CN103713580A - 一种数控系统及数控系统轴运动前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数控系统及数控系统轴运动前馈控制方法，该方法包括：CNC中央单元通过主动轴伺服系统获取主动轴的当前反馈转数；根据预设的主动轴下一周期转数和主动轴当前反馈转数计算主动轴下一周期的转数变化量；根据主动轴下一周期的转数变化量和预设的主动轴与从动轴转速比例计算从动轴速度前馈项，并将所述速度前馈项加入CNC中央单元的PID参数；根据PID参数通过模拟量信号向从动轴伺服系统发送从动轴速度命令。通过对CNC中央单元的PID参数加入从动轴速度前馈项，提高了从动轴的响应速度，同时，对从动轴采用模拟量控制，提升了数控系统的鲁棒性。

Description

一种数控系统及数控系统轴运动前馈控制方法

技术领域

本发明涉及数控技术领域，特别是涉及一种数控系统及数控系统轴运动前馈控制方法。

背景技术

目前，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精度较高的工件的加工需求，在数控系统的控制方法中，双轴同步控制方法已经成为一种常见的方法。

现有技术的数控系统通常通过脉冲信号控制主动轴和从动轴的运动，主动轴转动，从动轴随动，现有的控制方法，从动轴位置环闭环在驱动器中，只能通过采用性能较高的从动轴驱动器来提升从动轴跟随性，对于性能较差的从动轴驱动器，则无法做到很好的跟随，即跟随性差，从而导致加工误差变大，精度不好。

对于不同的机床和驱动器，从动轴跟随的延时都不一致，所以对于不同的机床，驱动器需要设置的参数也不一样，由于从动轴位置环闭环在驱动器中，因此，需要频繁的调整驱动器的参数，即数控系统鲁棒性差，另外，对于不同的加工种类，驱动器的参数需要进行切换，但并不是所有的驱动器都具有参数切换的功能。

如何提高系统的鲁棒性和从动轴的跟随性成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种数控系统及其轴同步运动的控制方法，能够提升数控系统的鲁棒性和从动轴的跟随性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种数控系统前馈控制方法，所述方法包括：

CNC中央单元通过主动轴伺服系统获取主动轴的当前反馈转数；

CNC中央单元根据预设的主动轴下一周期转数和主动轴当前反馈转数计算主动轴下一周期的转数变化量；

CNC中央单元根据主动轴下一周期的转数变化量和预设的主动轴与从动轴转速比例计算从动轴速度前馈项，并将所述速度前馈项加入CNC中央单元的PID参数；

CNC中央单元根据PID参数通过模拟量信号向从动轴伺服系统发送从动轴速度命令。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是提供一种数控系统，所述数控系统包括：

主动轴；

从动轴；

CNC中央单元；

主动轴伺服系统，其两端分别连接CNC中央单元和主动轴，主动轴伺服系统接收所述主动轴动作命令控制主动轴运动；

从动轴伺服系统，其两端分别连接CNC中央单元和从动轴，从动轴伺服系统接收所述从动轴动作命令控制从动轴运动；

CNC中央单元通过主动轴伺服系统获取主动轴的当前反馈转数；CNC中央单元根据预设的主动轴下一周期转数和主动轴当前反馈转数计算主动轴下一周期的转数变化量；CNC中央单元根据主动轴下一周期的转数变化量和预设的主动轴与从动轴转速比例计算从动轴速度前馈项，并将所述速度前馈项加入CNC中央单元的PID参数；CNC中央单元根据PID参数通过模拟量信号向从动轴伺服系统发送从动轴速度命令。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的数控系统及其轴运动前馈控制方法，通过对CNC中央单元的PID参数加入从动轴速度前馈项，提高了从动轴的响应速度，同时，对从动轴采用模拟量控制，直接向从动轴伺服系统发送速度命令，CNC中央单元直接由从动轴伺服系统获取从动轴位置反馈，使从动轴位置环闭环在CNC中央单元内，CNC中央单元可根据不同使用情况（不同的机床、驱动器或加工功能）灵活调整PID参数，直接向从动轴伺服系统发送速度命令，提升了数控系统的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明数控系统的结构示意框图；

