基于海德漢平臺(tái)的大型螺旋錐齒輪專用機(jī)床加工軟件設(shè)計(jì)（中）
2017-6-15 來源：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 作者：衣晨
第 3 章 i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床參數(shù)優(yōu)化
3.1 概述
螺旋錐齒輪齒面為空間復(fù)雜曲面，加工復(fù)雜，一般采用多軸數(shù)控機(jī)床對(duì)其進(jìn)行加工，在提高精度的同時(shí)提升了加工效率[28]。GCMT2500 設(shè)計(jì)為六軸五聯(lián)動(dòng)“C”型機(jī)械結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)采用國(guó)際先進(jìn)的五軸數(shù)控系統(tǒng)代表海德漢 i TNC530 系統(tǒng)[29]。GCMT2500 的機(jī)械結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)基本滿足了大型螺旋錐齒輪加工的各項(xiàng)要求。軟件開發(fā)以海德漢數(shù)控系統(tǒng)為平臺(tái)，利用海德漢系統(tǒng)良好的開放性和提供的
Python OEM高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)包，使用 Python 語(yǔ)言對(duì)加工軟件進(jìn)行開發(fā)。同時(shí)，在不同尺寸齒輪加工過程中因更換刀盤的緣故需要對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高加工精度。
本章對(duì)加工軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的開發(fā)平臺(tái)——海德漢 i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)、Python 開發(fā)語(yǔ)言、及重要的控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化部分進(jìn)行了相關(guān)闡述。
3.2 i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)
HEIDENHAIN i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)是海德漢公司于近年推出的優(yōu)秀多軸數(shù)控系統(tǒng)解決方案。近些年海德漢 TNC 系列數(shù)產(chǎn)品開始在我國(guó)數(shù)控市場(chǎng)嶄露頭角。i TNC530是海德漢公司 TNC 系列新一代的多軸加工數(shù)控系統(tǒng)中的代表，具備前幾代 TNC 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)并且在不斷創(chuàng)新發(fā)展：新功能不斷增加，配套的軟件更具實(shí)用性。
該數(shù)控系統(tǒng)適用于銑床、鉆床和鏜床以及加工中心。i TNC530 系統(tǒng)為全數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制以及借助 PWM（脈沖寬頻調(diào)制）信號(hào)控制功率放大[30]。i TNC530 系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)控制器的卓越性能體現(xiàn)出下列優(yōu)勢(shì): 1）系統(tǒng)相關(guān)軟件集成在 NC 內(nèi)部，這使得 NC 的各部分構(gòu)成例如進(jìn)給軸、主軸、NC 或 PLC 得到了最佳匹配。由于位置控制器、速度控制器及電流控制器被組合在一個(gè)單元內(nèi)，從而可以獲得高質(zhì)量的控制。可用相同的手段對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器以及主軸進(jìn)行調(diào)試、優(yōu)化及診斷。i TNC530 提供對(duì) 5 個(gè)機(jī)床軸或 11 個(gè)機(jī)床軸的數(shù)字控制，主軸速度最高可達(dá)到 40000rpm。i TNC530 使用結(jié)構(gòu)緊湊型或模塊化變頻器，配合使用HEIDENHAIN 自主研發(fā)生產(chǎn)的類型電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)包括伺服驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的完整的控制組合。
