探討高性能數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)

尹方

摘 要：本文介紹了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高性能數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，并針對(duì)連續(xù)微段高速自適應(yīng)前瞻插補(bǔ)方法進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)分析。

關(guān)鍵詞：高性能數(shù)控系統(tǒng)；研究現(xiàn)狀；研究設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)從20世紀(jì)50年代就開(kāi)始了，從硬件數(shù)控階段到計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)CNC，再到高速高精度CNC的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。當(dāng)今的CNC采用了32位CPU數(shù)據(jù)處理，在數(shù)控系統(tǒng)中占有主要的地位。如今，開(kāi)放式CNC開(kāi)發(fā)應(yīng)用也受到關(guān)注。

1.高性能數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1加減速控制技術(shù)

加減速控制技術(shù)主要用于對(duì)電機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率或電壓進(jìn)行加減速控制，避免CNC裝置機(jī)床在啟動(dòng)或者停止時(shí)產(chǎn)生沖擊、失步、超程和振蕩。保證在機(jī)床加速啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)給脈沖頻率或電壓增大；在機(jī)床減速停止時(shí)，進(jìn)給脈沖頻率或電壓減小，這是現(xiàn)代該性能數(shù)控系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一。比較常用的方法有直線加減速法和指數(shù)加減速法，但這兩種方法都存在加速度突變的問(wèn)題，因此，有關(guān)研究提出了柔性加減速法，該技術(shù)下得出的加速度、速度均是連續(xù)的，因此比直線和指數(shù)加減速方法更有優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)運(yùn)行具有較高的柔性。

1.2插補(bǔ)技術(shù)

插補(bǔ)技術(shù)即是根據(jù)給定的曲線生成相應(yīng)逼近的軌跡，采用軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)功能。數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)方法一般有兩種，即脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。脈沖增量插補(bǔ)，是在每次插補(bǔ)結(jié)束時(shí)僅產(chǎn)生一個(gè)形成增量，并將增量以脈沖的方式對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，使用加法和位移就可以完成插補(bǔ)，但脈沖增量插補(bǔ)的進(jìn)給速度存在限制。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)需要先通過(guò)粗插補(bǔ)，然后進(jìn)行精插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。高性能數(shù)控系統(tǒng)一般采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法。

但是在粗插補(bǔ)的進(jìn)行時(shí)，產(chǎn)生的微小直線段每段的始末速度均為零，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止動(dòng)作頻繁，加工質(zhì)量差、效率低。為此，軌跡前瞻插補(bǔ)技術(shù)在高性能數(shù)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。該方法是在實(shí)時(shí)插補(bǔ)的同時(shí)向前預(yù)插補(bǔ)一段距離，以此判斷距離內(nèi)是否存在需要提前減速的微路徑段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工的高效率和高質(zhì)量。

1.3輪廓控制的誤差補(bǔ)償技術(shù)

輪廓控制的誤差補(bǔ)償主要有兩種方法，即跟隨控制和耦合輪廓控制。跟隨控制，該方法主要用于改善各軸的位置控制能力，提高伺服系統(tǒng)跟隨性能，進(jìn)而間接改善系統(tǒng)輪廓精度。一般多采用PID控制。耦合輪廓控制，該方法先對(duì)各個(gè)軸輪廓的誤差進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)，然后通過(guò)協(xié)調(diào)控制對(duì)輪廓誤差實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

2.針對(duì)連續(xù)微段高速自適應(yīng)前瞻插補(bǔ)方法的研究設(shè)計(jì)分析

該技術(shù)主要是在實(shí)時(shí)插補(bǔ)的同時(shí)向前預(yù)插補(bǔ)一段距離，以此判斷距離內(nèi)是否存在需要提前減速的微路徑段。它包括前瞻插補(bǔ)預(yù)處理和實(shí)時(shí)參數(shù)化插補(bǔ)兩過(guò)程。

2.1前瞻插補(bǔ)預(yù)處理

2.1.1確定轉(zhuǎn)接點(diǎn)最高速度2.1.3校核整體跨段轉(zhuǎn)接點(diǎn)速度

微段高速加工時(shí)數(shù)控系統(tǒng)需要對(duì)軌跡運(yùn)動(dòng)的變化特征進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，確保進(jìn)行整體跨段的加減速。為此首先構(gòu)建整體跨段減速曲線，然后進(jìn)入減速處理循環(huán)，進(jìn)行存放預(yù)插補(bǔ)微段減速計(jì)算，得到該段終點(diǎn)速度，并進(jìn)行校核。當(dāng)終點(diǎn)速度大于允許的最高速度，則停止進(jìn)行減速處理循環(huán)，確定減速點(diǎn)；反之則進(jìn)行下一微段的減速計(jì)算。這樣就建立起減速點(diǎn)與拐點(diǎn)的前端控制。

2.2實(shí)時(shí)參數(shù)化插補(bǔ)

通過(guò)參數(shù)方程表示的曲線，計(jì)算參變量的增量，直接求出各坐標(biāo)的位置坐標(biāo)。實(shí)現(xiàn)在軌跡插補(bǔ)時(shí)不適用函數(shù)計(jì)算，只采用次數(shù)較少的四則運(yùn)算即可。

2.2.1參數(shù)化軌跡數(shù)學(xué)模型

2.2.2建立參數(shù)化插補(bǔ)算法

參數(shù)化插補(bǔ)算法主要有段內(nèi)參數(shù)化插補(bǔ)算法、整體跨段參數(shù)化插補(bǔ)算法。段內(nèi)參數(shù)化插補(bǔ)算法是當(dāng)減速點(diǎn)Pd位于段內(nèi)時(shí)，微段li速度和位移通過(guò)右端點(diǎn)建立三次多項(xiàng)式柔性加減速控制離散數(shù)學(xué)模型。整體跨段參數(shù)化插補(bǔ)算法，是當(dāng)減速點(diǎn)Pd位于跨程序段時(shí)，在三次多項(xiàng)式柔性加減速和整體跨段參數(shù)化插補(bǔ)的基礎(chǔ)上，建立實(shí)時(shí)插補(bǔ)算法的整體跨段速度、位移曲線離散化數(shù)學(xué)模型。

2.3高速自適應(yīng)前瞻插補(bǔ)技術(shù)與傳統(tǒng)插補(bǔ)技術(shù)的對(duì)比

通過(guò)對(duì)某汽車成型模的葉子板某區(qū)域的加工軌跡觀察，每一微段升降速處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用高速自適應(yīng)前瞻插補(bǔ)技術(shù)加工僅需要0.361s，而傳統(tǒng)插補(bǔ)速度控制加工時(shí)間0.753s；同時(shí)對(duì)該區(qū)域加工軌跡試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用高速自適應(yīng)前瞻插補(bǔ)與傳統(tǒng)插補(bǔ)技術(shù)共需要進(jìn)給分別為7.507s和17.450s。由于進(jìn)給速度高速銜接和微段組成的刀具軌跡自適應(yīng)向前，避免了頻繁的加減速度，使機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)，加工速度和質(zhì)量提高。

3.結(jié)束語(yǔ)

高性能數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，提高了加工速度與加工質(zhì)量。通過(guò)高速自適應(yīng)前瞻插補(bǔ)技術(shù)的數(shù)學(xué)建模與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在高性能數(shù)控系統(tǒng)中具有較高的有效性與可靠性，是一種可推廣的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪榮青.高性能數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用研究與設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（18）

[2]洪海濤，于東，陳龍等.高性能數(shù)控系統(tǒng)解釋技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2012，33（4）