探討高性能數控系統在數控機床中的應用研究與設計

尹方

摘 要：本文介紹了數控技術的發展，對高性能數控系統的相關技術的研究現狀進行了討論，并針對連續微段高速自適應前瞻插補方法進行了研究設計分析。

關鍵詞：高性能數控系統；研究現狀；研究設計

數控系統的開發從20世紀50年代就開始了，從硬件數控階段到計算機數控系統CNC，再到高速高精度CNC的開發應用。當今的CNC采用了32位CPU數據處理，在數控系統中占有主要的地位。如今，開放式CNC開發應用也受到關注。

1.高性能數控系統關鍵技術的應用現狀

1.1加減速控制技術

加減速控制技術主要用于對電機的進給脈沖頻率或電壓進行加減速控制，避免CNC裝置機床在啟動或者停止時產生沖擊、失步、超程和振蕩。保證在機床加速啟動時，進給脈沖頻率或電壓增大；在機床減速停止時，進給脈沖頻率或電壓減小，這是現代該性能數控系統研究中的關鍵技術之一。比較常用的方法有直線加減速法和指數加減速法，但這兩種方法都存在加速度突變的問題，因此，有關研究提出了柔性加減速法，該技術下得出的加速度、速度均是連續的，因此比直線和指數加減速方法更有優勢，系統運行具有較高的柔性。

1.2插補技術

插補技術即是根據給定的曲線生成相應逼近的軌跡，采用軟件方法來實現插補功能。數控系統的插補方法一般有兩種，即脈沖增量插補和數據采樣插補。脈沖增量插補，是在每次插補結束時僅產生一個形成增量，并將增量以脈沖的方式對伺服系統進行傳輸，使用加法和位移就可以完成插補，但脈沖增量插補的進給速度存在限制。數據采樣插補需要先通過粗插補，然后進行精插補來實現。高性能數控系統一般采用數據采樣插補方法。

但是在粗插補的進行時，產生的微小直線段每段的始末速度均為零，這就導致系統的啟動和停止動作頻繁，加工質量差、效率低。為此，軌跡前瞻插補技術在高性能數控系統中得到應用。該方法是在實時插補的同時向前預插補一段距離，以此判斷距離內是否存在需要提前減速的微路徑段，進而實現加工的高效率和高質量。

1.3輪廓控制的誤差補償技術

輪廓控制的誤差補償主要有兩種方法，即跟隨控制和耦合輪廓控制。跟隨控制，該方法主要用于改善各軸的位置控制能力，提高伺服系統跟隨性能，進而間接改善系統輪廓精度。一般多采用PID控制。耦合輪廓控制，該方法先對各個軸輪廓的誤差進行計算和估計，然后通過協調控制對輪廓誤差實現補償。

2.針對連續微段高速自適應前瞻插補方法的研究設計分析

該技術主要是在實時插補的同時向前預插補一段距離，以此判斷距離內是否存在需要提前減速的微路徑段。它包括前瞻插補預處理和實時參數化插補兩過程。

2.1前瞻插補預處理

2.1.1確定轉接點最高速度2.1.3校核整體跨段轉接點速度

微段高速加工時數控系統需要對軌跡運動的變化特征進行提前預測，確保進行整體跨段的加減速。為此首先構建整體跨段減速曲線，然后進入減速處理循環，進行存放預插補微段減速計算，得到該段終點速度，并進行校核。當終點速度大于允許的最高速度，則停止進行減速處理循環，確定減速點；反之則進行下一微段的減速計算。這樣就建立起減速點與拐點的前端控制。

2.2實時參數化插補

通過參數方程表示的曲線，計算參變量的增量，直接求出各坐標的位置坐標。實現在軌跡插補時不適用函數計算，只采用次數較少的四則運算即可。

2.2.1參數化軌跡數學模型

2.2.2建立參數化插補算法

參數化插補算法主要有段內參數化插補算法、整體跨段參數化插補算法。段內參數化插補算法是當減速點Pd位于段內時，微段li速度和位移通過右端點建立三次多項式柔性加減速控制離散數學模型。整體跨段參數化插補算法，是當減速點Pd位于跨程序段時，在三次多項式柔性加減速和整體跨段參數化插補的基礎上，建立實時插補算法的整體跨段速度、位移曲線離散化數學模型。

2.3高速自適應前瞻插補技術與傳統插補技術的對比

通過對某汽車成型模的葉子板某區域的加工軌跡觀察，每一微段升降速處理結果發現，采用高速自適應前瞻插補技術加工僅需要0.361s，而傳統插補速度控制加工時間0.753s；同時對該區域加工軌跡試驗結果發現，采用高速自適應前瞻插補與傳統插補技術共需要進給分別為7.507s和17.450s。由于進給速度高速銜接和微段組成的刀具軌跡自適應向前，避免了頻繁的加減速度，使機床運行平穩，加工速度和質量提高。

3.結束語

高性能數控系統在數控機床中的應用，提高了加工速度與加工質量。通過高速自適應前瞻插補技術的數學建模與試驗，發現該技術在高性能數控系統中具有較高的有效性與可靠性，是一種可推廣的技術。

參考文獻：

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[2]洪海濤，于東，陳龍等.高性能數控系統解釋技術的研究與實現[J].小型微型計算機系統，2012，33（4）