CN103123476A - 一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到数控系统控制领域，具体地说是具有一个伺服电机驱动多个轴结构的机床的一种特殊、有效的控制方法。本发明数控系统的PLC控制机床的传动机构使某进给轴与电机齿合，使该进给轴受电机驱动，完成机床进给轴的切换；运动控制器通过PLC获得当前可控制的轴，依运动指令控制电机转动，控制机床进给轴的位置。本发明解决了一个电机驱动多个轴的问题，节省了伺服驱动设备，节约了经济成本；通用性好；经济、有效。

Description

一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法

技术领域

本发明涉及到数控系统控制领域，具体地说是具有一个伺服电机驱动多个轴结构的机床的一种特殊、有效的控制方法。

背景技术

通常的数控机床由一个伺服系统(伺服驱动器+伺服电机)控制一个机床进给轴，多(N)个机床进给轴的数控机床需要多(N)个伺服系统(N个伺服驱动器+N个伺服电机)，一对一地控制。近几年来，随着机械制造业的发展，出现了通过改变传动路线实现单伺服电机驱动多轴功能的数控机床，其特征为：数控机床至少有两个或两个以上的进给轴，并且伺服电机的个数少于进给轴的个数，一个伺服电机能控制多个非联动进给轴的运动。每个进给轴上可以安装机床位置传感器(如光栅尺、编码器等位置反馈装置)实现全闭环控制，也可以直接从伺服电机编码器上读取反馈数据实现半闭环控制。

目前，对于单伺服电机驱动多轴的数控机床，并没有专门的控制方法，通常的数控系统控制方法(多轴联动的情形)并不适用，无法实现多个进给轴切换过程中的实际位置的重新计算及一个伺服电机对多个进给轴的驱动控制；虽然可以采用单轴控制器，但此方式存在定位精度低、无法实现数控编程功能等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种能够满足单伺服电机驱动多轴的数控机床的控制要求的单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法，数控系统的PLC控制机床的传动机构使某进给轴与电机齿合，使该进给轴受电机驱动，完成机床进给轴的切换；运动控制器通过PLC获得当前可控制的轴，依运动指令控制电机转动，控制机床进给轴的位置。

所述运动控制器中包括适用于单伺服电机驱动多轴的数据采集方法和位置控制方法；

所述数据采集方法：每个周期记录伺服电机编码器的值，根据该值和电机偏置量计算当前轴的实际位置，在执行运动指令时，伺服电机编码器的计数值是累计的，当PLC从某个轴切换到其他不同轴时，更新新的当前轴的电机偏置量；

所述位置控制方法：仅对当前轴的位置进行控制，当数控系统不存在当前轴时，则依据电机编码器的计数值控制电机不转动。

所述数据采集方法具体为

当PLC无当前轴，运动控制器也无当前轴时，数控系统不存在需要输入控制的轴；

当PLC无当前轴，运动控制器存在当前轴时，计算伺服电机的命令位置，其等于该时刻读取的伺服电机编码器的计数值；

当PLC存在当前轴，运动控制器无当前轴时，根据读取的伺服电机编码器的值计算当前轴的电机偏置量，计算方法为：

Offset＝Counts-posFb /Scale；

当PLC存在当前轴，运动控制器也存在当前轴时，数控系统存在可以输入控制的轴，根据读取的伺服电机编码器的值和该轴的电机偏置量，计算该轴的实际位置，计算方法为：

posFb＝(Counts-Offset)*Scale；

其中，Counts表示伺服电机编码器的计数值，posFb表示轴的实际位置，Scale表示电机编码器的换算系数，Offset为轴的电机偏置量；

所述位置控制方法具体为

在位置控制中，读取数控加工指令，根据加工指令中的目标位置进行轨迹插补、PID计算、单位变换等，最终得到驱动指令送给伺服，驱动电机的转动，

当PLC无当前轴，运动控制器也无当前轴时或当PLC无当前轴，运动控制器存在当前轴时，数控系统不存在可以驱动控制的轴，则对伺服电机的命令位置和此时读取的伺服电机编码器的值做PID，以此控制电机不动；

当PLC存在当前轴，运动控制器无当前轴时，PLC刚完成切换轴的动作，PID输出为0，此时仍控制电机不动；

当PLC存在当前轴，运动控制器也存在当前轴时，数控系统存在可以驱动控制的轴，则对当前轴的命令位置和计算出的实际位置做PID，以此控制电机的转动。

本发明具有以下优点：

1.本发明提供的一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法，能够满足单伺服电机驱动多轴的数控机床的控制要求，解决了一个电机驱动多个轴的问题，节省了伺服驱动设备，节约了经济成本。

2.通用性好。凡是具有单伺服电机驱动多轴结构的数控机床，该发明方法都适用，并不局限于伺服电机与进给轴的个数，只要存在一个伺服电机驱动多个非联动进给轴的情形都可使用此方法，而且进给轴的位置反馈既可以通过机床位置传感器(如光栅尺)也可以通过电机编码器实现，因此有很好的通用性。

3.经济、有效。经实际机床生产实践，验证了本控制方法的正确性、有效性和经济性，得到机床生产厂和用户的好评，已投入了批量生产。

附图说明

图1为本发明方法示意图；

图2为本发明数据采集流程图；

图3为本发明PID控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，数控系统的PLC控制机床的传动机构使某进给轴与电机齿合，使该进给轴受电机驱动，完成机床进给轴的切换；运动控制器通过PLC获得当前可控制的轴，依运动指令控制电机转动，控制机床进给轴的位置。

