1 前言

　　數(shù)控機(jī)床整個(gè)系統(tǒng)的可靠性主要取決于微型計(jì)算機(jī)及接口電路等,而整個(gè)系統(tǒng)的精度與快速性又主要取決于伺服系統(tǒng)。由于微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度快(最小指令執(zhí)行時(shí)間一般在1Ls內(nèi)),經(jīng)軟件插補(bǔ)運(yùn)算輸出的進(jìn)給指令信號頻率高;而伺服驅(qū)動元件的響應(yīng)頻率低(一般在幾百Ls之間)。因此,容易造成啟動或加速時(shí)的失步、停止或減速時(shí)的超程,使工作臺的實(shí)際位移與進(jìn)給指令信號不一致,形成加工誤差,直接影響整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的精度和快速性。

　　為了解決微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、輸出進(jìn)給指令信號頻率高,伺服驅(qū)動元件的響應(yīng)頻率低的矛盾,消除由此產(chǎn)生的加工誤差,必須對進(jìn)給指令信號頻率進(jìn)行自動升降處理,使之適合伺服驅(qū)動元件的響應(yīng)頻率。由于開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床常采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件,而閉環(huán)(半閉環(huán))數(shù)控機(jī)床多采用交、直流伺服電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件,因此,它們的自動升降速處理的原理和方法也各不相同。

2 伺服驅(qū)動元件的升降速特性

　　伺服驅(qū)動元件的升降速特性是描述伺服驅(qū)動元件由靜止到工作頻率f和由工作頻率f到靜止的升降速過程中,定子繞組通電狀態(tài)頻率與時(shí)間的變化關(guān)系。而用來描述以上關(guān)系的曲線稱之為伺服驅(qū)動元件的升降速特性曲線。

　　由于受機(jī)械和電氣過渡過程的影響,當(dāng)伺服驅(qū)動元件從靜止啟動逐漸上升達(dá)到工作率時(shí),需要經(jīng)過一段加速時(shí)間,逐漸上升,這一過程稱為升速過程;同樣,當(dāng)伺服驅(qū)動元件從工作頻率f降到靜止時(shí),也需要一減速時(shí)間,逐漸下降,這一過程稱為降速過程;當(dāng)伺服驅(qū)動元件的工作頻率f不變化時(shí),這一過程稱為恒速過程。為了使伺服驅(qū)動元件工作時(shí)不失步、不超程,升速時(shí)間和降速時(shí)間應(yīng)分別大于升速時(shí)間常數(shù)Ta和降速時(shí)間常數(shù)Td。

3 開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的自動升降速處理

　　開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床常采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件。為了克服系統(tǒng)工作過程中的失步、超程等所產(chǎn)生的加工誤差,必須使進(jìn)給指令信號頻率與步進(jìn)電機(jī)的升降速特性曲線相適應(yīng)。

　　為了使步進(jìn)電機(jī)能正常工作,應(yīng)使進(jìn)給指令信號的頻率也基本遵循步進(jìn)電機(jī)升降速特性曲線的規(guī)律進(jìn)行變化。

　　進(jìn)給指令信號頻率的自動升降速控制曲線,可通過自動升降速處理軟件耒實(shí)現(xiàn)。其方法為:升降速時(shí),根據(jù)步進(jìn)時(shí)間間隔的大小,通過軟件延長不同的時(shí)間,使CPU執(zhí)行等待命令,來自動改變進(jìn)給指令信號的頻率,從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給指令信號的頻率基本按步進(jìn)電機(jī)升降速特性曲線的變化規(guī)律進(jìn)行變化。

　　為了對步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳升降速控制,應(yīng)按圖4所示的頻率要求(現(xiàn)以升速為例,降速類同),計(jì)算出對應(yīng)的步進(jìn)時(shí)間間隔延時(shí)值a1、a2、......an,(降速為b1、b2、......bn,恒速為時(shí)間常數(shù)k),并存放于相應(yīng)單元,如圖5所示,供延時(shí)程序取值。其中ACCST為存放升速延時(shí)值的起始單元,ACCEND為存放升速延時(shí)值的結(jié)束單元,ACCVAL為存放升速過程所需步進(jìn)數(shù)。DBCST為存放降速延時(shí)值的起始單元,DBCEND為存放降速延時(shí)值的結(jié)束單元,DBCVAL為存放降速過程所需步進(jìn)數(shù)。

