數控加工中加減速控制曲線的研究

何峰 韓玉娟

摘要：詳細分析數控加工的基本信息，了解并分析數控加工系統中各種加減速曲線，如直線形、三角函數形、指數形等。比較這幾種控制方法的優缺點和各自的適用場合。

關鍵詞：數控加工;加減速控制曲線;優缺點

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0065-02

1 ?數控加工

數控加工是數控機床上加工零部件的加工方法，數控機床上加工與原先的傳統方式的機床加工有一定程度相近的地方，但是卻有了不少進步，數控機床加工是利用數字信息對部件和刀具位置進行調節的加工方式，這是實現自動化加工很有效的辦法，實現了零件種類繁多、數量小、形狀復雜、精密度高等高難度問題可以有效的完成。

1.1 數控加工的起源發展

數字控制技術源于航空產業的需求。在20世紀40年代，美國的一家直升機公司提出了數字機床的初步構想，麻省理工學院于1952年開發了三坐標數碼銑床。1950年代中期，麻省理工學院開發的這種三坐標數碼銑床已經投入生產，用于加工制造飛機所需要的機械零件，20世紀60年代，數字控制系統和程序設計日漸成熟完善，數字控制機器已經應用于各工業部門，但航空航天產業一直是數字控制系統控制機器的最大用戶。

數字控制技術不僅僅縮短了程序設計的時間還大大提高了自動化生產的水平，降低了數字控制技術的成本，先進的數字控制技術應用在航空航天事業上，小型或者微型計算機上，比如計算機的數字控制、更換數字控制系統控制器，使用電腦存儲的軟件執行計算和控制功能，直接數字控制是利用一臺電腦直接控制幾臺數字控制機床，成本比較貴，系統也比較復雜，但是從提高加工的質量和效率這兩方面是可以的，CNC控制的發展除了硬件領域的數字控制系統和機床的改善外，這樣軟件的發展也顯得很重要，計算機輔助程序設計（也稱為自動程序設計）是指程序員用數字控制語言編制程序后，將程序輸入電腦進行翻譯，然后在電腦上自動進行耳釘膠帶和磁帶輸出，比較廣泛的數字控制語言是APT語言，主要分為處理程序和事后處理程序，前者翻譯程序員寫的程序，計算刀的軌跡，后者將刀的軌跡加工成數字控制器的部件加工程序。

1.2 數控加工的優點

①加工出來的零件質量穩定可靠，加工出來的零件更為精細，零件的一致性較高，足夠滿足航空產業的需求。②加工出來的零件品種豐富，可以較為少量的生產零件，大大提高生產效率，減少了準備生產，機床調整，工程檢查的時間。③可以加工其他加工方法比較難加工的復雜狀況，還可以加工一些肉眼無法看到的加工的部位。

1.3 數控加工的基本過程

數字控制加工是指用CNC控制的機床加工零件的工序，CNC控制機器是計算機控制的機器控制機器，CNC機床的動作和輔助動作都是接受CNC控制系統的指示，程序員會根據作業的加工要求還有材質的需要，機床的特性和系統規定的指令格式（CNC語言或符號）制作CNC控制系統的指令，CNC控制系統根據程序指令向伺服裝置和其他功能部件發送運行或中斷等信號所有的功能部件接收到信號后立刻做出相對的反應，比如零件加工結束后面車床自動停止，如果CNC控制車床不向CNC控制系統輸入程序命令，CNC控制車床將無法啟動，以此來保證設備與工作人員的安全。機床控制的動作有機床的操作、停止、主軸的開關、旋轉方向和旋轉時速度的變化、刀片進入不同的速度、方式還有方向，刀的選擇上，長度和半徑等問題，刀片的更換還有冷卻液的開關等等。

1.4 數控加工加工工藝

數字控制加工程序制作方法分兩種，手動程序設計和自動程序設計。都是按照人工數字控制系統規定的命令形式制作的程序的內容。自動程序的設計根據計算機程序的設計分為基于語言和圖像的自動程序的設計方法，有自動程序。不管使用方法如何，都需要對應的硬件和軟件。雖然實現數字加工程序的設計很重要，但不能只進行程序設計。數字加工還包括了準備工作還有程序設計之后后續需要處理的一些事宜。通常的數字控制加工過程中包含以下內容：①數字控制加工需要選擇并確認加工零部件和其內容。②對零部件所對應的圖紙進行數值控制加工的技術分析。③數字控制加工技術設計。④針對零部件圖紙進行數學處理。⑤制作加工流程說明書。⑥根據程序生成控制介質。⑦程序驗證和變更。⑧第一次試驗加工和現場問題處理。⑨數字控制加工技術文檔的定型化和歸檔。

1.5 數控加工的文明生產

數字控制設備是自動化水平高、機構比較復雜的先進一點的加工設備，數字控制設備可以發揮機器的完善性，大大提升數控加工的生產效率，使用和管理數字控制設備，這就要求了技術人員文明生產對提高技術人員的素質也有了相關的要求。工作人員不但要培養良好的工作習慣和工作態度還應該熟練掌握數字控制機器的性能，工作人員還應具有良好的職業素養培養責任感和團隊精神。

①嚴格遵守數字控制機床的安全操作規程，不經過專業訓練，不得隨意操作機床。②嚴格遵守上下班、輪班工作制度。③做好機床的使用和管理，有較強的工作責任感。④操作人員應穿戴好工作服、工作鞋，不得穿、戴有危險性的服飾品。