2）i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)良好的硬件平臺(tái)為強(qiáng)大的控制系統(tǒng)提供了有力支持。采用高性能處理器的 i TNC530 系統(tǒng)可預(yù)讀 1024 個(gè)程序行，在程序行運(yùn)行前何以合理調(diào)節(jié)各軸電機(jī)轉(zhuǎn)速與不同輪廓間的承接。i TNC530 控制部分包括兩部分單元，一是 MMC主機(jī)單元，采用奔騰高性能芯片和顯示卡，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與通信。二是MCC 主控單元，通過傳感器提供測(cè)量參數(shù)，利用各類反饋保證了伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度與精度。
3）針對(duì)加工要求較高的復(fù)雜曲面，i TNC530 使用了全數(shù)字化技術(shù)和先進(jìn)算法，更易完成高精高速的切削加工。數(shù)控系統(tǒng)控制數(shù)字軸最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 40000r／min，同時(shí)，在確定的運(yùn)行情況下能實(shí)現(xiàn)各種誤差補(bǔ)償，更保證了工件的高質(zhì)量加工。
4）優(yōu)秀的診斷功能 i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)具有軟硬件雙重診斷。在軟件上，其系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)設(shè)了診斷語(yǔ)句功能，在出發(fā)條件滿足后診斷執(zhí)行診斷動(dòng)作響應(yīng)，設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作如運(yùn)行停止、斷電等操作。在硬件上，相應(yīng)的模塊配有專用的診斷芯片，配合軟件診斷部分一共使用。同時(shí)，設(shè)備提供在線診斷功能可以通過以太網(wǎng)添加診斷終端進(jìn)行在線診斷。
5）i TNC530 操作界面支持圖形庫(kù)功能，通過特點(diǎn)的編程語(yǔ)言配合圖形對(duì)話模式使得編程更加直觀便捷。編程工作站的使用可以讓工作人員在機(jī)床外進(jìn)行加工編程。i TNC530 系統(tǒng)除了配備兩種編程格式外，還兼容傳統(tǒng)的 G 代碼加工格式，用戶能根據(jù)自身的編程習(xí)慣編寫適當(dāng)?shù)募庸ごa。
6）i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商為用戶提供了常用的標(biāo)準(zhǔn)加工循環(huán)，在工件成型中遇到的銑槽、鉆孔等加工可直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)。在此項(xiàng)功能的支持下，用戶只需給定加工參數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)加工要求提供編程效率和精度。
3.3 Python 語(yǔ)言簡(jiǎn)介
在開發(fā)中進(jìn)行的軟件設(shè)計(jì)與可視化編程開發(fā)即人機(jī)界面開發(fā)（HMI）主要使用Python 語(yǔ)言和 wx Python 圖形庫(kù)來實(shí)現(xiàn)[31]。
3.3.1 Python 綜述
Python 語(yǔ)言由 Guidovan Rossum 于 1989 年發(fā)明，第一次公開發(fā)行版發(fā)行于 1991年，是一種面向?qū)ο蟆⒔忉屝陀?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[32,33]。Python 作為一種語(yǔ)法簡(jiǎn)潔易懂功能全面的腳本語(yǔ)言，不同于其他高級(jí)語(yǔ)言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊蘙34]。Python 的支持變量動(dòng)態(tài)輸入特性和其解釋性的特點(diǎn)使 Python 語(yǔ)言在流行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)上都可以良好運(yùn)行，尤其方便于中型項(xiàng)目程序的快速編寫調(diào)試，作為腳本語(yǔ)言的 Python 的這一優(yōu)勢(shì)使其得到了人們的青睞。雖然作為一種教學(xué)語(yǔ)言，但Python 綜合了 ABC 語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，不但結(jié)合其他語(yǔ)言如 C、C++和 Java。同時(shí)，借鑒了其他編程語(yǔ)言的編寫特點(diǎn)，逐步優(yōu)化使得 Python 語(yǔ)言形成了自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。Python 語(yǔ)言作為一種優(yōu)秀的開源 Script 編程語(yǔ)言，尤其重視程序的開發(fā)速度以及程序結(jié)構(gòu)的清晰度，可以很好地完成不同程度的任務(wù)程序，以及大中型項(xiàng)目的開發(fā)[35]。對(duì)于 Python 的語(yǔ)法上，其重要的一條就是 Python 要求嚴(yán)格的強(qiáng)制縮進(jìn)：模塊的執(zhí)行順序由首字符在這行的具體位置來確定[36]。雖然初學(xué)者和一部分程序員對(duì)此難以接受，但必須承認(rèn)的是，強(qiáng)制縮進(jìn)這一要求，使得程序員在編寫 Python 程序時(shí)形成規(guī)范的寫作習(xí)慣，使得程序更加清晰和美觀。
