CNC系統(tǒng)直紋面插補(bǔ)運(yùn)算的速度控制方法研究

雷立群

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132101）

CNC系統(tǒng)直紋面插補(bǔ)運(yùn)算的速度控制方法研究

雷立群

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 132101）

線接觸加工是一種新的加工方法，是利用銑刀側(cè)刃一次走刀完成對直紋面的加工，利用該方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)控系統(tǒng)所采用的是復(fù)合插補(bǔ)方法?？臻g直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)是復(fù)合插補(bǔ)方法的基礎(chǔ)，文中深入研究了空間直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)算法及插補(bǔ)過程中的速度處理方式，并利用這種插補(bǔ)方法實(shí)現(xiàn)了全軟件數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明該插補(bǔ)方法是合理可行的。

數(shù)控系統(tǒng)；線接觸加工；插補(bǔ)；速度控制

1　引言

數(shù)控系統(tǒng)是一種典型的多任務(wù)實(shí)時控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的強(qiáng)實(shí)時控制部分主要是插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制脈沖的輸出［1］。眾所周知，插補(bǔ)是數(shù)控機(jī)床控制刀具運(yùn)動軌跡的核心，線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)具有利用一條數(shù)控代碼即可實(shí)現(xiàn)對空間可展直紋面加工的特殊功能，對可展直紋面的加工，在插補(bǔ)方法上采用了復(fù)合插補(bǔ)方式［2］。由于空間直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)算法和方法是復(fù)合插補(bǔ)的基礎(chǔ)，文中深入研究了空間直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)算法及插補(bǔ)過程中的速度處理方式。

2　速度控制

速度處理因數(shù)控系統(tǒng)的不同而存在很大的差異。線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)在速度處理上是通過將數(shù)控程序給出的速度F值（單位：mm/min）折算出在每個插補(bǔ)周期上實(shí)際應(yīng)發(fā)脈沖的個數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)控系統(tǒng)中每發(fā)出一個脈沖，伺服電機(jī)就轉(zhuǎn)過一定的角度，從而帶動機(jī)床坐標(biāo)向前移動一個脈沖對應(yīng)的距離（稱之為脈沖當(dāng)量，這里用step表示，單位：μm）。通過程序中給定的速度計(jì)算出實(shí)際應(yīng)發(fā)的脈沖個數(shù)是：

V1——實(shí)際應(yīng)發(fā)出的脈沖個數(shù)。

將這個脈沖個數(shù)折算到每個插補(bǔ)周期中速度的增量值：

V——每個插補(bǔ)周期速度的增量。

f——插補(bǔ)周期頻率。

（1）空間直線插補(bǔ)速度增量的計(jì)算：根據(jù)圖1，首先計(jì)算出直線段在各個坐標(biāo)軸上的方向余弦為：

圖1　DDA空間直線插補(bǔ)原理

式中Lx、Ly、Lz——直線AB在X、Y、Z坐標(biāo)軸投影的矢量值；

L——直線AB的長度。

各坐標(biāo)軸在一個插補(bǔ)周期的運(yùn)動步長為：

式中△Lx、△Ly、△Lz——各坐標(biāo)軸在每個插補(bǔ)周期的運(yùn)動步長。

（2）圓弧插補(bǔ)的速度增量：在圓弧插補(bǔ)時，其速度增量值V值，即每個插補(bǔ)周期速度的累加量，是小于一個脈沖的數(shù)值，例如當(dāng)插補(bǔ)周期是25KHZ，速度是60mm/min時，速度的增量值為0.04，即在每個插補(bǔ)周期結(jié)束時，伺服驅(qū)動應(yīng)向外發(fā)送0.04個脈沖當(dāng)量。

3　空間直線插補(bǔ)

對空間直線和圓弧插補(bǔ)采用的是數(shù)字積分（DDA）插補(bǔ)法。數(shù)字積分法又稱為數(shù)字微分分析器法，是利用數(shù)字積分的原理，計(jì)算刀具沿坐標(biāo)軸的位移，使刀具沿著所加工的軌跡運(yùn)動。采用數(shù)字積分法進(jìn)行插補(bǔ)，運(yùn)算速度快、易于實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)軸聯(lián)動或多坐標(biāo)空間曲線的插補(bǔ)［3-4］。此外，DDA插補(bǔ)法每次插補(bǔ)輸出單個脈沖，這在進(jìn)行多坐標(biāo)聯(lián)動時，容易做到使各坐標(biāo)軸的脈沖均勻分配。線接觸加工中，對這種方法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使其更好的適合于全軟件數(shù)控系統(tǒng)的加工控制。

數(shù)字積分插補(bǔ)法利用的是高等數(shù)學(xué)求函數(shù)y= f（x）對x積分的原理，如圖2所示，y=f（x）的積分就是此函數(shù)曲線與x軸圍成的面積S，如公式所示。

圖2　DDA插補(bǔ)原理

通過數(shù)字積分方法的原理可見，對函數(shù)求積分運(yùn)算變成了對變量的求和運(yùn)算。下面具體介紹一下DDA直線插補(bǔ)的過程。

如圖3所示，對xy平面上的直線OP進(jìn)行插補(bǔ)，刀具以勻速V從O（0，0）點(diǎn)運(yùn)動到P（Xe，Ye）點(diǎn)。

圖3　直線插補(bǔ)速度與坐標(biāo)關(guān)系

前面，通過分析計(jì)算得出了在插補(bǔ)運(yùn)算過程中每個坐標(biāo)軸的運(yùn)動速度，即每個坐標(biāo)軸運(yùn)動的微小增量△Lx、△Ly可用公式計(jì)算得到。

