探讨高性能数控系统在数控机床中的应用研究与设计

摘 要：本文介绍了数控技术的发展，对高性能数控系统的相关技术的研究现状进行了讨论，并针对连续微段高速自适应前瞻插补方法进行了研究设计分析。

关键词：高性能数控系统；研究现状；研究设计

数控系统的开发从20世纪50年代就开始了，从硬件数控阶段到计算机数控系统CNC，再到高速高精度CNC的开发应用。当今的CNC采用了32位CPU数据处理，在数控系统中占有主要的地位。如今，开放式CNC开发应用也受到关注。

1.高性能数控系统关键技术的应用现状

1.1加减速控制技术

加减速控制技术主要用于对电机的进给脉冲频率或电压进行加减速控制，避免CNC装置机床在启动或者停止时产生冲击、失步、超程和振荡。保证在机床加速启动时，进给脉冲频率或电压增大；在机床减速停止时，进给脉冲频率或电压减小，这是现代该性能数控系统研究中的关键技术之一。比较常用的方法有直线加减速法和指数加减速法，但这两种方法都存在加速度突变的问题，因此，有关研究提出了柔性加减速法，该技术下得出的加速度、速度均是连续的，因此比直线和指数加减速方法更有优势，系统运行具有较高的柔性。

1.2插补技术

插补技术即是根据给定的曲线生成相应逼近的轨迹，采用软件方法来实现插补功能。数控系统的插补方法一般有两种，即脉冲增量插补和数据采样插补。脉冲增量插补，是在每次插补结束时仅产生一个形成增量，并将增量以脉冲的方式对伺服系统进行传输，使用加法和位移就可以完成插补，但脉冲增量插补的进给速度存在限制。数据采样插补需要先通过粗插补，然后进行精插补来实现。高性能数控系统一般采用数据采样插补方法。

但是在粗插补的进行时，产生的微小直线段每段的始末速度均为零，这就导致系统的启动和停止动作频繁，加工质量差、效率低。为此，轨迹前瞻插补技术在高性能数控系统中得到应用。该方法是在实时插补的同时向前预插补一段距离，以此判断距离内是否存在需要提前减速的微路径段，进而实现加工的高效率和高质量。

1.3轮廓控制的误差补偿技术

轮廓控制的误差补偿主要有两种方法，即跟随控制和耦合轮廓控制。跟随控制，该方法主要用于改善各轴的位置控制能力，提高伺服系统跟随性能，进而间接改善系统轮廓精度。一般多采用PID控制。耦合轮廓控制，该方法先对各个轴轮廓的误差进行计算和估计，然后通过协调控制对轮廓误差实现补偿。

2.针对连续微段高速自适应前瞻插补方法的研究设计分析

该技术主要是在实时插补的同时向前预插补一段距离，以此判断距离内是否存在需要提前减速的微路径段。它包括前瞻插补预处理和实时参数化插补两过程。

2.1前瞻插补预处理

2.1.1确定转接点最高速度2.1.3校核整体跨段转接点速度

微段高速加工时数控系统需要对轨迹运动的变化特征进行提前预测，确保进行整体跨段的加减速。为此首先构建整体跨段减速曲线，然后进入减速处理循环，进行存放预插补微段减速计算，得到该段终点速度，并进行校核。当终点速度大于允许的最高速度，则停止进行减速处理循环，确定减速点；反之则进行下一微段的减速计算。这样就建立起减速点与拐点的前端控制。

2.2实时参数化插补

通过参数方程表示的曲线，计算参变量的增量，直接求出各坐标的位置坐标。实现在轨迹插补时不适用函数计算，只采用次数较少的四则运算即可。

2.2.1参数化轨迹数学模型

2.2.2建立参数化插补算法

参数化插补算法主要有段内参数化插补算法、整体跨段参数化插补算法。段内参数化插补算法是当减速点Pd位于段内时，微段li速度和位移通过右端点建立三次多项式柔性加减速控制离散数学模型。整体跨段参数化插补算法，是当减速点Pd位于跨程序段时，在三次多项式柔性加减速和整体跨段参数化插补的基础上，建立实时插补算法的整体跨段速度、位移曲线离散化数学模型。

2.3高速自适应前瞻插补技术与传统插补技术的对比

通过对某汽车成型模的叶子板某区域的加工轨迹观察，每一微段升降速处理结果发现，采用高速自适应前瞻插补技术加工仅需要0.361s，而传统插补速度控制加工时间0.753s；同时对该区域加工轨迹试验结果发现，采用高速自适应前瞻插补与传统插补技术共需要进给分别为7.507s和17.450s。由于进给速度高速衔接和微段组成的刀具轨迹自适应向前，避免了频繁的加减速度，使机床运行平稳，加工速度和质量提高。

3.结束语

高性能数控系统在数控机床中的应用，提高了加工速度与加工质量。通过高速自适应前瞻插补技术的数学建模与试验，发现该技术在高性能数控系统中具有较高的有效性与可靠性，是一种可推广的技术。

参考文献：

[1]汪荣青.高性能数控系统在数控机床中的应用研究与设计[J].制造业自动化，2012，34（18）

[2]洪海涛，于东，陈龙等.高性能数控系统解释技术的研究与实现[J].小型微型计算机系统，2012，33（4）

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