摘要 針對(duì)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(dòng)態(tài)生成的加減速曲線對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)加減速控制，為獲得最佳的機(jī)床動(dòng)態(tài)特性提供一條新的途徑。
關(guān)鍵詞：數(shù)控 柔性 自動(dòng)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(jìn)給速度很快，為充分利用機(jī)床的有效工作行程(一般只有數(shù)百毫米)，必須要求各坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)部件能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的速度并能在高速行程中瞬間停準(zhǔn)。另一方面，由于高速加工的切削時(shí)間縮短，換刀間隔縮短，機(jī)床運(yùn)動(dòng)啟停頻繁，因此，縮短運(yùn)動(dòng)部件啟停的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，也將具有重要意義。上述兩方面要求歸結(jié)到一點(diǎn)，就是要求機(jī)床運(yùn)動(dòng)具有極短的加減速過(guò)渡過(guò)程。然而，如果僅從時(shí)間上去考慮縮短過(guò)渡過(guò)程，而不對(duì)機(jī)床的加減速動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行合理的控制，必將給機(jī)床結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大沖擊，輕者將使其難以正常工作，重者將損傷機(jī)床零部件。因此，如何保證在機(jī)床運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的前提下，實(shí)現(xiàn)以過(guò)渡過(guò)程時(shí)間最短為目標(biāo)的最優(yōu)加減速控制規(guī)律，使機(jī)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(guān)鍵問(wèn)題之一。
為解決此問(wèn)題，一方面要求數(shù)控系統(tǒng)能因機(jī)而異、因時(shí)而異來(lái)動(dòng)態(tài)確定加、減速控制規(guī)律(即動(dòng)態(tài)選擇或生成與具體情況相適應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)這一要求的。為此，本文根據(jù)開放式結(jié)構(gòu)控制的思想，提出一種可根據(jù)任意曲線對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)加減速控制的方法。這種方法將自動(dòng)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(jī)床的動(dòng)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(shí)現(xiàn)特定的(如直線、指數(shù)曲線等)自動(dòng)加減速控制功能。在這一方式下，要對(duì)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(wú)法按自己的意愿使數(shù)控機(jī)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(kù)的原理，將加減速控制分為加減速描述與實(shí)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(dú)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(shí)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(dòng)加減速控制功能將具有高度柔性并對(duì)用戶完全開放。
為做到加減速的計(jì)算和控制過(guò)程與加減速曲線形狀無(wú)關(guān)，本文以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式來(lái)獨(dú)立存儲(chǔ)加減速曲線。即將給定的加、減速曲線或自動(dòng)生成的加、減速曲線進(jìn)行數(shù)字化處理，得到其離散形式，并將其以數(shù)表形式動(dòng)態(tài)存放于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的加、減速曲線庫(kù)中。在數(shù)控系統(tǒng)軟件中，則設(shè)計(jì)一條通用的與加減速數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容(曲線形狀)無(wú)關(guān)的控制通道，由其獨(dú)立完成加減速計(jì)算和軌跡控制。該方法的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。
圖1 柔性加減速控制原理框圖
圖中，加減速曲線庫(kù)中存放著用戶給定或系統(tǒng)自動(dòng)生成的加減速曲線。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊給出的有關(guān)控制數(shù)據(jù)和來(lái)自檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)的機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加減速分析。如需加減速控制，則通知曲線選擇模塊從加減速曲線庫(kù)中選出最合適的加減速曲線，并發(fā)出加減速控制指令給加減速計(jì)算模塊，由其根據(jù)所選定的加減速曲線計(jì)算出當(dāng)前采樣周期的瞬時(shí)速度。進(jìn)一步由插補(bǔ)軌跡計(jì)算模塊生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，并發(fā)出刀具運(yùn)動(dòng)指令送往驅(qū)動(dòng)裝置，最后由驅(qū)動(dòng)裝置以希望的加減速控制規(guī)律驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)床運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性達(dá)到最佳。
