自動車床加工正朝著高速方向發(fā)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(shù)百毫米),必須要求各坐標(biāo)運動部件能在極短的時間內(nèi)達(dá)到給定的速度并能在高速行程中瞬間停準(zhǔn)。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(jié)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(tài)過程進行合理的控制,必將給機床結(jié)構(gòu)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(wěn)的前提下,實現(xiàn)以過渡過程時間zui短為目標(biāo)的*加減速控制規(guī)律,使機床具有滿足高速加工要求的優(yōu)良加減速特性,已成為現(xiàn)代
自動車床系統(tǒng)研究開發(fā)中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
為解決此問題,一方面要求
自動車床系統(tǒng)能因機而異、因時而異來動態(tài)確定加、減速控制規(guī)律(即動態(tài)選擇或生成與具體情況相適應(yīng)的加減速曲線)。另一方面,需在控制系統(tǒng)中采用特殊方法來實現(xiàn)這種動態(tài)規(guī)律(多變的加、減速曲線)。顯然,傳統(tǒng)
自動車床系統(tǒng)采用的固定加減速控制方法是無法實現(xiàn)這一要求的。為此,本文根據(jù)開放式結(jié)構(gòu)控制的思想,提出一種可根據(jù)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(tǒng)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(tài)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(tǒng)
自動車床系統(tǒng)中,一般由系統(tǒng)程序直接實現(xiàn)特定的(如直線、指數(shù)曲線等)自動加減速控制功能。在這一方式下,要對系統(tǒng)的加減速特性作大的改變或增加新的加減速控制規(guī)律必須修改
自動車床系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)程序相分離。這樣,若要改變系統(tǒng)的加減速控制規(guī)律只需獨立地修改加減速描述數(shù)據(jù),而不需要修改
自動車床系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(guān),本文以實時數(shù)據(jù)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(shù)字化處理,得到其離散形式,并將其以數(shù)表形式動態(tài)存放于
自動車床系統(tǒng)內(nèi)的加、減速曲線庫中。在
自動車床系統(tǒng)軟件中,則設(shè)計一條通用的與加減速數(shù)據(jù)庫內(nèi)容(曲線形狀)無關(guān)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(xiàn)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(tǒng)自動生成的加減速曲線。系統(tǒng)運行時,首先根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊給出的有關(guān)控制數(shù)據(jù)和來自檢測反饋環(huán)節(jié)的機床實際運動數(shù)據(jù)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(fā)出加減速控制指令給加減速計算模塊,由其根據(jù)所選定的加減速曲線計算出當(dāng)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(fā)出刀具運動指令送往驅(qū)動裝置,zui后由驅(qū)動裝置以希望的加減速控制規(guī)律驅(qū)動機床運動部件運動,從而使機床運動的動態(tài)特性達(dá)到*。
下面具體討論該環(huán)境下自動加減速的實現(xiàn)過程。
2、柔性自動加速控制
設(shè)給定的加速曲線(解析曲線或非解析曲線)如圖2所示,現(xiàn)將其作為樣板以數(shù)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(jù)加速曲線數(shù)表實現(xiàn)自動加速控制的過程如下:
首先,根據(jù)
自動車床加工的初始進給速度F1,加速過程結(jié)束后的希望進給速度F2,求出加速過程速度差FD=F2-F1,并據(jù)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(jù)加速開始到當(dāng)前時刻所經(jīng)過的采樣周期個數(shù)n,計算出查表時間
tn=T.n/K (2)
式中 T--采樣周期
根據(jù)tn查加速曲線表可得樣板速度增量fn。由此可計算出經(jīng)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(dāng)前采樣周期的實際進給速度
Fi=F1+ΔFn (4)
zui后,根據(jù)所求得的Fi計算當(dāng)前采樣周期中插補直線段的長度,并據(jù)此進行軌跡計算,即可實現(xiàn)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(shè)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(shù)表的形式存放于加減速曲線庫中。根據(jù)減速曲線數(shù)表實現(xiàn)自動減速控制的過程如下:
首先,根據(jù)
自動車床加工的初始進給速度F1,減速過程結(jié)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(jīng)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(dāng)前采樣周期的實際進給速度
Fi=F1-ΔFn (6)
zui后,根據(jù)Fi計算當(dāng)前采樣周期中插補直線段的長度,并據(jù)此進行軌跡計算,即可實現(xiàn)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(yù)測減速點,以決定何時開始減速。確定減速點的依據(jù)是減速距離s,其計算公式為
(7)
式中 F1、F2--當(dāng)前進給速度和減速過程結(jié)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(yù)先求出,并存儲于加減速數(shù)據(jù)庫中。
(8)
式中 fi--樣板減速曲線f(t)的離散取值
Δt--數(shù)值積分的時間增量