活塞環CAD／CAM軟件是活塞環全數控加工的一個重要組成部分。與活塞環仿形車床相比較，活塞環數控車床更能滿足現代產品多品種、小批量、高精度的市場要求。而活塞環CAD／CAM作業是實現快速更換產品型號必不可少的一個環節?；钊hCAD／CAM主要任務是根據不同活塞環的參數及計算模型．自動完成活塞環自由型線數據的計算，對活塞環加工速度和加速度特性進行分析，生成符合活塞環全數控機床加工要求的NC程序。

　　數控系統是數控機床的核心，它是一個實時多任務系統．包括輸入輸出裝置、數控裝置、伺服系統等主要組成部分，其中起著關鍵作用的是數控裝置部分。本文將介紹活塞環數控車床控制系統的設計和開發。

1 活塞環數控加工控制原理

　　活塞環數控機床是利用電子靠模代替原有的機械靠模完成活塞環自由型線的加工。機械靠模的工作原理，它是利用凸輪強制驅刀具完成所需要的運動，凸輪輪廓曲線是根據從動件運動規律進行設計的。若要改變從動件的運動規律，必須重新設計、更換凸輪。它以主軸編碼器所產生脈沖為信息源。通過系統中存儲的電子凸輪來驅動徑向進給電機完成所需的進給運動，通過修改存儲系統內的電子凸輪數據可以很方便的完成各種活塞環型線的加工。

　　因而，在活塞環數控車床加工時，機床主軸的旋轉運動與刀具的徑向進給運動是由電子靠模保持著嚴格的運動關系。此外，為加工出整個活塞環表面．還需要刀具作軸向進給運動，該運動與主軸轉動僅是一種維持勻速進給運動的關系。由此可見，活塞環車床數控系統的選擇側重是如何保證刀具徑向進給運動高速響應工件旋轉運動的能力，尤其是高轉速條件下的響應能力。

2 基于PMAC的開放型數控系統

　　2.1 開放型數控系統

　　從麻省理工學院(MIT)所研制的第一臺數控機床問世至今，數控機床的發展已走過了半個多世紀的歷程，數控系統的性能和可靠性隨著科學技術的發展得到了根本性的提高。

　　從2O世紀90年代開始，微電子技術和計算機技術的發展突飛猛進，PC微機的發展尤為突出，無論是本身軟硬件還是外圍器件的進展日新月異，計算機所采用的芯片集成化程度越來越高，功能越來越強，而成本卻越來越底，原來在中小型機上才能實現的功能現在在微型機上就可以實現。利用PC微機優越性，美國首先推出了基于PC微機的數控系統，IPPCNC系統，它被劃人所謂的第六代開放型數控系統。

　　開放式數控系統的目的是使系統構筑于一個開放的平臺之上，具有模塊化的組織結構，允許用戶根據需要進行選配和集成．能夠自由更改或擴展系統功能，以適應不同的應用需求。開放式數控系統以通用PC機為基礎，構成總線式模塊、開放型、嵌入式的體系結構，為數控設備制造廠和最終用戶進行集成和二次開發給予了有力的支持。此外。開放式數控系統還為用戶提供強大的聯網能力，除了RS232串口通訊外，還帶有遠程緩沖功能的DNC接口，甚至MAP或Ethernet接口，可實現控制器與控制器之間的連接，以及直接連接主機，便于將不同制造廠的數控設備用標準化通信網絡連接起來，促進系統集成化和信息綜合化。使遠程操作、遙控及故障診斷成為可能。

　　基于PC微機的開放式數控系統是當今數控技術的發展方向。目前有三種PC型數控系統結構形式：① 在PC機上增加數控模塊；②在數控系統上增加IPC模塊；③以純PC軟件形式。其中第一種形式，即在PC機中插入CNC運動模塊是一種常見的開放式數控系統的結構形式，如人們常用PC微機+PMAC運動控制器開發開放式數控系統。

　　2.2 PMAC簡介

　　PMAC (Programmable Multi—Axes Controler)是美國Delta Tau公司開發的新一代控制器．它集主機通訊、運動控制、后臺任務處理等基本數控功能于一體。PMAC采用Motorola 56000DSP f數字信號處理器)作為其CPU，由專門的PROM、RAM、EAROM以及IC門陣列電路等組成。PMAC能完成運動控制系統的插補計算、伺服控制、PLC控制等實時任務．并能夠與上位PC機進行實時數據通訊．接收主機發來的各種控制指令并將伺服電機的各種運行狀態、位置信息等返回給主機。

