數(shù)控車床的進給速和加減速控制

（優(yōu)選）數(shù)控車床的進給速度和加減速控制當前第1頁\共有32頁\編于星期二\7點數(shù)控機床的進給速度F指令值與加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)率有著密切關(guān)系。對于不同輪廓尺寸、不同材料、不同技術(shù)要求的零件，對其切削進給速度有不同的要求，一般要求進給速度穩(wěn)定、有一定的調(diào)速范圍，且起動迅速，停止準確。兩種進給速度單位：mm/min；mm/r。 前者設(shè)有F值的手動調(diào)節(jié)倍率開關(guān)，以%表示。而后者用于螺紋加工，它必須與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，因為裝有與主軸同步的主軸脈沖發(fā)生器。 CNC系統(tǒng)對速度控制是通過對插補速度控制來實現(xiàn)。對進給速度處理，一般可分為進給速度計算和進給速度調(diào)節(jié)（或控制）兩部分，而進給速度計算因數(shù)控系統(tǒng)的不同而異。當前第2頁\共有32頁\編于星期二\7點一、進給速度計算1、開環(huán)系統(tǒng)在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標軸運動速度是通過控制輸出給步進電機脈沖的頻率來實現(xiàn)的。每輸出一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)過一定角度，驅(qū)動坐標軸進給一個距離，即mm/脈沖（脈沖當量）。插補程序根據(jù)零件輪廓尺寸和F指令值向各個坐標軸分配脈沖序列，其中脈沖數(shù)提供了位置指令值，脈沖頻率確定了坐標軸進給的速度。當前第3頁\共有32頁\編于星期二\7點兩軸聯(lián)動各坐標軸進給速度：要進給速度穩(wěn)定，故要選擇合適的插補算法，以及采取穩(wěn)速措施。當前第4頁\共有32頁\編于星期二\7點2、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)在這種系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)采樣插補方法時，根據(jù)編程的F值，將輪廓曲線分割為插補周期，即迭代周期的進給量——輪廓子步長法。速度計算的任務(wù)是：當直線時，計算出各坐標軸的插補周期的步長；當圓弧時，計算步長分配系數(shù)（角步距）。當前第5頁\共有32頁\編于星期二\7點（1）直線插補的速度計算直線插補的速度計算是為插補程序提供各坐標軸在同一插補周期中的運動步長。一個插補周期的步長為：式中：F——編程給出的合成速度（mm/min）T——插補周期（ms）

L——每個插補周期子線段的長度（m）當前第6頁\共有32頁\編于星期二\7點x、y軸在一個插補周期中的步長為：式中為直線與x軸夾角當前第7頁\共有32頁\編于星期二\7點（2）圓弧插補的速度計算圓弧插補的速度計算任務(wù)是計算步長分配系數(shù)。坐標軸一個插補周期的步長為：式中：R——圓弧半徑（mm)

ii-1、jj-1——圓心相對于第i–1點的坐標值（mm）i——第i點與第i–1點連線與x軸的夾角（圓弧某點切線方向，即進給速度方向與X軸夾角）——步長分配系數(shù)與圓弧上一點的值的乘積可以確定下一插補周期的進給步長。當前第8頁\共有32頁\編于星期二\7點當前第9頁\共有32頁\編于星期二\7點二、進給速度控制CNC系統(tǒng)中進給速度控制方式：軟件控制采用——程序計時法（程序延時法）。軟件與接口控制采用——時鐘中斷法、v/ΔL積分器法（適于采用DDA或擴展DDA插補中的穩(wěn)速控制）。當前第10頁\共有32頁\編于星期二\7點1、程序計時法（程序延時法）其過程是：(1)計算出每次插補運算所占用的時間；(2)由給定的F值計算出相應(yīng)的進給脈沖間隔時間；(3)由進給脈沖間隔時間減去插補運算時間，得到每次插補運算后的等待時間，由軟件實現(xiàn)計時等待。為使進給速度可調(diào)，延時子程序按基本計時單位設(shè)計，并在調(diào)用這子程序前，先計算等待時間對基本時間單位的倍數(shù)，這樣可用不同的循環(huán)次數(shù)實現(xiàn)不同速度的控制。當前第11頁\共有32頁\編于星期二\7點程序計時法大多用于點位、直線控制系統(tǒng)，且系統(tǒng)采用數(shù)字脈沖增量法。不同的空運轉(zhuǎn)時間對應(yīng)不同的進給速度。這種系統(tǒng)控制的進給運動速度可分為升速、恒速、降速等幾個階段。其控制過程如圖所示。當前第12頁\共有32頁\編于星期二\7點

