1 引言

　　在機床傳動結構中,，經(jīng)常需要實現(xiàn)雙軸(或多軸)同步傳動,，如龍門框架移動式機床的龍門框架移動控制等。采用一臺電機通過傳動鏈將運動分配到同步運動軸的方案,，雖可實現(xiàn)同步騾動.但存在傳動鏈較長,、間隙誤差大且無法補償?shù)乳g題.本文在開發(fā)數(shù)控玻璃雕刻加工中心時。選用法國NUM公司的NUM1040M數(shù)控系統(tǒng)，通過兩臺交流伺服電機分別驅動龍門框架的兩個軸,，通過參數(shù)的設置及實驗調整,，實現(xiàn)了大跨度5m龍門結構雙軸位移的精確同步控制:

2 采用雙交流伺服電機實現(xiàn)雙軸位置同步控制的結構

　　交流伺服驅動系統(tǒng)具有體積小重量輕、動作反應快,、過載能力大,、調速范圍寬等優(yōu)點，能提供高的動態(tài)響應和扭矩,，在機器人,、數(shù)控機床等領域已得到非常廣泛的應用。

　　圖1所示的是采用交流伺服驅動裝置的數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結構圖,，其基本工作原理是:將兩個同方向運動的進給軸,，一個設定為主動軸，另一個設定為從動軸,。由一個伺服驅動器,，一個伺服電機、一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成主動軸伺服運動控制回路,，同時由另一個伺服驅動器,，另一個伺服電機、另一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動軸伺服運動控制回路,。CNC的位置控制單元同時向主動軸及從動軸的伺服控制回路發(fā)出位置飼服運動指令,。兩個位置反饋裝置的反饋信號除了送回各自的伺服驅動器比較環(huán)外，還送人CNC內部的一個數(shù)字比較器進行差值比較,，該差值送人從動軸伺服控制回路的輸入端,，與CNC位置控制單元發(fā)來的位置伺服指令進行比較。兩個位置反饋裝置的反饋信號差俏就是主動軸與從動軸的同步誤差,，差值為零時,，表明兩個軸的位置完全同步。

圖1 數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結構圖 

3 用NUM數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)雙軸同步控制

　　本項目研發(fā)的數(shù)控玻璃雕刻加工中心采用了龍門式結構,，具有 C,、X、Y₁,、Y₂ ,Z五個伺服運動軸,，該加工中心的磨頭座沿橫梁導軌往復運動方向設定為X軸，兩橫梁座沿機床床身導軌運動方向分別為Y,軸和f'}軸,，磨頭沿磨頭座垂直運動方向為Z軸,，C軸為磨頭的旋轉軸，系統(tǒng)具有5軸4聯(lián)動功能;其中Y₁,、Y₂軸為同步運動軸,，分別驅動兩個交流何服電機同步帶動龍門框架運動,，行程為2m,Y₁,、Y₂兩軸的跨度5m,，如圖2所示。

圖2 數(shù)控玻璃雕刻加工中心軸運動結構示意

　該設備中選用法國NUM公司的MDLA2型伺服驅動器,、BMH型交流何服電機,、NUM1040數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有很強的開放性特征,，對尸參數(shù)的設置是其開放性的特征之一,，NUM1040系統(tǒng)中共115個P參數(shù)，通過修改P參數(shù)就可實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的配置,。用戶可在NUM專用軟件的環(huán)境下,，方便、快捷的通過尸參數(shù)對系統(tǒng)進行配置與調整,，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設定尸參數(shù)實現(xiàn)的,。

　　與同步軸控制有關的P參數(shù)有P₂₄、P₂₇,、P₂₈等,，具體含義如表1所示。

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

1 引言

　　在機床傳動結構中,，經(jīng)常需要實現(xiàn)雙軸(或多軸)同步傳動，如龍門框架移動式機床的龍門框架移動控制等,。采用一臺電機通過傳動鏈將運動分配到同步運動軸的方案,，雖可實現(xiàn)同步騾動.但存在傳動鏈較長、間隙誤差大且無法補償?shù)乳g題.本文在開發(fā)數(shù)控玻璃雕刻加工中心時,。選用法國NUM公司的NUM1040M數(shù)控系統(tǒng),，通過兩臺交流伺服電機分別驅動龍門框架的兩個軸，通過參數(shù)的設置及實驗調整,，實現(xiàn)了大跨度5m龍門結構雙軸位移的精確同步控制:

