閉環(huán)控制是數(shù)控機床提高加工精度的重要方法。其控制精度的高低和響應速度直接決定著數(shù)控系統(tǒng)的加工精度和加工效率。目前，在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中實現(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難題。由于經(jīng)濟型數(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現(xiàn)，因此控制效率不高，實現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制具有相當?shù)碾y度。因此，研究閉環(huán)控制原理，探討新的閉環(huán)控制實現(xiàn)方法，對提高經(jīng)濟型數(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：控制核心將插補計算的理論位置與實際反饋位置進行比較，用其差值去控制進給電機，使實際值與理論值趨于重合，從而消除加工誤差。在經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)中，閉環(huán)控制主要應用于工作臺的直線移動位置控制，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)控制與插補是緊密相關(guān)的，閉環(huán)控制以插補的數(shù)據(jù)為控制基礎。在實際應用中，常用的閉環(huán)控制實現(xiàn)方法主要有：

    1）間接控制方法

    間接控制方法將位置檢測的誤差值加人到插補過程中，通過修改插補數(shù)據(jù)的方法將加工誤差在下一次插補輸出的結(jié)果中得以修正，達到閉環(huán)控制的目的。這是一種軟件閉環(huán)控制方法，控制簡單，易于實現(xiàn)，經(jīng)濟型數(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、響應精度低的缺點，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的誤差值反饋到驅(qū)動系統(tǒng)上，通過專門的硬件電路將其與插補數(shù)據(jù)綜合，形成對伺服電機的二次控制，達到減小誤差的目的。這是一種硬件控制方法，其控制實時性好、響應精度高，但硬件系統(tǒng)復雜，成本高，常用于高精度的數(shù)控系統(tǒng)中。在經(jīng)濟型數(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。在實踐中，我們提出了基于插補緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法。

    2基于插補緩沖區(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、輸出脈沖、反饋等幾個過程，傳統(tǒng)的方法是插補一次，發(fā)出個脈沖，檢測一次誤差。在這種方法下，控制過程是一種順序過程，其中各個環(huán)節(jié)相互制約，因此很難實現(xiàn)誤差的快速響應�；�于插補緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法利用現(xiàn)代先進的多任務并行處理技術(shù)，采用前后臺控制模型來提高閉環(huán)響應速度。其基本原理是：建立一個高速插補緩沖插補區(qū)，插補過程插補出的控制數(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)檢測的誤差數(shù)據(jù)合并處理。然后直接控制伺服電機。在這種方法下。位控過程與插補過程相對獨立，它們僅通過插補緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)傳遞，插補送人數(shù)據(jù)，它是在前臺實現(xiàn)的；位控提取數(shù)據(jù)，它是在后臺實現(xiàn)的。這種前后臺控制模型是一個多任務并行處理過程．它使插補和位控可以不順序?qū)崿F(xiàn)，位控系統(tǒng)可以同時處理多個插補數(shù)據(jù)。而不必等待插補過程的執(zhí)行．因此它可以隨時將誤差數(shù)據(jù)與插補數(shù)據(jù)合并處理，實時地跟蹤誤差，從而可以提高閉環(huán)控制精度。

    插補緩沖區(qū)定義為一個先進先出的數(shù)據(jù)隊列，長度可根據(jù)系統(tǒng)處理速度確定，以一個三軸數(shù)控系統(tǒng)為例，每一個數(shù)據(jù)節(jié)點為一個16位無符號整形數(shù)，格式定義如圖2。

    每個電機的控制數(shù)據(jù)由4位組成，第1、2位確定電機轉(zhuǎn)向：o0為不動；01為正轉(zhuǎn)；10為反轉(zhuǎn)。第3位指定該次進給是誤差補償數(shù)據(jù)還是正常插補數(shù)據(jù)。例如：緩沖區(qū)某個數(shù)據(jù)為0xxxx010x001x000，表示X軸不動，Y軸正向進給，Z軸反向進給。位控系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)送出正確的電機控制字。

    基于插補緩沖區(qū)的閉環(huán)控制方法是由位控系統(tǒng)根據(jù)誤差補償數(shù)據(jù)自動與插補數(shù)據(jù)合并而實現(xiàn)的。例如同樣的插補數(shù)據(jù)，位控任務在發(fā)送給伺服電機之前會根據(jù)誤差數(shù)據(jù)重新設置．假設此時向正向有誤差（未移動夠），位控系統(tǒng)根據(jù)向的控制數(shù)據(jù)進行合并處理，在本例中向不動（x000），合并后變?yōu)閤l01，即使電機正轉(zhuǎn)；如果向本身為反向（x010）．則合并為xl00，即電機不轉(zhuǎn)；如果向本身為正向（x001）則將誤差留到與下一個數(shù)據(jù)進行合并。經(jīng)過這樣的處理之后，位控系統(tǒng)及時地將加工誤差進行樸膳，提高了反饋補償?shù)捻憫�速度。而傳統(tǒng)的間接控制方法是將誤差補償數(shù)據(jù)編人插補算法中，這樣補償被人為地滯后，其響應速度自然降低。

    3實驗

    實驗是在Ⅻ一CXZ300數(shù)控多功能機床上進行的。實驗中所用的閉環(huán)檢測元件是普通金屬光柵尺．其檢測分辨率為0.001mm，Z向電機的脈沖當量為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控制卡讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件采用多任務并行處理技術(shù)中的前后臺控制方法實現(xiàn)，位控模塊采用定時器中斷驅(qū)動運行，插補模塊采用循環(huán)控制方式運行，誤差檢測模塊由閉環(huán)控制卡的硬件中斷驅(qū)動運行。數(shù)控系統(tǒng)使用PID00通用微機做控制核心，插補緩沖區(qū)長度為200。

    實驗分別測試了高速（1500mm／min、2500mm／min）、中速（300mm／min、720mm／min）、低速（18mm／min、60mm／min）下的誤差補償情況，實驗結(jié)果見表1。

    數(shù)據(jù)表明，補償后誤差在0.01～0.03mm之間比沒有反饋補償?shù)恼`差0.02～0.05mm減小了1～2倍（此數(shù)據(jù)于1999年8月通過鑒定時所測），且高速時效果明顯，低速時效果較差，這主要是由于機床本身的精度較低所致。

    4結(jié)論

    實驗結(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)濟型數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制的有效方法。