3.3.2 Python 語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)
Python 被人們視做是目前最適合學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言而要求掌握的入門語(yǔ)言之一。圖3.1 展示了 Python 語(yǔ)言優(yōu)點(diǎn)：
圖 3.1Python 語(yǔ)言優(yōu)點(diǎn)
（1）使用簡(jiǎn)單
編寫調(diào)試 Python 程序過程非常簡(jiǎn)單，通常只需要編寫所需的 Python 目標(biāo)程序并直接運(yùn)行就可以。區(qū)別于其他高級(jí)語(yǔ)言（例如，C 或 C++）程序編寫完成后的編譯和鏈接等其他操作步驟。Python 語(yǔ)言程序快速執(zhí)行特性使其形成了一種交互式的編程調(diào)試模式。在程序調(diào)試的過程中修改程序代碼后立刻得到反饋觀察到程序修改調(diào)試后的結(jié)果。
程序的快速開發(fā)特性僅僅是 Python 語(yǔ)言便捷性一方面體現(xiàn)。Python 內(nèi)部集成了種類功能繁多的內(nèi)置模塊從而在程序編寫上降低了其他高級(jí)語(yǔ)言編寫過程中常見的復(fù)雜性。在達(dá)到同一目的時(shí)使用 Python 語(yǔ)言編寫程序較 C、C++和 Java 編寫的程序更為簡(jiǎn)潔，使用也更具有靈活性。
（2）解釋性
作為一種解釋性的語(yǔ)言，Python 程序開發(fā)過程中不需要進(jìn)行不需要將代碼編譯成底層的二進(jìn)制碼，而比如 C 或者 C++類的編譯性語(yǔ)言則是把程序從源文件轉(zhuǎn)換成底層的計(jì)算機(jī)碼（即二進(jìn)制代碼，0 和 1）[37]。這個(gè)過程通過專用的編譯器來完成。由于字節(jié)碼是一種與平臺(tái)無關(guān)的格式，只需要簡(jiǎn)單的拷貝，Python 程序就可以在其他計(jì)算機(jī)運(yùn)行了。Python 語(yǔ)言這種易于移植的特性越來越受到人們的青睞。
（3）面向?qū)ο?/font>
從本質(zhì)來說，Python 為一種面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言[38]。Python 同時(shí)支持面向過程的編程和面向?qū)ο蟮木幊獭ＭǔＫf的“面向過程”是指編寫的程序由過程或只是由可重復(fù)調(diào)用的函數(shù)組建起來。而“面向?qū)ο?rdquo;的語(yǔ)言是指編寫的程序是由數(shù)據(jù)和功能組合而成的對(duì)象構(gòu)建起來。Python 的類與多重繼承等高級(jí)概念的使用，并且憑借其特有的簡(jiǎn)潔的語(yǔ)法和類型非常易于使用，很大程度地提升了代碼的開發(fā)速度。
（4）可嵌入性
Python 程序可以嵌入任何 C/C++程序內(nèi)部，為 python 語(yǔ)言程序使用者提供腳本功能。同時(shí)，Python 也能夠調(diào)用 C 和 C++的庫(kù)，可以調(diào)用 C 和 C++程序，可以與 Java語(yǔ)言程序集成，并且通過 SOAP、XML.RPC 等接口與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互。
（5）豐富的庫(kù)
Python 內(nèi)置了眾多預(yù)編譯并可移植的功能模塊，這些功能模塊被稱作標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（standard library）[39]。其中標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)支持眾多的應(yīng)用程序代碼功能執(zhí)行任務(wù)，包括字符模式到 Internet 腳本編程的匹配等諸多方面。如數(shù)學(xué)公式、界面編輯、文檔操作、正則表達(dá)式、多線程、測(cè)試、數(shù)據(jù)庫(kù)、瀏覽器、郵件、XML、HTML 和其他系統(tǒng)功能相關(guān)的操作。而且這些功能模塊或者說庫(kù)都是集成在 Python 內(nèi)部。另外，Python 可以通過自行開發(fā)的庫(kù)和眾多第三方應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展。這其中涵蓋了包括網(wǎng)站維護(hù)、數(shù)據(jù)計(jì)算、串口讀寫、游戲開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域。
