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技术交流

数控剪板机系统插补原理及方法

发布时间:2011-7-13
  按照机床刀具运动轨迹可将数控系统分为点位控制系统、直线切削控制系统和连续切削控制系统三大类。对点位控制系统,只要求刀具快速、准确地移动到准确位置,而不管移动轨迹;直线切削控制系统则只按平行于坐标轴的方向直线移动。因此,这两种数控剪板机系统都可以不配备插补功能(插补器或插补计算及控制软件)。连续切削控制系统又被称为轮廓控制系统,必须能够控制刀具在平面或空间的直线或曲线运动轨迹,并且使运动轨迹上的每一坐标点都保持很高的位置精确度,也就是说,能够严格按照零件的轮廓运动。数控系统是依靠插补计算和插补控制实现运动轨迹的计算和控制的。因此,插补计算和插补控制是具有轮廓加工功能的数控系统的基本功能,插补速度和插补精度以及所采用的插补算法是数控系统最重要的技术指标之一。本节主要介绍数控系统中各种轮廓插补的原理和方法,重点介绍逐点比较法、数字积分法和数据采样法插补的基本原理及现实方法,对比较积分法、样条插补法和螺纹加工插补算法等则仅做概要性介绍。
一、数控插补概述
  在数控剪板机机床加工过程中,刀具只能以折线逼近所要加工的曲线轮廓,刀具的运动轨迹并不是光滑的曲线。所谓插补,就是根据零件轮廓尺寸,结合精度和工艺等方面的要求,在刀具中心轨迹线转折点之间插入若干个中间点的过程,即″数据点的密化过程″,插入中间点的算法被称为插补算法。根据插补算法,可由数控系统中的插补器实时计算得到中间点(插补计算),并以中间点协调控制各坐标轴的运动(插补控制),从而获得所需要的运动轨迹。插补器是数控系统中专门用于插补(插补计算和插补控制)的装置或软件模块,分别被称为硬件插补器和软件插补器。在早期全硬件的数控系统中,插补过程是由专门的数字逻辑电路完成的,对CNC系统来说,插补既可全部由软件实现,也可由软、硬件结合来完成。当然,硬件插补速度快,但缺乏柔性,不仅电路复杂,而且调整和修改均相当困难;软件插补速度较慢,但柔性很强,调整和修改方便,而且功能强大、成本很低。随着微处理器运算速度不断提高,软件插补的优势越来越突出,因此以下主要介绍软件插补算法。零件的轮廓形状有直线、圆弧、抛物线、自由曲线等,但其中直线和圆弧是构成被加工零件轮廓的基本线型。因此,直线和圆弧插补功能是数控系统普遍具有的基本功能。某些高档数控系统还配备了椭圆、抛物线、螺旋线、列表曲线等复杂线型的插补功能。
  在数控剪板机机床加工程序中,一般会提供直线起点和终点坐标,圆弧起点和终点坐标、圆弧走向(顺圆,逆圆)、圆心相对于起点的偏移量和圆弧半径等数据。还会根据机床参数和工艺要求设定刀具长度、刀具半径和主轴转速、进给速度等。数控系统的插补任务就是根据进给速度要求,计算出每一段零件轮廓起点与终点之间所应插入的中间点的坐标值。而为了避免插补计算过程中遇到三角函数、乘法、除法及开方等复杂运算,保证插补过程满足实时控制的要求,插补计算一般都采用迭代算法。目前在数控系统中推出了许多种插补算法,这些算法分别归属脉冲增量插补算法和数据采样插补算法两大类。
  (1)脉冲增量插补算法 脉冲增量插补(又称行程标量插补)算法是通过向各个运动轴分配脉冲,控制机床坐标轴相互协调运动,从而加工出所要求轮廓的算法。这类插补算法的特点是每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量,以″单位脉冲″的形式输出给步进电动机。每个单位脉冲对应的坐标轴位移量称为脉冲当量,一般用BLU表示。脉冲增量插补算法比较简单,通常仅需几次加法和位移操作就可完成插补运算。属于这类插补算法的主要有数字脉冲乘法器法、逐点比较法、最小偏差法、数字积分法、比较积分法、目标点跟踪法、单步追踪法等。此类算法较适合于中等精度(如0.01mm)和中等速度(如1—4m/min)的数控系统。
