高速高精度数控系统若干控制技术原理分析

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1、高速高精度数控系统若干控制技术原理分析为满足现代航空、汽车以及制造业等对零件形状、加工精度、表面质量和加工效率等不断提高的要求，高速高精度数控加工已成为主流切削加工方式。相应地、高速高精度也得到日益重视。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》把“高档数控机床与基础制造装备重大专项”作为16个国家科技重大专项之一，明确提出了发展我国高档数控机床的目标。高档数控机床的发展与应用对数控系统提出了更高要求，其中高速高精度运动控制成为现代数控系统的关键技术，已得到国内外普遍关注，并从理论方法到实际应用进行了大量的研究和实践，有效推动了高档数控机床的技术进步。加减速技

2、术数控加工的目标是实现高速度、高精度和高效率加工。如何保证在机床运动平稳的前提下，实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律，使机床具有满足高速加工要求的加减速特性，是加减速研究的关键问题。加减速控制方案通常有前加减速控制和后加减速控制2种：前加减速控制一般位于插补之前、插补预处理之后，加减速控制的对象是指令进给速度；后加减速控制通常在插补器之后、伺服控制器之前，控制各运动轴的进给速度等。后加减速控制无需计算减速点，算法相对简单，但如果每个运动轴的伺服增益不同，容易造成较大的轨迹轮廓误差，影响运动精度。因此，目前主要应用前加减速控制技术。加减速控制方法可以归纳为传统加减速法

3、和柔性加减速法：传统加减速法有梯形加减速法和指数加减速法等方法；柔性加减速法有三角函数加减速法、S曲线加减速法和多项式加减速法等。传统的梯形和指数加减速由于存在加速度突变而影响运动平稳性，柔性加减速由于加速度连续，在高速加工中倍受关注。1梯形加减速控制方法梯形加减速控制的模型简单，容易实现，机床响应较快，效率比较高；但也存在明显的不足：一是不能和伺服电机特性进行很好的匹配，使电机特性难以充分发挥；二是在加减速阶段的起点、终点处，加速度存在跳变，这必将对机床运动产生冲击，影响机床运动的平稳性和轨迹精度。为此，部分系统通过滑动平均滤波器来解决加速度的跳变问题。这种加减速控制方法多用于

4、启停、进退刀等辅助运动中，也可用于经济型数控系统，但不宜用于高速高精度数控系统。2S曲线加减速控制方法S曲线加减速控制方法[1]是指在加减速时，使其加速度的导数（加加速度）为常数，通过对加加速度控制来限制对机床的冲击和振动，并通过加速度和加加速度2个物理量的参数设定或编程设定来实现柔性加减速控制，以适应机床不同的工况。一个完整的S线加减速过程由7个阶段组成：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段。在实际加工过程中，S曲线加减速未必包含上述完整的7个阶段，这随系统设定的最大速度、最大加速度、加加速度、起点和终点的速度以及实际加工路径的长短而异。S曲线加减

5、速控制的特点是加减速阶段的加速度分段连续线性变化，但是在加减速阶段的起点、终本文由滑触线www.wxyzdq.com酚醛保温板www.meijiayuan.com.cn联合整理发布点处加加速度有突变，可以通过限制加加速度大小来减小对机床冲击。因此，适用于高速高精度数控系统，如德国的PA8000、华中“世纪星”系列和大连光洋GTP8000E系列高档数控系统等均具有S曲线加减速功能。3多项式加减速控制方法为进一步限制和改善S曲线柔性加减速控制方法中存在的加加速度不连续可能引起的机床运动冲击和振动，可以通过构造多项式加减速控制曲线使加加速度连续，并随时间满足分段线性关系，或是时间的二次

6、或三次多项式关系。因此，此方法得到的位移至少是关于时间的四次多项式，甚至是更高次项的多项式。大连理工大学赵国勇等提出的四次多项式柔性加减速控制法，可始终保证在高速运动过程中速度、加速度和加加速度曲线连续，避免了在高速运动过程中对机床产生冲击和振动。该柔性加减速控制法比S曲线加减速控制方法具有更好的柔性，因此理论上更适用于高速高精度数控系统，但也大大增加了速度规划运算的复杂性，进而影响了算法实现的实时性。上海交通大学则提出了基于正弦/余弦曲线的加减速控制，该方法可以方便地保证其各阶导数（即加速度、加加速度等）的连续性，有利于改善运动平稳性，但加速度、加加速度等参数的调整不太方便。连

7、续短线段加工技术复杂型面的数控加工普遍采用编程，其中加工刀轨被粗插补生成大量的短线段，如果采用常规的每线段升降速，势必使机床运动速度的频繁启停，导致加工效率低下、表面加工质量差。因此，连续短线段加工技术已成为高性能数控系统中必须解决的实际问题。目前，线段连续加工的方法主要有直接过渡法、曲线过渡法和曲线拟合法，并与前瞻速度规划相结合。直接过渡法根据系统的最大速度、最大加速度、加工线段的长度、数控系统的插补周期和相邻两线段之间的夹角等约束条件来确定最佳的转接速度。直接过渡法存在着自身