基于開放式PC機(jī)上數(shù)控系統(tǒng)速度控制算法的研方案論證的修改畢業(yè)論文.doc

二、方案論證1.連續(xù)小直線段段插補(bǔ)算法目前采取了相當(dāng)多的方法來提高加工效率。在原來的普通機(jī)床上（插補(bǔ)周期為定值），大多使用的是連續(xù)小直線段插補(bǔ)算法，但是因?yàn)椴捎玫乃俣瓤刂撇呗苑矫?，有加工速度慢，機(jī)床振動(dòng)大等缺點(diǎn)。該速度控制策略的方法如下：對(duì)于一系列的連續(xù)小直線，假設(shè)這一段的直線段的起點(diǎn)速度為0，同時(shí)也假設(shè)最終的點(diǎn)的速度為0，讓刀具在這個(gè)小直線段內(nèi)進(jìn)行指數(shù)速度模式的加工或者直線模式的加速或者減速，從而能夠保證著這一段的長度。由于插補(bǔ)周期為定值的原因，可能無法保證當(dāng)前完成的距離為要求的長度，從而引入了降速處理。來達(dá)到當(dāng)前的長度的要求。這種通常采用的方式由于速度反復(fù)地提高與降低，使得整個(gè)系統(tǒng)的加工速率一直無法保持在一個(gè)比較高的值，而且由于這種加速和減速的啟停，使得整個(gè)系統(tǒng)很容易產(chǎn)生震動(dòng)從而影響了加工的精度。而采用了前瞻方式的系統(tǒng)則可以明顯地提高加工效率和加工速度。速度與時(shí)間的關(guān)系-20002004006008000102030405060時(shí)間序列速度可以明顯的看出，采用前瞻算法的加工過程由于速度并不需要降低為0，因此在相同時(shí)間內(nèi)加工同一個(gè)零件所完成的路程更遠(yuǎn)（這可以通過圖形的面積非常直觀地看出來），同時(shí)也可以看出，整個(gè)曲線比較平滑。這種方法提高了加工的效率和加工的精度。2.提高插補(bǔ)算法的加工效率和速度的方法目前最流行的的提高插補(bǔ)算法的加工效率和速度的方法是使用前瞻。該方法主要是使用在異步插補(bǔ)系統(tǒng)上的，但是在同步插補(bǔ)的數(shù)控系統(tǒng)上同樣也能夠地提高效率。前瞻算法有兩種，有回溯法，和前瞻法。前瞻法的原理如下：從當(dāng)前的點(diǎn)開始以最大的加速度或者最大的減速度開始運(yùn)行，假設(shè)最大的速度是可以保證達(dá)到的，開始前瞻的過程，使現(xiàn)在的速度能夠達(dá)到多大就有多大（不超過限定的速度），同時(shí)也保證前瞻的最后一點(diǎn)的速度為0。但是速度是有好幾個(gè)要素限制的，如加速度的限制，整體的距離s的限制，以及在連續(xù)小直線段連接處（這是cam系統(tǒng)已經(jīng)生成的），由于夾角，加速度，以及要求的在盡可能小的插補(bǔ)周期內(nèi)要改變速度的方向，這樣將會(huì)使得系統(tǒng)對(duì)速度同樣有一個(gè)限制。基于這三個(gè)速度限制，將限制一開始的速度，加速度，從而要求重新計(jì)算。當(dāng)進(jìn)行重新計(jì)算的時(shí)候，就必須以剛才不能滿足條件的限制點(diǎn)為終點(diǎn)，進(jìn)行反方向（也即向前回推的方式進(jìn)行計(jì)算）這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以進(jìn)行快速而連續(xù)的前瞻，同時(shí)也是符合人的思維考慮習(xí)慣的。但是由于上面提到的幾個(gè)速度的限制條件，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重新計(jì)算的過程，而且前瞻的段數(shù)越長，這種算法不能保證的可能性越大，同時(shí)效率也越低另外的一種方法為回溯法。這種方法在已經(jīng)假設(shè)前瞻n段末端點(diǎn)速度為0的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)。