王莉

摘 要：在對(duì)高精度機(jī)械設(shè)備的加工過程中，機(jī)械振動(dòng)是最為主要的一類影響因素，使系統(tǒng)工作遠(yuǎn)離共振頻率，能夠極大促進(jìn)加工精度的提升。而機(jī)械分析器最為核心的應(yīng)用途徑便是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)共振頻率進(jìn)行測(cè)定，從而更加方便的對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)以確保加工性能的最優(yōu)化。本文首先分析了機(jī)械振動(dòng)與頻域，而后就硬件恢復(fù)仿真方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并最終提出了機(jī)械分析器設(shè)計(jì)的具體方案措施。

關(guān)鍵詞：硬件；回路仿真；數(shù)控系統(tǒng)；機(jī)械分析器

在數(shù)據(jù)系統(tǒng)的發(fā)展過程中高精度的加工一直是人們所追求的主要目標(biāo)之一，同時(shí)也是發(fā)展的主流趨勢(shì)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)振動(dòng)問題長期以來都是對(duì)高精度加工產(chǎn)生影響的核心要素之一，要想提升數(shù)控系統(tǒng)加工精度，就必須要設(shè)置以適當(dāng)?shù)乃欧?shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸參數(shù)，以免機(jī)床發(fā)生大幅度的共振。

機(jī)械分析器最為主要的作用即為對(duì)伺服系統(tǒng)共振頻率的測(cè)量，從而促使對(duì)伺服調(diào)整能夠達(dá)到最佳性能。當(dāng)前國內(nèi)在這一方面的研究還相對(duì)較少，因此就展開相關(guān)的研究工作便具有極其重要的作用與價(jià)值，應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)從業(yè)人員的重視與思考，據(jù)此，下文將基于硬件在回路的數(shù)控系統(tǒng)機(jī)械分析器設(shè)計(jì)工作展開具體的探究。

一、機(jī)械振動(dòng)與頻域

目前在加頻率基本等同于伺服電機(jī)固有頻率之時(shí)，伺服系統(tǒng)更易發(fā)生共振現(xiàn)象，并由此將會(huì)對(duì)加工精度產(chǎn)生重大的影響，對(duì)此便需盡量規(guī)避數(shù)控系統(tǒng)處于共振頻率附近。在數(shù)控系統(tǒng)遭受頻率為W的正弦信號(hào)激勵(lì)之時(shí)，相應(yīng)的系統(tǒng)輸出則依舊為正弦信號(hào)，同時(shí)振動(dòng)幅度以及所對(duì)應(yīng)的相位將會(huì)受到信號(hào)頻率的改變而產(chǎn)生一定的變化，最終的變化結(jié)果將會(huì)受到系統(tǒng)傳遞函數(shù)變動(dòng)幅度以及相角情況的影響。在W接近某一頻率之時(shí)，系統(tǒng)的輸出會(huì)發(fā)生較大幅度的改變，也就是出現(xiàn)共振；在共振超出最大W值即為系統(tǒng)的共振頻率。利用這一原理，便能夠針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的共振頻率予以檢測(cè)評(píng)定。

二、硬件回路仿真方法

一般較常應(yīng)用的控制系統(tǒng)仿真，是將控制系統(tǒng)模型作為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)模型來取代具體的控制系統(tǒng)，針對(duì)控制系統(tǒng)采取相關(guān)的探究工作。數(shù)控系統(tǒng)硬件位于回路仿真系統(tǒng)時(shí)，可采用工程樣機(jī)來取代部分模型，通過仿真計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)其他部分模型的求解與測(cè)算，仿真計(jì)算機(jī)能夠利用模擬接口、數(shù)字接口以及網(wǎng)絡(luò)接口等和工程樣機(jī)產(chǎn)生閉環(huán)系統(tǒng)。在此過程當(dāng)中仿真計(jì)算機(jī)能夠應(yīng)用個(gè)人電腦或是性能較高的工控機(jī)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真系統(tǒng)費(fèi)用支出的大幅度削減。在硬件回路仿真當(dāng)中，鑒于部分實(shí)物模型的應(yīng)用，減少了電機(jī)等較為復(fù)雜設(shè)備的軟件模擬，大大降低了開發(fā)周期，提升了模擬的精確性。硬件回路模擬仿真在電機(jī)以及自動(dòng)模型控制中也有較多的應(yīng)用。

三、機(jī)械分析器設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與工作流程

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于Scilab環(huán)境之下，其中主要就包括了用戶程序、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生與反饋信號(hào)分析、實(shí)時(shí)通訊協(xié)議以及接口卡驅(qū)動(dòng)等部分所共同構(gòu)成。