2 采用雙交流伺服電機實現(xiàn)雙軸位置同步控制的結構

　　交流伺服驅動系統(tǒng)具有體積小重量輕,、動作反應快、過載能力大、調速范圍寬等優(yōu)點,，能提供高的動態(tài)響應和扭矩,，在機器人、數(shù)控機床等領域已得到非常廣泛的應用,。

　　圖1所示的是采用交流伺服驅動裝置的數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結構圖,，其基本工作原理是:將兩個同方向運動的進給軸，一個設定為主動軸,，另一個設定為從動軸,。由一個伺服驅動器，一個伺服電機,、一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成主動軸伺服運動控制回路,，同時由另一個伺服驅動器，另一個伺服電機,、另一個位置反饋裝置及CNC位置控制單元組成從動軸伺服運動控制回路,。CNC的位置控制單元同時向主動軸及從動軸的伺服控制回路發(fā)出位置飼服運動指令。兩個位置反饋裝置的反饋信號除了送回各自的伺服驅動器比較環(huán)外,，還送人CNC內部的一個數(shù)字比較器進行差值比較,，該差值送人從動軸伺服控制回路的輸入端，與CNC位置控制單元發(fā)來的位置伺服指令進行比較,。兩個位置反饋裝置的反饋信號差俏就是主動軸與從動軸的同步誤差,，差值為零時，表明兩個軸的位置完全同步,。

圖1 數(shù)控機床雙軸運動同步控制的結構圖 

3 用NUM數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)雙軸同步控制

　　本項目研發(fā)的數(shù)控玻璃雕刻加工中心采用了龍門式結構,，具有 C、X,、Y₁,、Y₂ ,Z五個伺服運動軸，該加工中心的磨頭座沿橫梁導軌往復運動方向設定為X軸,，兩橫梁座沿機床床身導軌運動方向分別為Y,軸和f'}軸,，磨頭沿磨頭座垂直運動方向為Z軸，C軸為磨頭的旋轉軸,，系統(tǒng)具有5軸4聯(lián)動功能;其中Y₁,、Y₂軸為同步運動軸，分別驅動兩個交流何服電機同步帶動龍門框架運動,，行程為2m,Y₁,、Y₂兩軸的跨度5m，如圖2所示,。

圖2 數(shù)控玻璃雕刻加工中心軸運動結構示意

　該設備中選用法國NUM公司的MDLA2型伺服驅動器,、BMH型交流何服電機,、NUM1040數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有很強的開放性特征,，對尸參數(shù)的設置是其開放性的特征之一,，NUM1040系統(tǒng)中共115個P參數(shù)，通過修改P參數(shù)就可實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的配置,。用戶可在NUM專用軟件的環(huán)境下,，方便、快捷的通過尸參數(shù)對系統(tǒng)進行配置與調整,，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設定尸參數(shù)實現(xiàn)的。

　　與同步軸控制有關的P參數(shù)有P₂₄,、P₂₇,、P₂₈等，具體含義如表1所示,。

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

　　P₂₄參數(shù)由65個無符號十進制數(shù)組成(字N₀~N₆₄)，其中字N₀~N₃₁分別指定0~31號軸地址的同步閥值1,，該值表示同步控制中的最大允許誤差(以內部測量單位表示),，缺省值為160。當超過同步閥值時,，系統(tǒng)發(fā)出超差信息,，但繼續(xù)驅動從動軸運動。字心一編指定0~31號軸的校正系數(shù)(以1/1001)為單位),，其缺省值為250,。無誤差信號進人從動軸伺服比較環(huán)時，即表示同步過程已經(jīng)完成,。N64為同步閥值2,，用于設定所有軸共同的最大同步誤差(用內部測量單位表示)。同步過程誤差超過所設定的值時,，系統(tǒng)報警,，并停止伺服運動軸的運動,。