此外，Python 提供了語(yǔ)言基本組成的常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如列表（list）、字符串（string）、字典（dictionary）[40]。它們編寫靈活且易于使用，不需要代碼中關(guān)于類型和大小的冗雜的聲明，它往往自動(dòng)地應(yīng)用一種廣義上的對(duì)象。雖然國(guó)內(nèi)對(duì) Python 的應(yīng)用沒有其他的傳統(tǒng)語(yǔ)言廣泛，對(duì)應(yīng)的參考資料也相對(duì)較少使 Python 的發(fā)展受到了一定程度的阻礙。然而，良好的特性與編程簡(jiǎn)單優(yōu)雅的有機(jī)組合將 Python 成功塑造成為一種極具潛力的語(yǔ)言，具有非常好的發(fā)展前景。
3.3.3 Python 的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景
Python 作為一種年輕的語(yǔ)言，擁有非常強(qiáng)大的生命力和無與倫比的優(yōu)勢(shì)。在國(guó)內(nèi)的一些主流社交網(wǎng)站如豆瓣、知乎等得到了廣泛的應(yīng)用。在常用的計(jì)算操作系統(tǒng)里，大多數(shù)版本的 Linux 以及 Net BSD 和 Mac OS 系統(tǒng)中 Python 作為一種標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)組件集成在操作系統(tǒng)內(nèi)部，無需安裝即可在終端直接運(yùn)行 Python 程序。Python 語(yǔ)言中包含了若干個(gè)可以直接調(diào)用操作系統(tǒng)功能的標(biāo)準(zhǔn)功能庫(kù)，使用時(shí)通過第三方軟件包pywin32，Python 可以訪問 Windows 的組件對(duì)象服務(wù)及其它應(yīng)用程序接口服務(wù)。通過Iron Python，Python 能夠直接調(diào)用.net。通常來講，Python 編寫的腳本管理程序在運(yùn)行性能、可讀性、可擴(kuò)展性、代碼維護(hù)等多個(gè)方面都優(yōu)于其他的腳本語(yǔ)言。Python 完善的支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在程序語(yǔ)言使用排行榜上，近幾年 Python 一直穩(wěn)步提升，僅次于 Java、C、C++、PHP、C#等語(yǔ)言之后，圖 3.2 為 2010 年程序語(yǔ)言使用排名。對(duì)于Python 未來的發(fā)展根據(jù)其創(chuàng)始人 Guidovan Rossum 的構(gòu)想，Python 除了一直堅(jiān)持的簡(jiǎn)潔和優(yōu)雅的本質(zhì)外更開始其他語(yǔ)言的編程。例如加入了對(duì)中文項(xiàng)目開發(fā)的支持，編程人員可以直接使用中文進(jìn)行程序代碼編寫，這將有力地推動(dòng) Python 語(yǔ)言在國(guó)內(nèi)的推廣進(jìn)程。
圖 3.2 2010 年計(jì)算機(jī)語(yǔ)言排名
3.3.4 Python 語(yǔ)言的不足
Python 語(yǔ)言的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：
（1）開發(fā)人員相對(duì)較少。比較 Java Script，參考中國(guó)和國(guó)外的使用情況，Python的開發(fā)人員相對(duì)不足，這一現(xiàn)狀不利于 Python 的快速發(fā)展。
（2）缺少參考資料。一種開發(fā)語(yǔ)言走向成熟的過程，需要大量的出版書籍和專業(yè)文獻(xiàn)來支撐。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)缺少關(guān)于 Python 的專業(yè)書籍，市面上存在的多半是入門級(jí)別的翻譯著作，設(shè)計(jì)語(yǔ)言的高級(jí)部分時(shí)還需要參考英文資料。同時(shí)因?yàn)闆]有走上商業(yè)產(chǎn)品化的道路，Python 的推廣活動(dòng)較少，維護(hù)和推廣者大多為 Python 支持與愛好者。
（3）執(zhí)行速度不夠快。在現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方式下 python 與 C、C++這類編譯型語(yǔ)言相比，Python 的執(zhí)行速度不夠快。即使當(dāng)今 CPU 的處理速度很快，在一些應(yīng)用領(lǐng)域仍然需要優(yōu)化程序的執(zhí)行速度。不過，由于 Python 具有可擴(kuò)展性，部分關(guān)鍵可以調(diào)用C 或 C++編寫的程序。
