基于开放式PC机上数控系统速度控制算法的研程序结果的分析

1. 选题背景。引言：微电子、自动控制、电子计算机和机械制造中的机床设备相结合，形成了一种全新的机械加工装备数控机床，它根据机械加工工艺的要求，由数控机床的计算机对整个加工过程进行信息处理和控制，实现加工过程的全部自动化。随着微电子、微型计算机、传感器、信息处理和自动控制等技术的发展，数控技术和数控机床得到了迅速的发展，在当今世界数控机床的机械部分生产水平趋于相同的情况下，数控系统性能的高低成为了决定数控机床性能优劣的评判标准。当前数控机床的发展方向趋向于高速度加工的方向。高速加工是一种以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术。它所采用的加工参数要比传统工艺高出几倍、十几倍。其加工机理缘于德国切削专家萨洛蒙(CarlSolomon)博士于 1931 年提出的一个著名假设;对于每一种给定的工件材料都有一个临界切削速度，在此速度下切削温度最高。在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随切削速度增大而增大，但当切削速度超过这个临界值之后随着切削速度的增加，切削温度和刀具磨损反而下降( 如图 1.1)。 ，在高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切削下容易。高速切削中的“高速”不是一个技术指标，而应是一个经济指标。也就是说，它不仅仅是一个技术上可以实现的加工速度，而且必须是一个可由此获得较大经济效益的高切削速度。没有经济效益的高速度是没有工程意义的。目前定位的经济指标是在保证和提高加工质里的前提下将通常切削加工时的加工时间减少90%，同时加工费用减少50%以此来衡量高切削速度的合理性。高速切削之所以成为技术热点，得到广泛的工业应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，高速切削具有以下优点：1、加工效率高高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5-10倍，单位时间材料切除率可提高3 -6倍，因而零件加工时间可大大减少。这样可以用于加工需要大量切除金属的零件，特别是对于航空工业具有十分重要的意义。2、切削力减小和常规切削加工相比，高速切削加工时切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，提高零件的加工精度，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。3、切削热对被加工工件的影响减小高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热量被切屑带离工件，工件积聚热量极少，零件不会由于温升导致翘曲或膨胀变形，因而高速切削特别适用于加工容易热变形的零件。对于加工熔点较低、易氧化的金属（如镁），加工高速切削具有十分重要的意义。4、加工精度高因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削力小，切削热影响小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，另外也使得刀具一工件间的摩擦减小，从而切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。5、工序集约化由于高速切削可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度，并且在一定的切削条件下，可以对硬表面进行加工，尤其是对硬度在HRC46-60之间的高硬度金属进行铣削，从而可以部分取代电火花加工，这一点对于模具加工具有十分重要的意义。传统的模具加工路线是在退火阶段进行铣削加工，然后热处理，电火花加工，磨削和手工研磨，采用高速切削加工后可以直接一次加工，减少了后道工序，特别是手工加工时间，使加工工序集约化，取得良好的技术经济效益。正是因为高速加工技术的这些特点，使得企业完全符合在生产制造全球化，制造产业需求多样化的趋势下，制造企业快速响应市场的要求。高速加工技术为制造企业追求“快速，低耗和高品质”提供了新的支持。目前，支持高速加工的许多技术已经成熟并取得重要突破。这些技术包括:高速电主轴技术、高刚度的机床设计、适应高速回转的刀具夹具设计，以及以直线伺服技术为代表的高速进给技术等。这些技术使得以高速加工为特征的新的机械制造方式呼之欲出。在这种情况下，适应高速加工的数控系统就成为研制高速加工设备的关键技术之一。由于高速加工有众多的优点，目前它已在很多行业中获得了应用。其主要应用领域如表1所示。应用领域 应用实例轻金属合金、钢、铸铁 航空航天产品、模具制造精密加工、特种加工、光学工业 精密加工件、螺旋压缩机薄壁件加工 航空航天工业、汽车工业、家电工业对临界频率敏感的工件 精密机械、光学工业对切削热敏感的工件加工 精密机械、镁合金本论文讨论的是基于PC机构架的数控系统中的高速高精连续小直线段插补算法的研究。2. 插补算法在数控系统中的作用和研究进展插补计算是根据进给速度要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干中间点，作为驱动装置的控制命令，实现数控加工的计算过程。直线和圆弧是构成工件轮廓的基本线条，因此CNC一般都具有直线和圆弧插补功能。目前螺旋线插补也逐渐成为CNC的基本功能，插补计算是数控系统的核心，译码、预处理等工作都是为了插补计算准备数据，调度管理工作则是最终为了保证插补计算能及时高效的完成。人们一直在不断努力探求更简单有效的插补算法，以提高控制器的速度和控制精度。随着数控系统软硬件技术的不断进步，插补技术也在不断发展。插补方法繁多，从插补的丛本原理看可以分为脉冲增量法插补和数据增量法插补：1. 