數(shù)控機床的柔性加減速控制
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針對數(shù)控加工向高速發(fā)展的需求，提出一種新的柔性加減速控制方法，該方法可按用戶給定的任意加減速曲線或系統(tǒng)動態(tài)生成的加減速曲線對機床的運動進行自動加減速控制，為獲得最佳的機床動態(tài)特性提供一條新的途徑。 關鍵詞：數(shù)控 柔性 自動加減速 數(shù)控加工正朝著高速高效方向發(fā)展。在高速加工中，一方面由于進給速度很快，為充分利用機床的有效工作行程(一般只有數(shù)百毫米)，必須要求各坐標運動部件能在極短的時間內(nèi)達到給定的速度并能在高速行程中瞬間停準。另一方面，由于高速加工的切削時間縮短，換刀間隔縮短，機床運動啟停頻繁，因此，縮短運動部件啟停的過渡過程時間，也將具有重要意義。上述兩方面要求歸結到一點，就是要求機床運動具有極短的加減速過渡過程。然而，如果僅從時間上去考慮縮短過渡過程，而不對機床的加減速動態(tài)過程進行合理的控制，必將給機床結構帶來很大沖擊，輕者將使其難以正常工作，重者將損傷機床零部件。因此，如何保證在機床運動平穩(wěn)的前提下，實現(xiàn)以過渡過程時間最短為目標的最優(yōu)加減速控制規(guī)律，使機床具有滿足高速加工要求的優(yōu)良加減速特性，已成為現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)研究開發(fā)中亟待解決的關鍵問題之一。 為解決此問題，一方面要求數(shù)控系統(tǒng)能因機而異、因時而異來動態(tài)確定加、減速控制規(guī)律(即動態(tài)選擇或生成與具體情況相適應的加減速曲線)。另一方面，需在控制系統(tǒng)中采用特殊方法來實現(xiàn)這種動態(tài)規(guī)律(多變的加、減速曲線)。顯然，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)采用的固定加減速控制方法是無法實現(xiàn)這一要求的。為此，本文根據(jù)開放式結構控制的思想，提出一種可根據(jù)任意曲線對數(shù)控機床的運動進行自動加減速控制的方法。這種方法將自動加減速控制由傳統(tǒng)的固定模式推向新的柔性模式，為有效提高數(shù)控機床的動態(tài)性能探索出一條新的途徑。 1、柔性加減速控制的基本思想 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中，一般由系統(tǒng)程序直接實現(xiàn)特定的(如直線、指數(shù)曲線等)自動加減速控制功能。在這一方式下，要對系統(tǒng)的加減速特性作大的改變或增加新的加減速控制規(guī)律必須修改數(shù)控系統(tǒng)程序，因而普通用戶無法按自己的意愿使數(shù)控機床具有最佳的加減速性能。與此相反，本文提出的柔性加減速控制方法則采用數(shù)據(jù)庫的原理，將加減速控制分為加減速描述與實施兩部分，并將加減速描述與系統(tǒng)程序相分離。這樣，若要改變系統(tǒng)的加減速控制規(guī)律只需獨立地修改加減速描述數(shù)據(jù)，而不需要修改數(shù)控系統(tǒng)程序，從而為用戶提供一種可按自己的實際情況方便地改變系統(tǒng)的加減速性能的新方法。在這一新的控制方式下，數(shù)控系統(tǒng)的自動加減速控制功能將具有高度柔性并對用戶完全開放。 為做到加減速的計算和控制過程與加減速曲線形狀無關，本文以實時數(shù)據(jù)庫的形式來獨立存儲加減速曲線。即將給定的加、減速曲線或自動生成的加、減速曲線進行數(shù)字化處理，得到其離散形式，并將其以數(shù)表形式動態(tài)存放于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的加、減速曲線庫中。在數(shù)控系統(tǒng)軟件中，則設計一條通用的與加減速數(shù)據(jù)庫內(nèi)容(曲線形狀)無關的控制通道，由其獨立完成加減速計算和軌跡控制。該方法的實現(xiàn)原理如圖1所示。
下面具體討論該環(huán)境下自動加減速的實現(xiàn)過程。 2、柔性自動加速控制 設給定的加速曲線(解析曲線或非解析曲線)如圖2所示，現(xiàn)將其作為樣板以數(shù)表的形式存放于加減速曲線庫中。圖中，fd為加速過程進給速度總改變量(以下將其稱為樣板速度差)，td為加速過程所需時間(樣板加速時間)。根據(jù)加速曲線數(shù)表實現(xiàn)自動加速控制的過程如下：
K＝FD／fd （1） 然后，根據(jù)加速開始到當前時刻所經(jīng)過的采樣周期個數(shù)n，計算出查表時間 tn＝T.n／K （2） 式中 T——采樣周期 根據(jù)tn查加速曲線表可得樣板速度增量fn。由此可計算出經(jīng)過n個插補周期后實際速度的改變量 ΔFn＝fn.K （3） 進一步，將求出的n周期速度改變量ΔFn代入下式，求出當前采樣周期的實際進給速度 Fi＝F1＋ΔFn （4） 最后，根據(jù)所求得的Fi計算當前采樣周期中插補直線段的長度，并據(jù)此進行軌跡計算，即可實現(xiàn)滿足圖2曲線要求的自動加速控制。 3、柔性自動減速控制 設給定的減速曲線如圖3所示，如同加速控制一樣將其作為樣板以數(shù)表的形式存放于加減速曲線庫中。根據(jù)減速曲線數(shù)表實現(xiàn)自動減速控制的過程如下：
然后，按照與加速控制相同的過程由式(1)、(2)求出查表時間tn，并查減速曲線表得樣板速度增量fn。由此可計算出經(jīng)過n個插補周期后實際速度的改變量 ΔFn＝FD－fn.K （5） 進一步，將求出的n周期速度改變量ΔFn代入下式，求出當前采樣周期的實際進給速度 Fi＝F1－ΔFn （6） 最后，根據(jù)Fi計算當前采樣周期中插補直線段的長度，并據(jù)此進行軌跡計算，即可實現(xiàn)滿足圖3曲線要求的自動減速控制。 對于自動減速控制，減速前還需預測減速點，以決定何時開始減速。確定減速點的依據(jù)是減速距離s，其計算公式為
fd——減速曲線樣板速度差 td——樣板減速時間 sd——樣板減速距離 計算實際減速距離s時，所需的樣板減速距離sd可通過下式以離線方式預先求出，并存儲于加減速數(shù)據(jù)庫中。
fi——樣板減速曲線f（t）的離散取值 Δt——數(shù)值積分的時間增量 4、結束語 合理的自動加減速控制是保證數(shù)控機床(特別是高速機床)動態(tài)性能的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的基于固定曲線的自動加減速控制由于缺乏柔性，不易保證加減速過程與機床性能相配合，難以使機床運動的動態(tài)特性達到最佳。 本文提出的柔性加減速控制方法，將加減速描述與系統(tǒng)程序相分離，使得改變系統(tǒng)加減速性能時只需獨立地修改加減速描述數(shù)據(jù)，而不需要修改數(shù)控系統(tǒng)程序。這樣，用戶可按自己的實際情況方便地改變系統(tǒng)的加減速控制規(guī)律，從而獲得最佳的機床動態(tài)性能。 所提出的方法已成功地用于國產(chǎn)數(shù)控機床的控制，為發(fā)展國產(chǎn)開放式結構數(shù)控系統(tǒng)提供了一條新的思路。 |
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