工艺·装备 《电加工与模具》2008年第6期 栅,可直接实现大行程的精密运动 构大部分为一维运动结构,半导体制造技术中的大 2.4系统模块通信 部分为XY的三轴结构。由于我们目前讨论的是 工件的控制模块主要有三部分:数控系统、超微控制系统基本结构,主要解决二级运动的协调问题, 细电火花加工电源和电火花加工头,它们有自己的所以可借鉴以上两种技术采用的基本控制结构,而 协同要求,互相之间还要保持一定的通信功能,完成控制系统的具体设计方案,要根据我们的实际系统 协同工作任务。 特性进行设计。 XYZ的伺服控制的要求较高,XY方向不但可 各运动台的控制系统采取不同的输入、输出和 实现一个方向的步进,另一个方向的扫描,且可实现反馈信息引入的位置(即不同的控制结构方案),会 平面内的任意曲线的伺服控制。Z向可实现步进控产生不同的运动效果。如图3所示,系统G1(s)代 制,并也要实现伺服控制。4 表粗动台系统,G2(s)为精动台系统,目标参考输入 当检测到短路时,向运动子系统发出中断申请,为精动台系统输入,精动台输出作为粗动台的输入 使z向退回,此时要求能记录下XYZ的位置,此时最终运动为粗动台和精动台的合成 XY方向要停止运动,当Z向再次回位时,继续加 G1! 超微细电火花加工头在任何时候,都可接受外 部的一个中断申请,控制加工头是否放电,且与 XYZ相配合。最重要的是,因超微细电火花加工 间隙控制非常严格,加工头的压电陶瓷驱动装置的 G2(s) 个重要任务就是和电源协同,通过电源信号判断 当前的间隙距离,然后对放电间隙进行伺服动作 2.5数控系统的选择 图3串联系统原理图 控制系统的结构组成,主要参考目前多轴数控 系统目标输人,精动台运动,当精动台与粗动台 加工中心和并联机床的控制系统。系统硬件采用的相对位置超出预定范围还未达到目标点时粗动 “一台PC+若干计算单元”的主从式控制结构,计算台则运动一段距离,精动台再进行调整,直到输出与 单元由单片机、PLC、DSP担任。主机是系统软件的输入的误差为零。当采用压电式的精动台时,压电 硬件支撑,并负责一些数字逻辑控制。从机的计算陶瓷驱动的精动台伸长一定长度还不能达到目标位 单元,主要负责运动控制相关的逻辑计算。这样分置,则令粗动台开始运动,压电陶瓷恢复原长后,再 工的目的是为了保障运动差补速度和运动精度 根据目标点进行调整。 数控系统软件功能包括系统管理(文本编辑、诊2.52平行结构控制 断模块、参数设定、补偿模块、仿真模块)实时多任 此方案具有以下特点:以精动台的运动为主运 务调度系统、运动学算法相关(位置逆解、位置正解、动粗动台弥补精动台行程短的缺点利于伸缩原理 速度模型、精度模型)、轨迹控制(伺服驱动、实时监的微型驱动器的应用,总体稳态精度较高。运动切 控、通讯模块,插补模块)。前两部分由主机完成,后换点多,运动速度慢,系统动态性能不好。 两部分主要由从机完成。 系统动态性能较差,随动性能不好。系统精度 轴和多轴运动目前多采用运动控制卡或运动取决于全闭环反馈,如不能实现大行程全闭环,粗精 控制器实现。这些运动控制卡或控制器目前多采用两套反馈不能保证整体精度 开放式设计,通过编程控制电机实现多轴联动。通 系统属于一个平行结构,系统目标同时输入粗 过程序输入目标点或曲线,由控制器内部算法生成动和精动系统。粗动和精动控制器通过判断输出位 各轴电机的控制信号。部分运动控制卡,提供可选移与目标值误差e的大小来产生运动。当c远远大 的位置环或速度环反馈 于粗动台的精度时,让粗动控制器令粗动台开始运 2.5.1二级传动控制 动,精动台不动。当e接近粗动台的精度并小于精动 目前釆用二级定位结构的主要是光盘存储技术台的行程时,令粗动台停止运动精动台开始运动。 和半导体制造技术,光盘存储技术中的二级定位结 系统逻辑结构简单,便于今后的具体控制算法工 艺·装备 《电；0~n-与模具)2008年第6期 栅 ，可 直接 实现大 行程 的精 密运 动 。 2．4 系统模 块通 信 工件 的控制模 块 主要 有三部 分 ：数控 系统 、超微 细电火 花加工 电 源 和 电火 花 加 工 头 ，它们 有 自己 的 协 同要 求 ，互 相之 间还 要保持 一定 的通 信功 能 ，完成 协 同工作任 务 。 XYZ的伺 服控制 的要 求较 高 ，XY 方 向 不但 可 实现 一个方 向的步进 ，另一 个方 向的 扫描 ，且可 实现 平面内的任意曲线的伺服控制。z向可实现步进控 制 ，并 也要 实现伺 服控 制 。H 当检 测到短 路时 ，向运 动子 系统 发 出中断 申请 ， 使 Z 向退 回，此时要 求能记 录下 XYZ 的位 置 ，此 时 XY方 向要 停 止 运 动 ，当 z 向 再 次 回位 时 ，继 续 加 工 。 