基于PMAC與LabVIEW的多軸聯動電解加工機床控制系統開發*

孫倫業 王 暉 張星光 王 龍 周慶宏

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南232001)

電解加工是基于金屬在電解液中發生陽極溶解的原理達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，電解加工技術憑借加工速度快、工具無損耗、不產生切削殘余應力，以及不受材料力學性能影響等突出優點，廣泛地應用于航空、航天制造領域[1-2]。近年來，隨著鈦合金、鎳基高溫合金等難切削材料的采用，超薄型面、復雜型腔、異形結構零件的出現，以及越來越苛刻的加工精度要求，電解加工的技術優勢得到了充分的體現，同時也對電解加工機床設備提出了更高的技術要求[3-4]。

控制系統是電解加工機床設備的核心，其性能的優劣直接影響電解加工的精度和穩定性。加工過程中，控制系統對輸入的加工指令進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和加工指令驅動機床運動部件以設定的加工參數沿規定的路徑進給運動。高精度的電解機工機床需要具備良好的低速運動穩定性，特別是進行小間隙加工時，進給速度不穩定會在工件側壁形成環形波紋或溝印，降低加工精度和質量，嚴重時甚至會引起火花短路事故[5-6]。

本文針對自行研制的多軸聯動電解加工機床，從提高低速進給的運動精度和穩定性出發，以PC機和PMAC多軸運動控制卡作為系統硬件，基于LabVIEW軟件平臺，開發了開放式的機床控制系統，利用PC機良好的兼容性和擴展性處理要求不高的非實時任務，控制卡作為下位機與PC機通過以太網進行通訊，處理實時性要求較高的任務進程，實現了對伺服電動機和的回轉馬達的精確控制，確保了運動控制過程的高效與穩定。開放式數控系統的組成結構如圖1所示。

1 電解加工機床工作原理

圖2為該復合進給電解加工機床運動進給機構三維模型，由Z軸直線運動機構和C軸回轉運動機構組成，控制系統對兩軸的速度和位置進行實時控制，實現直線進給與回轉運動的復合聯動。加工過程中，Z軸作低速進給運動，C軸作低速回轉運動，其中Z軸最低運動速度為0.1 mm/min，絕對定位精度±5 μm，C軸最低回轉速度為0.83°/min，這要求控制系統必須具備優異的低速性能和較高的控制精度。

2 控制系統硬件結構設計

開放式運動控制系統在結構上采用了“PC+運動控制卡”的構成形式，作為上位機平臺的PC機具有良好的開放性和交互性，可以根據工作特點設計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，由上位機、控制卡、驅動器、伺服電動機、執行機構和反饋裝置組成，控制系統硬件結構原理如圖3所示。C軸采用了Parker公司的高精度直驅回轉電動機，工具陰極通過主軸直接與電動機法蘭相連，沒有中間傳動機構的累計運動誤差，因此其反饋裝置采用了電動機自帶的20bit旋轉編碼器；而Z軸采用了絲桿、導軌等將電動機的轉動轉化為直線運動，所以在其末端執行機構上加裝了GIVI公司分辨率為0.1 μm的直線光柵尺作為伺服系統的反饋裝置。

多軸運動控制卡作為開放式數控系統的核心部件，其功能配置和性能特點直接影響系統最終的控制精度。系統控制卡選用了美國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個伺服通道和32個通用數字I/O口，可同時處理32個軸的運動控制計算，并支持擴展配置[7]。所研制的電解加工機床系統如圖4所示，控制系統硬件結構如圖5所示。

3 系統功能界面設計

人機交互界面設計是系統設計的關鍵，PMAC運動控制卡的功能實現需要通過內部代碼及參數賦值來實現，缺乏易用性，而LabVIEW提供了強大的外部程序接口，可以通過ActiveX自動化技術調用控制卡提供的服務器程序PmacServer實現與上位機的通訊，并在LabVIEW中利用圖形化的編程語言實現兩軸聯動控制[8-9]。所開發的控制系統人機交互界面如圖6所示，界面由運動狀態顯示、對刀間隙設置、自動運動控制、聯動控制4個功能模塊組成。其中，聯動控制模塊用于實現兩軸的聯動，通過在加工前設置Z軸的進給距離、速度和擬合曲線參數來實現聯動。

