數(shù)控加工刀具運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化控制

劉桂超++張娟

【摘 要】數(shù)控加工技術(shù)正朝著高速、高效、高精度方向發(fā)展，高速加工要求機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸都能夠在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高速運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)高速準(zhǔn)停，研究開發(fā)滿足高速、高精度、有效柔性加減速要求的數(shù)控加工刀具的控制方法已成為現(xiàn)代高性能數(shù)控系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控加工；刀具運(yùn)動(dòng)；優(yōu)化控制

1.數(shù)控加工、數(shù)控加工精度的概念及內(nèi)容

1.1數(shù)控加工的概念

數(shù)控加工是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法。從整體來看，數(shù)控機(jī)床加工與傳統(tǒng)機(jī)床加工在工藝流程上差別并不大。但從細(xì)節(jié)來看就會(huì)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)機(jī)床加工相比，數(shù)控機(jī)床加工在工藝流程上發(fā)生了明顯變化。數(shù)控機(jī)床加工是由數(shù)字信號(hào)控制零件和刀具相對位移的一種機(jī)械加工工藝。相對來說，數(shù)控機(jī)床加工更適合小批量、形狀復(fù)雜、品種多樣、精度要求高的高效自動(dòng)化零件加工。

1.2數(shù)控加工精度的概念及內(nèi)容

數(shù)控加工精度指的是零件成品相對于理想模型在各種參數(shù)上的精確度，是衡量數(shù)控加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。數(shù)控加工精度是一個(gè)綜合概念，它包含四大方面的內(nèi)容。

1.2.1尺寸精度。

與零件模型相比，零件實(shí)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(biāo)注的位置誤差，零件實(shí)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(shù)控加工的認(rèn)識(shí)

數(shù)控加工過程中，影響數(shù)控加工精度的因素非常多，比如溫度、濕度等。因此，在數(shù)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(xì)心，切削參數(shù)選用正確，再加上精心調(diào)整，其最后的零件質(zhì)量都會(huì)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(shù)控加工精度，不僅會(huì)大大降低生產(chǎn)效率，還會(huì)增加成本投資。

2.折線光滑轉(zhuǎn)接優(yōu)化控制算法

在數(shù)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(biāo)速度，再在該段終點(diǎn)處減速到的方法，會(huì)產(chǎn)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(huì)加大電機(jī)的負(fù)荷，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)噪聲和降低控制精度；

（3）對某些由多個(gè)微小線段組成的特殊加工軌跡，實(shí)際的進(jìn)給速度不能達(dá)到編程時(shí)設(shè)定的進(jìn)給速度，加減速導(dǎo)致速度波動(dòng)，造成加速度過大及輪廓誤差。

為解決上述‘折點(diǎn)”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(xù)，而且盡可能地達(dá)到編程時(shí)設(shè)定的進(jìn)給速度。

2.1折點(diǎn)光滑轉(zhuǎn)接控制模型

首先建立給定折線起點(diǎn)和終點(diǎn)速度的直線加減速模型。如【圖1】所示，設(shè)第i段路徑長Li，起點(diǎn)和終點(diǎn)速度分別為vi，vi+1，實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度和最大理論進(jìn)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(dá)到的最大實(shí)際進(jìn)給速度為vm，則其運(yùn)動(dòng)方程可表示如【圖2】：