超微 细 电火 花 加工 头 在任 何 时 候 ，都 可 接受 外 部的一 个 中断 申请 ，控 制 加工 头是 否 放 电，且 与 XYZ相配 合 。最重要 的是 ，因超 微细 电火 花 加工 的 间隙控 制非 常严 格 ，加 头 的压 电陶瓷 驱 动装 置 的 一 个重 要任 务就 是 和 电源 协 同 ，通 过 电源 信 号 判 断 当前 的间 隙距离 ，然后对 放 电间 隙进行伺 服 动作 。 2．5 数 控 系统 的选择 控 制 系统 的结 构组 成 ，主 要 参考 目前 多轴 数 控 加工 中心 和 并 联 机 床 的控 制 系统 。系 统 硬 件 采 用 “ 一 台 PC+若 干计算 单元 ”的主从式 控制 结构 ，计 算 单 元 由单 片机 、PLC、DSP担 任 。主机是 系 统 软件 的 硬件支撑，并负责一些数字逻辑控制。从机 的计算 单 元 ，主要负 责运 动 控 制 相关 的逻 辑 计算 。这 样 分 工 的 目的是 为了保 障运 动差补 速度 和运 动精 度 。 数 控系统 软件 功能包 括 系统管 理 (文本 编辑 、诊 断模 块 、参数设 定 、补 偿 模块 、仿 真模 块 )、实 时 多 任 务 调度 系统 、运 动学 算法 相关 (位置 逆解 、位 置正解 、 速度 模 型 、精度 模 型 )、轨 迹 控 制 (伺 服 驱 动 、实 时监 控 、通讯模 块 ，插 补模 块 )。前两 部分 由主机完 成 ，后 两部 分 主要 由从 机完 成 。 三轴 和多轴 运 动 目前 多采 用运 动控制 卡 或运 动 控制 器实 现 。这 些运 动控 制卡或 控 制器 目前 多采用 开放式 设计 ，通 过 编 程 控制 电机 实 现 多轴 联 动 。通 过程序输入 目标点或曲线 ，由控制器 内部算法生成 各轴电机的控 制信号。部分运动控制卡，提供 可选 的位置 环或 速度 环反 馈 。_5 2．5．1 二级传动控制 目前采用 二 级定 位结 构的 主要是 光盘 存储 技术 和半 导体 制造 技术 ，光 盘存 储 技 术 中的 二 级 定位 结 构大部 分为一 维 运 动结 构 ，半 导 体 制 造技 术 中的 大 部 分为 XY0的三 轴 结 构 。 由于 我 们 目前 讨 论 的 是 控制 系统基 本结 构 ，主要解 决二级 运动 的协 调 问题 ， 所 以可借 鉴 以上 两 种技 术 采 用 的基 本 控 制 结 构 ，而 控 制系统 的具 体 设 计方 案 ，要 根 据 我们 的实 际 系 统 特性进 行设计 。 各 运 动 台 的控 制 系统 采 取不 同的输 入 、输 出和 反 馈信 息 引入 的 位置 (即不 同 的控 制结 构 方 案 )，会 产生不 同的运 动 效 果 。如 图 3所 示 ，系统 G1(S)代 表 粗动 台系统 ，G2(s)为 精 动 台系统 ，目标 参 考输 入 为精动 台 系统 输 入 ，精 动 台输 出作 为粗 动 台的输入 ， 最 终运 动为粗 动 台和精 动 台的合 成。 ] l } 一L—]；+ 图 3 串联 系 统 原 理 图 系统 目标 输入 ，精动 台运 动 ，当精 动 台与粗 动 台 的相 对位置 超 出 预定 范 围 还未 达 到 目标 点 时 ，粗 动 台则 运动 一段 距离 ，精动 台再 进行调 整 ，直 到输 出与 输入 的误差 为 零 。 当采 用 压 电式 的精 动 台时 ，压 电 陶瓷驱 动的精 动 台伸长 一定 长度还 不能达 到 目标位 置 ，则 令粗 动 台开 始运 动 ，压 电 陶瓷恢 复原 长 后 ，再 根据 目标 点进 行调 整 。 2．5．2 平 行结 构控 制 此方 案 具有 以下 特 点 ：以精 动 台 的运 动 为 主运 动 ，粗 动 台弥补 精动 台行 程短 的缺点 ，利 于伸缩 原理 的微型驱动器的应用 ，总体稳态精度较高。运动切 换点 多 ，运 动速 度慢 ，系统 动态性 能不 好 。 系统 动态性 能较 差 ，随 动 性 能不 好 。 系统 精 度 取决 于全 闭环反 馈 ，如不 能实现 大行 程全 闭环 ，粗精 两套 反馈不 能保 证整 体精 度 系统 属 于一 个 平 行 结构 ，系统 目标 同时 输入 粗 动和 精动 系统 。粗 动和精 动控制 器通 过判 断输 出位 移与 目标值误差 e的大小来产生运动。当 e远远大 于粗动 台 的精 度 时 ，让 粗 动 控 制 器 令粗 动 台开 始运 动 ，精动 台不动 。当 接 近粗动 台的精度 并小 于精动 台的行程 时 ，令 粗动 台停止 运动 ，精动 台开始运 动。 系统 逻辑 结 构 简 单 ，便 于今 后 的具 体 控制 算 法 一 63 —