解析四次位移曲線的CNC數(shù)控系統(tǒng)的研究

　　摘要：對(duì)加減速控制方法在CNC 數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用進(jìn)行了總體介紹。對(duì)開(kāi)發(fā)的四次位移曲線加減速方法數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，包括硬件和軟件部分。然后對(duì)加減速在本系統(tǒng)中的具體應(yīng)用方法做了說(shuō)明，并通過(guò)一個(gè)加工實(shí)例，對(duì)常見(jiàn)的幾種加減速方法進(jìn)行了驗(yàn)證和比較。

　　加減速控制是CNC 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性的瓶頸。在CNC裝置中，為了保證機(jī)床在啟動(dòng)或停止時(shí)不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對(duì)進(jìn)給電機(jī)的脈沖頻率或電壓進(jìn)行加減速控制。即在機(jī)床加速啟動(dòng)時(shí)，保證加在電機(jī)上的脈沖頻率或電壓逐漸增加;而當(dāng)機(jī)床減速停止時(shí)。保證加在電機(jī)上的脈沖頻率或電壓逐漸減小。好的加減速控制算法除了應(yīng)保證數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在啟停和程序段間速度有變化時(shí)不產(chǎn)生失步、超程、沖擊和振蕩外;還應(yīng)當(dāng)具有算法簡(jiǎn)單、系統(tǒng)加減速處理時(shí)間短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。此外，很好的柔性（通用性）也是必要的，以便適應(yīng)不同配置的機(jī)床，特別是在高速加工中，這顯得尤為重要。

　　1 加減速控制方法

　　1.1 直線加減速控制方法

　　直線加減速控制方法是加減速控制方法中為簡(jiǎn)單的一種，也是常用的一種。數(shù)控系統(tǒng)每插補(bǔ)，都要進(jìn)行穩(wěn)定速度、瞬時(shí)速度和加減速處理。整個(gè)過(guò)程共有加速、勻速、減速三個(gè)階段。

　　1.2 S 曲線加減速控制方法

　　直線加減速啟動(dòng)和加減速結(jié)束時(shí)存在加速度突變，產(chǎn)生沖擊，因而不適合用于的數(shù)控系統(tǒng)。一些先進(jìn)的CNC 系統(tǒng)采用S 形加減速，通過(guò)對(duì)啟動(dòng)階段即高速階段的加速度衰減，來(lái)保證電機(jī)性能的充分發(fā)揮和減小啟動(dòng)沖擊。正常情況下S 曲線加減速的運(yùn)行過(guò)程可分為7段：加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段。

　　1.3 四次曲線加減速控制方法

　　是一種四次位移曲線，三次速度曲線的加減速控制方法。非常實(shí)用于的數(shù)控系統(tǒng)上，具有算法簡(jiǎn)單，柔性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種值得推廣的加減速模式。

　　2 四次位移曲線加減速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與組成

　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　本數(shù)控系統(tǒng)采用通用PC 機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的主從式二級(jí)控制總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)硬件組成如圖1 所示，上位機(jī)采用通用PC 機(jī)，完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、加工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算和仿真等任務(wù)，而下位單片機(jī)系統(tǒng)完成不同方向的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)控制，并從外部機(jī)器上獲取加工狀態(tài)的反饋信息，上、下位機(jī)間以中斷方式進(jìn)行串行通信。

　　圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　下位機(jī)系統(tǒng)能根據(jù)主機(jī)命令，獨(dú)立完成全部數(shù)控功能，基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的速度位置控制單元，用于同時(shí)對(duì)三軸（（x， Y， z 向）電機(jī)進(jìn)行多功能的控制。速度位置控制單元采用Winbond78E58 作為主控芯片。整個(gè)電路主要由開(kāi)關(guān)量輸入控制電路、脈沖控制電路及通訊電路等組成。脈沖控制電路由三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器8254 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置及速度控制。當(dāng)前加工軌跡段運(yùn)行完畢后可向主機(jī)申請(qǐng)中斷，78E58 也可通過(guò)查詢(xún)中斷的方式獲得當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。開(kāi)關(guān)量輸入電路可檢測(cè)限位開(kāi)關(guān)、對(duì)刀儀等狀態(tài)，并向78E58 申請(qǐng)中斷。