假設(shè)前瞻n段末端點(diǎn)速度為0，通過該段的長度s的限制，前一段的長度和加速度，加加速度對(duì)長度的限制關(guān)系以及連續(xù)小直線段連接處由于夾角，加速度，以及在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)要將速度的方向轉(zhuǎn)過來等要求來限制該段起點(diǎn)的速度，同時(shí)該段起點(diǎn)的速度實(shí)際上是等于第n-1段的終點(diǎn)的速度的。因此又可以一這一段的速度作為已知的速度，按照先前提到的方法再去計(jì)算前瞻n-2的速度，最終得到所需要的當(dāng)前點(diǎn)的速度。但是整個(gè)步驟并沒有完全結(jié)束，前一點(diǎn)的速度已經(jīng)知道了，同時(shí)前一點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的距離也是已經(jīng)知道的，這就存在一個(gè)這段距離內(nèi)，是否可以加速/減速到當(dāng)前點(diǎn)的速度問題。求出該速度，與進(jìn)行用戶給定速度，迭代解出速度進(jìn)行相比，求最小值，這才是最終得到的當(dāng)前點(diǎn)的速度v。對(duì)于一些按照非PC機(jī)構(gòu)架設(shè)計(jì)完成的數(shù)控系統(tǒng)，（數(shù)控插補(bǔ)周期可變）通過以定步長的方式運(yùn)行，這種運(yùn)動(dòng)方式在一些非常高檔的數(shù)控系統(tǒng)中已經(jīng)得到了大量的運(yùn)用，尤其是以高次曲線插補(bǔ)方式進(jìn)行的數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用。該方法的關(guān)鍵就是確定路徑段的插補(bǔ)速度問題（建立在是數(shù)字增量插補(bǔ)基礎(chǔ)上）。該方法插補(bǔ)運(yùn)算分兩步完成。第一步為粗插補(bǔ),它是在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的路徑之間插入若干個(gè)點(diǎn),即用若干段微小直線段來逼近給定路徑。粗插補(bǔ)在每個(gè)插補(bǔ)周期中計(jì)算一次,因此每一微小直線段的長度l與進(jìn)給速度F和采樣周期T有關(guān),即l=FT。本論文所完成的相當(dāng)于粗插補(bǔ)的過程。無論是采用前瞻還是回溯的方法都可以確定線段兩端點(diǎn)處的速度sv和ev，（這一部分將在后文中討論），因此，這里先假設(shè)待插補(bǔ)路徑段的起點(diǎn)速度sv和終點(diǎn)速度ev已知(具體求法參見下一節(jié)),并且數(shù)控系統(tǒng)允許的加速度和最大進(jìn)給速度分別為a和maxv,下面來分析一下粗插補(bǔ)的具體過程。采用沿軌跡方向上加減速方式,用曲線周長逼近軌跡長度來計(jì)算加減速區(qū)。一條路徑段(長度為l)的加工一般會(huì)有加速、勻速和減速過程(如圖1a)或只有加速、減速過程(如圖1b),圖1中的1s、2s和3s分別為加速、勻速和減速段的長度。先假設(shè)該條路徑段只有加、減速過程而無勻速過程,可以根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)速度、線性加減速度值及該條路徑段的長度求出所能達(dá)到的最大進(jìn)給速度mv。即()()11()()22msmesmemvvvvvvvvlaa2222semvvalv由上面的圖可以看出，mv小于等于數(shù)控系統(tǒng)允許的最大進(jìn)給速度maxv時(shí),該路徑段的加工只有加速和減速過程；而當(dāng)mv大于maxv時(shí),由于實(shí)際加工時(shí)的進(jìn)給速度不能超過給定的最大進(jìn)給速度maxv,所以數(shù)控系統(tǒng)要以maxv速度勻速進(jìn)給一段距離。下面給出計(jì)算一條路徑段中加速、勻速和減速段長度的方法，當(dāng)mv小于等于maxv時(shí),2s=0,1s、3s分別為2212msvvsa，22m32evvsa當(dāng)mv大于maxv時(shí),1s、2s和3s分別為22max12svvsa，22max32evvsa，213slss這樣,給定粗插補(bǔ)周期T之后,就可以對(duì)該路徑段(直線或圓弧)進(jìn)行粗插補(bǔ),輸出以T為時(shí)間間隔的刀具加工點(diǎn)的位置。