專利名稱：一種數(shù)控機床雙軸同步控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控技術(shù)，具體涉及一種數(shù)控機床雙軸同步控制裝置。
背景技術(shù)：
在雙軸驅(qū)動的大跨距龍門機床的龍門直線移動中、大型三坐標測量機 的雙柱直線移動中，以及一些雙軸驅(qū)動的臥式加工中心中，為避免運動部 件的偏斜，必須使這兩個軸的伺服驅(qū)動電機的運動保持同步。由于加工誤 差和裝配誤差原因，大型移動部件在結(jié)構(gòu)上總存在一定的不對稱性；在加 工運行中也總存在負載的不確定性和不平衡性。加上機械上的耦合性，所 以，盡管在雙邊采用了相同的傳動機構(gòu)，也難免在運行中出現(xiàn)不一致性， 而導(dǎo)致移動部件的偏斜，破壞同步精度，甚至出現(xiàn)損壞傳動部件等嚴重后 果。因此，高精度同步控制技術(shù)仍然是世界各國機械行業(yè)在大型結(jié)構(gòu)驅(qū)動 中面臨的一個重要課題。
目前，國外的一些高檔數(shù)控系統(tǒng)，如法國NUM公司的NUM 1060M數(shù)控 系統(tǒng)，德國Siemens公司840D數(shù)控系統(tǒng)，日本Fanuc 30， 32數(shù)控系統(tǒng)中 均配置了同步軸功能，而國產(chǎn)絕大部分數(shù)控系統(tǒng)均沒有同步軸功能。在國 內(nèi)，大量需要同步功能的數(shù)控機床，其數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)控控制功能的需求并 不復(fù)雜。若選用這些具有同步功能的國外高檔數(shù)控系統(tǒng)，價格昂貴，且許 多功能又屬多余，因而，提高了設(shè)備成本；而選用價格較低的普及型數(shù)控 系統(tǒng)，又缺少同步功能，不能滿足同步控制要求。即使采用國內(nèi)常用的將 CNC(數(shù)控裝置)的一個軸的輸出分兩路給兩軸驅(qū)動的"并列處理"方法；或 以CNC輸出控制一個軸，該軸反饋又控制另一個軸的"主從跟隨處理"方
法，都只是權(quán)宜之計，都無法實現(xiàn)對同步誤差的監(jiān)控，使得這類數(shù)控機床 都存在一定的安全隱患。
通常，已具備同步功能的數(shù)控系統(tǒng)對于同步的兩個軸在編程時是按照
一個軸x(可通過數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)配置為機床的任一控制軸，文中以x軸為
例來說明)來處理的，在加工中，CNC中可見的軸為主動軸XI，不可見的 軸為從動軸X2。對于總線式數(shù)控系統(tǒng)，當(dāng)實現(xiàn)同步功能的兩個軸出現(xiàn)同步 誤差時，通過總線進行補償比較容易實現(xiàn)；而對于廣泛使用"脈沖+方向" 式的普及型數(shù)控系統(tǒng)，如果在數(shù)控系統(tǒng)中實現(xiàn)同步功能，受CNC軟件開放 程度以及CNC實時處理能力等因素制約，有較大困難。因此，開發(fā)一種價 格低廉的外掛式的數(shù)控機床同步控制裝置，補充普及型數(shù)控系統(tǒng)在同步功 能上的不足，從根本上解決同步控制問題，具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)控機床雙軸同步控制裝置，該控制裝置 可以解決普及型數(shù)控系統(tǒng)不能實現(xiàn)同步控制的問題。
本發(fā)朋提供的數(shù)控機床雙軸同步控制裝置，其特征在于該裝置包括 時鐘，輸入輸出接口，雙軸位置檢測模塊，控制單元，系統(tǒng)參數(shù)表，以及 螺距補償表；
時鐘用于為控制單元和雙軸位置檢測模塊提供時鐘基準； 輸入輸出接口用于供用戶對系統(tǒng)參數(shù)表和螺距補償表內(nèi)的參數(shù)和運行 狀態(tài)進行設(shè)定和顯示；
系統(tǒng)參數(shù)表用于保存整個控制裝置進行控制所需的內(nèi)部參數(shù)信息； 螺距補償表用于存儲絲杠的螺距補償數(shù)據(jù)；
雙軸位置檢測模塊用于對兩同步軸電機編碼器進行位置及同步偏差檢 觀U，并將檢測信息提供給控制單元；
控制單元依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)表的參數(shù)設(shè)置，選擇對應(yīng)的工作模式；依據(jù)雙 軸位置檢測模塊提供的兩同步軸的位置和偏差信息，按照選定的工作模塊 所對應(yīng)的流程完成對兩同步軸的控制。