　　2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)數(shù)控機(jī)床的功能控制要求，并結(jié)合圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)，本數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件，由PC 系統(tǒng)控制軟件和驅(qū)動(dòng)接口卡軟件兩大部分組成，它們之間相互獨(dú)立，如圖2 所示。其中PC 機(jī)上的系統(tǒng)控制軟件采用面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程技術(shù)（（OOP）、由編程語(yǔ)言Visual C++編制而成，各個(gè)功能模塊被獨(dú)立地封裝在不同的對(duì)象中，系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)充性和可移植性。驅(qū)動(dòng)卡上的軟件部分由匯編語(yǔ)言編制而成。

　　PC 系統(tǒng)控制軟件負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的綜合管理、人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理等工作。具體由以下幾部分組成：人機(jī)接口部分、數(shù)據(jù)處理軟件部分、工作模式控制軟件部分、通信部分、診斷部分和聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng)軟件部分，各個(gè)部分各自包含一些獨(dú)立的功能模塊。其中，人機(jī)接口部分用于管理機(jī)床參數(shù)、提供NC 程序全屏幕編輯窗口并且可以在加工過(guò)程中動(dòng)態(tài)顯示機(jī)床加工狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與系統(tǒng)之間的信息交互。數(shù)據(jù)處理軟件部分用于對(duì)NC 程序進(jìn)行語(yǔ)法檢查和譯碼，間隙補(bǔ)償、加減速控制和插補(bǔ)運(yùn)算等強(qiáng)實(shí)時(shí)功能。工作模式控制軟件部分提供各種常見(jiàn)的工作模式控制，協(xié)調(diào)控制機(jī)床實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖形仿真功能。通信軟件部分用于實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)和接口卡之間的雙向串行數(shù)據(jù)通信，保證數(shù)據(jù)通訊暢通。診斷軟件部分可以在系統(tǒng)工作過(guò)程中隨時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障、并指示故障類(lèi)型，以實(shí)現(xiàn)在線診斷功能，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。聯(lián)機(jī)幫助系統(tǒng)提供聯(lián)機(jī)幫助功能。

　　圖2 系統(tǒng)軟件的組成圖

　　接口卡軟件接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的加工信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成刀具幾何位置及運(yùn)動(dòng)速度的控制，并且反饋加工信息。PC 機(jī)和接口卡之間通過(guò)RS-232C 接口，按照自行定義的通信協(xié)議，以中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)具體功能的數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)已通過(guò)與驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，取得了符合要求的控制效果。該系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程分為以下幾步：

　　2.2.1 開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，運(yùn)行本系統(tǒng)控制軟件，檢測(cè)下位機(jī)的連接狀態(tài)是否正常，如異常會(huì)出現(xiàn)提示對(duì)話(huà)框。軟件啟動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)上首先顯示啟動(dòng)畫(huà)面，隨后便可進(jìn)入系統(tǒng)控制界面。

　　2.2.2 設(shè)定或復(fù)位相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)后，可進(jìn)行輔助加工工作：手動(dòng)控制、回機(jī)械零點(diǎn)、對(duì)刀、碰邊對(duì)中（（1/2 功能）及各方向置零、溫機(jī)等。

　　2.2.3 讀入加工代碼文件，前臺(tái)還原顯示加工路徑文件描述的圖形，可檢查加工的工件是否超過(guò)出了工作臺(tái)面的范圍，后臺(tái)解釋該文件，提取出數(shù)控命令和數(shù)控?cái)?shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在約定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以供后續(xù)加工重復(fù)使用。