（4）缺乏真正的支持多處理進(jìn)程的處理器。
3.3.5 wx Python 圖形庫(kù)概述
Python 的簡(jiǎn)潔以及快速的開發(fā)周期十分適合開發(fā) GUI 程序[41]，其中界面開發(fā)工具包括 Qt、GTK、MFC 等。本文中使用 wx Python GUI 工具包來完成設(shè)計(jì) GUI 程序即界面程序的開發(fā)設(shè)計(jì)。作為 Python 語(yǔ)言 GUI 工具的一種 wx Python 具有諸多優(yōu)點(diǎn)，大量的圖形模塊使得 Python 編程人員快捷的實(shí)現(xiàn)樣式美觀、功能強(qiáng)大的人機(jī)界面。Wx Python 的一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)就是不論各種應(yīng)用場(chǎng)合都是免費(fèi)的，即使是商用開發(fā)也無須考慮版權(quán)問題。與 Python 語(yǔ)言相同，wx Python 的開源特性使任何人都可以免費(fèi)使用其他人共享的程序模塊，也可以查看和修改它其代碼或者上傳自己開發(fā)的程序、補(bǔ)丁等。同時(shí)，wx Python 模塊跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)使開發(fā)的界面程序在不經(jīng)過任何修改的情況下能夠完美運(yùn)行在多種平臺(tái)（Windows、Unix、Linux 和 Mac OS）上。 對(duì)于 wx Python GUI 程序設(shè)計(jì)有如下基本概念。
（1）窗口，容納各種控件的容器。如按鈕、文本、狀態(tài)欄等各種控件都放置于窗口中。
（2）屬性，定義為對(duì)象的性質(zhì)。表現(xiàn)控件在程序運(yùn)行的過程中的的狀態(tài)、尺寸大小、所處、顏色等等。
（3）對(duì)象，指構(gòu)成界面的各種組件，例如按鈕、指示燈、點(diǎn)選項(xiàng)、文本框、圖片欄等。
（4）方法，指一類控制對(duì)象的具體行為。比如顯示、隱藏方法用于對(duì)象顯示或隱藏，移動(dòng)方法指移動(dòng)對(duì)象到制定的位置等。
（5）事件，指的是對(duì)一個(gè)組件的操作。如鼠標(biāo)在一個(gè)控件上移動(dòng)時(shí)，就稱為一個(gè) Move 事件。
（6）響應(yīng)，指特定事件發(fā)生時(shí)后的產(chǎn)生的具體動(dòng)作，響應(yīng)后的具體動(dòng)作可以自定義，這個(gè)自定義動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)過程稱為事件的響應(yīng)。
通常情況下基本的 wx Python 程序所必須包含以下五個(gè)基本步驟：
1）導(dǎo)入 wx Python 模塊
2）子類化 wx Python 應(yīng)用程序類
3）定義一個(gè)應(yīng)用程序的初始化方法
4）創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用程序類的實(shí)例
5）進(jìn)入應(yīng)用程序的主事件循環(huán)
我們創(chuàng)建了一個(gè)名為 Hello world.py 的示例程序如下
Import wx #1 導(dǎo)入 wx Python 包 class App(wx.App):#2 子類化 wx Python 應(yīng)用程序類 def On Init(self):#3 定義一個(gè)應(yīng)用程序的初始化方法
frame=wx.Frame(parent=None，title=’Hello world’)
frame.Show() app=App()#4 創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用程序類的實(shí)例
app.Main Loop()#5 進(jìn)入這個(gè)應(yīng)用程序的主事件循環(huán) 程序運(yùn)行結(jié)果如圖 3.3，生成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的 wx Python 界面程序。
圖 3.3 Hello world.py 運(yùn)行結(jié)果
3.4 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
3.4.1 數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)
