淺析數控機床運動精度測試技術

摘 要：當前最主流的數控技術就是開放式數控系統，這種技術最大的特點就是能夠實現開放性、可更換性、可移植性以及可伸縮性的數控功能。數控技術最關鍵的部分就是插補模塊，她直接影響著整個數控系統的性能。本文對現在國內外的數控技術進行了梳理，針對于開放式數控系統的插補模塊進行了系統的分析與研究，并給出了插補技術的改進措施。

關鍵詞：數控機床 插補算法 精度測試

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0074-01

數控技術發展至今已經有著50多年的歷程，這期間數控技術主要經歷了5個重要發展階段：電子管數控、晶體管數控、中小規模IC數控、小型計算機數控、微處理器數控。傳統機床安裝上數控系統之后，可以大大的提高機床的加工精度以及速度，同時提高機床的加工效率。隨著相關技術的不斷發展，人們對數控技術有著更高的要求，能夠代替機床設計師以及操作者大腦，能夠將一些特殊加工工藝以及操作技能集成的智能數控系統將是這項技術未來的發展方向。開放式數控系統大致可以分為兩種結構：（1）CNC+PC主板：在傳統CNC機器中直接插入一塊PC主板，通過這個PC板對系統進行實時控制。對于以坐標軸運動為主要形式的實時控制是通過CNC來實現；（2）PC+運動控制板：在PC機的標準插槽中直接插入一個運動控制板，實現對運行過程的實時控制。這種結構中，PC機主要是輔助作用，進行非實時控制。雖然開放式數控系統早在上世紀90年代初就已經出現，但是隨著工業水平的不斷發展，越來越多的數控系統使用廠家，更多關注的是系統的運行可靠性。特別是PC系統可能出現的死機情況，是生產廠家所不能夠接受的。可靠性只是使用數控系統所需要滿足的一方面，之所以要使用數控技術，最為關鍵的還是高精度、高速度加工。現在CAD/CAM技術也在不斷的發展成熟，這對于工業的推動有著相當大的作用，機械加工可以說已經進入了自動化時代。傳統復雜零件的加工，高精度、高速度自動化加工技術等現代化工業水平逐漸的成為現實，數控技術使得機床的功能得到了非常大的擴展，極大地促進了制造業的變革。下面將就開放式數控系統中最為關鍵的部分--插補模塊進行簡要的介紹與分析。

1 插補算法

當前在數控系統中應用最為廣泛的插補算法主要有以下兩種：脈沖增量插補和數字采樣插補。

（1）脈沖增量插補。

該算法最大的特點就是在每一次的插補運算結束時都會得到一個行程增量，而且僅此一個。這個增量會以脈沖的形式輸出至步進電機。在實現方法上較其他算法而言簡單的多，一般情況下使用加法或者位移這些簡單方式就可以進行插補操作。所以不論從硬件實現，還是從運算速度上來說，這種插補算法均有著很大的優勢。當前該算法還可以直接通過軟件來實現，但是只出現于中等精度（0.01 mm）或中等速度（1～3 m/min）要求的CNC系統。脈沖增量插補算法需要約20余條指令才能夠順利執行，假設CPU的時鐘設置為2.5 MHz，那么可以計算得出一個脈沖當量所需的時間為20μs。在脈沖當量為lμm時，極限速度就可以達到1.5 m/min。雖然通過研究可以發現上述規律，但是我們可以通過降低一定程度的精度來實現加工速度的進一步提高。

（2）數字增量插補。

該算法要求在一定的插補時間范圍內，計算出立體坐標軸每一個坐標方向上的增量，也就是ΔX、ΔY以及ΔZ這三個值，而且這里的插補時間要嚴格控制，必須要在時間范圍內計算完畢，并將計算結構發送至伺服系統，通過伺服系統來實現對移動部件運動過程的實時控制，同時移動部件必須要保證在此插補時間范圍內運行完整個行程。實質上，數字增量插補算法是通過數值量來控制整個機床的運行過程，所以機床各個坐標上的運行速度是通過插補運算所得到數值量以及插補時間得到的。

2 插補技術的改進

（1）參數曲線恒速插補算法。

通常情況下，參數曲線方程的表達式為：

；；

從上式中可以直觀的看出，在三維坐標軸中，每一個坐標分量均可以看作是變量u的函數。依照現代數控插補思想知道，數控插補技術不僅僅需要對零件的輪廓加工進行科學有效的控制，還需要保證加工效率以及進給速度等工藝信息得到有效的調整控制。想要達到這一目的，最簡單最便捷的方法就是對參數進行均勻分割。同時我們還知道，工件的加工信息是否能夠進行有效控制是用來評價插補算法是否具有實時性以及其可靠性的重要標準，所以只從有效控制加工工件的輪廓信息來評價算法的優越性顯然是不足夠的。只有在此前提下，更為細致的分析恒速進問題，才是最終實現恒速插補算法的重中之重。

（2）恒速插補算法的改進。

恒速插補算法中的恒速實質上是指將刀具的加工速度控制在規定的范圍之內，并不是說保證速度一直處于某一個數值。相反，如果加工速度一直處于某一個數值反而會出現一些問題。譬如，當加工工件的參數曲線曲率逐漸變小時，加工效率就會因為加工速度的恒定而大幅度的降低；當參數曲線曲率逐漸變大時，恒定的加工速度會極大的影響工件輪廓的加工誤差。所以恒速加工必須要與輪廓誤差分析相結合，才能夠實現工件加工過程的有效控制。

這里提出了基于數據采樣的插補改進算法。不同的曲線參數，所對應的參數表達式也不同。我們規定曲線起點為q0（x0，y0），終點為qn（xn，yn）。按照CNC系統采樣插補原理可以分析得到，實時插補的任務就是在一定的進給速度下，形成相應的插補直線段，通過這些直線段來逼近獲得實際曲線，進而得到三維坐標中每一個坐標軸的進給增量。所以，上述內容可以表示如下：

；

為進給步長。

進而得到CNC系統插補周期無約束進給步長為：

T為CNC系統插補周期；

F為當前系統的進給速度。

當進行高速加工時，曲線的曲率半徑一定是不斷變化的，假設按照一定的速度進行加工處理，那么就會超過最大允許進給速度。因此，一定要保證進給速度與曲線曲率半徑的變化一致，也就是說曲率半徑減小時，進給速度要相應的自動下降，進給步長縮短。

參考文獻

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