本發(fā)明實現(xiàn)了在傳統(tǒng)的數(shù)控裝置與伺服驅(qū)動器之間通過增加一個基于 微處理器的同步控制裝置，對兩個要求同步控制的軸進行位置誤差實時監(jiān) 測與補償，解決了普及型數(shù)控系統(tǒng)不能實現(xiàn)同步控制的問題。數(shù)控機床雙 軸同步控制裝置作為一個基本獨立單元處于傳統(tǒng)數(shù)控裝置與伺服驅(qū)動器 間，主要承擔(dān)數(shù)控指令轉(zhuǎn)發(fā)和補償調(diào)整任務(wù)。其關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)發(fā)與調(diào)整的實 時性，否則，由于轉(zhuǎn)發(fā)時間延遲可能增加加工零件的輪廓誤差；調(diào)整時間 過長，可能使動態(tài)下同步誤差不但不能消除甚至變得更壞。具體而言，本 發(fā)明具有以下技術(shù)特點
(1)位置編碼器信號接收和檢測用于對兩個同步軸的伺服電機編碼 器差分信號進行實時接收，并完成其四倍頻檢測、方向識別、同步偏差計 算，以備后續(xù)同步誤差補償調(diào)整使用。
(2) CNC指令信號的捕獲、補償調(diào)整與發(fā)送，也即同步控制功能 由于數(shù)控系統(tǒng)直接控制的是主動軸XI，同步控制裝置對其控制只需進行
CNC指令實時轉(zhuǎn)發(fā)。即在實現(xiàn)對CNC指令捕獲后，立即無延遲地發(fā)送給 主動軸XI的伺服控制器，其指令不必調(diào)整(其螺距誤差和反向間隙均在 CNC中實現(xiàn))。對于從動軸X2，其伺服控制器指令的給定根據(jù)當(dāng)前兩個同 步軸之間的實際同步位置偏差的大小(排除了相對螺距補償累積值影響)、 相對螺距補償值以及當(dāng)前速度情況進行帶死區(qū)與限幅能力的增減脈沖調(diào) 整。即在同步控制裝置接收到CNC指令基礎(chǔ)上，對脈沖個數(shù)進行增減調(diào)整 并轉(zhuǎn)發(fā)給X2軸的伺服控制器。
(3) 手動單軸調(diào)整為方便機床的安裝與調(diào)整，特別是在進行兩個軸 的同步手動校正處理時，需要同步控制裝置擁有對兩個同步軸進行單軸獨 立手動調(diào)整的能力。
(4)同步狀態(tài)下兩同步軸零點間矢量位置手動測量由于機床開機前 處于自由狀態(tài)下，對于采用增量式檢測裝置的數(shù)控系統(tǒng)而言，由于開機后 無法獲取兩同步軸的當(dāng)前實際位置情況，也就無法知道兩同步軸是否處于 校正后的同步狀態(tài)下。但對同步軸進行控制，又必須保證兩同步軸處于校 正后的同步狀態(tài)，故必須有一同步狀態(tài)判斷標志。在數(shù)控系統(tǒng)增量式檢測 系統(tǒng)中，可利用校正后同步狀態(tài)下兩同步軸的編碼器零點(Z信號)間矢 量位置大小作為依據(jù)。利用同步控制裝置自帶兩同步軸零點間矢量位置手 動測量功能，實現(xiàn)對已處于校正狀態(tài)下兩同步軸零點間矢量位置測量，為 后續(xù)機床同步運行起點自動建立提供參考依據(jù)。
(5)機床同步運行起點建立針對機床開機前可能已處于偏斜狀態(tài)的 情況，為防止機床長期在偏斜狀態(tài)下的運行而帶來的絲杠磨損等不利影響， 需要進行開機后的自動糾偏處理，建立機床加工運行同步控制起點，實現(xiàn) 同步控制檢測起點初始化。在同步控制起點建立前，只能執(zhí)行雙軸同步控
制裝置固有的手動控制模式；數(shù)控機床的同步控制需要在同步運行起點建
立后方可正常進行，否則報警急停機床。如果對系統(tǒng)參數(shù)表中"同步標志 位"進行人工設(shè)置，實現(xiàn)強制同步，同步控制裝置可實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的各種 操作模式控制的響應(yīng)。
(6) 螺距誤差與反向間隙補償對于位置半閉環(huán)的數(shù)控系統(tǒng)，絲杠螺 距誤差和絲杠螺母反向間隙不可避免地存在，為減小其對同步運行的影響，
從動軸X2相對主動軸XI的雙向相對螺距誤差數(shù)據(jù)(含反向間隙補償信息) 被保存在同步控制裝置的掉電保存芯片系統(tǒng)參數(shù)表中，供從軸X2指令調(diào)整 時使用，并能通過串口進行方便設(shè)置。
(7) 同步控制裝置輸入輸出接口單元通過鍵盤與顯示單元(或外接