數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)部分是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成，其根本作用是對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)部分的速度與位移進(jìn)行精確控制，該部分的性能優(yōu)劣會(huì)對(duì)設(shè)備加工精度和工件加工質(zhì)量產(chǎn)生直接影響[42,43,44]。數(shù)控設(shè)備的精度一般決定于設(shè)備的兩個(gè)部分：設(shè)備的機(jī)械精度和設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)部分的可控精度。機(jī)械精度主要包括設(shè)備結(jié)構(gòu)制造精度、傳動(dòng)精度與裝配精度，通常來說，裝配精度在設(shè)備定型后只可進(jìn)行微小調(diào)整，傳動(dòng)精度中起決定作用的導(dǎo)軌、絲杠等已到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)上限，難以提高。所以，數(shù)控設(shè)備精度的提高可以在控制部分通過軟件來實(shí)現(xiàn)。電氣控制系統(tǒng)在一般采用半閉環(huán)與全閉環(huán)兩種方式可以很好的提高設(shè)備控制部分的控制精度，也可以充分利用數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)良性能，以滿足數(shù)控設(shè)備高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)需求[45]。
一般情況下，數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)為一些缺省值，主要是生產(chǎn)廠家根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定，但在實(shí)際的應(yīng)用中這些參數(shù)并不符合實(shí)際的生產(chǎn)要求，參數(shù)設(shè)定值未能達(dá)到最優(yōu)化，未使設(shè)備的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到充分的發(fā)揮。所以，為了提高設(shè)備控制部分精度，將設(shè)備參數(shù)更好的與生產(chǎn)條件相匹配，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行有效的優(yōu)化就變得尤為重要。本文中基于海德漢 i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)提供的 TNCopt 控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化軟件，對(duì)螺旋錐齒輪專用加工機(jī)床進(jìn)行設(shè)備伺服驅(qū)動(dòng)部分的優(yōu)化，完善了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，使運(yùn)動(dòng)部分和控制部分性能達(dá)到最優(yōu)匹配，以滿足工件加工精度與加工質(zhì)量更高要求的標(biāo)準(zhǔn)。
3.4.2 伺服控制系統(tǒng)及優(yōu)化原理
設(shè)備開啟伺服軸前，要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。i TNC530 數(shù)控設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制通過下圖 3.4所示原理進(jìn)行伺服控制，位置控制環(huán)優(yōu)先于速度控制環(huán)和電流控制環(huán)。
圖 3.4 控制原理圖
控制方式的優(yōu)勢(shì)：1）控制區(qū)分明顯。2）控制環(huán)可以對(duì)前面的干擾進(jìn)行補(bǔ)償，提高了控制精度。3）通過限制指令值，可以是內(nèi)部的控制環(huán)得到很好的保護(hù)。4）以電流環(huán)、速度換、位置環(huán)衛(wèi)順序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。位置、速度、電流控制器都集成在i TNC 系統(tǒng)內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)模塊通過 CC42X 的 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
