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高速高精度數控係統速度平穩（wěn）控製策略

2018-4-4 來源：華僑人學機電及自動化學院作者：李淑梅謝明紅

摘要:針對（duì）加工段長（zhǎng）度限製達不到指令進給速度的複雜情況，對傳（chuán）統的S型曲線加減速方法進行優（yōu）化，得到半邊S型（xíng）加減速控製方法.對連續多段加工的（de）不同情況，提（tí）出加速度連續銜接的方（fāng）法（fǎ），在保證加速度（dù）連續的同（tóng）時，提高加工速度.通過仿真驗（yàn）證該方法對速（sù）度控製的效果.結果（guǒ）表明:該方法可以使速度（dù）曲線（xiàn）更加平滑，且能提高加工的整體（tǐ）效率（lǜ），適（shì）合高速高（gāo）精度（dù）數控（kòng）加（jiā）工（gōng）的速度控製.

關鍵（jiàn）詞:數控係統; S型曲線; 速度控（kòng）製; 高速度; 高精（jīng）度; 加速度

隨著科技（jì）的（de）不斷（duàn）進步，數控加工對加工效率和加（jiā）工質量的要求不斷提高，高速、高精度（dù）加工己經成為數控機床發展的總趨勢.口前，主流控製速度己達到240 m " min，精（jīng）度達到pm級C17，當主軸為（wéi）電（diàn）主軸時（shí），加工時的（de）最高轉速可達200 000 r " min 1.本文研究了高速加工時，加速度連續性對加工精度（dù）和（hé）加工效率的影（yǐng）響，提出一種速度平穩（wěn）控製策（cè）略.

1、數控係統速度平穩控（kòng）製方法

在數控機床加工的過程中，速（sù）度的提高勢（shì）必會對加工精度產生影響.在滿足高速（sù）度的前提下，為了實現高精度加工（gōng），需要選擇合適的速度控製策略，實（shí）現速度的平穩控製綜合考慮（lǜ）數控係統（tǒng）實現難易程度和運動控製效果，找到一種合適的加減速控製力一法（fǎ）是研究的重點.

1. 1 加（jiā）減速控製方法分析

傳統的直線加（jiā）減速和指數加減速，計算簡單、方便實現.但其平滑性較差，在加速開始和減速結束時，存在加速度突變;在高速運行時，會使數控設備產生較大的衝（chōng）擊，對加工對象的質量（liàng）和機（jī）床壽命有很大的影響，隻（zhī）用於進（jìn）給速度不高的切削過程.S型加減速算法最初是由Erkorkmaz等["I]提出的，被作為五次樣條曲線的一種特殊情況(加（jiā）加速度有限（xiàn），加速度曲線呈梯形).胡磊等川通過（guò）對單（dān）段路徑與多段路徑中不同限製因素（sù）進行分析，提（tí）出了一種（zhǒng）新型的S型曲線加減速（sù）算法（fǎ），能（néng）有效縮短加（jiā）工時間.文獻提出了S型（xíng）加（jiā）減速5階（jiē）模型，確保（bǎo）了加速度的連續性，且算法更容易實現.高階多項式（shì）加減速方法，能根據加工的最大速度、輸出脈衝（chōng）頻率等，選（xuǎn）擇合適的多項式構造加減速特性曲線，具有比S型加減（jiǎn）速更好（hǎo）的柔性，但是運（yùn）算複雜性大大增加.綜上可知（zhī）:S型加（jiā）減速在高速（sù）、高精度加工中具有突出的優點.

1. 2 S型加減速模型的建立

完整的7段S型加減速模型，如圖1所示，包括加加速、勻（yún）加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減（jiǎn）減速7個過程，由圖1可以（yǐ）得到加加速方程，表達（dá）為（wéi）

圖1 S型加減速模型

在計算機數字控製機床(computer numerical control}CNC)加工中，受（shòu）加工段長度或形狀（zhuàng）的限製會不完全包含7段，需要根（gēn）據實際情況進行分析.