計算機)，對控制器各參數(shù)進行設(shè)置、修改、顯示。
(8) 緊急狀態(tài)處理針對緊急任務(wù)(如同步偏差過大等)做出判斷，
并進行相應(yīng)急停處理。同時，將急停信息反饋給CNC裝置以迅速停止機床 運動，從而保護機床。


圖1為數(shù)控機床雙軸同步控制裝置與數(shù)控系統(tǒng)連結(jié)關(guān)系框圖； 圖2為數(shù)控機床雙軸同步控制裝置框圖； 圖3為編碼器信號獲取框圖4為數(shù)控機床同步控制裝置控制單元功能模塊框圖5為數(shù)控機床同步控制裝置控制單元功能模塊間信號流框圖6為數(shù)控機床同步控制裝置脈沖調(diào)整原理圖7為手動單軸調(diào)整框圖8為手動零點檢測與手動單軸調(diào)整間關(guān)系圖9為同步起點建立與手動單軸調(diào)整間關(guān)系圖IO為同步軸零點布局位置圖，圖中",表示為電機零點Z對應(yīng)導(dǎo)軌 上的位置；
圖11為同步起點建立過程流程圖。
具體實施例方式
本數(shù)控機床雙軸同步控制裝置的基本原理是同步控制裝置在每接收
到CNC脈沖指令后，實時轉(zhuǎn)發(fā)給兩同步同步軸(XI軸和X2軸，文中以X 軸為例來說明)，同時對兩個軸的位置反饋信號進行計數(shù)，并計算兩同步軸 的位置偏差，依據(jù)偏差對其中從動軸(X2軸)指令進行一定范圍的增減脈 沖個數(shù)調(diào)整，從而實現(xiàn)兩電機輸出位置的同步控制。下面結(jié)合附圖和實例 對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，為數(shù)控機床雙軸同步控制裝置與數(shù)控系統(tǒng)連結(jié)框圖；增 加雙軸同步控制裝置l后，對構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)而言，CNC裝置5僅對兩個 同步的軸中的一個軸XI進行直接控制，不會增加對數(shù)控裝置5的額外功能
擴展，便于工程實施。對于主動軸X1，其位置閉環(huán)控制，由雙軸同步控制
裝置1轉(zhuǎn)發(fā)CNC裝置5的指令作XI軸驅(qū)動控制器2的位置給定，電機編 碼器4的反饋信號作為位置反饋，在X1軸驅(qū)動控制器2內(nèi)完成兩者的偏差 計算和依據(jù)偏差大小進行位置和速度控制，從而實現(xiàn)主動軸XI的精確位置 定位。對于從動軸X2的控制，其控制原理同對主動軸X1的控制，不同的 只是在給定中考慮了實際同步位置偏差(排除相對螺距補償累積值的影響) 和相對螺距補償值。
如圖2所示，為數(shù)控機床雙軸同步控制裝置框圖；數(shù)控機床雙軸同步 控制裝置包括時鐘IO，輸入輸出接口 11，雙軸位置檢測模塊12，控制單 元13，系統(tǒng)參數(shù)表14，以及螺距補償表15。
其中時鐘10用于為控制單元13和雙軸位置檢測模塊12提供時鐘基 準，實現(xiàn)兩者間的實時并行工作。
輸入輸出接口 11用于供用戶對系統(tǒng)參數(shù)表14和螺距補償表15內(nèi)的參 數(shù)和運行狀態(tài)進行設(shè)定和顯示，以對控制裝置的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。
系統(tǒng)參數(shù)表14用于保存雙軸同步控制裝置1進行控制所需的各種內(nèi)部 參數(shù)信息，如對同步軸的工作模式、手動運行下速度等的設(shè)置，為控制單 元13進行相關(guān)控制提供條件。
螺距補償表15用于存儲絲杠的相對螺距補償數(shù)據(jù)；在雙同步軸回零建 立同步運行起點后，采用機床行業(yè)常用雙向螺距補償激光測距法對主動軸 Xl螺距精度進行測量，其螺距補償值填入數(shù)控裝置螺距補償表中，在數(shù)控 裝置發(fā)揮螺距補償作用前提下，采用同樣雙向螺距補償激光測距法對從動 軸X2螺距進行測量，其相對主動軸X1的螺距補償數(shù)據(jù)填入雙軸同步控制 裝置的螺距補償表15中，用于提高雙同步軸的同步定位精度。
雙軸位置檢測模塊12用于對兩同步軸電機編碼器4，4'進行位置及同 步偏差檢測，并將檢測信息提供給控制單元13,以實現(xiàn)對兩同步軸進行運動 控制，同時接受控制單元13對其進行的初始化測量起點控制。
控制單元13依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)表14的參數(shù)設(shè)置，選擇相應(yīng)的工作模式； 依據(jù)雙軸位置檢測模塊12提供的兩同步軸的位置和偏差信息，按照選定的
