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数控系统S型加减速控制方法研究论文

发布时间:2023-08-14 09:56:46 文章来源: 我要评论














SCI论文(www.lunwensci.com)

  摘要:为满足高速高精数控加工,保障机床加工性能与稳定性,提出一种误差补偿优化方法。基于微积分思想与等比例分配原则,通过多项式计算对理想插补过程与实际插补过程的误差开展分析原因,讨论了当前系统加减速过程中误差产生的原因,发现误差主要存在于插补过程中产生的弓高误差,构建了误差分配数学模型,将插补过程产生的弓高误差累和,根据速度变化规律平均分配在插补的整个过程中。MATLAB仿真结果表明,加入误差补偿优化后能有效实现速度的平滑过渡,同时减小了实际插补过程产生的位移误差,使得拟合曲线更加符合理想情况,保证了加工的稳定性和加工精度,且相比传统方法,优化后的算法复杂度更低,对分析机床加减速性能的研究有一定的参考价值。

  关键词:加减速控制,S型曲线,误差

  Research on S-type Acceleration and Deceleration Control Method of NC System

  Cheng Yinghao,Jia Heng,Ma Huan,Yan Wei,Cai Fei

  (Wuhan Huazhong Numerical Control Co.,Ltd.,Wuhan 430223,China)

  Abstract:In order to meet the requirements of high-speed and high-precision NC machining and ensure the machining performance and stability of machine tools,an optimization method of error compensation was proposed.Based on the idea of calculus and the principle of equal proportion distribution,the causes of errors in the ideal interpolation process and the actual interpolation process were analyzed through polynomial calculation,the causes of errors in the acceleration and deceleration process of the current system were discussed,and it was found that the errors mainly existed in the bow height errors generated in the interpolation process.A mathematical model of error distribution was built to accumulate the bow height errors generated in the interpolation process.According to the speed change law,it was evenly distributed in the whole interpolation process.The simulation results on MATLAB show that adding error compensation optimization can effectively realize the smooth transition of speed,reduce the displacement error generated in the actual interpolation process,make the fitting curve more in line with the ideal situation,ensure the stability and accuracy of machining,and lower the complexity of the optimized algorithm compared with the traditional method.It has certain reference value for analyzing the acceleration and deceleration performance of machine tools.

  Key words:acceleration and deceleration control;S-shaped curve;error

  0引言

  随着我国现代制造业的飞速发展,数控机床逐渐成为当今机械生产的重要加工设备[1],其应用范围涵盖航空、汽车、能源、电子等重要行业,高速高精的数控机床不仅能提高加工效率,更能保证加工产品的质量,对于制造业的发展具有十分重要的意义[2]。因此,分析与掌握数控系统的加速度特性成为解决机床加工质量与效率的首要任务[3]。

  数控机床在加工过程中,如果启动或停止速度变化过大,会引起机床震荡,并且这种震荡会损害刀具,影响产品加工精度[4]。为了防止这些现象,需要在机床的启停时对速度进行控制[5]。

  根据加减速特点可分为柔性化加减速控制与非柔性化加减速控制[6]。常用的非柔性加减速控制包括直线及指数加减速控制,其原理简单但不具有柔性,加速度易发生突跳,从而给机床造成冲击,不适应高速加工[7]。常用的柔性加减速控制有三次多项式加减速控制和S型加减速控制,这种方法能够保证平滑过渡的进给速度和连续变化的加速度,避免了加减速过程中加速度突变所造成的机床柔性冲击,速度平滑性好,运动精度高。但是算法较复杂,一般应用于高档数控系统[8]。目前S型加减速应用最为广泛[9]。

  国内外对加减速控制方法做了大量研究[10]。王宇晗[11]提出一种直线加减速算法,该算法通过固定的前瞻段数进行规划,但其在高速加工过程中加速度不连续,会造成冲击问题。针对这种情况,李建刚[12]利用S曲线加减速对路径进行速度规划,较好的解决了加速度突变的问题,但其忽略了加工过程中各分段产生的弓高误差,导致精度较低。游有鹏[13]提出根据弓高误差自动调整速度,该算法大大提高了加工的精度,却忽略了机床加减速突变对机床造成的冲击。赵翔宇[14]提出三次S型曲线加减速控制算法,该方法保证了速度的平滑过渡,提高了加工稳定性,但是涉及高次项运算,计算量大,参数复杂,影响加工效率。上述文献虽然都对加工过程进行速度规划,但是要么忽略了速度的平滑性,要么忽略了加工过程的误差,因而在实际加工过程中会存在一定的问题[15]。

  本文以S型曲线加减速为例,建立对称S型加减速数学模型,通过对理想加工与实际加工的速度和位移进行研究,分析其弓高误差值产生的原因,提出一种基于速度变化规律的误差分配方法,对整个加工过程的速度进行补偿,从而消除误差保证曲线精度。
数控系统S型加减速控制方法研究论文
 

  1 S型曲线加减速原理
 
  S型曲线是一种柔性的加减速方法,它分为加加速阶段、匀加速阶段、减加速阶段、匀速阶段、加减速阶段、匀减速阶段、减减速阶段这7个部分,如图1所示[16]。其中,加速阶段图1 S型加减速速度变化曲线包括加加速阶段T1,匀加速阶段T2,减加速阶段T3;减速阶段包括加减速阶段T5,匀减速阶段T6,减减速阶段T7。

