基于PMAC與LabVIEW的多軸聯(lián)動(dòng)電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

孫倫業(yè) 王 暉 張星光 王 龍 周慶宏

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001)

電解加工是基于金屬在電解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解的原理達(dá)到材料去除的一種工藝方法。作為特種加工的主要方法之一，電解加工技術(shù)憑借加工速度快、工具無(wú)損耗、不產(chǎn)生切削殘余應(yīng)力，以及不受材料力學(xué)性能影響等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空、航天制造領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，隨著鈦合金、鎳基高溫合金等難切削材料的采用，超薄型面、復(fù)雜型腔、異形結(jié)構(gòu)零件的出現(xiàn)，以及越來(lái)越苛刻的加工精度要求，電解加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到了充分的體現(xiàn)，同時(shí)也對(duì)電解加工機(jī)床設(shè)備提出了更高的技術(shù)要求[3-4]。

控制系統(tǒng)是電解加工機(jī)床設(shè)備的核心，其性能的優(yōu)劣直接影響電解加工的精度和穩(wěn)定性。加工過(guò)程中，控制系統(tǒng)對(duì)輸入的加工指令進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和加工指令驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件以設(shè)定的加工參數(shù)沿規(guī)定的路徑進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。高精度的電解機(jī)工機(jī)床需要具備良好的低速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，特別是進(jìn)行小間隙加工時(shí)，進(jìn)給速度不穩(wěn)定會(huì)在工件側(cè)壁形成環(huán)形波紋或溝印，降低加工精度和質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸹鸹ǘ搪肥鹿蔥5-6]。

本文針對(duì)自行研制的多軸聯(lián)動(dòng)電解加工機(jī)床，從提高低速進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性出發(fā)，以PC機(jī)和PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為系統(tǒng)硬件，基于LabVIEW軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式的機(jī)床控制系統(tǒng)，利用PC機(jī)良好的兼容性和擴(kuò)展性處理要求不高的非實(shí)時(shí)任務(wù)，控制卡作為下位機(jī)與PC機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，處理實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)和的回轉(zhuǎn)馬達(dá)的精確控制，確保了運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程的高效與穩(wěn)定。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 電解加工機(jī)床工作原理

圖2為該復(fù)合進(jìn)給電解加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)三維模型，由Z軸直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和C軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，控制系統(tǒng)對(duì)兩軸的速度和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)直線進(jìn)給與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合聯(lián)動(dòng)。加工過(guò)程中，Z軸作低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，C軸作低速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中Z軸最低運(yùn)動(dòng)速度為0.1 mm/min，絕對(duì)定位精度±5 μm，C軸最低回轉(zhuǎn)速度為0.83°/min，這要求控制系統(tǒng)必須具備優(yōu)異的低速性能和較高的控制精度。

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用了“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的構(gòu)成形式，作為上位機(jī)平臺(tái)的PC機(jī)具有良好的開(kāi)放性和交互性，可以根據(jù)工作特點(diǎn)設(shè)計(jì)出符合用戶需求的交互程序。Z軸和C軸均采用基于PMAC的伺服控制技術(shù)，由上位機(jī)、控制卡、驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋裝置組成，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。C軸采用了Parker公司的高精度直驅(qū)回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，工具陰極通過(guò)主軸直接與電動(dòng)機(jī)法蘭相連，沒(méi)有中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的累計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差，因此其反饋裝置采用了電動(dòng)機(jī)自帶的20bit旋轉(zhuǎn)編碼器；而Z軸采用了絲桿、導(dǎo)軌等將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，所以在其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上加裝了GIVI公司分辨率為0.1 μm的直線光柵尺作為伺服系統(tǒng)的反饋裝置。

多軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，其功能配置和性能特點(diǎn)直接影響系統(tǒng)最終的控制精度。系統(tǒng)控制卡選用了美國(guó)Delta Tau公司新一代Turbo PMAC2-Eth-Lite多軸控制器控制卡，CPU采用Motorola公司主頻為80 MHz的DSP56303，配有4個(gè)伺服通道和32個(gè)通用數(shù)字I/O口，可同時(shí)處理32個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算，并支持?jǐn)U展配置[7]。所研制的電解加工機(jī)床系統(tǒng)如圖4所示，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 系統(tǒng)功能界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的功能實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)內(nèi)部代碼及參數(shù)賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)，缺乏易用性，而LabVIEW提供了強(qiáng)大的外部程序接口，可以通過(guò)ActiveX自動(dòng)化技術(shù)調(diào)用控制卡提供的服務(wù)器程序PmacServer實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，并在LabVIEW中利用圖形化的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)控制[8-9]。所開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖6所示，界面由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、對(duì)刀間隙設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、聯(lián)動(dòng)控制4個(gè)功能模塊組成。其中，聯(lián)動(dòng)控制模塊用于實(shí)現(xiàn)兩軸的聯(lián)動(dòng)，通過(guò)在加工前設(shè)置Z軸的進(jìn)給距離、速度和擬合曲線參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

