数控机械及其控制系统
数控技术
数控机械及其控制系统
郇 极, 尹旭峰, 刘玉常
(北京航空航天大学, 北京 100083)
[收稿日期] 1999205218
[基金项目] 国家 8632C IM S 车间自动化资助项目
[ 作者简介] 郇极(1953—) , 男, 辽宁沈阳市人, 北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授, 博士, 主要从事机床和机电一体化设备控
制技术教学和研究工作。
[摘要] 本文介绍了用数字控制和伺服技术替代传统机械传动机构的典型应用示例, 并提出将这类机械归纳为数控机械或数字化机械;
提出以开放式数控系统作为数控机械的通用控制平台。
[关键词] 数控 数控机械 数字伺服 SERCO S
[中图分类号] TP 33417 [文献标识码] A [文章编号]100920134 (1999) 0620030204
[ Abstract] This paper describes som e app lications, in w hich typ ical and traditional m echanism s have been rep laced by num erical con2
troller and digital servo drive, defines them as num erical controlled or digitalized m achinery and introduces the open system universal controller
for them.
[Key words] CNC NC2M achinery D igital drive SERCO S
0 概述
大部分传统的自动化机械设备采用齿轮, 凸轮,
曲柄2连杆机构作为传动和控制元件, 已经有着上百
年或更长的历史。近十几年, 数字控制和伺服技术取
得了巨大的进步, 数控机床已经普及。数控技术开始
用于其他各种自动化机械设备, 例如: 印刷机械, 纺
织机械, 包装机械, 造纸机械等。取代传统的纯机械
传动装置, 克服了原来纯机械传动装置的一些固有
的缺点, 例如: 调整不方便, 易磨损, 精度低, 运行速
度低等, 并获得极大成功。可以预见, 目前的应用还
只是数控技术在此领域的开始, 与我们已经熟悉的
数控机床相比, 它的未来应用会更广泛, 规模会更
大, 技术会更多样化。
目前这类机械的控制系统通常是由机械制造商
利用 PLC 或通用工控计算机自行开发的。由于一般
只供自己使用, 软硬件开发费用高, 开发周期长, 质
量不易保证。为了改变这种状况, 本论文将这类新型
机械定义为数控机械或数字化机械, 并在二项国家
863 计划课题“开放式数控系统应用研究”和“数字
伺服通讯协议 SERCO S 研究”基础上开发出专门针
对这类的开放式数控系统。
1 数字控制和伺服技术
数控机械的核心技术是位置控制和同步控制,
图 1a 和图 1b 描述了这二种控制系统的基本工作原
理。图 1a 中的系统通常也被称为电子齿轮, 它能够
精确按照传动比关系产生伺服电机轴的转角 C 1a
和 C 2a。数字伺服装置接受控制器发出的位置指令
C 1 (t) 和C2 (t) , 控制伺服电机产生运动C 1a 和C2a。
C 1 (t) 和 C 2 (t) 由数控系统的函数发生器按如下控
制规律产生:
dC 1 = X1 × T (1)
dC 2 = X1 × I × T
X1 为 C 1 的角速度, I 为传动比, T 为函数发生器的
控制周期, 由数控系统的计算机中断产生; dC1 和
dC2 为每个控制周期 C 1 和C2 轴的位置增量值。函
数发生器在每个控制周期完成如下计算:
C 1 (nT ) = C1[ (n - 1) T ] + dC1 (2)
C 2 (nT ) = C2[ (n - 1) T ] + dC2
n = 1, 2, 3?
t = nT
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这种控制原理也可以扩大到更多轴的控制。
图 1b 的系统被称为数字同步跟随控制系统,
C 1a 轴的位置跟随外部位置指令 C 2 (t)。C 2 (t) 通常
由位置检测元件从另一运动部件上获取, 并以脉冲
方式进入数控系统。控制关系为:
C1 (nT ) = f [C2 (nT ) ] (3)
f (x ) 为要求的控制函数。
2 传统机械传动装置的数字控制
211 电子齿轮
图 2a 的示例要求轴 C1 与 C 2 按给定传动比和
相位角关系运动, 传统齿轮传动机构具有如下缺点:
·当二轴相距较远或不平行时需要附加传动机
构, 刚度和精度变差,
·运行速度低, 易产生振动, 易磨损,
·传动比和相位角调整不方便。
图 1a 中的电子齿轮可以取代这种纯机械传动
机构, C 1 与C 2 轴分别由伺服电机控制。电子齿轮的
控制精度通常可达 1?10000～ 1?50000 转, 转速可达
5000～ 20000r?m in, 传动比和相位角可以随时由程
序调整, 传动距离可达上百米或更远。国外目前已经
在印刷机械, 纺织机械, 烟草机械, 包装机械上广泛
采用这种电子齿轮传动。
图 1(a) 电子齿轮控制
图 1(b) 数字同步跟随控制
212 电子凸轮
传统纯机械凸轮工作原理如图 2b, 凸轮转角 C
与触销位置 X 运动关系由凸轮外型轮廓曲线确定,
它也有与前面齿轮传动机构类似的缺点。图 1a 和图
1b 中的系统均可用来构成电子凸轮。用图 1a 方法
时, X 轴由 C 1 轴驱动, C 轴由 C 2 轴驱动; 用图 1b
方法时, X 轴由 C 1 轴驱动, C 轴由外部其他装置驱
动, 其运动位置 C2 由检测装置获得。在数控系统
内, 根据凸轮函数关系 X = f (C ) 保存列表数据:
X (0) C (0)
X (1) C (1)
??
