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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)
0 概述
大部分传统的自动化机械设备采用齿轮，凸轮， 曲柄-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 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C1a 和C2a。数字伺服装置接受控制器发出的位置指令 C1(t)和C2(t)，控制伺服电机产生运动C1a和C2a。 C1(t)和C2(t)由数控系统的函数发生器按如下控 制规律产生：
dC1=ω1×T
dC2=2ω1×I×T （1）
ω1为C1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；dCl和 dC2为每个控制周期C1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：
C1(nT)=C1[(n-1)T]+dC1 (2)
C2(nT)=C2[(n-1)T]+dC2
n=1,2,3…
t=nT
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， Cla轴的位置跟随外部位置指令C2(t)。 C2(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
2.1 电子齿轮
图2a的示例要求轴C1与C2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，Cl与C2轴分别由伺服电机控制。电子齿轮的 控制精度通常可达1／10000一1／50000转，转速可达 5000—20000r／min，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。
2.2 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la和图 1b中的系统均可用来构成电子凸轮。用图 la方法 时，X轴由 C1轴驱动，C轴由 C2轴驱动；用图1b 方法时，X轴由Cl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 Cl(nT)和 C2(nT)，或者根据检测到的 C2 (nT)算出C1(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。
2.3 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—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 lb中数字 同步控制系统中的外部位置指令信号C2＝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Cl＝KX的关系到 达同步点S，并达到与X运动的同步线速度；在S 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。通过系数及的 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。
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 SERCOS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—2010／OWIN。系统组成 如图4。
CH—2010／OWIN硬件采用80486—66以上的工 控PC计算机母板，利用SERCOS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SERCOS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SERCOS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。
SERCOS(Serial Real Time Communication Specification)来源于机床数控技术，1990年由欧洲 主要CNC和伺服系统制造商所提出，其目的是制 定一个CNC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CNC和伺服系统制造商所接受，1995 年成为IECl491国际标准，并且越来越多地被用于 数控机械。
SERCOS接口由一个主站(Master，控制机)和 若干个从站(Slave，伺服，PLC—IO)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2．5Mbit／S，通 讯周期为0．06ms一64ms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
•PLC—IO开关量信号
CH—2010／OWIN所用的电机为交流异步伺服 电机，由Y系列交流异步电机改装而成；功率为0.5——50KW，制造容易，价格低，广泛适用于各种数控机械。
系统软件在WINDOWS3.x或WINDOWS9x操作系统下运行。提供完备的软件接口技术，支持用户界面。可以直接在系统上运行来自其它软件开发商的DOS，WIN3.x和WIN9.X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，SERCOS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。
(摘自《制造业自动化》1999年第6期)