　　在伺服控制過程中，PMAC通過DAC模擬電壓輸出給伺服驅動器實現對伺服運動的控制，同時PMAC可接收0～5V的數字正交編碼器反饋信號實現位置閉環，在PAMC和伺服驅動器之間通過信號轉接板Acc-8P進行連接，除提供高精度的模擬輸出外。還接收編碼器的反饋信號構成閉環或半閉環控制。

　　PMAC主要功能有：強大的伺服控制和插補計算；多軸控制；網絡通訊；與外部事件同步；高分辨率的模擬輸出控制；數據采集和分析；反向間隙和多種誤差補償：軟硬件超行程限位等功能。PMAC的最主要特點也就其軟硬件的全面開放性，它可以適用于各種不同總線、放大驅動器、反饋元件和檢測元件。通過調用PMAC所提供的函數，可在VC、VB等語言編譯器和不同操作系統平臺下，實現應用程序與PMAC的可靠通訊，保證用戶完成對應用程序的開發。

3 機床數控系統

　　所研制的活塞環車床數控系統應具有開放性．以便于機床特有功能的開發。其核心由工控機和主頻為40MHZ的PMAC構成，采用WINDOWS操作平臺，具有刀具補償、提前預處理、以及標準以太網接口等一般高檔數控系統所具有的功能，可以滿足活塞環所要求的高速響應控制精度要求。

　　該數控系統的硬件結構其主機為通用工控機(IPC)，PMAC運動控制器通過ISA總線插槽嵌入PC微機，從而構成主從控制結構形式。PMAC作為從機負責伺服計算、軌跡插補、數據采集、PLC邏輯計算等實時性控制任務：主機擁有豐富的軟硬件資源，負責完成人機交互、網絡通訊功能。IPC與PMAC主從機之間通過雙端El RAM(DPRAM)實現數據交換，從而具有高速的數據通信能力，共同協調完成控制任務。

4 基于時基的“電子靠模"的設計

　　活塞環數控車床需要通過電子靠模代替通常的硬靠模完成活塞環自由型線的加工。必須使主軸旋轉編碼器所采集的機床主軸角度信息和直線電機的徑向位移匹配起來，這是活塞環數控車床首先需要解決的問題。PMAC具有與外部事件同步控制功能，即時基控制，也稱電子凸輪，它是通過由外部采集輸入信號的頻率來控制所要求運動的速度。對于本機床數控系統而言，通過主軸編碼器采集的角度信號來控制X軸(直線電機)的執行，即主軸每旋轉一個角度。要求X軸直線電機運動到指定的距離，直線電機運動速度受主軸轉動速度控制。

　　在基于時基的控制中，PMAC將位置運動軌跡表述為主位置的函數，而不是時間的函數。在本機床控制系統中，主軸旋轉運動不受PMAC控制，但希望將受PMAC控制的X軸運動軌跡表示成主軸運動的函數．也就是說X軸運動軌跡與主軸轉動的角度一一對應。實際做法為，先定義主軸位置傳感器的實時輸入頻率(RITF)，其單位為每毫秒步，例如設RITF為32每毫秒步，表示程序運行1毫秒時，主軸旋轉32步。若主軸編碼器每轉有4096脈沖．數控系統采用4倍頻。則主軸在每毫秒實際轉過了32*360／(4096*4)角度。定義了外部實時輸入頻率后，就可以將X軸的運動軌跡與該主軸轉過的角度聯系起來。

　　雖然基于時基的控制可以使從動軸和主軸保持良好的同步，但對于活塞環車削還存在一個相位問題．即主軸上某相位點應與X進給軸某一位置點相對應。為此，我們使用了主軸編碼器的基準點來觸發時基．在觸發之前凍結時基，當觸發器捕捉了主軸基準點開始觸發時基，這樣就可以使時基的觸發與主軸的相位保持良好的同步。

