数控滚齿运动控制卡研究
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摘要
运动控制卡是连接数控系统与伺服机构之间的桥梁,在数控机床中起着重要的作用,随着计算机技术的快速发展,基于PC (Industrial Personal Computer)构架的开放式数控结合运动控制卡的数控解决方案,成发研究与开发高性能数控机床一种有效手段。
齿轮是机械传动中重要的基础组件,然而齿轮参数众多,高精度齿轮制造困难、效率低。为解决齿轮加工中难、精度低的问题,设计一个用于齿轮加工的运动控制卡实现数控加工数控化成为一种有效的办法。齿形加工精度是齿轮加工的重要标准,也是反映齿轮制造水平的标志,为保证齿轮的精确形成,把齿轮加工中的所必要的机械传动链,用运动控制卡中电子齿轮箱件来实现,这也是用于齿轮加工的运动控制卡的关键技术。
论文首先分析了滚齿机床的运动关系与滚齿的数学模型,并且推导了非圆齿轮的数学模型。根据齿轮机床的特点,在滚齿数控化过程中把软件与硬件结构起来,提高机床的柔性。为提高滚齿首末端件的“内传动”关系,数控滚齿机床采用电子齿轮箱代替机床齿轮的内传递链,然而在国内尚无商品化的用于齿轮加工的电子齿轮箱,本文用可编程逻辑控制器件(FPGA)设计滚齿用电子齿轮箱。在分析电子齿轮箱结构类型基础上,采用跟踪式电子齿轮箱结构,为提高电子齿轮箱的传动精度,电子齿轮箱采用锁相环的技术。并讨论了非圆齿轮加工的一个关键问题,为解决非圆齿轮的加工中变速比传动,在分析运动关系的基础之上在运动控制卡中设计了一个基于FPGA嵌入式系统,负责非圆齿轮加工中的传动比的刷新,并对关键模块进行了电路波形的Quartus II时序仿真。
在分析滚齿功能基础上设计基于PcI接口的DSP+FPGA模式的滚齿运动控制卡的硬件结构,该方案通用性好,易于软件升级,伺服采用带前馈的PID复合控制的办法,反馈编码器采用四倍频设计提高普通编码器的检测精度。
Motion control card was the bridge between CNC system and the servo system, Which play an important role in the CNC machine. With the rapid development of the open CNC system based on IPC (Industry Personal Computer) architecture combine the motion control card providing a rapid and efficient way to develop a high performance CNC machine.
Gears serve as the important fundamental parts in machines transmission, but high precision gear were manufactured difficult and inefficient because of the gear's complicated parameters. To solve this problem it is an efficient way to design a motion control card for gear hobbing in which the indispensable inner-linked transmission chain relation were replaced by EGB (electronic gear box). Thus, The EGB is the key technology in motion control card for gear hobbing.
Firstly, the motion principles of hobbing machine were analyzed and the mathematic formulas were deduced including non-circular gear. According to the hobbing machine's feature to improve the transmission accuracy EGB was employed to replace the mechanical gear transmission chain. Since there is no EGB available in china. In this paper the EGB was implemented by a FPGA(Field Programmable Gate Array), After the EGB type analyzed the B-axis signal tracing type was taken, meanwhile the PLL (Phase lock loop) concept was also taken into EGB, Second the timing sequence of EGB were simulated based on Quartus II software. Since no-circular gears are used widely in industry, Thus the EBG for non-circular gear hobbing was also discussed. The embedded system was design in charge of the transmission ratio refreshment to meet the requirement of non-circular gear hobbing caused by the polar axis length change.
At last the blue print of motion control card was designed based on PCI-bus and DSP+FPGA mode was adopted. This approach has been proved of good adaptability and easiness of software update. The discrete PID method incorporate with feedforward control model were taken and implemented by FPGA.To improve speed detect precision the feedback signal come from encoder were quadrupled in motion control card.
齿轮是机械传动中重要的基础组件,然而齿轮参数众多,高精度齿轮制造困难、效率低。为解决齿轮加工中难、精度低的问题,设计一个用于齿轮加工的运动控制卡实现数控加工数控化成为一种有效的办法。齿形加工精度是齿轮加工的重要标准,也是反映齿轮制造水平的标志,为保证齿轮的精确形成,把齿轮加工中的所必要的机械传动链,用运动控制卡中电子齿轮箱件来实现,这也是用于齿轮加工的运动控制卡的关键技术。
论文首先分析了滚齿机床的运动关系与滚齿的数学模型,并且推导了非圆齿轮的数学模型。根据齿轮机床的特点,在滚齿数控化过程中把软件与硬件结构起来,提高机床的柔性。为提高滚齿首末端件的“内传动”关系,数控滚齿机床采用电子齿轮箱代替机床齿轮的内传递链,然而在国内尚无商品化的用于齿轮加工的电子齿轮箱,本文用可编程逻辑控制器件(FPGA)设计滚齿用电子齿轮箱。在分析电子齿轮箱结构类型基础上,采用跟踪式电子齿轮箱结构,为提高电子齿轮箱的传动精度,电子齿轮箱采用锁相环的技术。并讨论了非圆齿轮加工的一个关键问题,为解决非圆齿轮的加工中变速比传动,在分析运动关系的基础之上在运动控制卡中设计了一个基于FPGA嵌入式系统,负责非圆齿轮加工中的传动比的刷新,并对关键模块进行了电路波形的Quartus II时序仿真。
在分析滚齿功能基础上设计基于PcI接口的DSP+FPGA模式的滚齿运动控制卡的硬件结构,该方案通用性好,易于软件升级,伺服采用带前馈的PID复合控制的办法,反馈编码器采用四倍频设计提高普通编码器的检测精度。
Motion control card was the bridge between CNC system and the servo system, Which play an important role in the CNC machine. With the rapid development of the open CNC system based on IPC (Industry Personal Computer) architecture combine the motion control card providing a rapid and efficient way to develop a high performance CNC machine.