式（2）中Vx、Vy分別為x、y方向的速度，Lx、Ly分別為被加工直線段OP在x、y坐標(biāo)軸投影的矢量值。

公式（2）中F、step、f、L為常數(shù)，可將公式（2）改寫為（3）的形式，其中K為常數(shù)。

從原點(diǎn)O運(yùn)動到終點(diǎn)P，可以看作是各坐標(biāo)每經(jīng)過一個時間間隔△t（插補(bǔ)周期），分別以增量△Lx、△Ly同時累加的結(jié)果，從而有公式（4）：

當(dāng)時間間隔△t=1時，則有公式（5）：

公式（5）中Km=1，有k=1/m。即在加工直線OP時，先將直線在x、y方向的矢量縮小到KLx和KLy，而后經(jīng)過m次累加就可得出符合直線軌跡的坐標(biāo)值。

為保證坐標(biāo)軸上每次插補(bǔ)輸出脈沖不超過一個，必須有公式（6）成立。

公式（6）中Lx、Ly最大允許值受系統(tǒng)中寄存器容量所限制，假定寄存器有n位，則Xe及Ye的最大值為寄存器的最大容量值2n-1。為使公式（6）成立則有

如k=1/2n，則滿足，故累加次數(shù)m為：

根據(jù)這個原理可以做出空間直線插補(bǔ)器，如圖4所示。圖5是DDA空間直線插補(bǔ)程序的流程圖。

圖4　DDA空間直線插補(bǔ)器

4　圓弧插補(bǔ)

DDA圓弧插補(bǔ)方法與DDA空間直線的插補(bǔ)方法類似。圓弧插補(bǔ)時刀具是沿圓弧切線作等速運(yùn)動的，如圖6所示。第一象限的逆時針圓弧AB上的一點(diǎn)P（x，y），在x方向的瞬時速度是Vx，y方向的瞬時速度為Vy，且有公式（7）。

圖5　DDA空間直線插補(bǔ)程序的流程圖

圖6DDA圓弧插補(bǔ)坐標(biāo)與速度的關(guān)系

其中sinθ=y/R，cosθ=x/R，P點(diǎn)速度和位移量之間存在下面的關(guān)系：

V為兩個方向上的合成速度，可利用公式（1）計(jì)算得到。由此可以得到x、y方向的微小位移增量分別為：

式（9）中xi，yi分別為圓弧插補(bǔ)時的當(dāng)前點(diǎn)P的坐標(biāo)。x，y方向的位移增量也可以用公式（10）的形式表示：

與直線插補(bǔ)方法一樣，亦可由求和法算出某一時刻的動點(diǎn)坐標(biāo)，取△t=1，則有公式（11）。

根據(jù)這個原理可做成DDA圓弧插補(bǔ)器，如圖7。

圖7　DDA圓弧插補(bǔ)器

DDA圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判別利用兩個終點(diǎn)減法計(jì)數(shù)器，把x、y坐標(biāo)所輸出的脈沖數(shù)|xe-x0|和|ye-y0|分別存入這兩個計(jì)數(shù)器中，x或y積分器每輸出一個脈沖，相應(yīng)的減法計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)某一坐標(biāo)計(jì)數(shù)器為0時，該坐標(biāo)達(dá)到終點(diǎn)，這時，該坐標(biāo)停止迭代。當(dāng)兩個計(jì)數(shù)器均為0時，圓弧插補(bǔ)結(jié)束。圖8為DDA圓弧插補(bǔ)的流程圖。

圖8　DDA圓弧插補(bǔ)流程圖

5　實(shí)驗(yàn)及結(jié)論分析

文中采用前后臺的方式設(shè)計(jì)了Windows操作系統(tǒng)下數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，其中前臺軟件用C++Bulider設(shè)計(jì)完成，后臺采用WDM設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)軟件完成對空間直線，圓弧輪廓的走刀控制，并實(shí)現(xiàn)對直紋面加工的插補(bǔ)控制過程。圖9是數(shù)控系統(tǒng)的控制界面和加工運(yùn)動控制過程中的位置顯示界面。

圖9　數(shù)控系統(tǒng)控制界面

實(shí)踐證明文中所采用的插補(bǔ)運(yùn)算方法是可行的。

［1］WANG Kunqi，WANG Runxiao，YU Binggao，etal.Research On A Novel Approach To Multi-axis Line Contact Milling［J］.International Technology And Innovation Conference，2006（11）：1 494-1 498.

［2］陳蔚芳，王宏濤，薛建彬.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用［M］.科學(xué)出版社2005：84-88.

［3］朱曉春，屈 波，孫來業(yè)，等.S曲線加減速控制方法研究［J］.中國制造業(yè)信息化，2006（12）：38-40.

［4］朱利東，殷蘇民.基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2004（1）：92-95.

責(zé)任編輯：吳艷玲

The Study about Interpolation Speed Controlling of CNC System for Straight Generatrix

LEI Liqun
（Jilin Agricultural Science and Technology University School of Mechanical Engineering，Jilin 132101）

Line contacted milling is a new processing method.The processing method uses the flank of milling cutter to process the surface of straight generatrix.The compounded milling is used for processing the straight generatrix.Because of the bases are straight and circle，interpolations of them are deeply researched，and an all software CNC is realized by the method，Experimentation showed that the method was effective.

CNC；line contacted milling；interpolation；speed control

TG659

A

2015-09-03

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（20090123）；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院青年科研基金資助項(xiàng)目（吉農(nóng)院合字［2012］第136號）

雷立群（1977-），女，吉林省長春市人，講師，從事數(shù)控技術(shù)的教學(xué)與研究。