图2是图1所示的数控系统第一实施例的控制信号传输示意图；

图3是图1所示的数控系统第二实施例的控制信号传输示意图；

图4是本发明所示的数控系统第三实施例的控制信号传输示意图；

图5是本发明所示的数控系统第四实施例的控制信号传输示意图；

图6是本发明数控系统的轴同步运动控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明数控系统的结构示意框图；本发明实施例公开了一种数控系统，其包括：主动轴23；从动轴24；CNC中央单元20；主动轴伺服系统21，其两端分别连接CNC中央单元和主动轴，主动轴伺服系统接收所述主动轴动作命令控制主动轴运动；从动轴伺服系统22，其两端分别连接CNC中央单元和从动轴，从动轴伺服系统接收所述从动轴动作命令控制从动轴运动；CNC中央单元20通过主动轴伺服系统21获取主动轴的当前反馈转数；CNC中央单元根据预设的主动轴下一周期转数和主动轴当前反馈转数计算主动轴下一周期的转数变化量；CNC中央单元根据主动轴下一周期的转数变化量和预设的主动轴与从动轴转速比例计算从动轴速度前馈项，并将所述速度前馈项加入CNC中央单元的PID参数；CNC中央单元根据PID参数通过模拟量信号向从动轴伺服系统发送从动轴速度命令。

本发明的数控系统及其轴运动前馈控制方法，通过对CNC中央单元的PID参数加入从动轴速度前馈项，提高了从动轴的响应速度，同时，对从动轴采用模拟量控制，直接向从动轴伺服系统发送速度命令，CNC中央单元直接由从动轴伺服系统获取从动轴位置反馈，使从动轴位置环闭环在CNC中央单元内，CNC中央单元可根据不同使用情况（不同的机床、驱动器或加工功能）灵活调整PID参数，直接向从动轴伺服系统发送速度命令，提升了数控系统的鲁棒性。

请参阅图2，图2是图1所示的数控系统第一实施例的控制信号传输示意图；其中，所述主动轴伺服系统21还包括相连接的主动轴伺服驱动器211和主动轴电机212，所述主动轴伺服驱动器21还与CNC中央单元20连接，所述主动轴电机212与还主动轴23连接；所述从动轴伺服系统22还包括相连接的从动轴伺服驱动器221和从动轴电机222，所述从动轴伺服驱动器221还与CNC中央单元20连接，所述从动轴电机222还与从动轴24连接。

所述CNC中央单元同时向主动轴和从动轴发送各自的动作命令控制主动轴和从动轴运动，所述CNC中央单元20发出的主动轴动作命令是脉冲信号或模拟量信号，由于CNC中央单元根据PID参数发出的是从动轴速度命令，所述CNC中央单元发出的从动轴动作命令是模拟量信号。

当CNC中央单元向主动轴驱动器发送的脉冲信号时，所述主动轴电机从主动轴编码器获取到主动轴当前反馈转数并将该反馈传输到主动轴驱动器，主动轴驱动器发送该反馈到CNC中央单元；从动轴电机由从动轴编码器获取到从动轴当前反馈位置信息并将该位置反馈直接传输到CNC中央单元，此时，从动轴位置闭环在CNC中央单元，不经过从动轴驱动器的传递，使从动轴位置环闭环在CNC中央单元内，CNC中央单元再根据主动轴和从动轴反馈的信息发送模拟量信号直接调整PID参数，CNC中央单元可根据不同使用情况（不同的机床、驱动器或加工功能）灵活调整PID参数，CNC中央单元的PID参数都由CNC中央单元内部设置，参数切换的实现更加容易，从而减少对从动轴驱动器性能的依赖。

本发明CNC中央单元控制主动轴的另一实施方式，请参阅图3，图3是图1所示的数控系统第二实施例的控制信号传输示意图；当CNC中央单元向主动轴驱动器发送的模拟量信号时，CNC中央单元直接从主动轴电机获取主动轴反馈转数信息，CNC中央单元对从动轴仍然采用模拟量信号控制。

用户根据需求输入动作命令，CNC中央单元获取到主动轴动作命令和位置反馈数据后计算从动轴的的输出位置，从而获得从动轴的动作命令。具体的，所述从动轴驱动器驱动从动轴运动的速度F与所述主动轴驱动器驱动主动轴运动的速度S保持比例M，满足：

M=F/S

其中，F为从动轴运动速度，S为主动轴运动速度。

所述CNC中央单元根据主动轴动作命令输出的转数和主动轴当前位置反馈的转数计算主动轴下一周期的转数变化量；根据主动轴转数变化量计算从动轴的速度前馈项，并将所述速度前馈项加入到从动轴动作命令。速度前馈控制可以提高从动轴的响应速度，由于从动轴跟随主动轴，根据主动轴的运动状况预测从动轴的速度作为前馈控制的依据，具体定义速度项为主动轴下一周期的转数变化量，为CNC中央单元输出的转数C_i与当前反馈的转数B_i之差：

C_i-B_i

并通过转速比例转换成从动轴的速度项：

(C_i-B_i)×M

则在CNC中央单元的PID控制中加入速度前馈项FF_v：

FF_v=Kv×(C_i-B_i)×M

其中，Kv为从动轴速度前馈增益，0%<Kv<100%，C_i为主动轴第i插补周期输出的转数，i为自然数。在同步误差补偿增益基础上，速度前馈对从动轴的跟随性进行微调，使得从动轴的响应更快。

