变加减速结构在开放性数控系统中应用

　　高速、高精度始终是数控技术追求的目标。在高速加工中，必须要求各运动轴能在极短的时间内达到给定的速度并能在高速行程中瞬间准停。如果仅从时间上去考虑缩短过渡过程，而不对机床的加减速动态过程进行合理的控制，必将给机床结构带来很大的冲击。随着计算机总线技术越来越成熟，数控系统也由固定模式发展为具有开放性结构，能方便用户进行客制化重组的柔性模式。结合数据库原理，将影响系统过渡过程的加减速曲线，采用变结构控制方式，能有效提高数控机床的动态性能和稳态精度。

　　变加减速结构控制原理

　　传统数控系统中，一般由系统程序直接实现单一特定的加减速控制。它无法保证在机床启停频繁的情况下，同时满足高进给速度的瞬间起停和机床运行的平稳性。为解决此问题，一方面要求数控系统能因机而异、因时而异来动态确定加减速控制规律;另一方面，需在控制系统中采用特殊方法来实现这种加减速曲线。本文提出的变加减速结构控制方法采用数据库原理，将加减速控制分为加减速描述与实施两部分，并将加减速描述与系统程序相分离。这样，若要改变系统的加减速控制规律只需独立地修改加减速描述数据，而不需要修改数控系统程序，从而为用户提供一种开放的改变加减速曲线新方法。其原理为:将各种理想的加减速曲线事先进行数字式处理，得到其离散化，并以样板数表的形式存放于数控系统内的加减速曲线库中。在数控系统软件中，则设计一条通用的与加减速数据库内容无关的控制通道，由其独立完成加减速计算和轨迹控制。该方法的实现原理如图1所示。

图1 变加减速结构控制原理框图

　　图1中，加减速曲线库中存放着各种样板曲线。系统运行时，首先根据数据处理模块给出的有关控制数据和来自检测反馈环节的机床实际运行数据进行加减速分析。如需加减速控制，则通知曲线选择模块从加减速曲线库中选出最合适的加减速曲线，并发出加减速控制指令给加减速计算模块，由其根据所选定的加减速曲线计算出当前采样周期的瞬时速度。进一步由插补轨迹计算模块生成工作台运动轨迹，并发出运动指令送往驱动装置，最后由驱动装置以希望的加减速控制规律驱动机床运动，从而使机床运动的动态特性达到最佳。

　　三轴运动工作台组成及特点

　　整个系统以基于“工业PC机+专业运动控制卡”为核心，采用松下数字交流伺服系统构成一个开放式硬件结构。同时配备内容丰富、功能强大的运动函数库，采用VC++面向对象的编程技术，实现PC机、运动控制卡和伺服驱动器之间的通讯，其结构如图2所示。

图2 三轴运动系统组成框图

　　PC机主要实现加工程序的输入、编辑、参数设置、运动状态显示以及加减速分析计算等非实时控制。运动控制卡完成各运动轴插补轨迹计算、输出脉冲/方向运动指令信号以及接收机床上一些与运动控制有关的I/O量输入。其中，脉冲信号控制电机所走的步数，方向信号控制电机正反转，以实现三轴的位置控制。X轴、Y轴、Z轴原点、限位检测是通过一组机械开关来实现，原点检测开关用来生成用户三维运动系统坐标系原点，限位检测开关确保每轴工作行程极限。这些状态信号经逻辑电平整形电路、光电隔离电路后送入运动控制卡状态寄存器中，由CPU随时读出，达到对I/O状态信号的检测。在硬件上，由于采用了光电隔离措施，这样，既隔离了外设对内部数字系统的干扰，又能有效地防止过电压、过电流等外界突发事件对计算机系统的损坏，大大提高了系统的控制精度和可靠性。

　　本系统充分发挥了PC机软件资源丰富和计算速度快的优点，吸收CAD/CAM的特点，在利用造型软件生成零件图后，再利用数控系统转化为加工G代码，将指令G代码与机床实际位置进行分析比较产生瞬时速度，然后由板卡将其解释为运动轨迹控制函数，最后通过调用运动函数库内的插补程序段，输出脉冲和方向信号，控制半闭环位置伺服系统带动工作台运转，实现所希望的空间轨迹路径动态特性和稳态精度。