摘 要：用環(huán)控制是數(shù)控機(jī)床提高加工精度的重要方法。針對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了基于插樸緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法。該方法避免了復(fù)雜昂貴的專用硬件系統(tǒng)，又具有控制簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)有較高的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)；用環(huán)控制；插補(bǔ)；緩沖區(qū) [align=center]Close Loop Control Method Based On Interpolation Buffer in Sample NC System[/align] Abstract: The close loop control is important method for numerical control（NC） machine to promote processing precision. In this paper, the author puts forward the close loop control method based on interpolation buffer. This method has two advantages of easy control and high reponse speed without any special hardwaresystem. It has high practicability in sample NC system. Key words：sample NC system；closed loop control; buffer 閉環(huán)控制是數(shù)控機(jī)床提高加工精度的重要方法。其控制精度的高低和響應(yīng)速度直接決定著數(shù)控系統(tǒng)的加工精度和加工效率。目前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制，是各數(shù)控廠家和數(shù)控工作者面臨的一個(gè)難題。由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)一般是以單CPU為控制核心。大部分的硬件功能均由軟件仿真來實(shí)現(xiàn)，因此控制效率不高，實(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制具有相當(dāng)?shù)碾y度。因此，研究閉環(huán)控制原理，探討新的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的加工性能具有重要意義。 1閉環(huán)控制原理 數(shù)控系統(tǒng)基本的閉環(huán)控制原理是：控制核心將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置進(jìn)行比較，用其差值去控制進(jìn)給電機(jī)，使實(shí)際值與理論值趨于重合，從而消除加工誤差。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，閉環(huán)控制主要應(yīng)用于工作臺(tái)的直線移動(dòng)位置控制，其閉環(huán)控制模型見示意圖圖1[1，2]。 在數(shù)控系統(tǒng)中，閉環(huán)控制與插補(bǔ)是緊密相關(guān)的，閉環(huán)控制以插補(bǔ)的數(shù)據(jù)為控制基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方法主要有： 1）間接控制方法 間接控制方法將位置檢測(cè)的誤差值加人到插補(bǔ)過程中，通過修改插補(bǔ)數(shù)據(jù)的方法將加工誤差在下一次插補(bǔ)輸出的結(jié)果中得以修正，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。這是一種軟件閉環(huán)控制方法，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)由于本身的限制常用此法。不難看出，間接控制方法具有控制滯后、響應(yīng)精度低的缺點(diǎn)，采用這種方法很難提高閉環(huán)控制精度。 2）直接控制方法 直接控制方法將位置檢測(cè)的誤差值反饋到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，通過專門的硬件電路將其與插補(bǔ)數(shù)據(jù)綜合，形成對(duì)伺服電機(jī)的二次控制，達(dá)到減小誤差的目的。這是一種硬件控制方法，其控制實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)精度高，但硬件系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，常用于高精度的數(shù)控系統(tǒng)中。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，提高閉環(huán)精度的有效方法是采用直接控制方法。在實(shí)踐中，我們提出了基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法。 2基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法 數(shù)控系統(tǒng)的加工過程一般要經(jīng)過插補(bǔ)、輸出脈沖、反饋等幾個(gè)過程，傳統(tǒng)的方法是插補(bǔ)一次，發(fā)出個(gè)脈沖，檢測(cè)一次誤差。在這種方法下，控制過程是一種順序過程，其中各個(gè)環(huán)節(jié)相互制約，因此很難實(shí)現(xiàn)誤差的快速響應(yīng)?；诓逖a(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法利用現(xiàn)代先進(jìn)的多任務(wù)并行處理技術(shù)，采用前后臺(tái)控制模型來提高閉環(huán)響應(yīng)速度。其基本原理是：建立一個(gè)高速插補(bǔ)緩沖插補(bǔ)區(qū)，插補(bǔ)過程插補(bǔ)出的控制數(shù)據(jù)存放在此緩沖區(qū)中。位控系統(tǒng)根據(jù)加工速度從此緩沖區(qū)中取出加工數(shù)據(jù)，并與反饋系統(tǒng)檢測(cè)的誤差數(shù)據(jù)合并處理。然后直接控制伺服電機(jī)。在這種方法下。