工作模塊所對應(yīng)的流程完成對兩同步軸的控制。
下面舉例說明雙軸位置檢測模塊12和控制單元13的具體模塊結(jié)構(gòu)和 工作流程。
如圖3所示，為編碼器信號獲取框圖；雙軸位置檢測模塊12包括位置 檢測接口電路12和四倍頻位置計數(shù)模塊122。
位置檢測接口電路121，實現(xiàn)對兩同步軸電機編碼器4, 4'的差分信 號進行差動接收、濾波處理，并輸送給四倍頻位置計數(shù)模塊122，
四倍頻位置計數(shù)模塊122，實現(xiàn)對位置檢測接口電路121輸送來的位置 信號進行四倍頻處理和鑒相計數(shù)處理，從而獲取兩同步軸當(dāng)前位置和同步 偏差大小，為進一步的主控單元13控制提供兩同步軸當(dāng)前位置和同步偏差 大小信息，同時接受控制單元13對其進行的測量起點初始化。
如圖4所示，控制單元13包括下述各模塊
指令捕獲模塊131，完成對CNC裝置5的"脈沖+方向"指令進行捕 獲功能；
位置獲取模塊136用于從雙軸位置檢測模塊12獲取兩同步軸的運動方 向、當(dāng)前位置和偏差信息，提供給工作模式選定模塊130確定的各種不同 工作模式下控制使用，同時位置獲取模塊136也可對雙軸位置檢測模塊12 進行初始化，建立同步控制檢測起點。
故障診斷模塊135依據(jù)兩同步軸位置信息和實際同步位置偏差信息(排 除相對螺距補償累積值的影響)，在各個工作模式下實現(xiàn)對整個同步控制裝 置的實時監(jiān)控， 一旦發(fā)生故障立即停止同步控制裝置的工作，并反饋信息 停止數(shù)控裝置5，起系統(tǒng)保護作用。
工作模式選定模塊130，依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)表14確定的工作模式，利用位
置獲取模塊136獲取的信息，分別實現(xiàn)手動單軸調(diào)整A、手動零點檢測B、 同步起點建立C以及同步控制D模式控制，并接受故障診斷模塊135的監(jiān)
手動單獨調(diào)整模式A，在兩同步軸不同步時，實現(xiàn)手動情況下對兩同 步軸分別進行動作，實現(xiàn)手動操作的校正處理；手動零點檢測模式B，實 現(xiàn)同步軸校正到同步狀態(tài)下，兩軸零點(對應(yīng)電機編碼器Z脈沖位置)間 位置矢量測量功能，并將測量結(jié)果保存到系統(tǒng)參數(shù)表14中；同步起點建立 模式C，由于機床開機前處于自由狀態(tài)下，可能存在開機前的偏斜，為保 證同步軸的無偏斜運行，通過該功能實現(xiàn)機床回零過程中建立無偏斜同步， 也是進行同步控制的基礎(chǔ)；同步控制模式D，針對機床同步軸在運動過程 中出現(xiàn)的同步偏差，依據(jù)一定限制條件對從動軸進行的動態(tài)補償調(diào)整過程， 以實現(xiàn)兩軸的協(xié)調(diào)同步控制。
軟開關(guān)模塊132，實現(xiàn)同步控制裝置1工作在以上不同工作模式下指令 的選擇性輸出。
XI軸指令發(fā)送模塊133， X2軸指令發(fā)送模塊134，實現(xiàn)同步控制裝置 工作在不同工作模式下輸出的指令給外部驅(qū)動控制器2和2'。
同步控制D主要由補償計算模塊137、死區(qū)限幅模塊138、脈沖補償調(diào) 整模塊139三個單元組成；其中補償計算模塊137，依據(jù)實際同步偏差和兩 同步軸當(dāng)前軸位置進行螺距補償表查詢并按補償算法完成同步誤差的補償 計算；死區(qū)限幅模塊138，依據(jù)同步誤差補償計算值大小進行的帶死區(qū)和限 幅能力的脈沖限制；脈沖補償調(diào)整模塊139，依據(jù)模塊138的結(jié)果實現(xiàn)對輸 送給模塊134的從動軸X2的脈沖指令序列進行補償調(diào)整控制。脈沖補償調(diào) 整模塊139跟隨指令捕獲模塊131捕獲的脈沖而輸出，在要實現(xiàn)增加m個 脈沖的補償調(diào)整時，以131捕獲的某脈沖上升沿為起始點在139插入2m 個寬度為T/2 (T為前一指令脈沖的周期，CNC編程時確保T/2周期的脈沖 不會超出伺服驅(qū)動的響應(yīng)范圍)的連續(xù)脈沖，期間139忽略對131的跟隨輸出；對于減少脈沖調(diào)整，在脈沖補償調(diào)整模塊139內(nèi)對指令捕獲模塊131 發(fā)送來的脈沖屏蔽相應(yīng)個脈沖輸出即可。