　　在同步控制中，參數(shù)N₆₄的設置會影響雙軸同步控制的性能,。若選用較大的閥值,，會導致機床同步控制精度降低;若閥值選用過低，則會導致機床在允許加工精度范圍內正常運行時,，經(jīng)常出現(xiàn)因超出同步誤差閥值而報警停車的現(xiàn)象,，從而影響機床正常運行。該值須通過實際調試確定,，在允許的加工精度前提下,，N64同步闌值應盡可能取較大的值。

　　P₂₇參數(shù)用于將一個從動軸分配到所設定的主驅動軸,，這種分配有三種不同的類型:第一,，簡單關聯(lián)，將主驅動軸的對應控制量復制到從動軸上;第二,，對稱關聯(lián),，將主驅動軸的對應控制量求反后復制到從動軸上;第三，同步關聯(lián),，其運算式為“主驅動軸的對應控制量準+校正值二從動軸的對應控制量”,。所研制的系統(tǒng)中采用簡單關聯(lián)類型，即將Y,主驅動軸的對應控制量復制到Yx從動軸上,，如表2所示,。

　　P₂₈參數(shù)用于使主驅動軸和從動軸的同步功能有效，它是一個32位的十六進制數(shù),。如果同步軸關聯(lián)使能位的值為1,，則在參數(shù)P₂₇中申報的從動軸與其對應的主驅動軸同

4 雙軸同步運動控制特性的調試

　　初步設定好Y1 , Y2軸的同步功能的P參數(shù)后，可進行調試實驗?，F(xiàn)場試驗結果表明,，當速度環(huán)的控制要求滿足時，還不能實現(xiàn)高速率下兩軸的動態(tài)精密同步進給控制,，需要對伺服驅動,、數(shù)控系統(tǒng)的內環(huán)(速度環(huán))及外環(huán)(位置環(huán))參數(shù)進行綜合調整，以獲得好的控制性能,。以下為實際中采用的調試步驟及參數(shù)選擇的過程:

　　(1)初步確定伺服運動工作正常

　　松開伺服電機與負載軸之間的連接,，接通電源，用NUM公司調試伺服驅動器參數(shù)的DPM軟件調整伺服驅動器的速度環(huán)控制參數(shù),。如伺服驅動器的增益,、速度升降時間常數(shù)、PID參數(shù)等,，確定伺服驅動器與伺服電機的工作基本正常,。

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

　　在伺服驅動器輸人端加上約10%的速度指令值,，如果電機的運動特性感覺很“硬”，則用示波器觀察到的轉矩電流及速度響應曲線會如圖3a所示,，其超調量較大,、調整時間較長。調整伺服驅動器中的控制參數(shù)(加大P.052/053的數(shù)值)可改善動態(tài)特性,，如圖36所示,。反之，如果電機的運動特性感覺很“軟”,，示波器觀察到的波形將會如圖3c所示,。此時需減少速度環(huán)的增益(減少P.054/055的數(shù)值)，以獲得如圖3d所示的波形,。

圖3 伺服電機的轉矩電流及速度響應曲線

　　(3)調整雙軸同步誤差參數(shù)

　　同步闌值2取默認值,，將同步闌值1逐步減少，直至滿足同步運動的特性及工作臺所需的精度,。該系統(tǒng)設定的內部測量單位為0.001 mm，龍門式結構Y₁,、Y₂軸的尺寸誤差不大于0.05 (mm ),，即同步時的最大允許誤差為50*0.001=0.05mm。實際調試時,，Y₁及Y₂同步軸的同步誤差閥值1從默認值的160逐漸減少至50(即凡中,，Nz=N3=50)。

　　設兩軸的最大同步誤差為0.5mm時系統(tǒng)禁止伺服電機運動,。則誤差閥值2取500(即N64=500 ) ,。

5 結論

　　NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場開放特性，便于現(xiàn)場調試,，同步控制精度高,、調整方便。采用尸參數(shù)與伺服驅動器參數(shù)結合調整的方式可滿意的實現(xiàn)雙軸(多軸)伺服運動控制,。經(jīng)過調試NUM 1040M數(shù)控系統(tǒng)已成功的應用在所開發(fā)的數(shù)控玻璃雕刻加工中心上,，伺服運動精度控制、同步軸特性等相關性能參數(shù)均達到設計預期指標,。