位控過程與插補(bǔ)過程相對(duì)獨(dú)立，它們僅通過插補(bǔ)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，插補(bǔ)送人數(shù)據(jù)，它是在前臺(tái)實(shí)現(xiàn)的；位控提取數(shù)據(jù)，它是在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。這種前后臺(tái)控制模型是一個(gè)多任務(wù)并行處理過程．它使插補(bǔ)和位控可以不順序?qū)崿F(xiàn)，位控系統(tǒng)可以同時(shí)處理多個(gè)插補(bǔ)數(shù)據(jù)。而不必等待插補(bǔ)過程的執(zhí)行．因此它可以隨時(shí)將誤差數(shù)據(jù)與插補(bǔ)數(shù)據(jù)合并處理，實(shí)時(shí)地跟蹤誤差，從而可以提高閉環(huán)控制精度。 插補(bǔ)緩沖區(qū)定義為一個(gè)先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)隊(duì)列，長度可根據(jù)系統(tǒng)處理速度確定，以一個(gè)三軸數(shù)控系統(tǒng)為例，每一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)16位無符號(hào)整形數(shù)，格式定義如圖2。 每個(gè)電機(jī)的控制數(shù)據(jù)由4位組成，第1、2位確定電機(jī)轉(zhuǎn)向：o0為不動(dòng)；01為正轉(zhuǎn)；10為反轉(zhuǎn)。第3位指定該次進(jìn)給是誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)還是正常插補(bǔ)數(shù)據(jù)。例如：緩沖區(qū)某個(gè)數(shù)據(jù)為0xxxx010x001x000，表示X軸不動(dòng)，Y軸正向進(jìn)給，Z軸反向進(jìn)給。位控系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)送出正確的電機(jī)控制字。 基于插補(bǔ)緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法是由位控系統(tǒng)根據(jù)誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)自動(dòng)與插補(bǔ)數(shù)據(jù)合并而實(shí)現(xiàn)的。例如同樣的插補(bǔ)數(shù)據(jù)，位控任務(wù)在發(fā)送給伺服電機(jī)之前會(huì)根據(jù)誤差數(shù)據(jù)重新設(shè)置．假設(shè)此時(shí)向正向有誤差（未移動(dòng)夠），位控系統(tǒng)根據(jù)向的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，在本例中向不動(dòng)（x000），合并后變?yōu)閤l01，即使電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果向本身為反向（x010）．則合并為xl00，即電機(jī)不轉(zhuǎn)；如果向本身為正向（x001）則將誤差留到與下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。經(jīng)過這樣的處理之后，位控系統(tǒng)及時(shí)地將加工誤差進(jìn)行樸膳，提高了反饋補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度。而傳統(tǒng)的間接控制方法是將誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)編人插補(bǔ)算法中，這樣補(bǔ)償被人為地滯后，其響應(yīng)速度自然降低。 3實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)是在Ⅻ一CXZ300數(shù)控多功能機(jī)床上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)中所用的閉環(huán)檢測(cè)元件是普通金屬光柵尺．其檢測(cè)分辨率為0.001mm，Z向電機(jī)的脈沖當(dāng)量為0.01mm。光柵尺安裝在Z軸上，系統(tǒng)通過與光柵尺配套的檢測(cè)控制卡讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件采用多任務(wù)并行處理技術(shù)中的前后臺(tái)控制方法實(shí)現(xiàn)，位控模塊采用定時(shí)器中斷驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，插補(bǔ)模塊采用循環(huán)控制方式運(yùn)行，誤差檢測(cè)模塊由閉環(huán)控制卡的硬件中斷驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。數(shù)控系統(tǒng)使用PID00通用微機(jī)做控制核心，插補(bǔ)緩沖區(qū)長度為200。 實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了高速（1500mm／min、2500mm／min）、中速（300mm／min、720mm／min）、低速（18mm／min、60mm／min）下的誤差補(bǔ)償情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。 數(shù)據(jù)表明，補(bǔ)償后誤差在0.01～0.03mm之間比沒有反饋補(bǔ)償?shù)恼`差0.02～0.05mm減小了1～2倍（此數(shù)據(jù)于1999年8月通過鑒定時(shí)所測(cè)），且高速時(shí)效果明顯，低速時(shí)效果較差，這主要是由于機(jī)床本身的精度較低所致。 4結(jié)論 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在不使用特殊硬件系統(tǒng)的條件下，采用本文提出的閉環(huán)控制方法可以有效地提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度，是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的有效方法。 參考文獻(xiàn) [1]任玉田．機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社。1996.4—6 [2]卓迪仕．?dāng)?shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1997.283—305