基于硬件在回路的数控系统机械分析器设计

王莉

摘 要：在对高精度机械设备的加工过程中，机械振动是最为主要的一类影响因素，使系统工作远离共振频率，能够极大促进加工精度的提升。而机械分析器最为核心的应用途径便是对数控系统共振频率进行测定，从而更加方便的对数控系统进行及时调节以确保加工性能的最优化。本文首先分析了机械振动与频域，而后就硬件恢复仿真方法进行了详细阐述，并最终提出了机械分析器设计的具体方案措施。

关键词：硬件；回路仿真；数控系统；机械分析器

在数据系统的发展过程中高精度的加工一直是人们所追求的主要目标之一，同时也是发展的主流趋势。数控机床伺服系统振动问题长期以来都是对高精度加工产生影响的核心要素之一，要想提升数控系统加工精度，就必须要设置以适当的伺服参数、现场总线传输参数，以免机床发生大幅度的共振。

机械分析器最为主要的作用即为对伺服系统共振频率的测量，从而促使对伺服调整能够达到最佳性能。当前国内在这一方面的研究还相对较少，因此就展开相关的研究工作便具有极其重要的作用与价值，应当引起相关从业人员的重视与思考，据此，下文将基于硬件在回路的数控系统机械分析器设计工作展开具体的探究。

一、机械振动与频域

目前在加频率基本等同于伺服电机固有频率之时，伺服系统更易发生共振现象，并由此将会对加工精度产生重大的影响，对此便需尽量规避数控系统处于共振频率附近。在数控系统遭受频率为W的正弦信号激励之时，相应的系统输出则依旧为正弦信号，同时振动幅度以及所对应的相位将会受到信号频率的改变而产生一定的变化，最终的变化结果将会受到系统传递函数变动幅度以及相角情况的影响。在W接近某一频率之时，系统的输出会发生较大幅度的改变，也就是出现共振；在共振超出最大W值即为系统的共振频率。利用这一原理，便能够针对数控系统的共振频率予以检测评定。

二、硬件回路仿真方法

一般较常应用的控制系统仿真，是将控制系统模型作为基础，利用数学模型来取代具体的控制系统，针对控制系统采取相关的探究工作。数控系统硬件位于回路仿真系统时，可采用工程样机来取代部分模型，通过仿真计算机来实现对其他部分模型的求解与测算，仿真计算机能够利用模拟接口、数字接口以及网络接口等和工程样机产生闭环系统。在此过程当中仿真计算机能够应用个人电脑或是性能较高的工控机，便可实现对仿真系统费用支出的大幅度削减。在硬件回路仿真当中，鉴于部分实物模型的应用，减少了电机等较为复雜设备的软件模拟，大大降低了开发周期，提升了模拟的精确性。硬件回路模拟仿真在电机以及自动模型控制中也有较多的应用。

三、机械分析器设计

（一）系统整体设计与工作流程

此次系统设计是基于Scilab环境之下，其中主要就包括了用户程序、激励信号产生与反馈信号分析、实时通讯协议以及接口卡驱动等部分所共同构成。

而在硬件部分当中则采用了现场总线结构方式，于工控机之中嵌入PCI总线接口卡，利用工业以太网方式同伺服电机所互相连接起来。其具体的工作流程为：用户设定出振动参数值，其原则为不会对伺服电机系统产生损伤。软件模拟生成频率由1Hz直至最大振动频率的正弦波信号，在每一频率的信号均通过等时距离进行采集，而针对电机的运行速度命令则利用总线结构直接发送至伺服电机当中，同时采集电机的具体运行速度并作出相应的反馈。针对每一频率采样点波段形态以及反馈点的波段形态，制定出振动特点曲线图，进而寻找出系统共振频率值。

（二）软件解决方案

1.Linux2.6

这一系统内核在对内核模块的加载及导出之时均相较于前一代2.5内核系统有所提升，有效的避免了针对正在应用过程当中内核模块错误操作的有效预防，解决了因为用户错误执行操作而导致的系统崩溃情况。并且同前一代2.5相比，其内核在可拓展性及容量方面均有了较大幅度的提升。

2.RTAI

RTAI系统能够实现与Linux系统的完美结合，具备较高的实际应用价值，尅实现对商用系统性能的充分满足，并符合数控系统实时性的要求同时可成功应用到数控系统软件的开发工作当中。并且，RTAI能够较为方便的和内核以及用户空间碎石进行任务合并。RTAI所提供的FIFO管道以及共同分享内存同Linux用户空间之中的进程互为通信，并利用这一方式，可及时将所获得的数据信息传送至用户控件，并促使非实时性的进程能够针对数据信息继续采取后续处置。

3.硬件驱动

Linux系统能够将硬件设备映射成一类文件，也就是对文件进行处理，同时给予每个设备配置一项主设备号以及次设备号作为特殊标志。在用户对设备采取操作之时，内核便会依据设备号及类型查找有关驱动，同时由用户态转换为核心态，进而通过驱动程序判定设备的次设备号，并完成有关操作。

（三）硬件解决方案

在此次研究所设计的系统中硬件设备主要就包括了工控机、现场总线通讯接口卡、现场总线以及伺服驱动器、伺服电机与主轴等多项硬件设备，现具体分析如下：1）工控机：应用高档数控国家工程研发中心所研制的“蓝天NC210”工控机。2）现场总线通讯接口卡：选用省重点实验室所自行研制的PCI总线通讯卡，能够同时支持由65个从设备通讯。3）现场总线：用以实现对工控机以及伺服等硬件的连接方面，选用省重点实验室所自主研发的数控现场总线。4）伺服驱动器、电机、主轴等相关硬件设备：应用对控制指令的执行进而达成对用户创建加工任务的达成。应用GJS-020ADA数字伺服驱动器以及GJM-080BDB22伺服电机。

四、结语

总而言之，在本次研究中就针对机械分析器功能与整体设计予以了研究，并指出对于数控系统，可利用现场总线结构及工业以太网络所连接的机械分析其来实现方案，从而给予数据系统的研究提供了重要的实践依据。依据文章所提出的建模方式，可广泛的应用在各类完全不同的数控应用软件模型之中，能够实现高效、快捷的数控系统构建。

参考文献：

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