X (N ) C (N )
在每个控制周期, 函数发生器根据这个数据表,
计算 C 1 (nT ) 和 C 2 (nT ) , 或者根据检测到的 C2
(nT ) 算出C 1 (nT ) , 控制电机产生所要求的运动。与
机械凸轮相比, 电子凸轮更灵活, 精度高, 无磨损, 控
制距离远。
图 2(a) 机械传动机构
图 2(b) 凸轮传动
213 数控飞剪
飞剪通常用于金属、塑料、纸张等带材的切断。
传统的飞剪依靠凸轮和曲柄2连杆机构完成剪切动
作。现代的飞剪开始应用数字控制, 如图 3。其中送
料辊恒速转动推动带材; 检测辊上装有光电编码器,
可以提供带材的长度 X 信息, 并作为图 1b 中数字
同步控制系统中的外部位置指令信号C 2= X 。上下
剪切辊上装有切刀, 由一台伺服电机通过一对齿轮
分别驱动。工作过程如下: 从剪切点 J 开始, 数控系
统工作在位置控制状态, 切刀以 C 1= K X 的关系到
达同步点 S , 并达到与 X 运动的同步线速度; 在 S
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图 4 CH 22010?OW IN 开放式数控系统
和 J 点之间, 切刀与带材保持同步运动, 在剪
切点J 将确定长度的带材切断。通过系数 K 的
大小可以控制被切带材的长短。与传统纯机械
飞剪相比, 数控飞剪定尺精度高, 定尺范围大,
工作速度快, 优越性十分明显。
图 3 数控飞剪
3 用于数控机械的开放式数控系
统
根据本文的定义, 数控机床应该是属于数控机
械的一个类型或品种。因此, 数控机械与数控机床的
数控系统应该是十分类似的, 但是其控制功能更加
多样化, 许多功能必须由机械制造商自己开发。为了
促进数控机械的发展, 应该在现有的开放式数控机
床数控系统基础上, 开发出能适合各种数控机械的
开放式数控系统。它应该满足如下主要要求:
·在一个通用硬件平台上, 能够开发出多种机
械设备的控制系统,
·所控制的电机轴数可在大范围变化和选择,
例如: 1～ 50 个轴,
·能够实现远距离控制, 例如: 大于 100m ,
·支持用户(数控机械制造商) 追加和开发自己
的专有功能, 以及操作界面。
北京航空航天大学在二项国家 863 计划课题
“开放式数控系统应用研究”和“数字伺服通讯协议
SERCO S 研究”研究基础上开发出专门针对数控机
械的开放式数控系统。CH 22010?OW IN。系统组成
如图 4。
CH 22010?OW IN 硬件采用 80486266 以上的工
控 PC 计算机母板, 利用 SERCO S 通讯卡控制数字
伺服单元, 每个单元可以控制 1～ 8 个电机和 40～
80 个 IO 接口。一个 SERCO S 通讯卡可以控制 1～ 6
个数字伺服单元, 一个 PC 计算机母板最多可以控
制 4 个 SERCO S 通讯卡。这种控制结构的主要特点
是数控硬件平台独立于伺服单元, 简化了硬件平台
和系统连接, 便于标准化和系统配置, 具有极强的硬
件控制能力和灵活性, 可以满足各种数控机械的要
求。
SERCO S ( Serial R eal T im e Comm unication
Specification) 来源于机床数控技术, 1990 年由欧洲
主要 CN C 和伺服系统制造商所提出, 其目的是制
定一个 CN C 系统与数字伺服系统之间的统一数据
交换接口, 提供产品的互换可能性。目前该协议已经
被国际主要 CN C 和伺服系统制造商所接受, 1995
年成为 IEC1491 国际标准, 并且越来越多地被用于
数控机械。
SERCO S 接口由一个主站 (M aster, 控制机) 和
若干个从站 (Slave, 伺服, PLC2IO ) 组成, 各站之间
采用光缆联接, 构成环形网。 站间的最大距离为
40m , 最大从站数为 254, 通讯速度为 215M bit?S, 通
讯周期为 0106m s～ 64m s 可选择。主站与从站之间
可以传送如下信息:
·位置, 速度和扭矩指令值
·位置, 速度和扭矩实际值
·伺服和电机参数
·伺服状态和报警
·控制方式命令