理論上理想的控制系統(tǒng)輸入和輸出不存在滯后即零誤差傳動(dòng)，傳動(dòng)的過程中信號(hào)傳遞屬于線性傳輸。不過事實(shí)上，從系統(tǒng)傳動(dòng)部分與控制部分分析，伺服電機(jī)到驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分的信號(hào)傳遞屬于二階傳遞系統(tǒng)[41]即：線性與彈性共同組合。而傳動(dòng)環(huán)節(jié)中彈性環(huán)節(jié)是優(yōu)化的主要目標(biāo)環(huán)節(jié)，其中包含了多種頻率，各種類頻率直接作用于運(yùn)動(dòng)部分，頻率被抑制部分，動(dòng)態(tài)特性被降低，被放大部分有一定的概率使設(shè)備產(chǎn)生共振。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，共振產(chǎn)生的誤差會(huì)極大影響設(shè)備加工精度及工件的表面質(zhì)量，而對(duì)伺服控制部分進(jìn)行優(yōu)化可以很好的見地產(chǎn)生共振部分的頻率，所以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化降低共振產(chǎn)生的誤差是可行的。伺服控制優(yōu)化的目標(biāo)就是修改系統(tǒng)缺省參數(shù)，使傳動(dòng)過程中的信號(hào)傳遞最大限度的歸于線性關(guān)系，減少控制誤差避免振動(dòng)。
數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服控制部分包括三個(gè)環(huán)節(jié)：速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)[43]。位置環(huán)是通過 PID 控制中比例微分控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)的位置環(huán)值只需對(duì)控制器的增益常數(shù)重新設(shè)定，而速度與電流部分則是通過比例積分控制驚醒調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)的需要對(duì)增益參數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行重新配置[46,47]。
3.4.3 控制環(huán)參數(shù)優(yōu)化步驟
控制系統(tǒng)各個(gè)控制環(huán)參數(shù)重新配置的具體數(shù)值，需要根據(jù) TNCopt 系統(tǒng)優(yōu)化軟件頻率響應(yīng)圖來進(jìn)行判斷。頻率響應(yīng)曲線越平滑，頻率范圍越寬，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性越好，設(shè)備的加工進(jìn)度也會(huì)更高。通過測(cè)量加工工件精度的方法可以更直觀更準(zhǔn)確的評(píng)判參數(shù)的優(yōu)化數(shù)值是否達(dá)到最優(yōu)值，工件的輪廓誤差愈小，則優(yōu)化結(jié)果越好。
通過海德漢 i TNC530 提供的 TNCopt 軟件，對(duì)控制環(huán)的 PID 參數(shù)進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化伺服控制參數(shù)。在此過程中階躍響應(yīng)、伺服軌跡跟蹤及工件精度測(cè)定更易于控制環(huán)參數(shù)的調(diào)節(jié)。按照各控制環(huán)的響應(yīng)速度，優(yōu)化次序依次為：電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。
電流環(huán)控制優(yōu)化需要調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)器中積分常數(shù)和電流環(huán)增益。速度環(huán)則組要優(yōu)化速度積分常數(shù)速度環(huán)增益及濾波器選擇參數(shù)，對(duì)應(yīng) MP 參數(shù)（機(jī)床參數(shù)）為：MP2510、MP2500、MP2520。位置環(huán)優(yōu)化部分只須對(duì)位置環(huán)增益進(jìn)行優(yōu)化即可，對(duì)應(yīng) Machine parameter MP1510。以電流環(huán)部分為例，電流控制環(huán)優(yōu)化參數(shù)如圖 3.5 所示：
圖 3.5 電流控制參數(shù)
MP2420：電流環(huán)比例系數(shù)，“+/.”為參數(shù)增減值，1.0[V/A]為步距大小。
MP2430：電流環(huán)時(shí)間積分系數(shù)，“+/.”為參數(shù)增減值，500[VS/A]為步距大小。
MP2420(P 系數(shù))和 2430
（I 系數(shù)）動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線標(biāo)準(zhǔn)如下圖 3.6 至 3.9（逐漸增減參數(shù)）：
圖 3.6 響應(yīng)曲線 1
圖 3.7 響應(yīng)曲線 2