所述从动轴速度命令u(t)，满足：

u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]+FF_v

其中，kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；e(t)为（P_i-F_i），P_i为从动轴第i插补周期的运动输出位置，F_i为钻孔轴第i周期的反馈位置。

为了使从动轴的运动速度F与主动轴运动速度S保持比例M，CNC中央单元根据主动轴的位置反馈计算从动轴每个插补周期的输出位置，在第i个插补周期的运动输出位置P_i满足：

P_i=P₀+(B_i-C₀)×M

其中，P₀为所述从动轴在初始时刻的位置，B_i为主动轴第i个插补周期的反馈转数，C₀为主动轴起始转数,(B_i-C₀)为每个插补周期得到的主轴转数的变化量，i为自然数。

请参阅图4，图4是本发明所示的数控系统第三实施例的控制信号传输示意图；与图2所示第一实施例相比，本发明第三实施例中，具体地，本实施例提供的数控系统用于刚性攻丝，利用丝锥加工底孔的方式实现螺纹加工，所述主动轴是主轴，所述从动轴是钻孔轴，其余内容相同。本实施例提供的刚性攻丝数控系统由CNC中央单元、主轴、主轴驱动器、主轴电机、钻孔轴、钻孔轴驱动器、钻孔轴电机构成，刚性攻丝须严格的保持钻孔轴进给速度与主轴旋转速度的比例M的一致性，即：

M=F/S

此时，螺纹的螺距（毫米/转）等于钻孔轴进给速度与主轴旋转速度的比例M，F为钻孔轴的进给速度（毫米/分），S为主轴旋转的速度（转/分）。刚性攻丝必须保证各轴电机高速运作时保持比例M，否则，可能导致加工的螺纹烂牙，或者刀具折断。

请参阅图5，图5是本发明所示的数控系统第四实施例的控制信号传输示意图；与图3所示第二实施例相比，本发明第四实施例中，具体地，本实施例提供的数控系统用于刚性攻丝，利用丝锥加工底孔的方式实现螺纹加工，所述主动轴是主轴，所述从动轴是钻孔轴，其余内容相同。本实施例提供的刚性攻丝数控系统由CNC中央单元、主轴、主轴驱动器、主轴电机、钻孔轴、钻孔轴驱动器、钻孔轴电机构成，刚性攻丝须严格的保持钻孔轴进给速度与主轴旋转速度的比例M的一致性，即：

M=F/S

此时，螺纹的螺距（毫米/转）等于钻孔轴进给速度与主轴旋转速度的比例M，F为钻孔轴的进给速度（毫米/分），S为主轴旋转的速度（转/分）。刚性攻丝必须保证各轴电机高速运作时保持比例M，否则，可能导致加工的螺纹烂牙，或者刀具折断。

本发明还提供了一种数控系统轴运动前馈控制方法，请参阅图6，图6是本发明数控系统的轴同步运动控制方法第一实施例的流程图；本实施例的控制方法包括以下步骤：

步骤S11：CNC中央单元通过主动轴伺服系统获取主动轴的当前反馈转数；

步骤S12：CNC中央单元根据预设的主动轴下一周期转数和主动轴当前反馈转数计算主动轴下一周期的转数变化量；

步骤S13：CNC中央单元根据主动轴下一周期的转数变化量和预设的主动轴与从动轴转速比例计算从动轴速度前馈项，并将所述速度前馈项加入CNC中央单元的PID参数；

步骤S14：CNC中央单元根据PID参数通过模拟量信号向从动轴伺服系统发送从动轴速度命令。

本实施例与以上图2所述的数控系统工作原理及相关内容相对应，本实施例不再重复赘述。

图6所示的轴同步运动控制方法与图1、图2、图3所示的数控系统对应，其相关工作原理和内容相同，不再重复赘述；图6所示的轴同步运动控制方法对应于图4、图5的实现刚性攻丝加工数控系统，也可实现刚性攻丝加工，其相关工作原理和内容与其所述内容相同，不再重复赘述。

综上所述，本发明的数控系统及其轴运动前馈控制方法，通过对CNC中央单元的PID参数加入从动轴速度前馈项，提高了从动轴的响应速度，同时，对从动轴采用模拟量控制，直接向从动轴伺服系统发送速度命令，CNC中央单元直接由从动轴伺服系统获取从动轴位置反馈，使从动轴位置环闭环在CNC中央单元内，CNC中央单元可根据不同使用情况（不同的机床、驱动器或加工功能）灵活调整PID参数，直接向从动轴伺服系统发送速度命令，提升了数控系统的鲁棒性。进一步讲，由于从动轴跟随性的增强和响应速度的加快，使得数控系统的加工精度，加工良率及生产效率均得到改善。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (14)

