高速數控系統的運動控制技術研究

摘要：作為一門綜合技術，數控加工技術涉及到了機械運動學、信號學、動力學等多門學科技術。而運動控制技術是高速數控系統實現的關鍵技術，其將對系統加工速度和精度起到至關重要的影響?；谶@種認識，本文對加減速控制技術、插補運算技術和誤差補償技術這三種高速數控系統的運動控制技術展開了研究，從而為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：高速數控系統 運動控制 技術研究

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0216-01

隨著各行各業的發展，人們對數控加工的速度和精度也提出了更高的要求。在這種發展形勢下，高速數控加工技術成為了主流的數控加工技術，其加工速度和精度能夠在一定程度上滿足其他行業對零件加工速度和精度的要求。而運動控制技術是高速數控系統中的關鍵技術，因此有必要對該技術展開研究，以便更好的利用該技術促進數控行業的發展。

1 高速數控系統的運動控制分析

在高速數控系統中，實現系統運動控制的目的不僅是提升數控加工的進給速度，同時也需要為加工軌跡精度提供保證。就目前來看，可以利用加減速控制技術、插補運算技術和誤差補償技術等多種技術提高高速加工進給速度和精度。而將軟硬件結合起來，則能夠實現系統的不同運動控制功能。從運動控制系統組成上來看，該系統將由PC機和相應接口的運動控制模塊構成。利用軟件，則可以實現系統的加減速調節、插補運算和誤差補償等前端管理任務。

2 高速數控系統的運動控制技術分析

2.1 加減速控制技術

在數控機床運動的過程中，啟動或加速時出現失步或停止現象，減速時出現超程現象，都會導致整個數控系統的速度和精度受到影響。所以，想要實現過度過程時間最短，還要根據機床的加減速控制規律進行機床運動控制，以便在確保機床運動平穩的基礎上，使機床擁有滿足高速高精度加工要求的加減速特性。就目前來看，高速數控系統常用加減速控制方案有兩種，即前加減速控制和后加減速控制。使用前一種控制方法，需要在插補之前和插補預處理之后進行機床運動控制，控制對象為指令進給速度。使用后一種方法，控制算法相對簡單，無需進行減速點的計算。但是，使用該方法如果遭遇每個運動軸的伺服增益不同的情況，就會導致系統運動出現較大軌跡輪廓誤差，繼而導致系統運動精度受到影響。

為提升高速數控系統加工精度，目前普遍使用柔性加減速法進行機床運動控制。其中，S曲線加減速控制法是一種通過加速度和加加速度物理量設定實現柔性加減速控制的方法，可以在不同工況條件下進行系統運動控制。在機床加減速的過程中，使用該方法會將加速度導數設定為常數，然后通過限制機床加加速度減小機床沖擊和振動[1]。通常情況下，S曲線加減速過程將由系統設定的最大加速度、起點速度、終點速度、加工路徑長短和最大加速度等參數決定。利用該技術，可以使機床在加減速階段的加速度呈現出分段連續線性變化狀態，因此能夠減小機床速度變化對機床的沖擊。

2.2 插補運算技術

在數控機床運動的過程中，機床運動部件的最小移動量為脈沖當量，所以其運動軌跡并非使光滑曲線，而是一種逼近代加工曲線軌跡的折線。機床運動部件的運動軌跡生成過程，就被稱之為插補。所以，合理進行插補運算技術的應用，才能夠使機床按照給定加工軌跡運動。在高速數控系統中，參數曲線插補技術得到了廣泛應用。使用該技術，需要將插補過程中的參數間隔設為常數，并且使用前向差分算法進行坐標軸增量計算。通過控制參數間隔，則能夠提升插補的精度。但是，在參數域空間出現等間隔問題時，則容易出現相鄰插補距離不等問題。為避免該問題給進給速度造成波動，還要使用基于參數空間的Taylor展開法進行插補。而為了對Taylor展開中的高階截斷誤差進行控制，還要使用自適應曲線插補的補償算法，以便使進給速度穩定性得到提升。在五軸數控加工控制方面，參數曲線插補技術得到了擴展應用。使用該技術，不僅能夠提升插補精度，還能夠改善五軸插補的速度平穩性。同時，由于使用該技術可以將逆機床運動在機床控制器中實現，所以能夠使零件加工編程得到簡化[2]。因此，通過使用參數曲線插補技術，不同結構的五軸數控機床加工只需要進行逆機床運動變換程序模塊的更換，就能夠對不同結構形式的零件進行加工。

2.3 誤差補償技術

在數控機床運動的過程中，復雜型面加工的機床運動軌跡較為復雜，所以容易導致加工輪廓產生誤差。而使用誤差補償技術，則能夠實現機床運動軌跡的優化控制，所以能夠提高機床加工的輪廓精度。具體來講，就是利用單軸跟隨誤差控制和多軸交叉耦合控制對刀具實際位置距離指定軌跡在軌跡法線上的偏差進行補償。使用單軸跟隨誤差控制技術，能夠在系統各種運動控制器中進行干擾觀測器的建立，所以能夠使系統干擾抑制能力和魯棒性得到提升，從而使獨立軸的動態位置控制性能得到改善。而數控加工輪廓是由各坐標軸合成運行形成的，所以還要對各個軸的運動情況進行綜合考慮[3]。使用多軸交叉耦合控制技術，則能夠對各個軸輪廓誤差大小進行估算，然后在不改變各個軸位置控制環基礎上，利用單軸跟蹤誤差對各個軸輪廓誤差進行補償。而通過實現各個軸輪廓誤差的協調控制補償，則能夠使加工輪廓精度得到進一步改善。

3 結語

總而言之，隨著數控加工行業的發展，高速數控系統將得到更加廣泛的應用。而研究高速數控系統的運動控制技術，則能夠有效提升數控加工速度和精度，所以能夠為高速高精度數控加工的實現打下良好的基礎。因此，相信本文對高速數控系統的運動控制技術展開的研究，可以為相關工作的開展提供指導。

參考文獻

[1]游有鵬，張禮兵，何均.高速高精度數控系統若干控制技術的原理分析和應用進展[J].航空制造技術，2010，（11）：60-63.

[2]吉方，張勇斌，張連新等.基于PMAC的數控系統運動控制參數調節技術[J].組合機床與自動化加工技術，2010，（09）：70-72+78.

[3]李周平.基于直線電機的數控機床驅動控制技術[J].現代電子技術，2012，（03）：158-160.

收稿日期：2016-05-25

作者簡介：崔靜（1980—），女，陜西西安人，副教授，碩士，研究方向：數控技術。