速度準備框的內(nèi)容包括按照指令速度預(yù)先算出降速距離，且置入相應(yīng)的單元；當前第13頁\共有32頁\編于星期二\7點速度控制框內(nèi)需置入速度控制字和速度標志FK（當前速度控制值）、FK0（存恒定值）、FK1（存低速值），這一速度控制子程序的主要功能是給出“當前速度值”，以實現(xiàn)升速、降速、恒速和低速控制；當前第14頁\共有32頁\編于星期二\7點

位置計算是算出移動過程中的當前位置，以便確定位移是否達到降速點和低速點，并給出相應(yīng)標志，若GD=10時到達降速點，GD=01時到達低速點。當前第15頁\共有32頁\編于星期二\7點2、時鐘中斷法按照程序計時法所計算的頻率f值預(yù)置適當?shù)膶崟r時鐘，從而產(chǎn)生頻率為f的定時中斷。CPU每接受一次中斷信號，就進行一次插補運算并送出一個進給脈沖，這類似硬件插補那樣，每次中斷要經(jīng)過常規(guī)的中斷處理后，再調(diào)用一次插補子程序轉(zhuǎn)入插補運算。當速度較高時，CPU的時間很緊張，且這種方法不適用于每分鐘毫米直接給定速度的系統(tǒng)。時鐘中斷法只要求一種時鐘頻率，并用軟件控制每個時鐘周期內(nèi)的插補次數(shù)，以達到進給速度控制的目的。進給速度可用mm/min給定。當前第16頁\共有32頁\編于星期二\7點首先要對這個唯一的時鐘頻率進行合理選擇，選擇的原則是滿足最高插補進給速度的要求，并考慮到計算機換算的方便，取一個特殊的速度為Fp，使在該速度下每個時鐘周期進行一次插補。另外，要進行速度的換算：如實際給定的進給速度是Fp的整數(shù)倍時，就表示每次中斷進行的插補次數(shù)；如給定進給速度非Fp的整數(shù)倍時，包括大于和小于Fp兩種情況，則可將其余數(shù)進行累加計算，每次中斷作一次累加，對大于Fp的情況，有溢出時應(yīng)多做一次插補運算，對小于Fp的情況，則經(jīng)多次中斷累加有溢出時才進行一次插補運算。當前第17頁\共有32頁\編于星期二\7點余數(shù)處理程序框圖如圖所示。以上進給速度的控制方法基本上都適用于數(shù)字脈沖增量法插補的CNC系統(tǒng)。當前第18頁\共有32頁\編于星期二\7點3、數(shù)據(jù)采樣的CNC系統(tǒng)加減速控制加減速控制大多采樣軟件來實現(xiàn)，以便使系統(tǒng)的速度控制更為靈活方便。

前加減速控制：加減速控制可以在插補前進行。后加減速控制：加減速控制可以在插補后進行。（1）前加減速控制前加減速控制是對編程的F指令值即合成速度進行控制。首先要計算出穩(wěn)定速度Fs和瞬時速度Fi。

穩(wěn)定速度——就是系統(tǒng)處于恒定進給狀態(tài)時，在一個插補周期內(nèi)每插補一次的進給量。實際上就是編程給定F值（mm/min）在每個插補周期T（ms）的進給量。當前第19頁\共有32頁\編于星期二\7點考慮調(diào)速方便，設(shè)置了快速和切削進給的倍率開關(guān)，其速度系數(shù)設(shè)為K（％），可得Fs的計算公式為：穩(wěn)定速度計算結(jié)束后，要進行速度限制檢查，如穩(wěn)定速度超過由參數(shù)設(shè)定的最高速度，則取限制的最高速度為穩(wěn)定速度。