如图2-3所示，PLC所控制的当前受电机驱动的机床进给轴称为PLC的当前轴，在切换轴(使某进给轴受电机驱动)的过程中，没有与电机齿合的进给轴，称为PLC无当前轴。运动控制器从PLC获得当前可进行运动控制的轴(称之为运动控制器的当前轴)；当读到PLC无当前轴时，运动控制器也无当前轴。

由于运动控制器与PLC程序运行在不同的线程上，运动控制器获得的当前轴信息和PLC的当前轴信息会有时间上的延迟，这样运动控制过程中就出现了以下四种情况：

a.)PLC无当前轴，运动控制器也无当前轴；

b.)PLC无当前轴，运动控制器存在当前轴；

c.)PLC存在当前轴，运动控制器无当前轴；

d.)PLC存在当前轴，运动控制器也存在当前轴。

运动控制器在处理运动指令时，主要包括数据采集和位置控制两部分。

在数据采集中，每个周期记录读取的伺服电机编码器的值，根据该值和电机偏置量计算当前轴的实际位置。具体来说，对上述情况a.)，数控系统不存在需要输入控制的轴；对上述情况b.)，计算伺服电机的命令位置，其等于该时刻读取的伺服电机编码器的计数值；对上述情况c.)，根据读取的伺服电机编码器的值计算当前轴的电机偏置量，计算方法为：

Offset＝Counts-posFb/Scale；

其中，Counts表示伺服电机编码器的计数值，posFb表示轴的实际位置，Scale表示电机编码器的换算系数，Offset为轴的电机偏置量；对上述情况d.)，数控系统存在可以输入控制的轴，根据读取的伺服电机编码器的值和该轴的电机偏置量，计算该轴的实际位置，计算方法为：

posFb＝(Counts-Offset)*Scale；

其中，各符号的含义同上。

在位置控制中，读取数控加工指令，根据加工指令中的目标位置进行轨迹插补、PID计算、单位变换等，最终得到驱动指令送给伺服，驱动电机的转动，具体来说，对上述情况a.)、b.)，数控系统不存在可以驱动控制的轴，则对伺服电机的命令位置和此时读取的伺服电机编码器的值做PID，以此控制电机不动；对上述情况c.)，PLC刚完成切换轴的动作，PID输出为0，此时仍控制电机不动；对上述情况d.)，数控系统存在可以驱动控制的轴，则对当前轴的命令位置和计算出的实际位置做PID，以此控制电机的转动。

如图4所示，当PLC收到数控系统的切换轴指令时，

若PLC不存在当前轴，PLC正在执行切换轴动作，则放弃PLC正在切换的轴，执行该数控指令，使PLC切换到数控指令指定的轴。

若PLC存在当前轴，检查PLC的当前轴和数控指令要切换的轴是否一致，若一致，则放弃该切换轴指令，PLC不需要执行切换轴的操作；反之，若不一致，则PLC执行切换轴动作，从PLC的当前轴切换到数控指令指定的轴。

Claims (4)

1.一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法，其特征在于，数控系统的PLC控制机床的传动机构使某进给轴与电机齿合，使该进给轴受电机驱动，完成机床进给轴的切换；运动控制器通过PLC获得当前可控制的轴，依运动指令控制电机转动，控制机床进给轴的位置。

2.根据权利要求1所述的一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法，其特征在于，所述运动控制器中包括适用于单伺服电机驱动多轴的数据采集方法和位置控制方法；

所述数据采集方法：每个周期记录伺服电机编码器的值，根据该值和电机偏置量计算当前轴的实际位置，在执行运动指令时，伺服电机编码器的计数值是累计的，当PLC从某个轴切换到其他不同轴时，更新新的当前轴的电机偏置量；

所述位置控制方法：仅对当前轴的位置进行控制，当数控系统不存在当前轴时，则依据电机编码器的计数值控制电机不转动。

3.根据权利要求2所述的一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法，其特征在于，所述数据采集方法具体为

当PLC无当前轴，运动控制器也无当前轴时，数控系统不存在需要输入控制的轴；

当PLC无当前轴，运动控制器存在当前轴时，计算伺服电机的命令位置，其等于该时刻读取的伺服电机编码器的计数值；

当PLC存在当前轴，运动控制器无当前轴时，根据读取的伺服电机编码器的值计算当前轴的电机偏置量，计算方法为：

Offset＝Counts-posFb/Scale；

当PLC存在当前轴，运动控制器也存在当前轴时，数控系统存在可以输入控制的轴，根据读取的伺服电机编码器的值和该轴的电机偏置量，计算该轴的实际位置，计算方法为：

posFb＝(Counts-Offset)*Scale；

其中，Counts表示伺服电机编码器的计数值，posFb表示轴的实际位置，Scale表示电机编码器的换算系数，Offset为轴的电机偏置量；

4.根据权利要求2所述的一种单伺服电机驱动多轴机床的数控系统控制方法，其特征在于，所述位置控制方法具体为

在位置控制中，读取数控加工指令，根据加工指令中的目标位置进行轨迹插补、PID计算、单位变换等，最终得到驱动指令送给伺服，驱动电机的转动，

当PLC无当前轴，运动控制器也无当前轴时或当PLC无当前轴，运动控制器存在当前轴时，数控系统不存在可以驱动控制的轴，则对伺服电机的命令位置和此时读取的伺服电机编码器的值做PID，以此控制电机不动；

当PLC存在当前轴，运动控制器无当前轴时，PLC刚完成切换轴的动作，PID输出为0，此时仍控制电机不动；

当PLC存在当前轴，运动控制器也存在当前轴时，数控系统存在可以驱动控制的轴，则对当前轴的命令位置和计算出的实际位置做PID，以此控制电机的转动。

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