1.一种数控系统轴运动前馈控制方法，其特征在于，所述方法包括：

CNC中央单元通过主动轴伺服系统获取主动轴的当前反馈转数；

CNC中央单元根据预设的主动轴下一周期转数和主动轴当前反馈转数计算主动轴下一周期的转数变化量；

CNC中央单元根据主动轴下一周期的转数变化量和预设的主动轴与从动轴转速比例计算从动轴速度前馈项，并将所述速度前馈项加入CNC中央单元的PID参数；

CNC中央单元根据PID参数通过模拟量信号向从动轴伺服系统发送从动轴速度命令。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述从动轴运动的速度F与所述主动轴运动的速度S保持比例M，满足：

M=F/S

其中，F为从动轴运动速度，S为主动轴运动速度。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述从动轴的速度前馈项FF_v满足：

FF_v=Kv×(C_i-B_i)×M

其中，Kv为从动轴速度前馈增益，C_i为主动轴第i插补周期输出的转数，B_i为主动轴第i个插补周期的反馈转数，i为自然数。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述Kv取值满足：0%<Kv<100%。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述从动轴速度命令u(t)，满足：

u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]+FF_v

其中，kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；e(t)为（P_i-F_i），P_i为从动轴第i插补周期的运动输出位置，F_i为钻孔轴第i周期的反馈位置。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，从动轴在第i个插补周期的运动输出位置P_i满足：

P_i=P₀+(B_i-C₀)×M

其中，P₀为所述从动轴在初始时刻的位置，B_i为主动轴第i个插补周期的反馈转数，C₀为主动轴起始转数,(B_i-C₀)为每个插补周期得到的主轴转数的变化量，i为自然数。

7.根据权要求1～6任一项所述的控制方法，其特征在于，所述主动轴是加工螺纹的主轴，从动轴是加工螺纹的钻孔轴，满足：

M=F/S

F为钻孔轴转动速度（毫米/分），S为主轴旋转速度（转/分），M为螺纹的螺距（毫米/转）。

8.一种数控系统，其特征在于，所述数控系统包括：

主动轴；

从动轴；

CNC中央单元；

主动轴伺服系统，其两端分别连接CNC中央单元和主动轴，主动轴伺服系统接收所述主动轴动作命令控制主动轴运动；

从动轴伺服系统，其两端分别连接CNC中央单元和从动轴，从动轴伺服系统接收所述从动轴动作命令控制从动轴运动；

CNC中央单元通过主动轴伺服系统获取主动轴的当前反馈转数；CNC中央单元根据预设的主动轴下一周期转数和主动轴当前反馈转数计算主动轴下一周期的转数变化量；CNC中央单元根据主动轴下一周期的转数变化量和预设的主动轴与从动轴转速比例计算从动轴速度前馈项，并将所述速度前馈项加入CNC中央单元的PID参数；CNC中央单元根据PID参数通过模拟量信号向从动轴伺服系统发送从动轴速度命令。

9.根据权利要求8所述的数控系统，其特征在于，所述从动轴运动的速度F与所述主动轴运动的速度S保持比例M，满足：

M=F/S

其中，F为从动轴运动速度，S为主动轴运动速度。

10.根据权利要求9所述的数控系统，其特征在于，所述从动轴的速度前馈项FF_v满足：

FF_v=Kv×(C_i-B_i)×M

其中，Kv为从动轴速度前馈增益，C_i为主动轴第i插补周期输出的转数，B_i为主动轴第i个插补周期的反馈转数，i为自然数。

11.根据权利要求9所述的数控系统，其特征在于，所述Kv取值满足：0%<Kv<100%。

12.根据权利要求9所述的数控系统，其特征在于，所述从动轴速度命令u(t)，满足：

u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]+FF_v

其中，kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；e(t)为（P_i-F_i），P_i为从动轴第i插补周期的运动输出位置，F_i为钻孔轴第i周期的反馈位置。

13.根据权利要求12所述的数控系统，其特征在于，从动轴在第i个插补周期的运动输出位置P_i满足：

P_i=P₀+(B_i-C₀)×M

其中，P₀为所述从动轴在初始时刻的位置，B_i为主动轴第i个插补周期的反馈转数，C₀为主动轴起始转数,(B_i-C₀)为每个插补周期得到的主轴转数的变化量，i为自然数。

14.根据权利要求8～13任一项所述的数控系统，其特征在于，所述主动轴是加工螺纹的主轴，从动轴是加工螺纹的钻孔轴，满足：

M=F/S

F为钻孔轴转动速度（毫米/分），S为主轴旋转速度（转/分），M为螺纹的螺距（毫米/转）。

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