自動車床加工正朝著高速方向發展。在高速加工中,一方面由于進給速度很快,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。另一方面,由于高速加工的切削時間縮短,換刀間隔縮短,機床運動啟停頻繁,因此,縮短運動部件啟停的過渡過程時間,也將具有重要意義。上述兩方面要求歸結到一點,就是要求機床運動具有極短的加減速過渡過程。然而,如果僅從時間上去考慮縮短過渡過程,而不對機床的加減速動態過程進行合理的控制,必將給機床結構帶來很大沖擊,輕者將使其難以正常工作,重者將損傷機床零部件。因此,如何保證在機床運動平穩的前提下,實現以過渡過程時間zui短為目標的*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
自動車床系統研究開發中亟待解決的關鍵問題之一。
為解決此問題,一方面要求
自動車床系統能因機而異、因時而異來動態確定加、減速控制規律(即動態選擇或生成與具體情況相適應的加減速曲線)。另一方面,需在控制系統中采用特殊方法來實現這種動態規律(多變的加、減速曲線)。顯然,傳統
自動車床系統采用的固定加減速控制方法是無法實現這一要求的。為此,本文根據開放式結構控制的思想,提出一種可根據任意曲線對
自動車床的運動進行自動加減速控制的方法。這種方法將自動加減速控制由傳統的固定模式推向新的柔性模式,為有效提高
自動車床的動態性能探索出一條新的途徑。
1、柔性加減速控制的基本思想
傳統
自動車床系統中,一般由系統程序直接實現特定的(如直線、指數曲線等)自動加減速控制功能。在這一方式下,要對系統的加減速特性作大的改變或增加新的加減速控制規律必須修改
自動車床系統程序,因而普通用戶無法按自己的意愿使
自動車床具有*的加減速性能。與此相反,本文提出的柔性加減速控制方法則采用數據庫的原理,將加減速控制分為加減速描述與實施兩部分,并將加減速描述與系統程序相分離。這樣,若要改變系統的加減速控制規律只需獨立地修改加減速描述數據,而不需要修改
自動車床系統程序,從而為用戶提供一種可按自己的實際情況方便地改變系統的加減速性能的新方法。在這一新的控制方式下,
自動車床系統的自動加減速控制功能將具有高度柔性并對用戶*開放。
為做到加減速的計算和控制過程與加減速曲線形狀無關,本文以實時數據庫的形式來獨立存儲加減速曲線。即將給定的加、減速曲線或自動生成的加、減速曲線進行數字化處理,得到其離散形式,并將其以數表形式動態存放于
自動車床系統內的加、減速曲線庫中。在
自動車床系統軟件中,則設計一條通用的與加減速數據庫內容(曲線形狀)無關的控制通道,由其獨立完成加減速計算和軌跡控制。該方法的實現原理如圖1所示。
圖中,加減速曲線庫中存放著用戶給定或系統自動生成的加減速曲線。系統運行時,首先根據數據處理模塊給出的有關控制數據和來自檢測反饋環節的機床實際運動數據進行加減速分析。如需加減速控制,則通知曲線選擇模塊從加減速曲線庫中選出zui合適的加減速曲線,并發出加減速控制指令給加減速計算模塊,由其根據所選定的加減速曲線計算出當前采樣周期的瞬時速度。進一步由插補軌跡計算模塊生成刀具運動軌跡,并發出刀具運動指令送往驅動裝置,zui后由驅動裝置以希望的加減速控制規律驅動機床運動部件運動,從而使機床運動的動態特性達到*。
下面具體討論該環境下自動加減速的實現過程。
2、柔性自動加速控制
設給定的加速曲線(解析曲線或非解析曲線)如圖2所示,現將其作為樣板以數表的形式存放于加減速曲線庫中。圖中,fd為加速過程進給速度總改變量(以下將其稱為樣板速度差),td為加速過程所需時間(樣板加速時間)。根據加速曲線數表實現自動加速控制的過程如下:
首先,根據
自動車床加工的初始進給速度F1,加速過程結束后的希望進給速度F2,求出加速過程速度差FD=F2-F1,并據此計算出實際速度差與樣板速度差的比值
K=FD/fd (1)
然后,根據加速開始到當前時刻所經過的采樣周期個數n,計算出查表時間
tn=T.n/K (2)
式中 T--采樣周期
根據tn查加速曲線表可得樣板速度增量fn。由此可計算出經過n個插補周期后實際速度的改變量
ΔFn=fn.K (3)
進一步,將求出的n周期速度改變量ΔFn代入下式,求出當前采樣周期的實際進給速度
Fi=F1+ΔFn (4)
zui后,根據所求得的Fi計算當前采樣周期中插補直線段的長度,并據此進行軌跡計算,即可實現滿足圖2曲線要求的自動加速控制。
3、柔性自動減速控制
設給定的減速曲線如圖3所示,如同加速控制一樣將其作為樣板以數表的形式存放于加減速曲線庫中。根據減速曲線數表實現自動減速控制的過程如下:
首先,根據
自動車床加工的初始進給速度F1,減速過程結束后的希望進給速度F2,求出減速過程速度差FD=F1-F2。
然后,按照與加速控制相同的過程由式(1)、(2)求出查表時間tn,并查減速曲線表得樣板速度增量fn。由此可計算出經過n個插補周期后實際速度的改變量
ΔFn=FD-fn.K (5)
進一步,將求出的n周期速度改變量ΔFn代入下式,求出當前采樣周期的實際進給速度
Fi=F1-ΔFn (6)
zui后,根據Fi計算當前采樣周期中插補直線段的長度,并據此進行軌跡計算,即可實現滿足曲線要求的自動減速控制。
對于自動減速控制,減速前還需預測減速點,以決定何時開始減速。確定減速點的依據是減速距離s,其計算公式為
(7)
式中 F1、F2--當前進給速度和減速過程結束后的進給速度
fd--減速曲線樣板速度差
td--樣板減速時間
sd--樣板減速距離
計算實際減速距離s時,所需的樣板減速距離sd可通過下式以離線方式預先求出,并存儲于加減速數據庫中。
(8)
式中 fi--樣板減速曲線f(t)的離散取值
Δt--數值積分的時間增量