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      河北華利機械配件有限公司

      基于PMAC數控系統手輪脈沖跟隨功能

      2014/11/5 14:28:15
              目前,基于PC的開放式控制系統主要有三種類型:專用CNC+PC型(在專用的數控系統中簡單的嵌入PC技術)、純PC型(完全采用以通用PC為硬件平臺的全軟件數控系統)、“運動控制器+PC”型。前兩種類型的開放式數控系統都存在著其本身難以克服的矛盾,實際應用價值和發展潛力不高。因此,基于“運動控制器+PC”的開放式數控系統就成為當前最為理想的開放式數控系統。在基于“運動控制器+PC”的開放式數控系統中,多軸運動控制器直接驅動伺服電動機、步進電動機等執行元件,負責處理數控系統的實時部分;PC機處理系統管理、人機界面交互等非實時部分。隨著基于?運動控制器+PC?的開放式數控系統的發展,運動控制器的設計制造也成為一個相對獨立的專門行業。目前,美國、日本、歐盟、中國臺灣以及國內的一些廠商已先后開發出不同檔次的運動控制器產品,其中,以美國DeltaTau數據系統公司于上個世紀90年代推出的PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)系列運動控制器的功能最為強大,在工業控制領域中應用也最為廣泛。其硬件系統和軟件系統具有高度開放性,這為用戶的設計開發提供了廣闊平臺。
              在數控機床制造業中,特別是對數控系統有特殊要求以及對柔性要求較高的專用機床制造業中,PMAC運動控制器的應用尤為廣泛。無論是何種數控系統,手輪脈沖跟隨功能(用來實現刀具微動、工件對刀、工作臺運動等)都是必不可少的。手輪脈沖跟隨功能即電子齒輪功能,是通過手輪脈沖編碼器所產生脈沖信號的頻率和脈沖個數實現隨動裝置運動速度和位移的控制,使隨動裝置的運動與手輪脈沖編碼器產生的脈沖信號呈線性關系。本文介紹了在基于“PMAC+PC”的開放式數控系統中實現手輪脈沖跟隨功能的兩種方式。
      1    實現手輪脈沖跟隨功能的兩種方式
              手輪脈沖跟隨功能,是在PMAC所提供的位置跟隨(Position Following)功能的基礎上實現的。它是PMAC運動控制器在保持與外界事件同步的諸功能(位置跟隨,時基控制、位置捕捉和位置比較)中最基本的一種。位置跟隨是一種電動機---電動機(Motorto-Motor)的功能。也就是說當機床處于手輪脈沖跟隨工作方式時,手輪脈沖編碼器產生的脈沖信號只能控制一個電動機及其負載作相應的運動。要實現位置跟隨功能,首先必須將手輪脈沖編碼器產生的脈沖信號送到PMAC中,使其能夠被PMAC運算處理。PMAC根據運算結果和用戶的初始化設置,驅動相應的執行元件。本文中手輪脈沖跟隨功能的兩種實現方式,就是通過手輪脈沖編碼器脈沖信號的不同輸入方式來劃分的。
      1.1    通過JMACH接口輸入
              JMACH接口是PMAC與機械驅動設備的接口,共包括60個引腳。它是PMAC多軸運動控制器用來驅動伺服單元和獲取編碼器反饋信號等信息的專用接口。一個JMACH接口包含四組通道,每一組通道對應于一套伺服驅動系統,也就是說一個JMACH接口最多可以驅動四臺伺服電動機。JMACH接口的每一組通道包括:模擬量輸出引腳、增量式脈沖編碼器反饋信號輸入引腳、相關的輸入/輸出的標志引腳和電源引腳。手輪的脈沖發生器所產生的脈沖信號,就是通過JMACH接口四組通道中任意一組的增量式脈沖編碼器反饋信號輸入引腳發送給PMAC的。將手輪脈沖編碼器產生的脈沖信號作為主動軸(MasterAxis)的編碼器信號,經過用戶相應的初始化設置后,當從動軸(SlaveAxis)被設置為位置跟隨工作方式時,從動軸就會在手輪脈沖編碼器的控制下作相應的運動。
