第17讲 进给速度及加减速控制

1 数控技术 第17讲开始了 第三章数控装置工作原理 2 数控技术第17讲 本讲讲授主要内容 3 7进给速度和加减速控制 第三章插补原理 刀具半径补偿和速度控制 3 数控技术 第三章数控装置工作原理 3 7进给速度和加减速控制 一 为什么要控制进给速度 速度控制的内容1 进给速度与加工效率 表面质量及刀具耐用度的关系 在机床加工过程中 由于进给状态的变化 如起动 升速 降速和停止 为了防止产生冲击 失步 超程或振荡等 保证运动平稳和准确定位 必须按一定规律完成升速和降速的过程 对于任何一个数控机床来说 都要求能够对进给速度进行控制 它不仅直接影响到加工零件的表面粗糙度和精度 而且与刀具和机床的寿命和生产效率密切相关 按照加工工艺的需要 进给速度的给定一般是将所需的进给速度用F代码编入程序 对于不同材料的零件 需根据切削速度 切削深度 表面粗糙度和加工精度的要求 选择合适的进给速度 在进给过程中 还可能发生各种不能确定或没有意料到的情况 需要随时改变进给速度 因此还应有操作者可手动调节进给速度的功能 数控系统能提供足够的速度范围和灵活的指定方法 4 数控技术 第三章数控装置工作原理 3 7进给速度和加减速控制 一 为什么要控制进给速度 速度控制的内容2 速度控制的内容 匀速控制和加减速控制 OA BC 加减速控制AB 匀速控制 5 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 一 为什么要控制进给速度 速度控制的内容3 数控装置对进给速度控制的基本要求 速度要稳定 要有一定的调速范围 启动快而不失步 停止的位置要准确 即定位准确 不超程 6 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 二 基准脉冲法进给速度控制和加减速控制 一 基准脉冲插补的进给速度控制 进给速度控制方法和所采用的插补算法有关 基准脉冲插补多用于以步进电机作为执行元件的开环数控系统中 各坐标的进给速度是通过控制向步进电机发出脉冲的频率来实现的 所以进给速度处理是根据程编的进给速度值来确定脉冲源频率的过程 常用的进给速度控制方法 1 计时法 2 时钟中断法 3 积分法 7 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 二 基准脉冲法进给速度控制和加减速控制1 程序计时法速度控制 软件数控中的速度控制方法进给速度控制方法和所采用的插补算法有关 基准脉冲插补进给速度处理的基本思想是根据程编的进给速度值来确定脉冲源频率 进给速度F与脉冲源频率f之间关系为 式中 为脉冲当量 mm 脉冲 f 脉冲源频率 Hz F 进给速度 mm min 脉冲源频率为 8 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 二 基准脉冲法进给速度控制和加减速控制1 程序计时法速度控制 软件数控中的速度控制方法 下面介绍程序计时法 利用调用延时子程序的方法来实现速度控制 根据要求的进给速度F 求出与之对应的脉冲频率f 再计算出两个进给脉冲的时间间隔 插补周期 在控制软件中 只要控制两个脉冲的间隔时间 就可方便地实现速度控制 进给脉冲的间隔时间长 进给速度慢 反之 进给速度快 这一间隔时间 通常由插补运算时间tch和程序计时时间tj两部分组成 即 由于插补运算所需时间一般来说是固定的 因此只要改变程序计时时间就可控制进给速度的快慢 程序计时时间 每次插补运算后的等待时间 可用空运转循环来实现 用CPU执行延时子程序的方法控制空运转循环时间 延时子程序的循环次数少 空运转等待时间短 进给脉冲间隔时间短 速度就快 延时子程序的循环次数多 空运转等待时间长 进给脉冲间隔时间长 速度就慢 9 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 两个进给脉冲的时间间隔 插补周期 插补周期通常由插补运算时间tch和程序计时时间tj两部分组成 即 插补运算所需时间一般来说是固定的 因此只要改变程序计时时间就可控制进给速度的快慢 计时程序在插补中的位置 10 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 二 基准脉冲法进给速度控制和加减速控制1 程序计时法速度控制 软件数控中的速度控制方法 例题 已知系统脉冲当量 0 01mm 脉冲 进给速度F 300mm min 插补运算时间tch 0 1ms 求延时子程序延时时间 脉冲源频率插补周期 调节时间 tj T tch 1 9 ms 程序计时法比较简单 但占用CPU时间较长 适合于较简单的控制过程 程序计时法的用途 点位直线控制系统 脉冲增量 空运转等待时间越短 发出进给脉冲频率越高 速度就越快 11 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 例3 5已知系统脉冲当量 0 01mm 脉冲 进给速度F 300mm min 插补运算时间tch 0 1ms 延时子程序延时时间为ty 0 1ms 求延时子程序循环次数 脉冲源频率 插补周期 程序计时时间tj T tch 1 9 