·PLC2IO 开关量信号
CH 22010?OW IN 所用的电机为交流异步伺服
(下转第 35 页)
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2 系统的特点
(1) 测控精度高 用光栅测量仪代替传统的电
感测量仪, 大大降低了环境温湿度对测量精度的影
响, 因而提高了测控精度。
(2) 实现了快速趋进 快速趋进是指为了降低
磨削周期而在空程上加快无负载进刀的运动速度,
是提高效率的重要手段。传统的数控系统不能准确
测出砂轮与工件接触时刻, 因此只能以较低的粗磨
速度消除空程, 这样在空程上浪费了大量的时间, 因
而加工效率低。我们利用测量系统和控制系统的单
片机的串行通讯功能, 将测量出的磨削余量传送给
控制系统, 控制系统利用已知量可准确求出空程量,
并且求出步进电机所需走的步数, 然后控制步进电
机高速运转, 快速的消除了空程, 即可靠的实现了快
速趋进, 改变了过去以粗磨速度消除空程的方法, 可
提高工效 30% 左右。
(3) 功能齐全, 结构简单 整个系统以单片机为
核心, 控制部分集加工过程、双电机的控制于一体,
简化了结构, 降低了成本。同时, 该系统具备自检、补
偿、置数、掉电保护和自动报警等多种功能。
3 结束语
我们研制的轴承内圆磨床数控系统测控精度
高, 可实现快速趋进, 提高了工效, 同时操作简单, 价
格低廉。该系统既可以配套新产品, 又能改造旧设
备, 适应我国的现状, 满足了市场的需求, 具有广阔
的应用前景。
[参 考 文 献]
[ 1 ] 李作清, 陈吉红. 精密内圆磨削质量控制系统设计[J ]. 机械工
业自动化, 1995, 3.
[2 ] 黄大贵. 微机数控系统[M ]. 电子科技大学出版社, 1996.
[3 ] 余永权, 李小清. 单片机应用系统的功率接口技术[M ]. 北京航
天航空出版社, 1991, 6.
[ 4 ] 李华. M CS251 系列单片机实用接口技术[M ]. 北京航天航空
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[ 5 ] H iroyuki K, H ideki O. Control System of Grinding M achine
[P ]. Patent num ber: 5133 158, 1992207228
[6 ] 常丽. 轴承内圆磨床数控系统[D ]. 沈阳工业大学硕士论文,
1998.
(上接第 32 页)
电机, 由 Y 系列交流异步电机改装而成; 功率为 015
～ 50kW , 制造容易, 价格低, 广泛适用于各种数控机
械。
系统软件在W INDOW S3. x 或W INDOW S 9x
操作系统下运行。提供完备的软件接口技术, 支持用
户用VB 和C 语言自行开发和追加系统功能以及操
作界面。可以直接在系统上运行来自其它软件开发
商的 DO S,W IN 3. x 和W IN 9x 应用程序和开发工
具, 例如: 多媒体, 数据库和 Internet。
软件基本模块包括: 系统安装和故障诊断, 数据
管理, 基本操作界面, SERCO S 通讯协议高层接口,
以及数控机械常用控制功能框架:
·速度控制
·位置控制
·扭矩?张力控制
·电子齿轮
·电子凸轮
·飞剪
4 发展前景
数控机械用数字控制和伺服技术替代传统的机
械传动机构, 促进了传统机械设备的技术进步; 简化
了设备的机械结构, 提高了设备的精度, 灵活性, 寿
命和效率。是当前机械设计和制造技术的一个重要
发展方向。研究各种数控机械的基本控制规律和控
制要求, 以开放式数控系统作为数控机械的通用控
制平台, 将会促进这一技术在我国的发展和广泛应
用。
[参 考 文 献]
[ 1 ] 郇极. CNC 系统数字伺服通讯协议 SERCO S[J ]. 机械工业自
动化, 1997, (2).
[2 ] 郇极, 刘玉常. CH22010?MONC 开放式数控系统[J ]. 世界制造
技术与市场, 1998, (2).
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