高速數(shù)控系統(tǒng)的運動控制技術(shù)研究

摘要：作為一門綜合技術(shù)，數(shù)控加工技術(shù)涉及到了機(jī)械運動學(xué)、信號學(xué)、動力學(xué)等多門學(xué)科技術(shù)。而運動控制技術(shù)是高速數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，其將對系統(tǒng)加工速度和精度起到至關(guān)重要的影響?；谶@種認(rèn)識，本文對加減速控制技術(shù)、插補(bǔ)運算技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)這三種高速數(shù)控系統(tǒng)的運動控制技術(shù)展開了研究，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：高速數(shù)控系統(tǒng) 運動控制 技術(shù)研究

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0216-01

隨著各行各業(yè)的發(fā)展，人們對數(shù)控加工的速度和精度也提出了更高的要求。在這種發(fā)展形勢下，高速數(shù)控加工技術(shù)成為了主流的數(shù)控加工技術(shù)，其加工速度和精度能夠在一定程度上滿足其他行業(yè)對零件加工速度和精度的要求。而運動控制技術(shù)是高速數(shù)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，因此有必要對該技術(shù)展開研究，以便更好的利用該技術(shù)促進(jìn)數(shù)控行業(yè)的發(fā)展。

1 高速數(shù)控系統(tǒng)的運動控制分析

在高速數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)運動控制的目的不僅是提升數(shù)控加工的進(jìn)給速度，同時也需要為加工軌跡精度提供保證。就目前來看，可以利用加減速控制技術(shù)、插補(bǔ)運算技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)等多種技術(shù)提高高速加工進(jìn)給速度和精度。而將軟硬件結(jié)合起來，則能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的不同運動控制功能。從運動控制系統(tǒng)組成上來看，該系統(tǒng)將由PC機(jī)和相應(yīng)接口的運動控制模塊構(gòu)成。利用軟件，則可以實現(xiàn)系統(tǒng)的加減速調(diào)節(jié)、插補(bǔ)運算和誤差補(bǔ)償?shù)惹岸斯芾砣蝿?wù)。

2 高速數(shù)控系統(tǒng)的運動控制技術(shù)分析

2.1 加減速控制技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床運動的過程中，啟動或加速時出現(xiàn)失步或停止現(xiàn)象，減速時出現(xiàn)超程現(xiàn)象，都會導(dǎo)致整個數(shù)控系統(tǒng)的速度和精度受到影響。所以，想要實現(xiàn)過度過程時間最短，還要根據(jù)機(jī)床的加減速控制規(guī)律進(jìn)行機(jī)床運動控制，以便在確保機(jī)床運動平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，使機(jī)床擁有滿足高速高精度加工要求的加減速特性。就目前來看，高速數(shù)控系統(tǒng)常用加減速控制方案有兩種，即前加減速控制和后加減速控制。使用前一種控制方法，需要在插補(bǔ)之前和插補(bǔ)預(yù)處理之后進(jìn)行機(jī)床運動控制，控制對象為指令進(jìn)給速度。使用后一種方法，控制算法相對簡單，無需進(jìn)行減速點的計算。但是，使用該方法如果遭遇每個運動軸的伺服增益不同的情況，就會導(dǎo)致系統(tǒng)運動出現(xiàn)較大軌跡輪廓誤差，繼而導(dǎo)致系統(tǒng)運動精度受到影響。

為提升高速數(shù)控系統(tǒng)加工精度，目前普遍使用柔性加減速法進(jìn)行機(jī)床運動控制。其中，S曲線加減速控制法是一種通過加速度和加加速度物理量設(shè)定實現(xiàn)柔性加減速控制的方法，可以在不同工況條件下進(jìn)行系統(tǒng)運動控制。在機(jī)床加減速的過程中，使用該方法會將加速度導(dǎo)數(shù)設(shè)定為常數(shù)，然后通過限制機(jī)床加加速度減小機(jī)床沖擊和振動[1]。通常情況下，S曲線加減速過程將由系統(tǒng)設(shè)定的最大加速度、起點速度、終點速度、加工路徑長短和最大加速度等參數(shù)決定。利用該技術(shù)，可以使機(jī)床在加減速階段的加速度呈現(xiàn)出分段連續(xù)線性變化狀態(tài)，因此能夠減小機(jī)床速度變化對機(jī)床的沖擊。