4 控制系統(tǒng)調(diào)試

基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是全數(shù)字閉環(huán)伺服系統(tǒng)，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度。閉環(huán)伺服系統(tǒng)由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成，需要根據(jù)系統(tǒng)軟硬件的特點(diǎn)，對(duì)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以獲得優(yōu)異的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。除了可以對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的反饋過(guò)程進(jìn)行控制外，PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡還提供了運(yùn)動(dòng)前饋控制，可以有效減小運(yùn)動(dòng)跟隨誤差，提高位置控制精度。

4.1 基于PMAC的PID控制原理

PMAC運(yùn)動(dòng)控制器采用了“PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波”的運(yùn)動(dòng)控制算法。速度前饋可以減小由于微分增益過(guò)大而引起的軌跡誤差，NOTCH濾波算法用于減小系統(tǒng)存在的靜摩擦誤差、卷曲和回程誤差等問(wèn)題引起的機(jī)械諧振，可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10-11]。圖7為PMAC位置控制原理框圖。各主要參數(shù)的作用如下：比例增益Kp(IX30)提供系統(tǒng)所需的剛度，數(shù)值的大小和系統(tǒng)剛性成正比，太大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，過(guò)小則會(huì)產(chǎn)生延遲；微分增益Kd(IX31)用于提供足夠的阻尼來(lái)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；速度前饋Kvff(IX32)可減小由于微分增益所引起的跟隨誤差；積分增益Ki(IX33)用于減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；加速度前饋Kaff(IX35)用于減小系統(tǒng)慣性所帶來(lái)的誤差。

4.2 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)

工程中通常采用湊值法來(lái)整定PID參數(shù)，即先調(diào)整比例，再調(diào)積分，最后調(diào)微分，但調(diào)節(jié)過(guò)程中還需根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)曲線的特點(diǎn)，結(jié)合各參數(shù)的作用進(jìn)行適當(dāng)增減，才能獲得理想的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。圖8所示為3種典型的階躍響應(yīng)曲線，圖8a為超調(diào)與振蕩曲線，應(yīng)降低比例增益或增加積分增益；圖8b為響應(yīng)滯后曲線，通常是由于系統(tǒng)阻尼過(guò)大或剛度過(guò)小，參數(shù)調(diào)節(jié)方法和圖8a相反；圖8c為位置偏置曲線，可通過(guò)增加積分增益參數(shù)來(lái)減小位置誤差。圖9為系統(tǒng)測(cè)試獲得的最終穩(wěn)態(tài)響應(yīng)曲線，可以看出，伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)0.12 s即達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，并且最大超調(diào)量?jī)H為0.6%，表明系統(tǒng)響應(yīng)迅速，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

4.3 動(dòng)態(tài)特性調(diào)節(jié)

通過(guò)上述對(duì)控制系統(tǒng)比例、微分和積分參數(shù)的調(diào)節(jié)，有效地提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、減小了穩(wěn)態(tài)誤差，但是系統(tǒng)的跟隨誤差達(dá)到了500 Cts(1 Cts=10-1μm)，還需對(duì)速度與加速度前饋參數(shù)進(jìn)一步整定來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。調(diào)節(jié)步驟與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)類似，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)特性曲線不斷的觀察和整定，最終獲得了理想的動(dòng)態(tài)特性輸出曲線，如圖10所示。

可以看出，調(diào)節(jié)后系統(tǒng)僅在1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)位置的3個(gè)加速度突變點(diǎn)后產(chǎn)生了較大的跟隨誤差值，但最大值僅為25 Cts，出現(xiàn)在1號(hào)位置所示的加速度突變點(diǎn)后，其他位置(圖中虛線之間的區(qū)域)跟隨誤差均小于14 Cts，較調(diào)節(jié)前整體大幅減小，表明控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性得到了顯著提升。

5 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)自行研制的多軸聯(lián)動(dòng)電解加工機(jī)床，以PC機(jī)和PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡作為主要硬件，基于LabVIEW軟件平臺(tái)，通過(guò)ActiveX自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，構(gòu)建了開(kāi)放式的多軸聯(lián)動(dòng)電解加工數(shù)控系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互操作界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度、位置等加工參數(shù)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)特性的進(jìn)一步調(diào)試，結(jié)果表明，進(jìn)給機(jī)構(gòu)響應(yīng)迅速，跟隨誤差顯著減小，證明控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足高精度和高質(zhì)量的電解加工要求。