現(xiàn)在需要討論的關(guān)鍵問題就是使用自適應(yīng)前瞻法求每一路徑段的起點(diǎn)和終點(diǎn)速度：可以以按線性加速的方式求出該路徑段的終點(diǎn)進(jìn)給速度ve,i,（當(dāng)然該進(jìn)給速度不能超過數(shù)控系統(tǒng)允許的最大進(jìn)給速度值）。然后取下一條路徑段l(i+1),按l(i)與l(i+1)之間的夾角修正當(dāng)前路徑段的終點(diǎn)進(jìn)給速度。那么,按照上述方法得到的終點(diǎn)進(jìn)給速度不是該路徑段的有效終點(diǎn)進(jìn)給速度。如果當(dāng)前路徑段就是整條路徑的最后一條路徑段,那么刀具加工到該路徑段的終點(diǎn)時(shí)其進(jìn)給速度必須小于某個(gè)特定的值,否則會(huì)造成刀具過沖,影響加工精度。所以得到路徑段的終點(diǎn)進(jìn)給速度后,還要繼續(xù)獲取后續(xù)的路徑信息,進(jìn)行一些計(jì)算和分析,再加入有關(guān)整個(gè)長度s是否滿足上一點(diǎn)的起始速度加速到現(xiàn)在該點(diǎn)的速度，直到相關(guān)的條件滿足,然后再反向修正路徑段的進(jìn)給速度。上面就是前瞻的基本思想。該方法將使用c+語言編程成為一個(gè)模塊。完成了前面的過程以后，就要完成在每一個(gè)路徑段內(nèi)的速度決定了。3.連續(xù)小直線段的速度升降控制目前已有的一些加減速控制方法的簡單介紹目前已經(jīng)形成商品的數(shù)控系統(tǒng)，大多數(shù)采用線形升降速規(guī)律或指數(shù)升降速規(guī)律，如圖。這兩種加減速實(shí)現(xiàn)比較容易，但存在不足。首先是和伺服電機(jī)的特性不能很好配合，因?yàn)槿魏我环N伺服電機(jī)到達(dá)高速區(qū)，都必然會(huì)產(chǎn)生輸出扭矩的下降，而直線加減速方式在整個(gè)加減速過程中的角加速度是不變的，這就要求伺服進(jìn)給系統(tǒng)不論在何種轉(zhuǎn)速下都要提供同樣的加速轉(zhuǎn)矩。因此，在設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)只能按電機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩來選取加速度，即限制了加速度的取值，使得電機(jī)的特性得不到充分發(fā)揮。其次，當(dāng)機(jī)床由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，由于起始加速度大，也會(huì)引起加速過程對(duì)機(jī)械部件的沖擊，限制了加速度的提高。從圖中看出，直線加減速在整個(gè)加減速過程中存在4次沖擊，而指數(shù)加減速存在2次沖擊。這在高速切削過程會(huì)引起加工質(zhì)量的降低和刀具傾振，因而應(yīng)盡量避免。它們都不是柔性加減速，不適合用于高速進(jìn)給系統(tǒng)。通常的梯形速度圖在控制中易于實(shí)現(xiàn)，并適合大多數(shù)的機(jī)床，然而，因?yàn)樗捎煤愣ǖ募铀俣龋蛹铀俣然蚣铀俣鹊膶?dǎo)數(shù)為0，這將導(dǎo)致在沿復(fù)雜刀具路徑進(jìn)行插補(bǔ)的時(shí)候，在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)各種振動(dòng)和噪聲。加速時(shí)，慣量像動(dòng)態(tài)力矩或力一樣作用在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上，如果軌跡產(chǎn)生器產(chǎn)生的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)加速度指令不平滑，最終施加在滾珠絲杠上的力矩和