2 ?加減速控制

加減速控制是數字控制系統補充器的重要組成部分，是數字控制系統開發的重要技術之一，數字控制系統的開發目標是實現高精度和高效率的加工，坐標運動部件在短時間內可以加快指定的速度，高速運轉后，預定位置會急劇停止，準備時間縮短。另一方面，加工過程穩定，沖擊較小，如何確保機器的穩定運動，以最短的過渡時間為目標實現減速控制規則，滿足高速加工要求的減速特性就是本文的課題。

2.1 加減速控制方式

加減速控制方式分為前加減速控制和后加減速控制，而前加減速控制又分為線性加減速處理和終點判別處理。

數字控制系統必須對送至進電機的進給脈沖或電壓進行加速減速控制，以防止在機床啟動或停止的過程中發生沖擊、失步、超程或振動等現象。也就是說，保證在機器加速啟動時，電機的進給脈沖和電壓逐漸增加。本機床減速停止時，務必進行咨詢。給電機的進給脈沖頻率和電壓依次減少，通過加減速控制到控制系統的位置，插值前加減速和插值后加減速部分，前加減速的控制對象在指令進給速度F、插值前計算進給速度F’，根據進給速度進行插值，各軸的進給量0X、0Y獲得0Z。之后將各軸的進給量轉換成脈沖或電壓驅動電機。由于減速插補后進行加減速處理，各軸的正確聯動關系在軌跡控制中會產生軌跡誤差。為了實現各軸的精度控制，可進行插補前加減速控制。

2.2 加減速控制算法

2.2.1 直線加減速控制算法

“直線加速減速”是指加減速中的加速度為常數，加速度為0的加減速過程。直線減速速度曲線設定目標速度。這種減速曲線設定的優點很容易理解，很容易計算。但是減速階段有幾個缺點，在等速和加速運行中要預測減速點，即，判斷下一個插件周期的運行距離和該插件周期的運行距離，然后將剩余路徑的長度差異與理論減速點進行比較，當它們的數值相同時，下一個插值周期開始減慢，但這在理論上是可能，實際理論減速點和實際減速點在實際工作中不一致，此時，以負加速度降低速度，即使以最小速度減速，也無法到達目標地點。然后以最小的速度慢慢地走剩下的長度。速度曲線雖然有必須馬上停止的部分，但是會延遲一段時間，速度會持續一段時間變成“尾巴”。這個“尾巴”的長度與減速開始速度和最低速度的比率有關，這個比例越大“尾巴”就越長。工作時間越長等問題也越來越大。

當然，現在也有一定的解決方法。如果程序進入減速區域，新的加速度就會重新計算出來。如果沒有現有的加速度，速度變為零，剩下的路徑就會完全恢復。直線減速最大的界限是在固定加工長度的條件下才可以使用算法，直線加減中控制曲線使用頻率不高。

2.2.2 指數加減速控制算法

“指數加減速”使運行和停止之間的速度隨時間變化，速度隨指數變化而規則地上升或下降。

指數的加減速分為三個過程：加速過程、勻速過程、減速過程。

指數的加減速速度比直線慢，平滑度高，運動精度高。但是相對來說，減少索引速度的算法比較復雜，占用了更長的時間。另外，減速的起點和終點的加速度發生了突變，產生了具有柔性的沖擊。

2.2.3 三角函數加減速控制算法

“三角函數加減速”是將加速段和減速段速度隨著時間的變化按照三角函數公式的變化規律變化。

一般情況下三角函數加減速分為三個過程：加速過程、勻速過程、減速過程。

若程序段長度大于加速段和減速段之和則三角函數加減速分為加速過程、勻速過程、減速過程等三個過程，總運行時間=加速時間+勻速時間+減速時間。

若程序段長度小于加速段和減速段之和，最大速度無法達到，則勻速段消失，總運行時間=加速時間+減速時間。

三角函數加減速規則可以實現平滑運動，但三角函數的計算相對復雜，不能滿足數字控制系統的適時要求，必須在運行前處理。

2.2.4 直線加拋物線加減速控制算法

“直線加拋物線加減速”是在直線加減速的基礎上將直線加減速中加速過程和減速過程的直線變化變成拋物線變化。在運行過程中速度隨著時間的變化加入拋物線的變化規律。

直線加拋物線加減速和直線加減速過程類似，都是加速段、勻速段、減速段。

直線加拋物線加減速只有很少的時間點對機床產生沖擊，對機床的沖擊有所改善，這種方法相對來說簡單有效，更能充分利用進電機低速轉動時的有效轉矩，以提高升速和降速中的效率。

2.2.5 S曲線加減速控制算法

“S曲線加減速”的名稱是因為系統減速階段的曲線形狀表示S型曲線而得來，其使用下降速度和上升速度對稱曲線來調整升降速度。

正常情況下S曲線加減速共有七個過程分別是加加速過程、勻加速過程、減加速過程、勻速過程、加減速過程、勻減速過程、減減速過程。

普遍采用的恒加速方式，由于加加速或加速度的導數為零，在相對復雜的路徑運動時會導致系統出現噪音和振動。S曲線加減速可以實現加減速過程中加速度的連續變化，能夠有效減小系統的沖擊和震蕩。

3 ?結束語

本文對數控加工進行了一定的分析理解，了解了數控加工的起源發展、優點、基本過程以及文明生產。對于各種加減速控制方法進行了一定程度的分析，分別了解了直線加減速、指數加減速、三角函數加減速、直線加拋物線加減速、S曲線加減速的特點和在實際運用中的優缺點，之后可以根據不同的使用情況擇優使用不同的加減速控制曲線。

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作者簡介：何峰（1989-），男，江蘇漣水人，本科，初級，研究方向為機電。