1 引言

　　在機(jī)床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)雙軸(或多軸)同步傳動(dòng)，如龍門(mén)框架移動(dòng)式機(jī)床的龍門(mén)框架移動(dòng)控制等。采用一臺(tái)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)鏈將運(yùn)動(dòng)分配到同步運(yùn)動(dòng)軸的方案，雖可實(shí)現(xiàn)同步騾動(dòng).但存在傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、間隙誤差大且無(wú)法補(bǔ)償?shù)乳g題.本文在開(kāi)發(fā)數(shù)控玻璃雕刻加工中心時(shí)。選用法國(guó)NUM公司的NUM1040M數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)兩臺(tái)交流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)龍門(mén)框架的兩個(gè)軸，通過(guò)參數(shù)的設(shè)置及實(shí)驗(yàn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了大跨度5m龍門(mén)結(jié)構(gòu)雙軸位移的精確同步控制:

2 采用雙交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙軸位置同步控制的結(jié)構(gòu)

　　交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有體積小重量輕、動(dòng)作反應(yīng)快、過(guò)載能力大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，能提供高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和扭矩，在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域已得到非常廣泛的應(yīng)用。

　　其基本工作原理是:將兩個(gè)同方向運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給軸，一個(gè)設(shè)定為主動(dòng)軸，另一個(gè)設(shè)定為從動(dòng)軸。由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)伺服電機(jī)、一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成主動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路，同時(shí)由另一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，另一個(gè)伺服電機(jī)、另一個(gè)位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動(dòng)軸伺服運(yùn)動(dòng)控制回路。CNC的位置控制單元同時(shí)向主動(dòng)軸及從動(dòng)軸的伺服控制回路發(fā)出位置飼服運(yùn)動(dòng)指令。兩個(gè)位置反饋裝置的反饋信號(hào)除了送回各自的伺服驅(qū)動(dòng)器比較環(huán)外，還送人CNC內(nèi)部的一個(gè)數(shù)字比較器進(jìn)行差值比較，該差值送人從動(dòng)軸伺服控制回路的輸入端，與CNC位置控制單元發(fā)來(lái)的位置伺服指令進(jìn)行比較。兩個(gè)位置反饋裝置的反饋信號(hào)差俏就是主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的同步誤差，差值為零時(shí)，表明兩個(gè)軸的位置完全同步。

3 用NUM數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙軸同步控制

　　本項(xiàng)目研發(fā)的數(shù)控玻璃雕刻加工中心采用了龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，具有 C、X、Y1、Y2 ,Z五個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)軸，該加工中心的磨頭座沿橫梁導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向設(shè)定為X軸，兩橫梁座沿機(jī)床床身導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向分別為Y,軸和f'}軸，磨頭沿磨頭座垂直運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸，C軸為磨頭的旋轉(zhuǎn)軸，系統(tǒng)具有5軸4聯(lián)動(dòng)功能;其中Y1、Y2軸為同步運(yùn)動(dòng)軸，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)交流何服電機(jī)同步帶動(dòng)龍門(mén)框架運(yùn)動(dòng)，行程為2m,Y1、Y2兩軸的跨度5m，

　該設(shè)備中選用法國(guó)NUM公司的MDLA2型伺服驅(qū)動(dòng)器、BMH型交流何服電機(jī)、NUM1040數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開(kāi)放性特征，對(duì)尸參數(shù)的設(shè)置是其開(kāi)放性的特征之一，NUM1040系統(tǒng)中共115個(gè)P參數(shù)，通過(guò)修改P參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的配置。用戶可在NUM專(zhuān)用軟件的環(huán)境下，方便、快捷的通過(guò)尸參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置與調(diào)整，亦可不借助任何軟件及工具，在線修改P參數(shù)。NUN系統(tǒng)中，多軸同步控制的功能也是通過(guò)設(shè)定尸參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

　連接好伺服軸控制電路后，通過(guò)只可定義系統(tǒng)中伺服控制軸的地址，本系統(tǒng)中設(shè)定了C、X、Y1、Y2、Z軸的地址分別為0, 1, 2, 3, 4。

　　P24參數(shù)由65個(gè)無(wú)符號(hào)十進(jìn)制數(shù)組成(字N0~N64)，其中字N0~N31分別指定0~31號(hào)軸地址的同步閥值1，該值表示同步控制中的最大允許誤差(以內(nèi)部測(cè)量單位表示)，缺省值為160。當(dāng)超過(guò)同步閥值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出超差信息，但繼續(xù)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。字心一編指定0~31號(hào)軸的校正系數(shù)(以1/1001)為單位)，其缺省值為250。無(wú)誤差信號(hào)進(jìn)人從動(dòng)軸伺服比較環(huán)時(shí)，即表示同步過(guò)程已經(jīng)完成。N64為同步閥值2，用于設(shè)定所有軸共同的最大同步誤差(用內(nèi)部測(cè)量單位表示)。同步過(guò)程誤差超過(guò)所設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并停止伺服運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)。