脉冲增量法插补的实现方法比较简单，通常仅用加法和以为运算方法就可以完成插补。因此它比较容易用硬件来完成。这和它产生于硬件数控系统时代是密不可分的。而且，用硬件来实现这类算法速度很快。目前主要用软件来模拟这种算法。这类算法有：逐点比较法；最小偏差法；数字积分法；目标点跟踪法；单步跟踪法等。此类算法存在的主要问题是计算效率低。脉冲增量法插补算法每次仅能产生一个输出脉冲。在CNC时代，即硬件逻辑实现计算的条件下，脉冲增量法插补可以比较快的实现计算。在用软件实现脉冲增量法时主要的问题是算法流程结构不紧凑，计算效率低，不适合CNC目前的技术水平。但脉冲增量插补中许多解决插补问题的墓本思想是值得借鉴的。特别是一些简易的数控装置中，脉冲增量法插补仍然在。2. 数字增量插补插补是以一定的时间间隔定时（插补周期）运行，在每个周期内根据进给速度计算出个坐标轴在下一个插补周期内的位移增量（数字量）。其基本思想是：用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼近曲线（包括直线）。插补运算速度与进给速度无严格的关系。因此采用这类插补算法的时，可以达到较高的进给速度（一般可以达到10m/min以上）。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，它对计算机的运算速度有一定的要求，不过现在的PC机都能满足要求。这类插补算法有：数字积分法（DDA）、二阶近似插补法、双DDA插补法、角度逼近插补法、时间分割法等。这些算法大多是针对圆弧插补设计的。这类插补算法主要用于交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环，半闭环数控系统，也可以用于以步进电机为伺服驱动的开环数控系统，而且，目前使用的CNC系统中，大多数采用这种插补方法。3.数控软件的高速高精插补研究。为达到高速、高精度要求，数控软件一般着眼于插补算法的改进，即提高插补速度、增加插补功能。从插补周期的选择分析中插补周期t 与逼近精度、速度F 的关系：22LtLFttt822可知，要达到高速高精度插补（尤其在曲线状况下），就必须减小插补周期。但插补周期的减小涉及到系统的各个方面，受到了很多限制。如何缩短插补周期以及实际插补运算时间是数控研究领域的一个共同课题。在目前的数控装置中，不论是减小插补周期还是增加进给步长都要受到严格的限制。目前很多系统中通用的插补周期为4ms。在传统的数控加工系统中，由于插补计算与机床各坐标运动的实时控制同步进行，从而插补计算也必须满足实时性要求。在数控系统中，数控装置一边插补一边计算，边产生有规律的脉冲序列，通过伺服环节转换成机床各坐标的复合运动。上述插补方法称为在线插补，它具有算法简单、占用内存少的优点。在经济型数控机床上是非常重要的插补方法。但是，随着计算机技术，特别是大容量存储器技术的发展，上述优点在今天看来却并不重要。相反，控制系统的实时、快速性却显得十分重要。通常CAM 系统的后置处理器按加工精度的要求将复杂路径分解成一系列的微小路径段(如直线段或圆弧段) ,再由数控系统中的各相关插补器对每一个特定的微小路径段进行插补运算。加减速是插补运算要完成的重要控制功能,在加减速控制方式中,有插补前加减速和插补后加减速之分为了保证加工精度,这里采用插补前加减速控制。对于由无数条微小路径段构成的加工轨迹,在计算加减速区时如果以每一路径段为标准,势必造成启停次数多、速度缓慢。由于数控机床费用相对较高，数控加工技术目前主要用于各种形状复杂加工精度要求高的零件的自动化加工。例如汽车制造业中的模具型面；航空航天工业中的高压泵体、机翼；造船业中的螺旋桨；以及叶片、叶轮、复杂形状刀具等等。在这类零件的加工中为减少轮廓逼近误差，CAD/CAM系统以微小直线段代替曲线进行轨迹拟合，生成的数控代码往往由众多的微小直线段G代码组成，再经过系统解释执行控制机械平台的运动。复杂型面的加工往往要求较高的精度和表面质量，如果按照一般的算法，想要保证每段轨迹的位置控制精度，使每一段轨迹都进行通常的加速、匀速和减速停止的运动控制，则在加工过程中会造成电机加减速频繁、噪声大、加工质量不好和加工效率低等问题。本文所设计的方法就是为了解决上述的问题。在基于数字增量插补法的基础上，获得处理过的坐标后，进行速度前瞻控制，使机床始终能够保证一个比较高的速度，从而保证加工的效率，并能够采用高档数控机床上流行的S曲线速度控制方法，给出插补所需要的连续位移。该方法是整个插补过程的一个部分。四、程序结果的分析按照上面所论述的思路，我们已经得到整个程序。程序将在附件中。下面将通过一个例子来体现进行程序结果的分析。由于我使用的 matlab 版本低了，无法显示/下图是使用普通的加工方法加工的。速 度 与 时 间 的 关 系-20002004006008000 10 20 30 40 50 60时 间 序 列速度而采用了前瞻算法的加工的曲线如下。 （Vs,Ve 为最大值） 。速 度 与 时 间 的 关 系-20002004006008000 10 20 30 40 50 60时 间 序 列速度可以明显的看出，采用前瞻算法的加工过程的相同时间内加工同一个零件所完成的路程更远（这可以通过图形的面积非常直观地看出来） ，同时也可以看出，整个曲线比较平滑。这种方法提高了加工的效率和加工的精度。在使用了 S 曲线加速或者减速策略的问题方面，/这里的图还不是很正常，因此就用例子图处理以后表示在这里。/*/我这里使用了一个现成的例子。根据前面的加减速算法 , 计算一个具体的实例 ,以检验本文研究方法的实用性。如图2 所示是一段机床连续运行轨迹 , 其中几个程序段的长度和转折点速度已经通过规划得到。规划中采用的参数为 : vmax =800mm/ s , Amax = 1500mm/ s2 , J = 5 104mm/ s3 。对于短线段的规划 , 采用了两种方式 , 方式1 是混合方式 (直接从 vs 运行至 ve ,