　　2.2.4 選擇不同加工方式：自動(dòng)、模擬、選段。加工時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤加工過(guò)程及顯示加工進(jìn)程中相關(guān)信息。另外在不關(guān)閉控制軟件的情況下，用戶(hù)可在計(jì)算機(jī)上操作其它軟件，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　2.2.5 加工過(guò)程中，可執(zhí)行急停和暫停命令。在暫停狀態(tài)下，可用手動(dòng)控制任意移動(dòng)主軸頭位置，不會(huì)影響繼續(xù)加工。在加工結(jié)束或急停后，自動(dòng)將主軸頭Z 方向提升到安全高度。

　　2.3 工作過(guò)程

　　本系統(tǒng)共使用了三種加減速控制方法，分別是直線加減速、四次曲線加減速、S 曲線加減速?？梢匀我膺x擇一種加減速方式來(lái)進(jìn)行實(shí)際加工，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)使加工效果更趨于理想。

　　3 四次位移曲線加減速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

　　為了驗(yàn)證微線段軌跡加工的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了三種插補(bǔ)器，一種是傳統(tǒng)的直線插補(bǔ)器，一種是具有微線段終點(diǎn)控制算法的直線插補(bǔ)器，一種是具有微線段插補(bǔ)終點(diǎn)控制算法的四次曲線插補(bǔ)器。對(duì)代表性的圓弧進(jìn)行了實(shí)際加工，由于篇幅所限，圓弧的代碼段不顯示了，讀者需要請(qǐng)與作者聯(lián)系。

　　圖3 是經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)直線插補(bǔ)器插補(bǔ)后的理論曲線和實(shí)際加工曲線，由于速度變換頻繁，加工過(guò)程不穩(wěn)定，從圖中可以看到在實(shí)際加工曲線中有微小的鋸齒型誤差存在。加工時(shí)間為2.960s。

　　圖3 采用傳統(tǒng)直線插補(bǔ)器的加工實(shí)例

　　圖4 是經(jīng)過(guò)具有微線段終點(diǎn)控制算法的直線插補(bǔ)器插補(bǔ)后的理論曲線和實(shí)際加工曲線，從圖上可以看出理論曲線和實(shí)際加工曲線的差別已經(jīng)很小，同時(shí)基本保持一個(gè)較高的速度在運(yùn)行，在很短的線段內(nèi)甚至可以達(dá)到速度，運(yùn)行時(shí)間是1.704s。與上面的方法相比較，效率有很大的提高。

　　圖4 基于微線段終點(diǎn)控制算法的直線插補(bǔ)器加工實(shí)例

　　圖5 是經(jīng)過(guò)具有微線段插補(bǔ)終點(diǎn)控制算法的四次曲線插補(bǔ)器插補(bǔ)出來(lái)的，實(shí)際加工曲線和理論加工曲線已經(jīng)很逼近，同時(shí)速度基本上保持以較大值運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)間是1.820s，雖然加工時(shí)間比基于微線段插補(bǔ)終點(diǎn)算法的直線插補(bǔ)器稍微慢一些，但它的柔性和平穩(wěn)性卻是的。

　　圖5 四次曲線插補(bǔ)器加工實(shí)例

　　4 學(xué)術(shù)價(jià)值和創(chuàng)新點(diǎn)

　　由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，四次位移曲線加減速系統(tǒng)在加減速、定位、微線段插補(bǔ)終點(diǎn)控制等方面都取得了良好的效果。與傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)相比，性能得到很大的改善。好的加減速算法要求進(jìn)給過(guò)程中速度變化盡可能平穩(wěn)，即要求系統(tǒng)加減速具有高度的柔性，同時(shí)程序復(fù)雜度要較小。傳統(tǒng)的直線加減速在進(jìn)給過(guò)程中存在柔性沖擊，而S 曲線加減速程序分為很多段，變化復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有比較大的困難。而四次曲線加減速具有算法簡(jiǎn)單，柔性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種值得推廣的加減速模式。