　　在同步控制中，參數(shù)N64的設(shè)置會(huì)影響雙軸同步控制的性能。若選用較大的閥值，會(huì)導(dǎo)致機(jī)床同步控制精度降低;若閥值選用過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)床在允許加工精度范圍內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)因超出同步誤差閥值而報(bào)警停車(chē)的現(xiàn)象，從而影響機(jī)床正常運(yùn)行。該值須通過(guò)實(shí)際調(diào)試確定，在允許的加工精度前提下，N64同步闌值應(yīng)盡可能取較大的值。

　　P27參數(shù)用于將一個(gè)從動(dòng)軸分配到所設(shè)定的主驅(qū)動(dòng)軸，這種分配有三種不同的類(lèi)型:第一，簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)，將主驅(qū)動(dòng)軸的對(duì)應(yīng)控制量復(fù)制到從動(dòng)軸上;第二，對(duì)稱關(guān)聯(lián)，將主驅(qū)動(dòng)軸的對(duì)應(yīng)控制量求反后復(fù)制到從動(dòng)軸上;第三，同步關(guān)聯(lián)，其運(yùn)算式為主驅(qū)動(dòng)軸的對(duì)應(yīng)控制量準(zhǔn)+校正值二從動(dòng)軸的對(duì)應(yīng)控制量。所研制的系統(tǒng)中采用簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)類(lèi)型，即將Y,主驅(qū)動(dòng)軸的對(duì)應(yīng)控制量復(fù)制到Y(jié)x從動(dòng)軸上。

　　P28參數(shù)用于使主驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸的同步功能有效，它是一個(gè)32位的十六進(jìn)制數(shù)。

4 雙軸同步運(yùn)動(dòng)控制特性的調(diào)試

　　初步設(shè)定好Y1 , Y2軸的同步功能的P參數(shù)后，可進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)速度環(huán)的控制要求滿足時(shí)，還不能實(shí)現(xiàn)高速率下兩軸的動(dòng)態(tài)精密同步進(jìn)給控制，需要對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)(速度環(huán))及外環(huán)(位置環(huán))參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)整，以獲得好的控制性能。以下為實(shí)際中采用的調(diào)試步驟及參數(shù)選擇的過(guò)程:

　　(1)初步確定伺服運(yùn)動(dòng)工作正常

　　松開(kāi)伺服電機(jī)與負(fù)載軸之間的連接，接通電源，用NUM公司調(diào)試伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的DPM軟件調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)器的速度環(huán)控制參數(shù)。如伺服驅(qū)動(dòng)器的增益、速度升降時(shí)間常數(shù)、PID參數(shù)等，確定伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的工作基本正常。

　　(2)速度環(huán)及電流環(huán)參數(shù)優(yōu)化

　　在伺服驅(qū)動(dòng)器輸人端加上約10%的速度指令值，如果電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性感覺(jué)很“硬”，則用示波器觀察到的轉(zhuǎn)矩電流及速度響應(yīng)曲線會(huì)如圖3a所示，其超調(diào)量較大、調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)器中的控制參數(shù)(加大P.052/053的數(shù)值)可改善動(dòng)態(tài)特性，反之，如果電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性感覺(jué)很軟，示波器觀察到。此時(shí)需減少速度環(huán)的增益(減少P.054/055的數(shù)值)。

　　(3)調(diào)整雙軸同步誤差參數(shù)

　　同步闌值2取默認(rèn)值，將同步闌值1逐步減少，直至滿足同步運(yùn)動(dòng)的特性及工作臺(tái)所需的精度。該系統(tǒng)設(shè)定的內(nèi)部測(cè)量單位為0.001 mm，龍門(mén)式結(jié)構(gòu)Y1、Y2軸的尺寸誤差不大于0.05 (mm )，即同步時(shí)的最大允許誤差為50*0.001=0.05mm。實(shí)際調(diào)試時(shí)，Y1及Y2同步軸的同步誤差閥值1從默認(rèn)值的160逐漸減少至50(即凡中，Nz=N3=50)。

5 結(jié)論

　　NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)放特性，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，同步控制精度高、調(diào)整方便。采用尸參數(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)結(jié)合調(diào)整的方式可滿意的實(shí)現(xiàn)雙軸(多軸)伺服運(yùn)動(dòng)控制。經(jīng)過(guò)調(diào)試NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)已成功的應(yīng)用在所開(kāi)發(fā)的數(shù)控玻璃雕刻加工中心上，伺服運(yùn)動(dòng)精度控制、同步軸特性等相關(guān)性能參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期指標(biāo)。