　　通過上述分析，對PMAC特定變量進行設置以及所需PLC程序的編寫，可以很好的啟動PMAC電子凸輪的功能，滿足活塞環加工的特定要求。表l為本機床數控系統所采用的電子靠模的存儲結構。

　　歸納上述，本機床基于時基的電子靠模程序設計步驟如下：

　　第一步：信號解碼給PMAC輸入的信號必須是某一個增量編碼器輸入正交信號或一個脈沖和方向信號，通過定義PMAC的I變量選擇解碼方式

　　第二步：插補與時基設置通過對PMAC系統I變量的設置，使系統啟動電子凸輪的控制模式。

　　第三步：編寫運動程序編寫使用觸發時基的運動程序，使所有從動控制軸停止在等待觸發點上，在未被觸發前，時基必須被凍結，以防止開始運動。

　　第四步：準備觸發器為了使系統可靠的執行．運動控制程序不能啟動觸發器，而必須通過PLC程序來準備觸發，這樣保證在程序計算未進行完之前不可能產生時基的觸發。

　　第五步：開始觸發一旦觸發器準備完畢．PMAC就等待主編碼器的基點信號的到來。以使時基程序的觸發。

5 基于PMAC的直線電機速度／加速度前饋控制

　　PID調節是自動控制中最早產生的一種控制方法，其在工業生產過程中的應用已有幾十年的歷史，作為一種最基礎最主要的調節方式。PID調節控制簡單且效果顯著．在本系統中將在PMAC中引入PID調節，以獲得良好的穩態性能和動態性能。

　　5.1 傳統PlD控制器基本原理簡介

　　PID(Proportional、Integral and Differentia1)控制是最早發展起來的控制策略之一，它以算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優點而被廣泛應用于工業過程控制中。

　　系統主要由PID控制器和被控對象組成。作為一種線性控制器，它根據設定值Y (t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量U(t)，對被控對象進行控制?？刂破鞯妮斎胼敵鲫P系可描述為。

　　在系統中，比例作用的引入是為了及時成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，以最快速度產生控制作用．使偏差向減小的方向變化。增加比例增益可以提高系統的開環增益，提高響應速度，但K 過大，會造成閉環系統不穩定，導致系統振蕩比較嚴重，超調量增大。

　　積分控制能對誤差進行記憶并積分，有利于消除穩態誤差，提高系統的穩態性能。但在設計過程中如果使積分值過大．將會使系統的過渡過程變長。微分具有超前作用，能抑制超調，對于大的遲滯系統．引入微分控制對于改善系統的動態性能有顯著的效果。但在設計過程中如果使微分控制量過大，將會使系統的響應速度變慢。

　　5.2 基于PMAC的直線電機速度／加速度前饋控制

　　傳統的PID控制策略在交流伺服系統中得到了廣泛的應用，但在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮到對象結構與參數變化、各種非線性的影響、運行環境的改變以及環境干擾等不確定因素，才能得到滿意的控制效果。

　　在采取各種控制方法時，基于對對象模型結構的認識．必須從直線交流伺服電動機傳動系統是一個具有高度快速性的動態系統這一具體對象特征出發，不可能在非常短暫的動態調節過程中實現十分復雜的控制算法。同時，要針對產生擾動的不同原因的特殊性．采用相應見長的控制策略。伺服系統另一個重要性能就是其對指令的跟蹤能力，在理想情況下。輸出能無延遲、無超調地跟蹤指令的變化。一個成功的控制策略，必須針對具體對象的特點，在滿足主要要求的同時，兼顧跟蹤能力和抗擾能力。

　　在這種情況下，考慮到PMAC強大的伺服控制功能，在傳統的PID控制算法的基礎上，再加上速度和加速度的前饋，用速度前饋來減小由于阻尼帶來的跟隨誤差，用加速度前饋來補償由于慣性帶來的跟隨誤差，同時加上陷波濾波器來防止諧振，以抵消共振，正是基于上述的分析，提出了基于PMAC的直線電機速度／力Ⅱ速度前饋控制，控制結構圖

　　在圖中，Kp是比例增益，Kd是微分增益，Ki是積分增益，Kvff提速度前饋增益，Kaff提加速度前饋增益。

6 結束語

　　本文介紹了活塞環數控車床的控制系統設計方案，為非圓產品的高速加工提供了控制系統解決方案。