2.2 插補(bǔ)運算技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床運動的過程中，機(jī)床運動部件的最小移動量為脈沖當(dāng)量，所以其運動軌跡并非使光滑曲線，而是一種逼近代加工曲線軌跡的折線。機(jī)床運動部件的運動軌跡生成過程，就被稱之為插補(bǔ)。所以，合理進(jìn)行插補(bǔ)運算技術(shù)的應(yīng)用，才能夠使機(jī)床按照給定加工軌跡運動。在高速數(shù)控系統(tǒng)中，參數(shù)曲線插補(bǔ)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。使用該技術(shù)，需要將插補(bǔ)過程中的參數(shù)間隔設(shè)為常數(shù)，并且使用前向差分算法進(jìn)行坐標(biāo)軸增量計算。通過控制參數(shù)間隔，則能夠提升插補(bǔ)的精度。但是，在參數(shù)域空間出現(xiàn)等間隔問題時，則容易出現(xiàn)相鄰插補(bǔ)距離不等問題。為避免該問題給進(jìn)給速度造成波動，還要使用基于參數(shù)空間的Taylor展開法進(jìn)行插補(bǔ)。而為了對Taylor展開中的高階截斷誤差進(jìn)行控制，還要使用自適應(yīng)曲線插補(bǔ)的補(bǔ)償算法，以便使進(jìn)給速度穩(wěn)定性得到提升。在五軸數(shù)控加工控制方面，參數(shù)曲線插補(bǔ)技術(shù)得到了擴(kuò)展應(yīng)用。使用該技術(shù)，不僅能夠提升插補(bǔ)精度，還能夠改善五軸插補(bǔ)的速度平穩(wěn)性。同時，由于使用該技術(shù)可以將逆機(jī)床運動在機(jī)床控制器中實現(xiàn)，所以能夠使零件加工編程得到簡化[2]。因此，通過使用參數(shù)曲線插補(bǔ)技術(shù)，不同結(jié)構(gòu)的五軸數(shù)控機(jī)床加工只需要進(jìn)行逆機(jī)床運動變換程序模塊的更換，就能夠?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)形式的零件進(jìn)行加工。

2.3 誤差補(bǔ)償技術(shù)

在數(shù)控機(jī)床運動的過程中，復(fù)雜型面加工的機(jī)床運動軌跡較為復(fù)雜，所以容易導(dǎo)致加工輪廓產(chǎn)生誤差。而使用誤差補(bǔ)償技術(shù)，則能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床運動軌跡的優(yōu)化控制，所以能夠提高機(jī)床加工的輪廓精度。具體來講，就是利用單軸跟隨誤差控制和多軸交叉耦合控制對刀具實際位置距離指定軌跡在軌跡法線上的偏差進(jìn)行補(bǔ)償。使用單軸跟隨誤差控制技術(shù)，能夠在系統(tǒng)各種運動控制器中進(jìn)行干擾觀測器的建立，所以能夠使系統(tǒng)干擾抑制能力和魯棒性得到提升，從而使獨立軸的動態(tài)位置控制性能得到改善。而數(shù)控加工輪廓是由各坐標(biāo)軸合成運行形成的，所以還要對各個軸的運動情況進(jìn)行綜合考慮[3]。使用多軸交叉耦合控制技術(shù)，則能夠?qū)Ω鱾€軸輪廓誤差大小進(jìn)行估算，然后在不改變各個軸位置控制環(huán)基礎(chǔ)上，利用單軸跟蹤誤差對各個軸輪廓誤差進(jìn)行補(bǔ)償。而通過實現(xiàn)各個軸輪廓誤差的協(xié)調(diào)控制補(bǔ)償，則能夠使加工輪廓精度得到進(jìn)一步改善。

3 結(jié)語

總而言之，隨著數(shù)控加工行業(yè)的發(fā)展，高速數(shù)控系統(tǒng)將得到更加廣泛的應(yīng)用。而研究高速數(shù)控系統(tǒng)的運動控制技術(shù)，則能夠有效提升數(shù)控加工速度和精度，所以能夠為高速高精度數(shù)控加工的實現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。因此，相信本文對高速數(shù)控系統(tǒng)的運動控制技術(shù)展開的研究，可以為相關(guān)工作的開展提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]游有鵬，張禮兵，何均.高速高精度數(shù)控系統(tǒng)若干控制技術(shù)的原理分析和應(yīng)用進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2010，（11）：60-63.

[2]吉方，張勇斌，張連新等.基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)運動控制參數(shù)調(diào)節(jié)技術(shù)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010，（09）：70-72+78.

[3]李周平.基于直線電機(jī)的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動控制技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，（03）：158-160.

收稿日期：2016-05-25

作者簡介：崔靜（1980—），女，陜西西安人，副教授，碩士，研究方向：數(shù)控技術(shù)。