下面具體討論該環(huán)境下自動(dòng)加減速的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
2、柔性自動(dòng)加速控制
設(shè)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(kù)中。圖中，fd為加速過(guò)程進(jìn)給速度總改變量(以下將其稱為樣板速度差)，td為加速過(guò)程所需時(shí)間(樣板加速時(shí)間)。根據(jù)加速曲線數(shù)表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速控制的過(guò)程如下：
圖2 自動(dòng)加速曲線
首先，根據(jù)數(shù)控加工的初始進(jìn)給速度F1，加速過(guò)程結(jié)束后的希望進(jìn)給速度F2,求出加速過(guò)程速度差FD＝F2－F1，并據(jù)此計(jì)算出實(shí)際速度差與樣板速度差的比值
K＝FD／fd （1）
然后，根據(jù)加速開始到當(dāng)前時(shí)刻所經(jīng)過(guò)的采樣周期個(gè)數(shù)n，計(jì)算出查表時(shí)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(jì)算出經(jīng)過(guò)n個(gè)插補(bǔ)周期后實(shí)際速度的改變量
ΔFn＝fn.K （3）
進(jìn)一步，將求出的n周期速度改變量ΔFn代入下式，求出當(dāng)前采樣周期的實(shí)際進(jìn)給速度
Fi＝F1＋ΔFn （4）
最后，根據(jù)所求得的Fi計(jì)算當(dāng)前采樣周期中插補(bǔ)直線段的長(zhǎng)度，并據(jù)此進(jìn)行軌跡計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)滿足圖2曲線要求的自動(dòng)加速控制。
3、柔性自動(dòng)減速控制
設(shè)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(kù)中。根據(jù)減速曲線數(shù)表實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速控制的過(guò)程如下：
圖3 自動(dòng)減速曲線
首先，根據(jù)數(shù)控加工的初始進(jìn)給速度F1，減速過(guò)程結(jié)束后的希望進(jìn)給速度F2，求出減速過(guò)程速度差FD＝F1－F2。
然后，按照與加速控制相同的過(guò)程由式(1)、(2)求出查表時(shí)間tn，并查減速曲線表得樣板速度增量fn。由此可計(jì)算出經(jīng)過(guò)n個(gè)插補(bǔ)周期后實(shí)際速度的改變量
ΔFn＝FD－fn.K （5）
進(jìn)一步，將求出的n周期速度改變量ΔFn代入下式，求出當(dāng)前采樣周期的實(shí)際進(jìn)給速度
Fi＝F1－ΔFn （6）
最后，根據(jù)Fi計(jì)算當(dāng)前采樣周期中插補(bǔ)直線段的長(zhǎng)度，并據(jù)此進(jìn)行軌跡計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)滿足圖3曲線要求的自動(dòng)減速控制。
對(duì)于自動(dòng)減速控制，減速前還需預(yù)測(cè)減速點(diǎn)，以決定何時(shí)開始減速。確定減速點(diǎn)的依據(jù)是減速距離s，其計(jì)算公式為
 (7)
式中 F1、F2——當(dāng)前進(jìn)給速度和減速過(guò)程結(jié)束后的進(jìn)給速度
fd——減速曲線樣板速度差
td——樣板減速時(shí)間
sd——樣板減速距離
計(jì)算實(shí)際減速距離s時(shí)，所需的樣板減速距離sd可通過(guò)下式以離線方式預(yù)先求出，并存儲(chǔ)于加減速數(shù)據(jù)庫(kù)中。
 (8)
式中
fi——樣板減速曲線f（t）的離散取值
Δt——數(shù)值積分的時(shí)間增量
4、結(jié)束語(yǔ)
合理的自動(dòng)加減速控制是保證數(shù)控機(jī)床(特別是高速機(jī)床)動(dòng)態(tài)性能的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的基于固定曲線的自動(dòng)加減速控制由于缺乏柔性，不易保證加減速過(guò)程與機(jī)床性能相配合，難以使機(jī)床運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性達(dá)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(shí)只需獨(dú)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(shí)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(jī)床動(dòng)態(tài)性能。
所提出的方法已成功地用于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的控制，為發(fā)展國(guó)產(chǎn)開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)提供了一條新的思路。
|