ms 循环次数n tj ty 19 12 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 2 时钟中断法 原理 求一种时钟频率 用软件控制每个时钟周期内的插补次数 适用 脉冲增量插补原理 具有精密 实时 并行特征 适合于较复杂的控制过程 时钟中断法常用的有两种方法 采用变频振荡器发出某一频率的脉冲 作为请求中断信号 CPU每接收到一次中断信号 就进行一次插补运算并发出一个进给脉冲 该方法须外加脉冲源 且不适用于F功能直接用mm min给定的系统 利用可编程定时器 计时器的计时时间 当计时时间到后 即可发出请求中断信号 该方法由程序设置定时器 计时器的时间常数Tc 改变时间常数Tc 就改变了请求中断的频率 改变请求中断的频率 就相当于改变了插补的速度 也就控制了进给速度 该方法可用于F功能直接用mm min给定的系统 13 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 3 设置V L积分器方法 DDA插补方法中 速度F代码是用进给速度数 FRN 给定的 将FRN作为与坐标积分器串联之速度积分器的被积函数 使用经计算得到的累加频率 可产生适当的速度积分器溢出频率 将它作为坐标积分器的累加频率 就能使DDA插补器输出的合成速度保持恒定 14 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 二 基准脉冲插补的加减速控制 由于任何机床的工作台都具有一定的质量 因此在运动过程中都要有一个加速 恒速 减速的过程 步进电机开环控制系统过程中 电机的转速也需要有一个加速 恒速 减速 停止的过程 如下图所示 加减速控制就是指在工作台运动过程中按照一定的速度曲线计算每个瞬时的脉冲源频率 进而对其实行速度控制 目的是获得平稳 快速的运动 15 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 二 基准脉冲插补的加减速控制 也可以用下列方式进行描述 16 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 三 数据采样法进给速度控制和加减速控制 一 数据采样系统的速度控制 数据采样插补方式多用于以直流电机或交流电机作为执行元件的闭环和半闭环数控系统中 速度计算的任务是确定一个插补周期的轮廓步长 即一个插补周期T内的位移量 式中F 程编给出的合成进给速度 mm min T 插补周期 ms L 每个插补周期小直线段的长度 m 以上给出的是稳定状态下的进给速度处理关系 当机床起动 停止或加工过程中改变进给速度时 系统应自动进行加减速处理 17 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 1 加减速控制的种类 升降速模块的位置 从而形成了前加减速控制和后减减速控制 前加减速控制是对编程速度F进行控制 不会影响实际插补输出的位置精度 但需要预测减速点 计算量比较大 后加减速控制的控制精度不高 但不需要预测减速点 二 数据采样系统的加减速控制 18 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 前 后加减速控制的特点比较 19 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 2 加减速控制策略 根据数控机床的控制需求 加减速控制可按常用的指数加减速 直线加减速 S形加减及钟形加减速规律等进行 加减速控制多数采用软件来实现 图3 48指数加减速图3 49直线加减速 直线加减速控制算法使机床在起动和停止时 速度沿一定斜率的直线上升或下降 如图3 49所示 速度变化曲线是OABC C 加减速控制目的 保证机床在启动或停止时不产生冲击 失步 超程或振荡 20 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 直线加减速控制方法 l ViT mm cycle 21 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 2 加减速控制策略 续 C 图3 50S型加减速运动控制规律曲线 进给运动沿S型曲线进行加减速运动 S型曲线加减速控制在任何一点的加速度都是连续变化的 从而避免了柔性冲击 速度的平滑性很好 运动精度高 但算法复杂 一般用于高速 高精度的加工中 S型加减速控制 22 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 匀速时 指数加减速控制的目的是将起动或停止时的速度突变变成随时间按指数规律加速或减速 如图3 48所示 指数加减速的速度与时间的关系为 加速时 式中 T 时间常数 Vc 稳定速度 减速时 图3 48指数加减速控制规律 2 加减速控制策略 续 指数加减速控制 23 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 式中Vw 稳定速度 mm 插补周期 T 插补周期 ms F 程编指令速度 mm min K 速度系数 