              要實現從動軸的位置跟隨功能,在將手輪脈沖編碼器與JMACH接口正確連接后,用戶只需再對編碼器轉換表(EncoderConversionTable)和PMAC的一些相關I變量(InitializationVariables,初始化變量)進行設置:
              (1)Ix05(x代表對應的伺服電機編號,下同)    包含PMAC主動軸位置寄存器地址信息的I變量。主動軸位置寄存器的值一般是位置反饋信號在編碼器轉換表中經過處理后的一些數據。編碼器轉換表通常是用戶根據具體反饋設備而設置的,因此表中的所有信息對用戶來說是透明的。在默認情況下,要對脈沖信號進行1/T插值或近似的處理,這有利于減小采集編碼器信息時產生的量化誤差。假設用Encoder1作為手輪脈沖編碼器的輸入通道,則Y:$720(編碼器轉換表中Encoder1的入口)的值應為$00C000,而Ix05的值應為$720(X:S720)。
              (2)Ix06    控制從動軸位置跟隨功能使能關系的I變量。當Ix06的值為1時使能有效,從動軸工作在位置跟隨工作方式;Ix06的值為0時使能無效,從動軸工作在非位置跟隨工作方式。
              (3)Ix07與Ix08    用來確定主動軸和從動軸跟隨比例關系的I變量。Ix07與Ix08的比值決定了從動軸與主動軸的位置跟隨關系,計算公式為:從動軸x位移脈沖數=(Ix07/Ix08)?主動軸位移脈沖數。Ix07與Ix08的值一般可以被看作機械傳動領域中兩嚙合齒輪的齒數。Ix08的作用是用來實現如何將從動軸電動機編碼器中脈沖計數器的值擴展到PMAC的寄存器中。在絕大多數情況下,它對用戶來說是透明的,不需要用戶對其進行修改(默認值為96)。在現實應用中,存在兩種情況,可能要求用戶對Ix08的值進行修改:一種是要利用Ix07與Ix08的比值(即傳動比)控制從動軸與主動軸跟隨關系,如果要實現一個非常精確的傳動比,可能需要改變Ix08的值;另一種是PMAC的濾波器在電動機速度(counts/sec,計數脈沖個數/秒)乘以Ix08的結果大于768M(805,306,368)時就會飽和,從而導致PMAC超負荷運行。為了避免這種情況出現,在電動機速度不變的情況下,必須改變Ix08的值。當要改變Ix08的值時,必須關掉伺服電動機,因為改變Ix08的值時,PMAC內部位置寄存器也會隨之改變,這將會引起伺服電動機的躥動。在大多數條件下,Ix08的值不應該超過1000(Ix08的值越大越容易引起PMAC的內部飽和)。如果Ix08的值已被改變,整個伺服驅動系統的比例增益系數Ix30應該向著相反的方向改變,以保證系統的動態響應性能不變。Ix07的作用是用來實現如何將主動軸編碼器脈沖計數器的值擴展到PMAC的寄存器中(默認值為96)。它和Ix08一同控制對應從動軸的跟隨比。
              當數控系統處于在手輪脈沖跟隨工作方式時,如果用戶想要在系統運行過程中改變從動軸與主動軸的跟隨關系,可以通過單獨改變Ix07的值來實現。用戶可以通過自行編寫軟PLC程序,實時地刷新Ix07的值。同樣,也可以通過PLC程序實時刷新Ix06的值,判斷是否應使手輪脈沖輸入使能有效。
      1.2    通過JPAN接口輸入
              JPAN接口是PMAC與其專用控制面板的接口(因為JPAN接口所提供的功能有限,用戶也可以不通過JPAN接口,而是通過通用I/O口和自行編制的軟PLC程序來實現控制面板能)。JPAN接口共包含26個引腳:專用控制輸入引腳(如:JOG-/,JOG+/,HOME/,STRT/,STEP/等)、專用狀態輸出引腳(BRLD/,IPLD/,F1LD/,F2LD/,EROR/)、一個模擬信號輸出引腳和積分型編碼器輸入引腳。因為JPAN接口所提供的專用控制面板功能引腳非常有限,不能滿足廣大用戶的需要,所以一般只在系統調試時使用。在現實應用中,通常令I2=1或3,從而使JPAN接口的控制面板功能無效。
