基于智能運動控制器的開放式多軸聯動數控系統

　　本文提出了以智能運動控制器為位控模塊，工業控制機為支撐單元的開放式數控系統，其軟件平臺實現了人機界面的圖形化，用二次插補法實現對多軸聯動的控制。

圖1 數控系統結構原理圖

1 數控系統的硬件結構
智能運動控制器
智能運動控制器是一個較高性能的伺服運動控制器。每一兩塊塊控制器上有三塊或四塊控制芯片，每一塊芯片獨立地控制一個軸的運動，可對芯片進行初始化編程，規定各控制芯片的工作狀態：發脈沖的速率，發脈沖的個數。本文采用兩塊智能運動控制器控制五軸聯動。
數控系統硬件結構及工作原理
該數控系統的控制是在工業控制機(IPC)平臺的基礎上，采用兩塊智能運動控制器進行位控。工控機上的CPU 和運動器上的控制芯片構成了主從式處理機構。主機完成粗插補運算，得到每一次各軸需運動的步數及方向，用這些數據去控制智能運動控制器的工作狀態：各軸的運動步數、發脈沖速率：再由智能運動控制器完成五軸的精插補。工作臺的運行情況通過傳感器直接反饋輸入智能運動控制器，此信號可由主CPU讀入。其結構原理如圖1所示。
閉環控制系統
在這種系統中，主機讀入長光柵傳感器反饋回的工作臺的實際位移量，將此位移量與理想值相比較，得到誤差信號并用此誤差去控制智能運動控制器，使實際值與理想值趨于重合，從而消除運行誤差。該系統如圖2所示。

圖2 閉環控制系統

2 數控系統的軟件設計
　　數字控制的插補算法
　　保證數控工作臺沿著預定的軌跡運行的問題，實質上是如何通過插補運算，實現按一定規律分配進給脈沖，控制伺服電機運動。插補運算是根據數控語言代碼提供的軌跡類型選擇相應算法，保證在一定精度范圍內計算出一段直線或圓弧的一系列中間點的坐標值，并逐次以增量坐標值或脈沖序列形式輸出，使伺服電機以一定速度轉動，控制工作臺按預定的軌跡運動。數控技術中采用的插補算法可歸納為兩類：
一次插補法 如逐點比較法、數字積分器法等，這類算法，進給速度受到限制，過去的硬件數控系統常常采用。
　　二次插補法 它將插補功能分為粗插補和精插補兩部份完成，常用的有擴展數字積分器法和時間分割法。這類算法，在每個插補運算周期里輸出的不是單個脈沖，而是一個線段(位置增量坐標數據)，因而能顯著提高進給速度，在計算機數控系統中得到廣泛采用。本系統的插補算法就是采用時間分割法，它根據進給速度計算出每個固定時間內的進給量，進行粗插補運算，求出這個插補周期各聯動坐標應移動的位置增量值，然后再通過精插補將該插補周期的各軸位置增量值變換成各坐標方向的均勻運動。
基于擴充內存的時間分割插補法
數控系統的加工過程一般要經過插補、輸出脈沖、反饋等幾個過程。傳統的方法是插補一次，發出一個脈沖，檢測一次誤差。在這種方法下，控制過程是一個順序過程，其中各個環節環環相扣，互相制約，因此很難實現誤差的快速響應。同時，由于DOS系統的尋址能力有限，因此必須考慮存放大量插補數據的方法。為了解決這些問題，本系統采用基于擴充內存的時間分割插補方法：為了提高系統的實時性，控制方法上采用讀入運行代碼文件后，先在主機完成粗插補運算，并把插補得到的數據放入擴充內存，然后采用中斷的方式從擴充內存取數，并與反饋系統檢測的誤差數據合并處理，再用得到的結果(各軸的位置坐標增量數據)去控制智能運動控制器的工作狀態，然后由智能運動控制器完成精插補，它發出序列脈沖去直接控制各個伺服驅動器。放入擴充內存的數據類型定義如下：
struct emms
{char complete：
char dirr[5>：
char stepp[5>：
}：
　　其中complete 是定義粗插補數據是否完成的標志，dirr[5>定義五軸的運動方向：0x00為不動，0x01為正轉，0x10為反轉：stepp[5>定義五軸的運動步數。中斷程序從擴充內存讀入這些數據后，再與反饋系統檢測的誤差數據合并處理，并用得到的結果去控制智能運動控制器控制芯片的工作狀態，就可完成精插補，實現在相同時間內各軸沿相應方向運動一定的步數。圖3 是系統閉環控制程序框圖。

圖3 閉環控制程序框圖

　　這里采用的閉環控制方法是在精插補前根據誤差補償數據自動與粗插補數據合并而實現的。例如取得粗插補數據后(各軸應運動的步數及方向)，在發給智能運動控制器之前，會根據系統反饋的誤差數據重新配置，假設粗插補數據0軸是：dirr[0>=0x01，stepp[0>=0x01，而系統反饋情況是上一次反轉運行有一步未運行，則精插補數據變為dirr[0>=0x00，stepp[0>=0x00，此次0軸電機不運行：如反饋情況是上一次正轉有一步未運行，則精插補數據變為dirr[0>=0x01，step-p[0>=0x02，此次0軸電機正轉運行- 步。經過這樣的處理后，位控系統及時地將運行誤差在緊鄰的一個粗插補數據進行補償，避免了影響后面的插補運行，提高了反饋補償的響應速度和精度。而傳統的間接控制方法是將誤差補償數據編入插補算法中，這樣補償被人為地滯后，而且如果補償不到位，將影響后面的插補數據精度，其精度和響應速度都降低了。
3 實驗
　實驗是在我們教研室自制的五軸聯動數控機構上進行的。實驗所用的閉環檢測元件是普通金屬長光柵尺，其檢測分辨率為0.004mm。數控系統采用PⅡ233 研華工控機為控制主機，運動控制器采用兩塊國產智能運動控制器，驅動電機為國產步進電機。實驗中，我們測試了兩軸、三軸、四軸、五軸的聯動運行，運動速度為1500mm/min。實驗結果，數據誤差為0.02mm。實驗結果比較令人滿意。
4 結論
　實驗結果證明，本系統的硬件、軟件設計比較令人滿意，其開放性令人滿意，能夠滿足不同用戶的需要，實現對多軸聯動的開環或閉環實時控制。