调节范围在0 200 之间 它包括快速倍率 切削进给倍率等 进行加减速控制 首先要计算出稳定速度和瞬时速度 所谓稳定速度 就是系统处于稳定进给状态时 每插补一次 一个插补周期 的进给量 在数据采样系统中 零件程序段中速度命令 或快速进给 的F值 mm min 需要转换成每个插补周期的进给量 另外 为了调速方便 设置了快速和切削进给二种倍率开关 一般CNC系统允许通过操作面板上进给速度倍率修调旋钮 进行进给速度倍率修调 稳定速度的计算公式如下 3 前加减速控制 线性加减速控制 稳定速度和瞬时速度的计算 24 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 式中 F 进给速度 mm min t 加速时间 ms 加速度 mm ms 2 稳定速度计算完之后 进行速度限制检查 如果稳定速度超过由参数设定的最高速度 则取限制的最高速度为稳定速度 所谓瞬时速度Vi 即系统在每一瞬时 每个插补周期的进给量 当系统处于稳定进给状态时 Vi Vw 当系统处于加速状态时 ViVw 现以直线加减速说明其计算方法 线性加减速处理 线性加减速的加速度可按下式计算 25 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 加速时 系统每插补一次都要进行稳定速度 瞬时速度和加速处理 当上一个插补周期瞬时进给速度Vi小于当前稳定速度Vw时 则要加速 每加速一次 瞬时速度为 新的瞬时速度Vi 1参加插补计算 对各坐标轴进行分配 上一个插补周期瞬时进给速度Vi大于当前稳定速度Vw时 则要减速 减速时 首先计算出减速区域长度S 当稳定速度Vw和设定的加速度确定后 S可由下式求得 26 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 新的瞬时速度Vi 1参加插补运算 对各坐标轴进行分配 一直减速到新的稳定速度或减到零 若要提前一段距离开始减速 将提前量 S作为参数预先设置好 由下式计算 减速时 系统每进行一次插补计算 都要进行终点判别 计算出离开终点的瞬时距离Si 若本程序段要减速 且Si S 开始减速处理 每减速一次 瞬时速度为 27 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 终点判别 每次插补运算结束后 系统都要根据计算出的各轴的插补进给量来求刀具中心到本程序段终点的距离si 然后进行终点判别 并在将要到达终点时设置相应的标志 若本程序段需要减速 并且已经到达减速区域 则开始减速 28 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 计算其各坐标分量值 取其长轴 如X轴 则瞬时点A离终点E距离Si为 在每次插补结束后 系统都要根据求出的各轴的插补进给量 来计算刀具中心离开本程序段终点的距离Si 然后进行终点判别 式中 X轴 长轴 与直线的夹角 见右图所示 a 直线插补时Si的计算应用公式 29 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 AB Si 以PB为基准 则A点离终点的距离为 b 圆弧插补时Si的计算 分圆弧所对应圆心角小于 和大于 两种情况 小于 时 瞬时点离圆弧终点的直线距离越来越小 如图3 51a所示 A Xi Yi 为顺圆插补上某一瞬时点 B Xb Yb 为圆弧的终点 AP为A点在X方向上离终点的距离 PB为A在Y方向离终点的距离 3 51a圆弧插补终点判别 B Xb Yb 30 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 图3 51圆弧插补终点判别 B Xb Yb 31 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 大于 时 设A点为圆弧AB的起点 C点为离终点的弧长所对应的圆心角等于 时的分界点 D点为插补到离终点的弧长所对应的圆心角小于 的某一瞬时点 如图3 51b所示 显然 此时瞬时点离圆弧终点的距离Si的变化规律是 当从圆弧起点A开始 插补到C点时 Si越来越大 直到Si等于直径 当插补越过分界点C后 Si越来越小 与上图a的情况相同 为此 计算Si时 首先判别Si的变化趋势 Si若变大 则不进行终点判别处理 直到越过分界点 若Si变小 再进行终点判别处理 3 51b圆弧插补终点判别 32 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 直线加减速控制流程图 33 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 4 后加减速控制 目前CNC系统常用的后加减速控制算法是 直线加减速控制算法和 指数加减速控制算法 指数加减速控制法 在启动和停止是速度随时间指数规律变化 如下图所示 将采样周期的输入速度与输出速度进行累加 将误差保存下来与时间取积 34 数控技术 第三章计算机数控装置 3 7进给速度和加减速控制 4 后加减速控制 用此积来控制输出Vc Ei Vc Vk dt Vi Ei T E t 0t