Gears serve as the important fundamental parts in machines transmission, but high precision gear were manufactured difficult and inefficient because of the gear's complicated parameters. To solve this problem it is an efficient way to design a motion control card for gear hobbing in which the indispensable inner-linked transmission chain relation were replaced by EGB (electronic gear box). Thus, The EGB is the key technology in motion control card for gear hobbing.
Firstly, the motion principles of hobbing machine were analyzed and the mathematic formulas were deduced including non-circular gear. According to the hobbing machine's feature to improve the transmission accuracy EGB was employed to replace the mechanical gear transmission chain. Since there is no EGB available in china. In this paper the EGB was implemented by a FPGA(Field Programmable Gate Array), After the EGB type analyzed the B-axis signal tracing type was taken, meanwhile the PLL (Phase lock loop) concept was also taken into EGB, Second the timing sequence of EGB were simulated based on Quartus II software. Since no-circular gears are used widely in industry, Thus the EBG for non-circular gear hobbing was also discussed. The embedded system was design in charge of the transmission ratio refreshment to meet the requirement of non-circular gear hobbing caused by the polar axis length change.
At last the blue print of motion control card was designed based on PCI-bus and DSP+FPGA mode was adopted. This approach has been proved of good adaptability and easiness of software update. The discrete PID method incorporate with feedforward control model were taken and implemented by FPGA.To improve speed detect precision the feedback signal come from encoder were quadrupled in motion control card.
引文
[1]蒋丽主编.数控原理与系统[M].北京：北京航空航天大学出版社,2010.2
[2]《齿轮制造手册》编辑委员会.齿轮制造手册[M].北京：机械工业出版社,1998.3
[3]杜建铭,吴宏,吴序堂.基于DSP的开放式滚齿系统的设计[J].制造技术与机床,2003.12：74-76
[4]Cylindrical Gear Solutions. http://www.gleason.com[DB/OL].
[5]曹东锋,张根保,黄强等.零传动滚齿机内联传动技术研究及实现[J].机械设计与制造,2008(5)：216-218
[6]Sinumerik 840Dsl/840Di sl/840D/840Di/840D.Special Functions Manual [DB/OL]. www.automation.Siemens.com
[7]Faydor L.Litvin, Alfonso Fuentes. Gear Geometry and applied Theory [M]. Cambrigde University Press,2004
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[10]谭伟明,胡赤兵,阎树田,田保仓.齿轮切削加工CNC系统[J].制造技术与机床,1997.10：13-15
[11]肖本贤.锁相伺服技术及其在CNC机床中的应用[J].微电机1999(32)3：21-23
[12]胡赤兵,谭伟明,侯启真等.数控齿轮加工中的技术关键[J].甘肃工业大学学报,1997(6)：46-49
[13]彭文实.数控磨齿机伺服系统的研究[合肥工业大学硕士学位论文].合肥：合肥工业大学,1998.4
[14]谭伟明,胡赤兵,阎树田.基于电子齿轮原理的滚齿加工CNC系统的联动结[J].中国机械工程,1998,9(5)：42-44
[15]谭伟明,胡赤兵,魏周宏.非圆齿轮滚齿加工CNC联动结构[J].中国机械工程[J[.1998,9(8)：24-27
[16]Kiam Heong, Gregory Chong, PID Control System Analysis, Design, and Technology[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology.VOL. 13,NO.4JULY 2005
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[21]费继友,代明匣.基于PMAC运动控制器的伺服电机同步控制系统[J].大连理工大学学报,2010.2：41-43
[22]姜培刚,盖玉先主编.机电‘体化系统设计[M].北京机械工业出版社,2007
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[30]Hidekazu Machida and Fuminori Kobayashi. PLL/PID motor control system by using time-domain operation of PWM signal [J].Kagawa University SICE Annual Conference 2007, Japan
[31]薛峰,吴捷.锁相技术在电机调速系统中的应用概述[J].微电机,1993(3)：26-29
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[35]庄磊.电子齿轮箱关键控制技术及其应用研究[南京航空航天大学博士学位论文].南京：南京航空航天大学,2001.1
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[43]周殿凤,康素成,王俊华.基于FPGA的任意数值分频器的设计[J].信息化研究,2010(02)：59-61
[44]朱小莉.基于DSP技术的运动控制的研究与开发[华中科技大学硕士学位论文].武汉：华中科技大学,2007.5
[45]桂蔓村.基于DSP技术的运动控制的研究与开发[上海交通大学硕士学位论文].上海：上海交通大学,2004.1
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[48]李方慧,王飞,何佩琨.TMS320C600系歹(?)DSPs原理与应用(第2版)[M].北京：电子工业出版社,2003.1
[49]TMS320C6000 DSP External Memory Interface(EMIF) Reference Guide.Texas Instruments. April.2008
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[57]王刚,张潋.基于FPGA的SOPCI嵌入式系统设计与典型实例[M].北京：电子工业 出版社,2009
[58]ALTERA采用集成FPGA设计流程优化电机控制设训www.altera.com,2011.4
[59]吕师师.数控滚齿机嵌入式零编程系统的研制[重庆大学硕士学位论文].重庆重庆大学,2006.5
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[62]罗敏峰.基于CAN和嵌入式Linux(?)勺非圆齿轮数控滚切加工系统[J].福建工程学院学报,2008.6：49-52
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