　　進(jìn)行升降速處理時(shí),先按上述方法分別計(jì)算出升、降、恒速延時(shí)值,并將之送入對應(yīng)單元;同時(shí)將加工段用于終點(diǎn)判的計(jì)數(shù)長度值送入總步進(jìn)數(shù)單元。若為升速設(shè)置升速狀態(tài)標(biāo)志,需降速則設(shè)置降速狀態(tài)標(biāo)志。接著發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令信號,并使總步進(jìn)數(shù)單元的值減一,然后判斷升速標(biāo)志的狀態(tài)。若升速狀態(tài)標(biāo)志有效,依次取出升速延時(shí)值,執(zhí)行延時(shí)程序,進(jìn)行升速處理。若升速狀態(tài)標(biāo)志無效,則根據(jù)總步進(jìn)數(shù)單元的值與降速所需步進(jìn)數(shù)(即DECVAL中的值)的比較結(jié)果,耒判斷是否進(jìn)入降速區(qū)。未進(jìn)入降速區(qū)則取出恒速延時(shí)值(常數(shù)),進(jìn)行恒速處理,否則為進(jìn)入了降速區(qū),依次取出降速延時(shí)值,執(zhí)行延時(shí)程序,進(jìn)行降速處理。當(dāng)每取出一次升、降、恒速延時(shí)值,進(jìn)行一次升、降、恒速處理時(shí),均發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令信號,并使總步進(jìn)數(shù)單元的值減一,同時(shí)也進(jìn)行一次終點(diǎn)判斷。當(dāng)總步進(jìn)數(shù)單元的值減至零,說明加工到達(dá)終點(diǎn),自動升降速處理結(jié)束。

4 閉環(huán)(半閉環(huán))控制數(shù)控機(jī)床的自動升降速處理

　　閉環(huán)(半閉環(huán))控制數(shù)控機(jī)床常采用交直流伺服電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件,其自動升降速處理的方法與開環(huán)控制不同。

　　4.1 自動升降速處理的過程

　　若系統(tǒng)采用/時(shí)間分割法0進(jìn)行插補(bǔ)(如FANUC7M系統(tǒng)),它是將加工程序段的增量以下ms為單位時(shí)間分成若干個(gè)小段,每次插補(bǔ)進(jìn)給一小段。其一次插補(bǔ)處理分為四個(gè)階段:即速度計(jì)算-插補(bǔ)運(yùn)算-終點(diǎn)判斷-進(jìn)給量變換。其自動升降速處理的過程如下。

　　(1)根據(jù)NC程序設(shè)定的工作方式(如是快速進(jìn)給,還是切削加工進(jìn)給)及速度指令F計(jì)算每8ms時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)進(jìn)給量fi,即瞬時(shí)進(jìn)給速度。

　　(2)按瞬時(shí)進(jìn)給速度fi進(jìn)行插補(bǔ),得到各軸的瞬時(shí)位置指令值Doi。

　　(3)將各軸的瞬時(shí)位置指令值Doi的大小變換為瞬時(shí)速度指令電壓值Vpi。

　　(4)由瞬時(shí)速度指令電壓值Vpi的大小控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

　　4.2 自動升降速的處理方法

　　根據(jù)以上分析可知,自動升降速處理的關(guān)鍵是怎樣計(jì)算伺服驅(qū)動系統(tǒng)在啟動、停止及切削加工過程中改變進(jìn)給速度時(shí),每8ms時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)進(jìn)給速度fi。

　　穩(wěn)定速度是指處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),每插補(bǔ)一次(即8ms)的進(jìn)給量。

　　2)系統(tǒng)不同進(jìn)給狀態(tài)時(shí),兩種速度之間的關(guān)系

　　當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定進(jìn)給狀態(tài)時(shí)fi=fs;　　當(dāng)系統(tǒng)處于升速進(jìn)給狀態(tài)時(shí)fi<fs;　　當(dāng)系統(tǒng)處于減速進(jìn)給狀態(tài)時(shí)fi>fs;　　瞬時(shí)速度fi是指系統(tǒng)每8ms的實(shí)際進(jìn)給量。

　　3)升降速時(shí)的加速度a

　　當(dāng)系統(tǒng)啟動、停止或切削加工過程中改變進(jìn)給速度,即系統(tǒng)升速時(shí)

　　4)升速處理

　　當(dāng)系統(tǒng)啟動或進(jìn)給速度增大時(shí),需增大瞬時(shí)速度值。

　　程序用這個(gè)新的瞬時(shí)速度fi+1按3.1所述的自動升速處理過程,使交直流伺服電機(jī)加速,并重復(fù)以上過程,直至fi+1=fi升速處理結(jié)束。升速處理流程如圖6所示。

　　5)降速處理

　　系統(tǒng)每進(jìn)行一次插補(bǔ)計(jì)算,均需進(jìn)行終點(diǎn)判斷,計(jì)算出加工點(diǎn)與終點(diǎn)的瞬時(shí)距離si,檢查是否已到達(dá)降速區(qū)域s,若si≦s,則應(yīng)設(shè)置降速標(biāo)志,開始進(jìn)行降速處理。

　　程序用這個(gè)新的瞬時(shí)速度fi+1按3.1所述的自動降速處理過程,使交直流伺服電機(jī)減速,并重復(fù)以上過程,直至si=0,降速處理結(jié)束。