激光雕刻機的加減速控制

       在高速數控加工中，一方面由于進給速度高，為充分利用機床的有效工作行程一般只有數百毫米），必須要求各坐標運動部件能在極短的時間內達到給定的速度并能在高速行程中瞬間停準。如何保證在機床運動平穩的前提下，實現以過渡過程時間最短為目標的最優加減速控制規律，使機床具有滿足高速加工要求的優良加減速特性，已成為現代數控系統研宄開發中亟待解決的關鍵問題之一。

  2加減速自動控制原理目前數控系統中常用的加減速規律包括很多：數控系統中常見的加減速控制算法有直線形、三角函數形、指數形、S曲線形、直線加拋物線形加減速等控制曲線算法。

  據加減速控制在數控系統中的位置，加減速通常分為兩種：前加減速和后加減速。前加減速中加減速控制位于插補器的前面，后加減速中加減速位于插補器的后面，如。

  本文即采用前加減速規律。前加減速處理的方法有多種，如直線、指數、S型等加減速規律。直線加減速算法優點是計算簡單、機床響應快、效率高。雖然在加減速階段起點A、C等處可能對機床產生一定沖擊，但是通過適當的加速度設置，將其應用于數控雕刻機中，依然可以取得較好的速度平滑的效果。直線加減速原理如下。

  如所示，數控系統每插補一次，都要進行穩定速度、瞬時速度和加減速處理。當系統計算出的新穩定速度大于原來的穩定速度時，就需要進行加速處理。在這種情況下，瞬時速度為：V+1=Vi+aT.基金項目：安省教育廳自然科學研宄項目2005k045）統以新的瞬時速度Vi+1進行插補計算，得到該周期的進給量，對各坐標軸進行分配，這是一個迭代過程，這個過程一直進行到為穩定速度為止。同理，處于減速階段時：V+1=Vi-aT.此時系統以新的瞬時速度進行插補計算，這個過程一直進行到新的穩定速度為0為止。

  3雕刻機數控系統加減速的自動控制由以上分析可以看出，速度是時間的函數。對于雕刻機數控系統來說，系統采用的是數字增量插補算法，在每個插補周期循環中發出的指令脈沖數大。又由于采用32位單片機控制伺服電機，處理器具有很高的處理速度，因此系統設計加、勻、減速函數，通過判斷加減速狀態標志實現控制。

  3.1前瞻速度控制對于連續切削的數控機床來說，進給速度調整有著很重要的意義。進給速度的大小不僅決定了加工效率，而且對表面質量有著重要的意義，同時，進給速度的劇烈變化還將嚴重影響刀具壽命。因此，應盡可能保持高速且穩定的恒表面進給速度（即刀具切削部位相對加工表面的進給速度）。但另一方面，由于曲面形狀復雜，恒表面的進給速度必將導致機床各坐標軸運動速度的不斷變化，若由此引起的坐標軸運動速度過高或速度變化過大時，將產生較大的幾何軌跡誤差。此外，由于機械運動部件的慣性，在機床的啟動、停止和速度變化時產生運動沖擊而影響加工精度、機床和刀具的壽命。因此，進給速度又必須根據曲面形狀和機床動力特性對指令速度給予必要的調整，并在速度需要變化時采取合適的速度曲線實現平滑過渡。所以對進給速度處理一般分為進給速度預處理（前瞻）和進給速度控制兩部分，前者要求數控系統具有預處理功能，后者要求數控系統具有自動加減速功能。

  般CNC系統的運行順序如所示。

  為“前瞻廠‘lookahead”）控制的原理。

  Lookahead的功能就是數控系統在控制加工的同時超前掃描待加工的數控代碼，如果發現刀具路徑有方向上的突然改變，則以某種方式平穩地將進給速度降下來，以免因機床的慣性而出現過切或殘留，同時也保證了進給速度的均勻性。

  處理的速度變化，實t線為經過前瞻處理/V '的速度變化情況。

  赫腿具體算法是：在計算出減速區長度的i礎上，根據插補算法預先計算出等于或稍大于減速區長度范圍的插補點，然后通過判斷當前插補點后面的長度是否進入減速區范圍來判斷當前點是否己進入減速區。在該區間內若存在需要提前減速的程序段，則在減速點處設立減速標志，插補到該點處開始減速。這樣就需要在系統內存中開出一塊很大的數據緩沖區：buffer），用以進行超前處理，存放預插補點。