而在硬件部分當(dāng)中則采用了現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)方式，于工控機(jī)之中嵌入PCI總線接口卡，利用工業(yè)以太網(wǎng)方式同伺服電機(jī)所互相連接起來。其具體的工作流程為：用戶設(shè)定出振動(dòng)參數(shù)值，其原則為不會(huì)對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。軟件模擬生成頻率由1Hz直至最大振動(dòng)頻率的正弦波信號(hào)，在每一頻率的信號(hào)均通過等時(shí)距離進(jìn)行采集，而針對(duì)電機(jī)的運(yùn)行速度命令則利用總線結(jié)構(gòu)直接發(fā)送至伺服電機(jī)當(dāng)中，同時(shí)采集電機(jī)的具體運(yùn)行速度并作出相應(yīng)的反饋。針對(duì)每一頻率采樣點(diǎn)波段形態(tài)以及反饋點(diǎn)的波段形態(tài)，制定出振動(dòng)特點(diǎn)曲線圖，進(jìn)而尋找出系統(tǒng)共振頻率值。

（二）軟件解決方案

1.Linux2.6

這一系統(tǒng)內(nèi)核在對(duì)內(nèi)核模塊的加載及導(dǎo)出之時(shí)均相較于前一代2.5內(nèi)核系統(tǒng)有所提升，有效的避免了針對(duì)正在應(yīng)用過程當(dāng)中內(nèi)核模塊錯(cuò)誤操作的有效預(yù)防，解決了因?yàn)橛脩翦e(cuò)誤執(zhí)行操作而導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰情況。并且同前一代2.5相比，其內(nèi)核在可拓展性及容量方面均有了較大幅度的提升。

2.RTAI

RTAI系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與Linux系統(tǒng)的完美結(jié)合，具備較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，尅實(shí)現(xiàn)對(duì)商用系統(tǒng)性能的充分滿足，并符合數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求同時(shí)可成功應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作當(dāng)中。并且，RTAI能夠較為方便的和內(nèi)核以及用戶空間碎石進(jìn)行任務(wù)合并。RTAI所提供的FIFO管道以及共同分享內(nèi)存同Linux用戶空間之中的進(jìn)程互為通信，并利用這一方式，可及時(shí)將所獲得的數(shù)據(jù)信息傳送至用戶控件，并促使非實(shí)時(shí)性的進(jìn)程能夠針對(duì)數(shù)據(jù)信息繼續(xù)采取后續(xù)處置。

3.硬件驅(qū)動(dòng)

Linux系統(tǒng)能夠?qū)⒂布O(shè)備映射成一類文件，也就是對(duì)文件進(jìn)行處理，同時(shí)給予每個(gè)設(shè)備配置一項(xiàng)主設(shè)備號(hào)以及次設(shè)備號(hào)作為特殊標(biāo)志。在用戶對(duì)設(shè)備采取操作之時(shí)，內(nèi)核便會(huì)依據(jù)設(shè)備號(hào)及類型查找有關(guān)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)由用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為核心態(tài)，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)程序判定設(shè)備的次設(shè)備號(hào)，并完成有關(guān)操作。

（三）硬件解決方案

在此次研究所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中硬件設(shè)備主要就包括了工控機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接口卡、現(xiàn)場(chǎng)總線以及伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)與主軸等多項(xiàng)硬件設(shè)備，現(xiàn)具體分析如下：1）工控機(jī)：應(yīng)用高檔數(shù)控國家工程研發(fā)中心所研制的“藍(lán)天NC210”工控機(jī)。2）現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接口卡：選用省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所自行研制的PCI總線通訊卡，能夠同時(shí)支持由65個(gè)從設(shè)備通訊。3）現(xiàn)場(chǎng)總線：用以實(shí)現(xiàn)對(duì)工控機(jī)以及伺服等硬件的連接方面，選用省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室所自主研發(fā)的數(shù)控現(xiàn)場(chǎng)總線。4）伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、主軸等相關(guān)硬件設(shè)備：應(yīng)用對(duì)控制指令的執(zhí)行進(jìn)而達(dá)成對(duì)用戶創(chuàng)建加工任務(wù)的達(dá)成。應(yīng)用GJS-020ADA數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器以及GJM-080BDB22伺服電機(jī)。

四、結(jié)語

總而言之，在本次研究中就針對(duì)機(jī)械分析器功能與整體設(shè)計(jì)予以了研究，并指出對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)，可利用現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)所連接的機(jī)械分析其來實(shí)現(xiàn)方案，從而給予數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研究提供了重要的實(shí)踐依據(jù)。依據(jù)文章所提出的建模方式，可廣泛的應(yīng)用在各類完全不同的數(shù)控應(yīng)用軟件模型之中，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、快捷的數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建。

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