瞬時速度——就是系統(tǒng)每個插補周期的實際進給量。當系統(tǒng)處于恒定進給狀態(tài)時，瞬時速度Fi＝Fs；當系統(tǒng)處于加速狀態(tài)時，瞬時速度Fi<Fs；當系統(tǒng)處于減速狀態(tài)時，瞬時速度Fi>Fs；當前第20頁\共有32頁\編于星期二\7點1)線性加減速處理當數(shù)控設(shè)備啟動、停止或在加工中改變進給速度時，系統(tǒng)能進行自動加減速處理，這種處理常有指數(shù)、線性和s型等加減速。線性加減速的處理過程：首先，把快速進給和加工進給的加減速率必須作為機床參數(shù)預(yù)先給予設(shè)定。設(shè)進給設(shè)定F（mm/min），加速到F所需時間為t（ms），則加/減速度a可按下式計算：當前第21頁\共有32頁\編于星期二\7點加速時，系統(tǒng)每插補一次都要進行穩(wěn)定速度、瞬時速度和加速處理。若給定穩(wěn)定速度要作改變，當計算出的穩(wěn)定速度Fs′大于原來的穩(wěn)定速度Fs時，則要加速?；蛘?，給定的穩(wěn)定速度Fs不變，而計算出的瞬時速度Fi<Fs，則也要加速。每加速一次，瞬時速度為：Fi＋1＝Fi＋at新的瞬時速度Fi＋1參加插補計算，對各坐標軸進行進給量的分配。當前第22頁\共有32頁\編于星期二\7點減速時，系統(tǒng)每進行一次插補運算后，都要進行終點判斷，也就是要計算出離終點的瞬時距離si。并按本程序段的減速標志，判別是否已到達減速區(qū)，若已到達，則要進行減速。如圖，如果穩(wěn)定速度Fs和設(shè)定的加/減速度a已確定，可用下式計算出減速區(qū)域：當前第23頁\共有32頁\編于星期二\7點若本程序段要減速，即si≤s，則設(shè)置減速狀態(tài)標志，并進行減速處理。每減速一次，瞬時設(shè)定為：Fi＋1＝Fi－at新的瞬時速度Fi+1參加插補計算，對各坐標軸進行進給增量的分配。一直減速到新的穩(wěn)定速度或減到零。如果提前一段距離開始減速，則可按需要，把提前量Δs作為參數(shù)預(yù)先設(shè)置好，這樣，減速區(qū)域s的計算式為：當前第24頁\共有32頁\編于星期二\7點2）終點判別處理在前加減速處理中，每次插補運算后，系統(tǒng)都要按求出的各軸插補進給量來計算刀具中心離開本程序段終點的距離si，并以此進行終點判別和檢查本程序段是否已到達減速區(qū)并開始減速。對于直線插補，si的計算可應(yīng)用公式：當前第25頁\共有32頁\編于星期二\7點設(shè)直線終點P坐標為（xe,ye），x為長軸，其加工點A(xi,yi)已知，則瞬時加工點A離終點P距離si為：當前第26頁\共有32頁\編于星期二\7點對于圓弧插補，si的計算應(yīng)按圓弧所對應(yīng)的圓心角小于及大于π兩種情況進行分別處理，如圖。小于π時，瞬時加工點離圓弧終點的直線距離越來越小，以MP為基準，A點離終點的距離為：當前第27頁\共有32頁\編于星期二\7點瞬時點離圓弧終點的距離si的變化規(guī)律是：當瞬時加工點由A到B點時，si越來越大，直到它等于直徑；當加工點越過分界點B后，si越小。在這種情況下的終點判別，首先應(yīng)判別si的變化趨勢，若si變大，則不進行終點判別處理直到越過分界點；若si變小再進行終點判別處理。大于π時，設(shè)A點為圓弧AP的起點，B點為離終點P的弧長所對應(yīng)的圓心角等于π時的分界點，C點則為小于π圓心角的某一瞬時點。當前第28頁\共有32頁\編于星期二\7點過程如下圖所示。當前第29頁\共有32頁\編于星期二\7點（2）后加減速控制放在插補后各坐標軸的加減速控制為后加減速控制。這種加減速控制是對各運動坐標軸進行分別控制，因此，可利用實際進給滯后于插補運算進給這一特點，在減速控制時，只要達到運算終點就進行減速處理，經(jīng)適當延遲就能平穩(wěn)地到達程序終點，無需預(yù)測減速點。后加減速控制的規(guī)律實際上與前加減速一樣，通常有直線和指數(shù)規(guī)律的加減速控制。直線加減速控制使機床起動時，速度按一定斜率的直線下降，如圖。當前第30頁\共有32頁\編于星期二\7點指數(shù)加減速控制目標是把機械設(shè)備起動或停止時的速度突變，變成隨時間按指數(shù)規(guī)律上升和下降。指數(shù)加減速度與時間的關(guān)系為：加速時v(t)=vc(1–e

-1/T

)勻速時v(t)=vc減速時v(t)=vc

e

-1/T

式中T為加減速時間參數(shù)；vc為穩(wěn)定速度；v(t)為被控的輸出速