  3.2多程序段間速度平滑控制多程序段運動速度的平滑處理能有效減少加工時對機床產生的沖擊，提高數控加工的速度和加工精度。

  （1）加工軌跡中拐點的判斷如所示，與X軸正向夾角分別為a氏Y相鄰兩直線間的夾角分別為x§編程速度為F.假設PiP2、P2P3、P3P4段的各軸速度分別為：Vxp各軸允許的最大速度變化量為Vx、Vy.首先計算兩直線的夾角x如果xS90，則表示必然有一軸將發生轉向而且拐彎很急，此時P2點是拐點，拐點速度降為0. VyR2P3，加減速的判斷原則是：如果Vx1>Vx或Vy1>Vy，就表示P2是拐點。這樣我們就可以將一個零件連續的加工軌跡，以拐點為界，分成若干個進給速度平穩的分段區間，在這些區間內按照直線加減速算法控制速度的加減。

  由于線段間是具有連續性的，加工過程中，線段間的過渡中加工速度也應該是連續變化的，在插補過程中應該充分考慮這些信息。拐點速度受以下幾個因素的影響：單軸所能達到的最高速度、電機加速能力、相鄰程序段的幾何關系、插補周期與精度要求、提前減速點限制。

  3.3段內速度控制當段內總位移量足夠長時，則該程序段的運行過程便有加速、勻速、減速過程。而當總位移量不夠長時，有可能只經過兩個或一個過程，因此在拐點判斷之后，需對兩拐點之間的大程序段進行加減速標記判斷。

  首先根據加速度、指令進給速度和加減速規律計算該段的加速區長度和減速區長度，然后與總位移量進行對比，從而得出該大程序段的加減速狀態。根據實際加工情況，可以將程序段分為以下五種類型：通過將程序段分類，判斷加工段的加減速狀態，同時設置加速、勻速、減速標記，插補時根據所處的狀態調用相應的模塊，從而實現段內速度平滑。

  6是具有速度預處理和加減速功能的數控系統與不具備此功能的數控系統的進給速度對比示意圖。

  a）表示的是未經過速度預處理時，數控系統實際輸出的進給速度。因為在加工過程中，系統不知道下段軌跡的變化規律，所以每一段只能從0開始加速，最后速度減為0，從圖中可以看出，每一段連接處速度波動非常數控技術基于單片機的機床動力滑臺控制系統的改造郝詩明，汪大鵬，唐蒲華，許焰（長沙大學，長沙410003）制，適應了生產需要，提高了工作效率，文中給出了組成圖并介紹了其工作原理。

  1前言動力滑臺是組合機床用來實現進給運動的通用部件，采用液壓缸驅動，可實現多種進給工作循環。以YT4543型動力機床為例，其動力滑臺液壓系統采用限壓式變量泵及單桿活塞液壓缸，通常實現的工作循環是：快進一第一次工進一第二次工進一死擋塊停留一快退一原位停止。傳統的YT4543型機床動力滑臺液壓系統中，第二次工進的最大速度必須小于第一次工進的最小速度。在實際生產中，有時要求二次工進的速度大于一次工進速度，以節約加工工時，提高加工效率。本文針對此現象，對原液壓系統回路進行了改進，液壓控制系統由原來的傳統的電氣控制改為以單片機為主的智能控制。

  2新型動力滑臺兩工進速度換接液壓回路為改進后的兩工進速度換接液壓回路原理圖。

  2.1新回路的組成與舊回路相比，新回路增加了一個由定差減壓閥8，節流閥10、1集成的組合閥、一個行程開關SQ3，將舊回路中的行程閥替換為由行程開關控制的換向閥6. 2.2新回路工作原理其電磁鐵動作順序如下表。

  快進：按啟動按鈕后，電磁鐵1YA得電，使得閥4左位、減壓閥8、閥6右位和閥9右位接入系統，液壓缸差動連接，滑臺快速進給。

  大，特別是加工小直線段時，為保證加工的平穩性，進給速度非常低；b），經過拐點判斷后，系統把相鄰兩拐點之間的小直線段串起來，在每一大段內采用加減速，明顯提高了加工過程中的平均速度和平穩性，但在拐點處速度波動還是很大；而c），把經過拐點判斷并進行加減速處理后，在拐點處速度波動得到了進一步改善，平均速度也得到明顯提高。

  4結語采用加減速技術和具有前瞻預處理能力的控制系統能夠明顯改善和提高數控雕刻機的運動平穩性，從而改善加工質量，延長機床的使用壽命。

  許良元，桂貴生，彭丹丹。高速加工中加減速控制的研究。中國制造業信息化，20052）：124-126.許良元。數控縮管機的研制D.合肥：合肥工業大學，2005.劉亞東。開放式數控系統關鍵技術的研宄及應甩D.上海：上海交通大學，2002.談勇。高速高精度雕銑機數控系統的研制D.合肥：合肥工業大彭丹丹。高速高精度數控雕刻機控制技術的研究D.合肥：合肥工業大學，2005.（編輯啟迪）大學工學院副教授，主要從事CAD、數控技術、光學等方面的教學和科研工作。