基于高速加工的加减速控制方法研究及实现

ΔX = FX ( K1 T1 + K2 T2 )
(6)
ΔY = FY ( K1 T1 + K2 T2 )
(7)
式中 :ΔX —X 方向的误差 ;
ΔY—Y方向的误差 ;
K1 K2 ———伺服系统和加减速决定的参数 ; T1 T2 ———伺服滞后的时间常数和加减速引起滞 后的时间常数 。
T1 由伺服系统决定 , T2 由 CN C 系统决定 。 T1 、T2 既不能太快 ,也不能慢 , 过快则机械冲击大 , 容易造成
图 4 位置 、速度的前馈控制框图
412 采用数字伺服技术 高速加工要求伺服系统准确而快速地驱动机床的
工作部件 ,才能高速加工出满意的机械零件 。为此 , 伺 服系统必须具有快速响应的能力 、抑制扰动的能力 , 同
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图 5 预先前馈控制
时要求伺服系统不产生振动 , 避免与机床可能产生的 共振 。
(1. Department of M echanical & Electrical Engineering, J inHua College of Profession & Technology, J inhua Zhejiang 321017, China; 2. W en Zhou Power Co. L td, W enzhou Zhejiang 325602, China) Abstract: Acceleration / deceleration control is a key technology of CNC system. This paper conducts a detailed analysis of the reasons of outline error and lag error caused by acceleration / deceleration in high2speed machi2 ning. B ased on the database, one method using different shapes of curve p re2interpolation acceleration / deceler2 ation control is put forward. The method is suitable for flexible automatic speed control of high2speed machi2 ning. In accordance w ith specific conditions, CNC changes the speed of curve p re2interpolation, effectively im 2 p roves the stability of operation of machines, and reduces the lag error caused by acceleration / deceleration in high2speed m achining. A ll of these help op tim ize the quality of machines operation. The paper is of great sig2 nificance to the development of CNC high2speed m achining system. Key words: computer numerical control; high2speed machining; lag error; acceleration and deceleration control
为了改善机械的冲击 , CNC 系统要对运动的速度 指令进行加 、减速控制 。数控系统的加减速控制也会 引起误差 ,如下图 2所示 。
图 1 轮廓误差与跟随误差
对于轮廓误差 :
在加工直线时 ,其轮廓误差为 ,如不计加减速引起
的滞后 ,可用式 (1)表示 :
ε = F sin2θ KX - KY
(1)
The Rea liza tion and Research on the Accelera tion /D ecelera tion Con trol M ethods Ba sed on the H igh2speed M ach in ing YU Hong2bin1 , W ENG X ian2jin2
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2008年第 2期
部件较轻 。 (2)其次是 CNC数控系统 , CNC系统把输入的零