4 控制系統調試

基于PMAC的開放式數控系統是全數字閉環伺服系統，具有較高的控制精度和響應速度。閉環伺服系統由速度環和位置環構成，需要根據系統軟硬件的特點，對閉環運動系統的PID參數進行相應的調整，以獲得優異的穩態和動態特性。除了可以對運動控制的反饋過程進行控制外，PMAC運動控制卡還提供了運動前饋控制，可以有效減小運動跟隨誤差，提高位置控制精度。

4.1 基于PMAC的PID控制原理

PMAC運動控制器采用了“PID+速度/加速度前饋+NOTCH濾波”的運動控制算法。速度前饋可以減小由于微分增益過大而引起的軌跡誤差，NOTCH濾波算法用于減小系統存在的靜摩擦誤差、卷曲和回程誤差等問題引起的機械諧振，可提高控制系統的穩定性[10-11]。圖7為PMAC位置控制原理框圖。各主要參數的作用如下：比例增益Kp(IX30)提供系統所需的剛度，數值的大小和系統剛性成正比，太大會使系統產生振蕩，過小則會產生延遲；微分增益Kd(IX31)用于提供足夠的阻尼來保證系統穩定運行；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)用于減小系統的穩態誤差；加速度前饋Kaff(IX35)用于減小系統慣性所帶來的誤差。

4.2 穩態響應調節

工程中通常采用湊值法來整定PID參數，即先調整比例，再調積分，最后調微分，但調節過程中還需根據系統穩態響應曲線的特點，結合各參數的作用進行適當增減，才能獲得理想的系統穩態響應特性。圖8所示為3種典型的階躍響應曲線，圖8a為超調與振蕩曲線，應降低比例增益或增加積分增益；圖8b為響應滯后曲線，通常是由于系統阻尼過大或剛度過小，參數調節方法和圖8a相反；圖8c為位置偏置曲線，可通過增加積分增益參數來減小位置誤差。圖9為系統測試獲得的最終穩態響應曲線，可以看出，伺服電動機經過0.12 s即達到了穩態，并且最大超調量僅為0.6%，表明系統響應迅速，運行穩定可靠。

4.3 動態特性調節

通過上述對控制系統比例、微分和積分參數的調節，有效地提高控制系統的響應速度、減小了穩態誤差，但是系統的跟隨誤差達到了500 Cts(1 Cts=10-1μm)，還需對速度與加速度前饋參數進一步整定來提高系統的動態響應特性。調節步驟與穩態響應調節類似，通過對動態特性曲線不斷的觀察和整定，最終獲得了理想的動態特性輸出曲線，如圖10所示。

可以看出，調節后系統僅在1號、2號和3號位置的3個加速度突變點后產生了較大的跟隨誤差值，但最大值僅為25 Cts，出現在1號位置所示的加速度突變點后，其他位置(圖中虛線之間的區域)跟隨誤差均小于14 Cts，較調節前整體大幅減小，表明控制系統動態特性得到了顯著提升。

5 結語

文中針對自行研制的多軸聯動電解加工機床，以PC機和PMAC多軸運動控制卡作為主要硬件，基于LabVIEW軟件平臺，通過ActiveX自動化技術實現上位機和下位機的通信，構建了開放式的多軸聯動電解加工數控系統，并設計了人機交互操作界面，實現了對進給機構運動速度、位置等加工參數的實時控制和監測。通過對控制系統穩態響應和動態特性的進一步調試，結果表明，進給機構響應迅速，跟隨誤差顯著減小，證明控制系統穩定可靠，能夠滿足高精度和高質量的電解加工要求。