为从动轴伺服从站#2,只使用监视的总线数据Yr和Xb,因为是双轴同步控制,所以CNC所发送的Xr和Yr是相同的。
同步控制器的设置过程为:以主动轴和从动轴的同步位置偏差作为输入,建立一个单输入单输出的控制系统作为同步控制器,在主动轴和从动轴的相对位置上形成一个闭环控制,其输出作为一种补偿附加到从动轴伺服位置指令上。
本实施例中,同步控制器以主动轴和从动轴的同步位置偏差作为输入,其输出作为一种补偿附加到从动轴伺服位置指令上,因此其本质上是在主动轴和从动轴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器的控制算法和控制参数。一方面,同步控制器是一个单输入单输出控制系统,所以有很多工程上适用的控制方法和设计方法可以使用;另一方面,同步控制器以伺服的DSP硬件为载体,可以应用许多先进的控制方法以提高控制性能。

Claims (6)

1.一种总线式双轴伺服同步控制方法,其特征在于包括以下步骤:
采用总线式控制系统结构,将两个需要同步的伺服轴分别设置为主动伺服轴和从动伺服轴;
从动伺服轴通过现场总线获取CNC的位置指令与主动伺服轴的位置反馈信息;
从动伺服轴利用上述获得的指令与反馈信息,在内部建立同步控制器,利用同步控制器对从动轴进行同步误差控制。
2.按权利要求1所述的总线式双轴伺服同步控制方法,其特征在于主动轴与从动轴设置方式为:通过伺服驱动器软件实现同步控制中两种伺服的功能设置,主动轴即为普通的位置伺服控制系统,从动轴除了实现普通的位置伺服控制系统外,还要有两方面的功能:一是监视总线,获取主动轴的位置给定和反馈信息;二是同步控制功能。
3.按权利要求1所述的总线式双轴伺服同步控制方法,其特征在于从动轴信息获取方式为:通过现场总线的旁听从站功能和信息共享功能的支持,从动轴从现场总线上获取CNC发送给主动轴的位置指令和从动轴的位置反馈数据;以主动轴的位置指令与从动轴的位置反馈数据的偏差作为同步控制器的输入。
4.按权利要求3所述的总线式双轴伺服同步控制方法,其特征在于所述的现场总线旁听功能为:在常规的现场总线中,主站与每个从站建立连接,在与从站进行实时通讯的同时,监视从站的运行状态。
5.按权利要求3所述的从动轴的信息获取,其特征在于信息共享功能为:CNC和伺服驱动器挂接到现场总线上,通过现场总线实现数据共享,总线上传输的数据在每个设备都有相同的拷贝。
6.按权利要求1所述的总线式双轴伺服同步控制方法,其特征在于同步控制器的设置过程为:以主动轴和从动轴的同步位置偏差作为输入,建立一个单输入单输出的控制系统作为同步控制器,在主动轴和从动轴的相对位置上形成一个闭环控制,其输出作为一种补偿附加到从动轴伺服位置指令上。
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