圖 3.8 響應(yīng)曲線 3
圖 3.9 響應(yīng)曲線 4
在運(yùn)行 TNCopt 控制系統(tǒng)優(yōu)化軟件時(shí)，可以先應(yīng)用軟件的自動(dòng)優(yōu)化功能，根據(jù)自動(dòng)優(yōu)化模式下響應(yīng)曲線的特性與經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)模式下的優(yōu)化。使用TNCopt 自動(dòng)優(yōu)化，確定 MP2420 和 MP2430，步驟如下：
1）將 MP2420 初始值設(shè)為“1”，MP2430 設(shè)為“0”。
2）按AUTO 命令
3）選擇菜單 Measure/Start 或按 按START鈕開始自動(dòng)優(yōu)化。
4）自動(dòng)優(yōu)化達(dá)到最優(yōu)時(shí)軟件停止優(yōu)化。
以設(shè)備 X 軸電流環(huán)自動(dòng)優(yōu)化過程為例為例，獲得如圖 3.10 的控制系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化曲線圖。
圖 3.10X 軸電流環(huán)自動(dòng)優(yōu)化圖
自動(dòng)優(yōu)化后可根據(jù)實(shí)際設(shè)備參數(shù)要求進(jìn)行手動(dòng)模式化下的優(yōu)化，如圖 3.12 所示曲線為自動(dòng)優(yōu)化后手動(dòng)調(diào)整曲線。
圖 3.11X 軸電流環(huán)手動(dòng)修正圖
重復(fù)上述過程對(duì)各軸進(jìn)行優(yōu)化后得到的一組設(shè)備優(yōu)化參數(shù)如表 3.1 所示，其中電流環(huán)參數(shù) MP2420、MP2430，速度環(huán)參數(shù) MP2500、MP2510，位置環(huán)參數(shù) MP1510、MP2602、MP2604。
表 3.1 參數(shù)優(yōu)化表
3.4.5 優(yōu)化效果檢測(cè)
在執(zhí)行螺旋錐齒輪銑削對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，先將優(yōu)化后所得到的參數(shù)通過宏程序調(diào)用（輔助 M 功能）。運(yùn)行設(shè)備完成若干組齒數(shù)的銑削加工后與優(yōu)化參數(shù)與缺省狀態(tài)下的加工狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。如圖 3.12 所示為控制系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化前后的齒輪效果對(duì)比。
圖 3.12 伺服控制參數(shù)優(yōu)化前后齒輪質(zhì)量對(duì)比
經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后加工齒面質(zhì)量得到了明顯的改善，通過簡(jiǎn)單的技術(shù)測(cè)量，齒輪整體精度得到了一定的提升，參數(shù)優(yōu)化取得了效果良好效果。以上對(duì)比說明，在控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后，機(jī)床的控制精度、工件加工質(zhì)量都得到了提高。這一技術(shù)為TNC 同系列產(chǎn)品控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了參考
3.5 本章小結(jié)
本章主要對(duì)軟件開發(fā)平臺(tái)與設(shè)備參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了介紹。首先介紹了軟件的開發(fā)平臺(tái)——海德漢 i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)該數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。然后，對(duì)軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言 Python 及內(nèi)部圖形庫(kù) wx Python 進(jìn)行了說明。最后，介紹了數(shù)控設(shè)備伺服驅(qū)動(dòng)部分和控制系統(tǒng)的本質(zhì)與優(yōu)化原理，對(duì) i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過實(shí)際加工對(duì)比，闡明了在螺旋錐齒輪的生成加工過程中，設(shè)備控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的實(shí)用性與必要性。
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