2、加減速曲線規劃

根據加工程序段和機床限製因素可（kě）獲得以下參數:初速度Vs:路徑段長度L;終點速度Ve≠Vs；限製最大加加速度Jmax；最大加速度Amax;指令進（jìn）給速度Vmax。

2. 1 已知Vs，Ve，L加減諫曲線規

（1）判斷是否存在勻加速段和勻減（jiǎn）速段

由於加速過（guò）程與減速過程類似，所以隻對加速過程進行詳細分析，減速過程可利用同（tóng）樣方法得到.

由圖1可知（zhī）:在加速過程中，從（cóng）Vs加速到Vmax的過程中是否存在勻加速過程，取決於是否到達了最大加速度Amax，即（jí）隻有當加速度從0到達了最加速度。到達最大值後才會有（yǒu）勻加速的（de）過程.又因為加加速段與減加（jiā）速段對稱，所以當滿（mǎn）足式(5)時存在勻加速段，即

若（ruò）Sa+Sb>L，速度達不到指令速度.對於這種情（qíng）況，傳統方法（fǎ）需要進行複雜的迭代運算，難以確定可達到的最大速度.下麵提出一種針對達不到指令速度時的半邊S型加減速算法.

2. 2 半邊S型加減（jiǎn）速規劃

顯然，利用（yòng）這種方法加工速度被限製在開始速度和終點速度之間.所以這種半邊S型加減速規劃方法會在一定程度（dù）上降低加工過程（chéng）的速度，但很大程度提高了係統（tǒng）的可操作（zuò）性，且大（dà）大（dà）地簡化了達不到指令速度時的運算量.因此，整體上還（hái）是提高了數（shù）控係（xì）統的效率.

2. 3 己知當前速度v和v。速度（dù）規劃

在實際應用中（zhōng），速度規劃（huá）過程都是與前瞻技術(Look-Ahead)}l0〕結合在一起的（de）.前瞻（zhān）技術（shù）是在插補前預先分析後續路徑，獲取路徑長度和速度約束條件等（děng）信息，從而適當地進行進給速度調整，在提高效率的同時避免進給（gěi）速度突變的一種技術.在加（jiā）工的同時，係統要根據程序段不斷（duàn）地計算（suàn）該加工點到該（gāi）段結束的距離，並判斷是否達到減速點.

實時計算是否到達減速點是（shì）高速加工（gōng）中速度（dù）控製的關鍵.設Ve反向加速到V的距離為l，由程序段計算得到的從當（dāng）前點到該段（duàn）終點的長度（dù）為L'.其中:L可由Ve.，v，jmax，Amax及V計算得到.若L>L'，繼續以當前速度加工;否則，設置減速點，立即減速.

3、加速（sù）度連續規劃

3. 1 單段加減速分析

以上分析了在一段加工路徑內的S型加減速規劃，在每段的開始和（hé）結束部分加速度都為0.多（duō）段連接示意圖（tú），如圖3所示.加速段（duàn）4種情況，如圖4所（suǒ）示（shì）.在Pi點由段長（zhǎng）Li和夾角

圖4 加速段（duàn）通（tōng）種情況（kuàng）

圖（tú）3 多段連接示（shì）意圖

圖6 仿真結果對比圖

從圖6中提取速度各個變化階段的時間坐標，組成時間對比表（biǎo），並對3段加工路徑所用時間進行總計，結果如（rú）表1所示.

表1 各（gè）個變化階段采用（yòng）兩種方（fāng）法所（suǒ）用時間對比（bǐ）

由圖6和表1可知（zhī）:P0 P1:線段所用時問較傳統方法有（yǒu）所增加，但是其速度曲線和加速度曲線更加簡單;P1P2和P2P3所用時間較傳統方法有所減少，該段加工效（xiào）率提高（gāo）了4.3%，且其（qí）速度曲線和（hé）加速度曲線更加平滑、簡單.

5、結束語

提出一種數控係統速度控製策略，從兩方麵改善了高速高精（jīng）度數控加工的速度控製.對於受加工段（duàn）限製無法達到指令進給速度的情況，半邊S型加減速規劃方（fāng）法在很（hěn）大程度上（shàng）降低了運算複雜性，提高了係統的可操作性;對（duì）於段與段間加速度可以銜（xián）接的（de）情（qíng）況，提高了（le）加（jiā）工效率，且避（bì）免了（le）速度頻繁變化引起的機床振（zhèn）動.該方法適合於高速高精度數控加工.

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