件程序转换成要加工的形状轨迹 、进给速度和其他的 指令信息 ,连续地把位置指令送给每个伺服轴 。为了 同时得到高速度和高精度 , CNC系统必须根据被加工 零件的形状轨迹选择最佳的进给速度 ,在允许的误差 范围内以尽量高的进给速度产生位置指令 ,特别在拐 角处和小半径处 , CNC应能判别在多大的加工速度变 化时影响精度 ,而在刀具到达这样的点前使刀具的切 线速度自动减速 。对于模具加工 , CAM 生成的程序段 很小 ,程序很长 ,必须利用特殊的变加减速结构控制方 法 ,来实现高精度和高速度的加工 [ 2 ] 。
T21
+
1 K2
(3)
在 KX = KY = K,直线加减速 ,加减速时间常数为 T1 时 #43;
1 K2
(4)
在 KX = KY = K,铃形加减速 ,加减速时间常数为 T3 时 ,
ε≈ F2 2R
T23 24
+
1 K2
(5)
由以上分析可见 ,对于圆弧加工 , 产生轮廓误差的
摘要 :加减速控制是 CNC系统开发的关键技术之一 ,文章通过对高速加工过程中轮廓误差和加 、减速引 起的滞后误差进行了详细分析 ,提出了一种基于数据库的采用不同形状的加 、减速曲线插补前加减速控 制方法 ,适合于高速加工的柔性自动加减速控制 , CNC能根据实际情况改变升降速控制曲线 ,有效改善 机床运行的平稳性 ,减少加减速引起的滞后误差 ,实现快速 、精确的位置伺服控制 ,使机床运动的动态特 性达到最佳 ,文章对高速 CNC系统开发具有重要的参考意义 。 关键词 : CNC;高速加工 ;滞后误差 ;加减速控制 中图分类号 : TP27315 TG659 文献标识码 : B
0 引言
高速加工技术是传统数控加工技术新发展 ,对于 高速数控加工 ,数控机床的目标是要求高速度地加工 出高精度的零件 。
在高速加工时 ,加工误差主要是由控制系统加 、减 速的滞后和伺服系统的滞后引起 ,因此 ,控制系统要设 法减少这两方面的误差 [ 1 ] 。本文首先对高速加工时控 制系统加 、减速的滞后误差的原因进行分析 ,然后研究
2
KX KY
式中 : F—进给速度 ;
图 2 由于加减速产生的误差
图中阴影的面积为由加工减速产生的位置误差 。 对于两轴联动加工拐角时 , 这个误差就会产生图 3 所 示的圆弧角 。
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·控制与检测 ·
组合机床与自动化加工技术
设 X、Y轴带同样的伺服电动机 , 由于伺服的滞后
和加减速引起的误差为 :
了减少加减速滞后误差的措施 。最后提出一种基于数 据库的采用不同形状的加 、减速曲线变加减速结构控 制方法 ,适合于高速加工的柔性自动加减速控制 。
1 高速加工对数控系统要求
为了在保证精度的基础上进行高速加工 ,有三个 重要的因素要考虑 :
(1)首先是机械系统 。高速 、高精加工要求机床结 构具有高刚度 ,特别是主轴和进给部分 ,同时要求移动
不稳定 ;过慢则响应慢 ,也会引起较大的误差 。对于高
速加工 ,这点非常重要 。
图 3 由于加减速产生的拐角误差
4 高速数控加工前馈控制技术
411 前馈控制 采用前馈控制是一种有效减少稳态跟随误差的方
法 。为了进一步提高伺服系统对高速及高精加工的适 应能力 ,还可以进行“预先前馈 ”控制 ,“预先前馈 ”控 制是把产生前馈的数据提前 1个分配周期 ,也即提前 1 个 ITP的插补周期 ,因而可以减少由于平滑处理引起 的延迟 [ 4 ] 。这种控制可以在一般的前馈控制中提升高 速的加工功能 ,在一般的前馈控制中 ,为了消除每个插 补周期产生的速度误差 ,增加了平滑环节 ,见图 4～图 5。它作为前馈数据 。产生了延迟 。而新的先进的“预 先前馈 ”控制 ,提前 1个 ITP的周期产生前馈作用 。
补后加减速与补前加减速不同 , 它是对各种运动 轴分别进行的加减速控制 ,所以在加减速后 , 不要专门 预测减速点 ,而是在插补输出为零时开始减速 , 并通过 一定的时间延迟逐渐靠近程序段终点 。补后加减速的 缺点是 ,由于它对各种运动坐标轴分别进行加减速 , 所 以在加减速控制以后 , 实际的各坐标轴的合成位置就 可能不准确 。不过这种影响只在加速或减速过程中才 出现 ,在系统进入匀速状态时就不存在 。
采用数字伺服技术 , 伺服系统的速度增益和位置 增益可以提高 , 减少了伺服滞后产生的误差 。优点 : ①无温度漂移 ,稳定性好 ; ②基于数值计算 , 精度高 ; ③ 通过对系统进行参数设定 , 可减少调整 ; ④容易做成 ASIC电路 ; ⑤由于采用软件控制 , 柔性好 , 容易增加功 能。
5 高速数控加工加减速控制技术
主要原因是 :伺服的滞后 ; 加 、减速控制产生的滞后 。
因此 ,当要求系统进行高速加工时 ,由于进给速度 F增
大 ,其轮廓误差 ε明显变大 。为了保证精度的前提下
提高加工速度 ,在提高机床的进给速度时 , 如果要求保
持与低速一样的加工精度 ,必须采用更先进 、更快速的
控制系统 。
3 加 、减速引起的滞后误差分析
2 高速加工轮廓误差分析
轮廓误差是指期望的路径与运动实际值之间的距 离 ,对于直线数控系统和轮廓数控系统都可能产生轮 廓误差 。所谓跟随误差是坐标轴运动的期望与它运动 的实际值位置之间的差见图 1。