1 前言

　　數控機床整個系統的可靠性主要取決于微型計算機及接口電路等,而整個系統的精度與快速性又主要取決于伺服系統。由于微型計算機的運算速度快(最小指令執行時間一般在1Ls內),經軟件插補運算輸出的進給指令信號頻率高;而伺服驅動元件的響應頻率低(一般在幾百Ls之間)。因此,容易造成啟動或加速時的失步、停止或減速時的超程,使工作臺的實際位移與進給指令信號不一致,形成加工誤差,直接影響整個數控系統的精度和快速性。

　　為了解決微型計算機運算速度快、輸出進給指令信號頻率高,伺服驅動元件的響應頻率低的矛盾,消除由此產生的加工誤差,必須對進給指令信號頻率進行自動升降處理,使之適合伺服驅動元件的響應頻率。由于開環控制數控機床常采用步進電機作為伺服驅動元件,而閉環(半閉環)數控機床多采用交、直流伺服電機作為伺服驅動元件,因此,它們的自動升降速處理的原理和方法也各不相同。

2 伺服驅動元件的升降速特性

　　伺服驅動元件的升降速特性是描述伺服驅動元件由靜止到工作頻率f和由工作頻率f到靜止的升降速過程中,定子繞組通電狀態頻率與時間的變化關系。而用來描述以上關系的曲線稱之為伺服驅動元件的升降速特性曲線。

　　由于受機械和電氣過渡過程的影響,當伺服驅動元件從靜止啟動逐漸上升達到工作率時,需要經過一段加速時間,逐漸上升,這一過程稱為升速過程;同樣,當伺服驅動元件從工作頻率f降到靜止時,也需要一減速時間,逐漸下降,這一過程稱為降速過程;當伺服驅動元件的工作頻率f不變化時,這一過程稱為恒速過程。為了使伺服驅動元件工作時不失步、不超程,升速時間和降速時間應分別大于升速時間常數Ta和降速時間常數Td。

3 開環控制數控機床的自動升降速處理

　　開環控制數控機床常采用步進電機作為伺服驅動元件。為了克服系統工作過程中的失步、超程等所產生的加工誤差,必須使進給指令信號頻率與步進電機的升降速特性曲線相適應。

　　為了使步進電機能正常工作,應使進給指令信號的頻率也基本遵循步進電機升降速特性曲線的規律進行變化。

　　進給指令信號頻率的自動升降速控制曲線,可通過自動升降速處理軟件耒實現。其方法為:升降速時,根據步進時間間隔的大小,通過軟件延長不同的時間,使CPU執行等待命令,來自動改變進給指令信號的頻率,從而實現進給指令信號的頻率基本按步進電機升降速特性曲線的變化規律進行變化。

　　為了對步進電機實現最佳升降速控制,應按圖4所示的頻率要求(現以升速為例,降速類同),計算出對應的步進時間間隔延時值a1、a2、......an,(降速為b1、b2、......bn,恒速為時間常數k),并存放于相應單元,如圖5所示,供延時程序取值。其中ACCST為存放升速延時值的起始單元,ACCEND為存放升速延時值的結束單元,ACCVAL為存放升速過程所需步進數。DBCST為存放降速延時值的起始單元,DBCEND為存放降速延時值的結束單元,DBCVAL為存放降速過程所需步進數。

　　進行升降速處理時,先按上述方法分別計算出升、降、恒速延時值,并將之送入對應單元;同時將加工段用于終點判的計數長度值送入總步進數單元。若為升速設置升速狀態標志,需降速則設置降速狀態標志。接著發出一個進給指令信號,并使總步進數單元的值減一,然后判斷升速標志的狀態。若升速狀態標志有效,依次取出升速延時值,執行延時程序,進行升速處理。若升速狀態標志無效,則根據總步進數單元的值與降速所需步進數(即DECVAL中的值)的比較結果,耒判斷是否進入降速區。未進入降速區則取出恒速延時值(常數),進行恒速處理,否則為進入了降速區,依次取出降速延時值,執行延時程序,進行降速處理。當每取出一次升、降、恒速延時值,進行一次升、降、恒速處理時,均發出一個進給指令信號,并使總步進數單元的值減一,同時也進行一次終點判斷。當總步進數單元的值減至零,說明加工到達終點,自動升降速處理結束。

4 閉環(半閉環)控制數控機床的自動升降速處理

　　閉環(半閉環)控制數控機床常采用交直流伺服電機作為伺服驅動元件,其自動升降速處理的方法與開環控制不同。

　　4.1 自動升降速處理的過程

　　若系統采用/時間分割法0進行插補(如FANUC7M系統),它是將加工程序段的增量以下ms為單位時間分成若干個小段,每次插補進給一小段。其一次插補處理分為四個階段:即速度計算-插補運算-終點判斷-進給量變換。其自動升降速處理的過程如下。

　　(1)根據NC程序設定的工作方式(如是快速進給,還是切削加工進給)及速度指令F計算每8ms時間內的瞬時進給量fi,即瞬時進給速度。

　　(2)按瞬時進給速度fi進行插補,得到各軸的瞬時位置指令值Doi。

　　(3)將各軸的瞬時位置指令值Doi的大小變換為瞬時速度指令電壓值Vpi。

　　(4)由瞬時速度指令電壓值Vpi的大小控制伺服電機的旋轉速度。

　　4.2 自動升降速的處理方法

　　根據以上分析可知,自動升降速處理的關鍵是怎樣計算伺服驅動系統在啟動、停止及切削加工過程中改變進給速度時,每8ms時間內的瞬時進給速度fi。

　　穩定速度是指處于穩定狀態時,每插補一次(即8ms)的進給量。

　　2)系統不同進給狀態時,兩種速度之間的關系

　　當系統處于穩定進給狀態時fi=fs;　　當系統處于升速進給狀態時fi<fs;　　當系統處于減速進給狀態時fi>fs;　　瞬時速度fi是指系統每8ms的實際進給量。

　　3)升降速時的加速度a

　　當系統啟動、停止或切削加工過程中改變進給速度,即系統升速時

　　4)升速處理

　　當系統啟動或進給速度增大時,需增大瞬時速度值。

　　程序用這個新的瞬時速度fi+1按3.1所述的自動升速處理過程,使交直流伺服電機加速,并重復以上過程,直至fi+1=fi升速處理結束。升速處理流程如圖6所示。

　　5)降速處理

　　系統每進行一次插補計算,均需進行終點判斷,計算出加工點與終點的瞬時距離si,檢查是否已到達降速區域s,若si≦s,則應設置降速標志,開始進行降速處理。

　　程序用這個新的瞬時速度fi+1按3.1所述的自動降速處理過程,使交直流伺服電機減速,并重復以上過程,直至si=0,降速處理結束。