如圖5所示，為數(shù)控機床同步控制裝置中控制單元13功能模塊間信號 流框圖；依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)表14的參數(shù)設(shè)置，控制單元13運行在"手動單軸 調(diào)整A、手動零點檢測B、同步起點建立C、同步控制D"等不同工作模 式下。在手動單軸調(diào)整A或手動零點檢測B模式下，軟開關(guān)模塊132分別 選中A或B的指令輸出給模塊133和模塊134;位置獲取模塊136實時獲 取的兩同步軸位置、偏差信息輸出給A或B模式作為控制條件；故障診斷 模塊135，實時實現(xiàn)對位置獲取模塊136的兩同步軸位置、偏差信息(由于 A、 B模式可能運行在同步起點還未建立前，該偏差信息的極限報警值由人 工在系統(tǒng)參數(shù)表14中設(shè)定)以及A或B模式狀態(tài)進行監(jiān)視， 一旦發(fā)生報 警立即停止A或B，并切斷軟開關(guān)模塊132; A或B的工作狀態(tài)將反饋到 14并顯示輸出。同步起點建立C，在CNC裝置5同步軸回零動作期間，在 軟開關(guān)模塊132中，XI軸指令發(fā)送模塊133的輸入選中的是指令捕獲模塊 131的輸出，同時將該模塊131輸出也送給C，并無延遲地輸出給模塊134， 在同步起點建立C模式完成時通過位置獲取模塊136進行對雙軸位置檢測 模塊12的測量起點初始化處理；在自動建立同步過程的其他期間，信號流 關(guān)系同上A或B—致；同步起點建立C具體實現(xiàn)見圖11。同步控制D，軟 開關(guān)模塊132中，XI軸指令發(fā)送模塊133的輸入選中指令捕獲模塊131的 輸出，X2軸指令發(fā)送模塊134的輸入選中同步控制D的脈沖補償調(diào)整模塊 139的輸出；將位置獲取模塊136實時獲取的兩同步軸位置、偏差信息和依 據(jù)當(dāng)前位置査詢螺距補償表15獲取螺距補償值一起送給同步控制D的補償 計算模塊137，實現(xiàn)相對螺距補償累積值更新和補償計算；并依據(jù)系統(tǒng)參數(shù) 表14中設(shè)置的死區(qū)、限幅大小，在死區(qū)限幅模塊138完成對補償計算模塊 137的計算值大小進行死區(qū)、限幅控制，再在脈沖補償調(diào)整模塊139中依據(jù) 模塊138的輸出結(jié)果實現(xiàn)對指令捕獲模塊131的輸出指令進行補償調(diào)整；
故障診斷模塊135，實時實現(xiàn)對位置獲取模塊136的兩同步軸位置、偏差信 息以及同步控制D運行狀態(tài)進行監(jiān)視，并將工作狀態(tài)反饋到14顯示輸出， 一旦發(fā)生故障立即停止同步控制D，并切斷軟開關(guān)模塊132。 控制單元13可以采用DSP、單片機等硬件具體實現(xiàn)。 下面分別說明本發(fā)明裝置的各個功能的具體實現(xiàn)過程
1、 編碼器信號接收功能
編碼器信號獲取框圖如圖3所示，利用雙軸位置檢測模塊12配備的位 置檢測接口電路121，實現(xiàn)對所述兩個同步軸的伺服電機編碼器(4和4') 差分信號接受和濾波處理，在四倍頻位置計數(shù)模塊122中完成兩個軸的位 置計數(shù)、運動方向識別和同步偏差計算，并將所有測量結(jié)果保存于雙軸位 置檢測模塊12的內(nèi)部寄存器中，即兩軸當(dāng)前運動方向和位置測量計數(shù)值 XI、 X2，兩軸位置同步偏差E二X1-X2，這些值在開機上電時均自動為O。 以備后續(xù)進行的控制單元13讀取使用。
2、 CNC指令信號的補償調(diào)整與發(fā)送功能
同步控制裝置對CNC指令脈沖信號調(diào)整原理如圖6所示，依據(jù)實際同 步偏差(模塊136獲取的偏差E減相對螺距補償累計值)和相對螺距誤差 補償值只對從動軸X2進行增、減脈沖補償處理?？紤]電機速度因受指令脈 沖調(diào)整而可能發(fā)生的速度波動對被加工零件表面質(zhì)量的影響問題，其脈沖 補償技術(shù)采用了在一個同步控制裝置控制周期(與伺服驅(qū)動器位置控制周 期數(shù)量級相當(dāng))內(nèi)進行限幅功能的增減脈沖調(diào)整法，從而保證了同步軸運 行速度的平穩(wěn)和平滑。為防止過于頻繁調(diào)整過程對電機帶來的不利影響， 在脈沖調(diào)整過程中，還設(shè)置了調(diào)整死區(qū)，只有在同步誤差越過死區(qū)，機床 上才進行脈沖增減調(diào)整處理。減少脈沖處理相對簡單，只需模塊139內(nèi)屏 蔽相應(yīng)個數(shù)脈沖跟隨輸出即可。而增加脈沖處理時，其關(guān)鍵是在同步控制 裝置一個控制周期內(nèi)通過指令捕獲131獲取在插入補償脈沖前CNC裝置5指令的指令周期T (CNC編程時確保T/2周期的脈沖不會超出伺服驅(qū)動的 響應(yīng)范圍)，再依據(jù)計算得到應(yīng)增加的脈沖數(shù)在模塊139內(nèi)對指令進行增加 周期為T/2的脈沖序列(這種處理方法減少了同步控制裝置的處理負擔(dān)， 提高了其響應(yīng)能力)。由于數(shù)控裝置在其一個位控周期內(nèi)指令脈沖的寬度是
