數控加工刀具運動的優化控制

劉桂超++張娟

【摘 要】數控加工技術正朝著高速、高效、高精度方向發展，高速加工要求機床各運動軸都能夠在極短的時間內達到高速運行狀態并實現高速準停，研究開發滿足高速、高精度、有效柔性加減速要求的數控加工刀具的控制方法已成為現代高性能數控系統研究的重點。

【關鍵詞】數控加工；刀具運動；優化控制

1.數控加工、數控加工精度的概念及內容

1.1數控加工的概念

數控加工是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝方法。從整體來看，數控機床加工與傳統機床加工在工藝流程上差別并不大。但從細節來看就會發現，與傳統機床加工相比，數控機床加工在工藝流程上發生了明顯變化。數控機床加工是由數字信號控制零件和刀具相對位移的一種機械加工工藝。相對來說，數控機床加工更適合小批量、形狀復雜、品種多樣、精度要求高的高效自動化零件加工。

1.2數控加工精度的概念及內容

數控加工精度指的是零件成品相對于理想模型在各種參數上的精確度，是衡量數控加工質量的重要指標。數控加工精度是一個綜合概念，它包含四大方面的內容。

1.2.1尺寸精度。

與零件模型相比，零件實際尺寸的精確程度。

1.2.2形狀精度。

與理想要素相比，零件的被測要素的精確程度。

1.2.3位置精度。

相對于圖樣標注的位置誤差，零件實際位置誤差的精確程度。

1.2.4表面粗糙度。

就算加工工藝再好，加工出來的零件表面也不可能是完全平整的，總有一些由微觀幾何圖形造成的粗糙。

1.3對數控加工的認識

數控加工過程中，影響數控加工精度的因素非常多，比如溫度、濕度等。因此，在數控加工中，就算采用同一種加工方法，其精度也存在很大差異。不管采用何種加工工藝，只要操作細心，切削參數選用正確，再加上精心調整，其最后的零件質量都會很好。但是人們都知道，誤差和成本之間是成反比的，低誤差必然伴隨著高成本。一味地提高數控加工精度，不僅會大大降低生產效率，還會增加成本投資。

2.折線光滑轉接優化控制算法

在數控加工過程中，待加工零件的輪廓軌跡多種多樣，可以看作由多段直線和圓弧組成。如果對每一條加工型線（直線段或圓弧）都采用從靜止加速到目標速度，再在該段終點處減速到的方法，會產生以下不利情況：

（1）平均加工速度低，影響加工效率；

（2）頻繁加減速會加大電機的負荷，產生運動噪聲和降低控制精度；

（3）對某些由多個微小線段組成的特殊加工軌跡，實際的進給速度不能達到編程時設定的進給速度，加減速導致速度波動，造成加速度過大及輪廓誤差。

為解決上述‘折點”問題，需要一種方法使得滿足一定條件的相鄰待加工曲線之間不必減速，可以保持速度上的連續，而且盡可能地達到編程時設定的進給速度。

2.1折點光滑轉接控制模型

首先建立給定折線起點和終點速度的直線加減速模型。如【圖1】所示，設第i段路徑長Li，起點和終點速度分別為vi，vi+1，實際運動加速度和最大理論進給速度分別為am和vmax加速、勻速和減速段的位移分別為S1、S2和S3，該路徑段所能達到的最大實際進給速度為vm，則其運動方程可表示如【圖2】：