              當PMAC的JMACH接口的輸出通道已全部被占用,并且對數控系統有手輪脈沖跟隨功能的需要時,如果通過擴展JMACH接口,則至少需要引入四個輸出通道(OPTION1)或者再串聯一塊PMAC運動控制器。如此一來,勢必使開發費用增加,并且浪費了大量的硬件資源。如果與此同時JPAN接口仍未被使用,PMAC運動控制器的附件39(ACC-39)則提供了一個廉價且有效的解決方案。
              ACC-39是一塊比較簡單的印刷電路板,它是專門為手輪脈沖編碼器或較慢的時基編碼器與PMAC的連接而設計的。ACC-39可以接收各種輸入信號(A&B;A,A/&B,B/等),通常手輪脈沖編碼器的輸出信號一般為A&B型。當將一對A&B編碼器脈沖信號作為其輸入信號時,PMAC接受信號的速率最大為每個伺服周期31個A&B計數脈沖。如果按照默認的伺服刷新頻率2.62KHz計算,輸入信號的最大頻率為62.5KHz(這個輸入頻率早已遠遠超出手輪脈沖編碼器的輸出極限)。在這種刷新頻率下,輸入信號經4倍頻電路提供給PMAC最快為每個伺服周期250000個計數脈沖的信號。值得注意的是,4倍頻電路固定在硬件電路中,不可以被改變。
              ACC-39將手輪脈沖編碼器的輸入信號A&B轉換成+/-脈沖數,并將轉換結果保存為一個8位的二進制數。每一個伺服周期,PMAC通過編碼器轉換表讀取這一結果(結果的格式為并行數據---ParallelData)。對于PMAC-PC、PMAC-LITE和PMAC-VME來說,轉換結果保存在物理地址為Y:$FFC0存儲單元中的8~15位,對于PMAC-STD來說,轉換結果保存在物理地址為Y:$FFFB存儲單元中的0~7位。
              由此可見,通過第二種方式實現手輪脈沖跟隨時,用戶需要設置的參數要比第一種實現方式復雜一些,其實現方法如下:
              (1)編碼器轉換表的設置一般情況下,用戶可以將編碼器轉換表中默認的最后一個入口(Y:$72A)分配給ACC-39。因為ACC-39發送給PMAC的位置信息的數據格式為并行數據,這就要求編碼器轉換表對其進行特殊處理。處理過程共需3行存儲單元(3個入口,Y:$72A、Y:$72B和Y:$72C)。對于PMAC-PC、PMAC-LITE和PMAC-VME來說:Y:$72A的值應為$38FFC0,Y:$72B的值應為$00FF00(只有Y:$FFC0的8~15位數據為有效的位置信息),Y:$72C的值應為$001000(一個可選擇的濾波器,它將編碼器反饋信號輸入速率的最大值限定在4096個計數脈沖/伺服周期)。同樣,對于PMAC-STD來說:Y:$72A的值應為$38FFFB,Y:$72B的值應為$0000FF,Y:$72C的值應為$001000。
              (2)I初始化變量的設定I2的值應為1或3,從而屏蔽掉JPAN接口的控制面板功能。Ix05的值應為$72C(X:$72C)。Ix08的設定同第一種實現方式完全相同。Ix07的值有所改變:對于PMAC-PC、PMAC-LITE和PMAC-VME來說,要想實現1:1的跟隨比例,Ix07的值應為Ix08值的1/8(即跟隨比計算公式變為:從動軸x位移脈沖數=8?(Ix07/Ix08)?主動軸)位移脈沖數;對于PMAC-STD來說,跟隨比的計算公式與第一種實現方式相同。
              在這種實現方式中,同樣可以通過用戶自行編寫的軟PLC程序,對Ix06和Ix07的值進行實時刷新。實現變跟隨比和手輪脈沖跟隨功能的使能。
      2    結語
              手輪脈沖跟隨功能是數控系統必不可少的功能之一。本文提出的手輪脈沖跟隨功能的具體實現方法,可以根據用戶的要求在較寬的范圍內設置位置跟隨精度,并可實時改變位置跟隨比例,適合于不同精度要求的數控系統。
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