一致的，而同步控制裝置的控制周期又較小， 一個數(shù)控裝置位控周期多倍 于同步控制裝置控制周期，故這種補償方法在絕大多數(shù)情況下可實現(xiàn)完全 補償；即使在同步控制裝置控制周期跨數(shù)控裝置位控周期情況下出現(xiàn)不完 全補償，將在下一同步控制周期內(nèi)也可得到糾正而實現(xiàn)完全補償。圖6所 示為進行一個脈沖補償調(diào)整原理，實現(xiàn)了機床同步軸對CNC指令的無延遲 響應(yīng)，從而實現(xiàn)了同步軸與機床其它各軸對CNC指令的響應(yīng)一致。 下面以增、減一個脈沖進行補償處理為例說明具體過程。 由于伺服驅(qū)動控制器位置控制的特點，伺服驅(qū)動控制器在脈沖響應(yīng)能 力范圍內(nèi)對脈沖寬度要求并不嚴格，故在指令捕獲模塊131對機床數(shù)控裝 置的指令進行捕獲的基礎(chǔ)上，同時記錄指令脈沖的周期大小T。脈沖補償 調(diào)整模塊139在一個同步控制周期內(nèi)以跟隨指令捕獲模塊131脈沖輸出上 升沿為起始點連續(xù)插入2m個寬度為T/2的脈沖序列(CNC編程時確保T/2 周期的脈沖不會超出伺服驅(qū)動的響應(yīng)范圍)，期間數(shù)控指令脈沖跟隨不進 行，從而實現(xiàn)增加m個脈沖的補償調(diào)整，補償調(diào)整模塊139在插入的最后 一個補償脈沖的下降沿后，再跟隨指令捕獲模塊131捕獲的指令脈沖輸出； 對于減少脈沖調(diào)整，在脈沖補償調(diào)整模塊139內(nèi)對捕獲的脈沖減少相應(yīng)個 脈沖輸出即可。其中，m為補償計算模塊137和死區(qū)限幅模塊138確定的 即將對從動軸X2進行增加補償?shù)拿}沖個數(shù)，T為補償插入的序列脈沖前一 指令脈沖的周期大小。
3、手動單軸調(diào)整功能
在機床運行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)明顯的偏斜情況時，需要進行手動單軸控 制，以便校正兩個軸間的相對位置，由手動單軸調(diào)整A實現(xiàn)。其控制方框
圖如圖7所示，校正后兩同步軸工作臺效果如圖10中Z1-A1所示。
4、 同步狀態(tài)下兩同步軸零點間矢量位置手動測量功能
同步狀態(tài)下兩同步軸零點間矢量位置手動測量功能，由手動零點檢測 B實現(xiàn)。在手動進行兩同步軸校正到同步狀態(tài)后，啟動同步狀態(tài)下兩同步 軸零點間矢量位置手動測量功能，兩同步軸在不進行脈沖調(diào)整情況下，以 一較低速度運行(在系統(tǒng)參數(shù)表14中設(shè)置)，當(dāng)主動軸X1檢測到零點后， 運行停止，作為兩同步軸零點間矢量位置測量0位；并以此位置為中心， 兩同步軸電機再按固定程序正向旋轉(zhuǎn)半圈，未能檢測到從動軸X2零點，再 反轉(zhuǎn)一圈，期間只要檢測到從動軸X2零點后就立即停止，即可實現(xiàn)同步狀 態(tài)下兩同步軸零點間矢量位置L0的手動測量。手動零點檢測B與手動單 軸調(diào)整A間關(guān)系如圖8所示。
5、 機床同步運行起點建立功能
機床同步運行起點建立功能，由同步起點建立C實現(xiàn)。由于機床開機 前處于自由狀態(tài)下，可能存在開機前的偏斜，為保證同步軸的無偏斜運行， 必須通過機床回零過程建立無偏斜同步起點。對于增量式檢測系統(tǒng)，其關(guān) 鍵是要找到當(dāng)前實際狀態(tài)下兩個同步軸Z脈沖間的位置偏差Ll，并與已校 正無偏斜同步狀態(tài)下(工作臺與兩同步軸垂直)兩個軸Z脈沖間的矢量位 置偏差L0 (記錄在同步控制裝置系統(tǒng)參數(shù)表14中)進行比較，從而獲取 開機前實際已存在的同步偏差EE= (L1-L0)，再利用同步控制裝置進行自 動糾偏處理，即僅使從動軸X2移動EE，從而建立同步運行起點。由于建 立同步運行起點后，同步控制裝置的位置偏差E應(yīng)以該同步起點為參考0 點進行，故在在同步起點建立C模式完成時還需實現(xiàn)對雙軸位置檢測模塊 12的測量起點初始化處理。檢測同步起點建立C與手動單軸調(diào)整A間關(guān)系 如圖9所示。