  由于该算法的加速与减速阶段高度相似,假设运动过程为完整的7段,且电机的加速阶段与减速阶段时间一致,初始速度、加速度、路程均为0,加加速度为J,系统能达到最大速度vmax,最大加速度A,此时则有:
 
 
数控系统S型加减速控制方法研究论文

  根据上述说明可知,只需确定机床允许的最大速度vmax,最大加速度A和加加速度J,便可确定整个加工过程[18]。
 
  加加速度J、加速度a、速度v、路程S的关系如下:
 
数控系统S型加减速控制方法研究论文

  可以对加加速度进行积分,得到加速度的表达式:
 
数控系统S型加减速控制方法研究论文
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  2弓高误差分析
 
  S型曲线加减速的速度是连续的,而实际生活中速度是伴随着插补周期离散变化,因此在每个插补周期内,都会存在一定的误差,使得预期与实际插补距离不等,产生弓高误差。
 
  此外,由于预期的插补时间不一定为插补周期的整数倍,但是插补周期往往较小,且每个阶段仅需取整一次,因此忽略此误差,对插补周期个数均做向上取整处理。
 
  由于加速阶段与减速阶段的对称性,以加速阶段对弓高误差进行分析,如图2所示。
 
数控系统S型加减速控制方法研究论文

  假设数控系统的插补周期为Ti,加加速阶段的时间为Tadd,插补周期个数为N1;匀加速阶段的时间为Tavg,插补周期个数为N2;减加速阶段的时间为Tsub,插补周期个数为N3,则有:

数控系统S型加减速控制方法研究论文
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  由此可得每个插补周期内误差修正后的速度,保证了速度规划的轨迹与实际插补轨迹相同,使得速度变化过程更为平滑,同时消除了误差,提升了加工精度。
 
  3 MATLAB仿真
 
  设加加速度为J=10 000 mm/s3,最大加速度为a=2 000 mm/s2,最大速度为v=2 000 mm/s。
 
数控系统S型加减速控制方法研究论文
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  4结束语
 
  本文对数控系统S型加减速进行了深入研究,基于7段S型加减速控制算法,介绍了S型加减速算法的原理,再通过数学计算重点介绍分析S型加减速过程中误差产生的原因,在此基础上提出误差分配思想,优化后的加减速算法可以解决插补过程中产生的弓高误差,还能够在一定程度上克服速度变化不连续的问题。最后通过MATLAB对理想情况下进行仿真测试,结果表明,在其他条件相同的情况下,加入误差补偿优化的效果优于其他传统S型加减速方法,能够实现速度间的平滑过渡,有效减小运动过程产生的弓高误差值,保证了加工的稳定性与加工精度,且算法复杂度较低,对分析机床加减速性能的研究有一定的参考价值。
 
  参考文献:
 
  [1]司慧晓.数控加工中加减速控制及平滑算法的研究与实现[D].沈阳:中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所),2017.
 
  [2]吴继春.曲面数控加工编程轨迹的NURBS拟合及插补算法研究[D].武汉:华中科技大学,2012.
 
  [3]赵巍.数控系统的插补算法及加减速控制方法研究[D].天津:天津大学,2004.
 
  [4]张丹凤.数控系统插补算法研究及设计[D].沈阳:东北大学,2009.
 
  [5]叶荫民.数控系统的加减速控制算法及其实现[D].兰州:兰州交通大学,2019.
 
  [6]朱长峰.连续微线段高速加工数控系统路径与速度前瞻规划算法研究[D].杭州:浙江大学,2018.
 
  [7]陈铮杰.嵌入式数控系统微小线段平滑插补算法研究[D].南京:南京航空航天大学,2014.
 
  [8]商允舜.CNC数控系统加减速控制方法研究与实现[D].杭州:浙江大学,2006.
 
  [9]谢暴.数控系统插补算法的优化设计[J].华夏星火,2005(9):70-72.
 
  [10]杨召彬,王宏甲,乔磊,等.基于差分插补原理的数控系统加减速规划[J].机床与液压,2019,47(8):157-160.
 
  [11]许海峰,王宇晗,李宇昊,等.小线段高速加工的速度模型研究和实现[J].机械工程师,2005(4):9-13.
 
  [12]李建刚,吴响亮,李泽湘,等.连续加工路径的进给速度规划算法研究[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(3):29-32.
 
  [13]游有鹏,张礼兵,何均.高速高精度数控系统若干控制技术的原理分析和应用进展[J].航空制造技术,2010(11):60-63.
 
  [14]赵翔宇,蔡慧林.三次S曲线加减速算法研究[J].机械科学与技术,2016,35(5):747-751.
 
  [15]潘敏,邬义杰,冷洪滨.数控系统加减速控制方法的研究[J].制造业自动化,2005,27(9):4.
 
  [16]石川,赵彤,叶佩青,等.数控系统S曲线加减速规划研究[J].中国机械工程,2007,18(12):5.
 
  [17]谢剑云.数控系统加减速控制方法研究现状[J].机械管理开发,2009,24(5):2.
 
  [18]李峰.一种实用的数控系统加减速控制方法[J].现代制造工程,2004(5):2.

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