以開機時兩同步軸存在偏斜情況進行說明，同步軸工作臺其空間位置
圖如圖10所示，建立無偏斜同步起點過程如圖ll所示。CNC開機，同步 軸回零找到主動軸XI零點Zl后(因XI軸為CNC裝置實際控制軸，具有 一般數(shù)控機床的回零過程特點，此時CNC裝置X軸坐標顯示為0)，由于 工作臺的實際偏斜，可能出現(xiàn)工作臺如圖10中Z1-B1狀況。依據(jù)圖ll建 立同步運行起點流程圖可知，由于兩同步軸回零過程獨立，相互間僅為跟 隨關(guān)系，主動軸回零結(jié)束后，主動軸X1將永遠停在Z1位置；從動軸X2 回零結(jié)束時將永遠停在Z2位置。由于回零中工作臺不會改變幵機時的偏斜 狀態(tài)，從動軸X2回零結(jié)束時，工作臺將處于與(Z1-B1)保持平行的(B-Z2) 位置(螺距誤差的影響很小，不考慮)。(Z1-A1)為同步軸CNC回零操作 完成時工作臺理想的無偏斜同步位置，此時從動軸X2零點Z2相對主動軸 XI零點Zl間的矢量位移為L0，已被記錄在同步控制裝置系統(tǒng)參數(shù)信息表 14中。由流程圖ll知，在從動軸回零結(jié)束并停在Z2位置時，獲取的主動 軸X1此時的當(dāng)前位置矢量值(已是相對主動軸零點Z1的絕對位置值)即 為Z1B的矢量位置L1，實際偏斜誤差即為EE二L1-L0;此時為實現(xiàn)能自動 糾偏處理，保持主動軸XI位置不變而從動軸X2將移動EE矢量位移即到 達(B-B2)位置，即實現(xiàn)了糾偏處理，建立了同步運行起點。由于此時CNC 裝置顯示并不為0，為保證同步軸在回零后CNC的X軸顯示為O，--般還 需進行再次回零(因偏斜的發(fā)生只可能發(fā)生在機床急停或電機掉電情況下， 而此時電機己處于激磁狀態(tài)，故不會再自動發(fā)生偏斜)實現(xiàn)CNC裝置顯示 為0，此時工作臺將處在(Z1-A1)位置，并結(jié)束同步起點建立模式C。
6、螺距誤差與反向間隙補償功能
主動軸XI的螺距誤差補償與反向間隙補償在數(shù)控裝置CNC中完成， 而從動軸X2的均在圖4的控制單元13中實現(xiàn)。依據(jù)位置獲取模塊136檢 測得到當(dāng)前軸的實際位置，并査詢螺距補償表15，得到相對螺距補償值(含
反向間隙信息)，在補償計算模塊137中完成螺距補償與反向間隙補償。
7、 同步控制裝置輸入輸出接口單元
通過輸入輸出接口 11，利用鍵盤與顯示器(或外接計算機)，對控制器 內(nèi)部參數(shù)進行設(shè)置、修改、顯示。
8、 緊急狀態(tài)處理功能
在同步起點建立后，故障診斷模塊16實時監(jiān)視兩軸位置檢測模塊的輸 出信息10，針對運動中位置同步偏差過大或軸實際位置超極限等緊急任務(wù) 進行處理，并反饋信息給CNC裝置5實現(xiàn)機床緊急停止，故障診斷模塊 16的設(shè)計保護了機床的安全運行。
本發(fā)明不局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明 公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采 用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本 發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)控機床雙軸同步控制裝置，其特征在于該裝置包括時鐘(10)，輸入輸出接口(11)，雙軸位置檢測模塊(12)，控制單元(13)，系統(tǒng)參數(shù)表(14)，以及螺距補償表(15)；時鐘(10)用于為控制單元(13)和雙軸位置檢測模塊(12)提供時鐘基準；輸入輸出接口(11)用于供用戶對系統(tǒng)參數(shù)表(14)和螺距補償表(15)內(nèi)的參數(shù)和運行狀態(tài)進行設(shè)定和顯示；系統(tǒng)參數(shù)表(14)用于保存整個控制裝置進行控制所需的內(nèi)部參數(shù)信息；螺距補償表(15)用于存儲絲杠的螺距補償數(shù)據(jù)；雙軸位置檢測模塊(12)用于對兩同步軸電機編碼器進行位置及同步偏差檢測，并將檢測信息提供給控制單元(13)；控制單元(13)依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)表(14)的參數(shù)設(shè)置，選擇對應(yīng)的工作模式；依據(jù)雙軸位置檢測模塊(12)提供的兩同步軸的位置和偏差信息，按照選定的工作模塊所對應(yīng)的流程完成對兩同步軸的控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床雙軸同步控制裝置，其特征在于 雙軸位置檢測模塊(12)包括位置檢測接口電路(121)和四倍頻位置計數(shù) 模塊(122);位置檢測接口電路(121)用于實現(xiàn)對兩同步軸電機編碼器的差分信號 進行差動接收、濾波處理，并輸送給四倍頻位置計數(shù)模塊(122);四倍頻位置計數(shù)模塊(122)用于對位置檢測接口電路(121)輸送來 的位置信號進行四倍頻處理和鑒相計數(shù)處理，獲取兩同步軸當(dāng)前位置和同 步偏差信息，并提供給主控單元(13)，同時可接收主控單元(13)對其檢 測起點的初始化處理。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)控機床雙軸同步控制裝置，其特征在于控制單元(13)包括下述各模塊指令捕獲模塊(131)用于對機床數(shù)控裝置的指令進行捕獲；位置獲取模塊(136)用于從雙軸位置檢測模塊(12)獲取兩同步軸的 當(dāng)前位置和偏差信息，提供給工作模式選定模塊(130)確定的各種不同工作模式下控制使用，并能實現(xiàn)對四倍頻位置計數(shù)模塊(122)的初始化處理;故障診斷模塊(135)依據(jù)兩同步軸位置和偏差信息，在各個工作模式 下實現(xiàn)對整個同步控制裝置的實時監(jiān)控；工作模式選定模塊(130)依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)表(14)確定的工作模式，利 田位晉芬助超±# CH6)莊3 的佶良.分別定孤豐動雖鈾調(diào)憨")、豐動霧點檢測模式(B)、同步起點建立(C)以及同步控制(D)四種工作模式，并接受故障診斷模塊(135)的監(jiān)測；軟開關(guān)模塊(132)用于在不同工作模式下指令的選擇性輸出； Xl軸指令發(fā)送模塊(133)和X2軸指令發(fā)送模塊(134)用于將同步控制裝置工作在不同工作模式下輸出的指令提供給外部驅(qū)動控制器(2)和 (2，)；補償計算模塊(137)、死區(qū)限幅模塊(138)、脈沖補償調(diào)整模塊(139) 用于實現(xiàn)在同步控制工作模塊下對雙同步軸的同步控制；其中，補償計算 模塊(137)依據(jù)實際同步偏差和兩同步軸當(dāng)前軸位置進行螺距補償表查詢 并完成同步誤差的補償計算；死區(qū)限幅模塊(138)依據(jù)同步誤差補償計算 值大小進行的帶死區(qū)和限幅能力的脈沖限制；脈沖補償調(diào)整模塊(139)依 據(jù)死區(qū)限幅模塊(138)的結(jié)果實現(xiàn)對輸送給X2軸指令發(fā)送模塊(134)的 從動軸X2的脈沖指令序列進行補償調(diào)整控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控機床雙軸同步控制裝置，包括時鐘，輸入輸出接口，雙軸位置檢測模塊，控制單元，系統(tǒng)參數(shù)表，以及螺距補償表；雙軸位置檢測模塊用于對兩同步軸電機編碼器進行位置及同步偏差檢測，并將檢測信息提供給控制單元；控制單元依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)表的參數(shù)設(shè)置，選擇對應(yīng)的工作模式；依據(jù)雙軸位置檢測模塊提供的兩同步軸的位置和偏差信息，按照選定的工作模塊所對應(yīng)的流程完成對兩同步軸的控制。本發(fā)明解決了普及型數(shù)控系統(tǒng)不能實現(xiàn)同步控制的問題，其關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)發(fā)與調(diào)整的實時性，避免了由于轉(zhuǎn)發(fā)時間延遲可能增加加工零件的輪廓誤差、以及調(diào)整時間過長可能使動態(tài)下同步誤差不但不能消除甚至變得更壞的情況。
文檔編號G05B19/404GK101349910SQ200810196820
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者何王勇, 周會成, 周向東, 唐小琦, 白玉成, 陳吉紅 申請人:華中科技大學(xué)