   (2)数据采样插补算法数据采样插补(又称时间标量插补)算法是根据数据加工程序编写的进给速度,先将零件轮廓曲线按插补周期分割为一系列首尾相连的微小直线段,然后输出这些微小直线段对应的位置增量数据,用以控制伺服系统实现坐标轴进给。与脉冲增量插补算法相比,数据采样插补算法的结果不再是单个脉冲,而是位置增量的数字量,这类插补算法适用于以直流或交流伺服电动机作为执行元件的闭环或半闭环数控系统。在采用数据采样插补算法的数控系统中,每调用一次插补程序,就可以计算出本次插补周期内各坐标轴的位置增量,据此求得各坐标轴相应的位置,并与采样所获得的实际位置(反馈值)进行比较,从而获得位置跟踪误差。伺服位置控制软件则根据当前的位置误差计算出进给坐标轴的速度,随后输出至驱动装置,通过执行机构带动机床移动部件朝着减少误差的方向运动,以保证整个系统的加工精度。
  由于插补速度直接影响到数控加工的速度,插补精度直接影响到数控加工的精度,因此理想的插补算法应该是插补计算速度快且插补精度高。令人遗憾的是,插补计算速度与精度之间存在着相互制约的关系,许多插补算法只能在速度和精度两方面进行折衷。随着计算机技术的不断进步,为提高数控系统的性能,克服插补计算速度和精度之间的矛盾,人们一直在不断地改进算法,并在数控系统设计中采用了新的插补技术方案,它们分别如下。
  (1)采用软、硬件结合的两级插补方案 在这种数控系统中,为减轻CNC装置插补负担,先用软件插补将加工零件的轮廓段按插补周期(10~20ms)分割成若干个微小直线段,即所谓″粗插补″;随后由数控系统中附加的硬件插补器对粗插补的微小直线段进行细分插补,形成一簇单位脉冲输出,这个过程称为″精插补″。粗插补完成插补任务中绝大部分计算,而所用时间却比仅用软件插补少很多,因而可以大大缓解CNC装置软件实时插补与其他任务之间的矛盾。日本FANUC公司的SYS.TEM.5数控系统就是采用这种方案。
  (2)采用多微处理器(CPU)的分布式处理方案 采用这种方案的数控系统将全部功能划分为若干子功能模块,给每个子功能模块配置一个独立的CPU,然后通过系统软件协调各CPU之间的工作。实时插补功能将成为整个数控系统软件中一个重要子功能模块,专门配置一个独立的高性能CPU来进行处理,从而大大提高了插补速度。它采用4个CPU分别处理输入/输出、轮廓插补及进给速度控制、坐标轴伺服功能和数控加工程序编辑和CRT显示。采用此方案的数控系统具有很高的性能,是现代数控系统发展的方向。
二、逐点比较插补法
  逐点比较插补法的基本原理是,在刀具按要求的轨迹运动加工零件轮廓的过程中,不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置,并根据比较结果决定下一步的进给方向,使刀具沿着坐标轴向减小偏差的方向进给,且只保持一个方向的进给。也就是说,逐点比较法每一步均要比较加工点瞬间坐标与规定零件轮廓之间的距离,依次决定下一步的走向,如果加工点走到轮廓外面去了,则下一步要朝着轮廓内部走;如果加工点在轮廓的内部,则下一步要向轮廓外部走,以缩小偏差,周而复始,直至全部结束,从而获得一个非常接近于数控加工程序规定轮廓的刀具中心轨迹。逐点比较插补法算法简单直观,脉冲输出均匀,调节方便。既可实现直线插补,也可实现圆弧插补,插补过程的最大误差不超过一个脉冲当量。其缺点是不易于实现两坐标以上的联动插补,一般仅在两坐标数控剪板机机床中应用。
  逐点比较插补法的插补过程每一步都要经过的偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个工作节拍。
   (1)偏差判别 判别刀具当前位置相对应于给定轮廓的偏差情况,即通过偏差值符号确定加工点处在理想轮廓的哪一侧,并以此决定刀具进给方向。
  (2)坐标进给根据偏差判别的结果,控制相应坐标轴进给一步,使加工点向理想轮廓靠拢,从而减少其间的偏差。
  (3)偏差计算 刀具进给一步后,针对新的加工点计算出能反映其偏离理想轮廓的新偏差,为下一步偏差判别提供依据。
  (4)终点判别每进给一步后都要判断刀具是否达到被加工零件轮廓的终点,若到达了则结束插补,否则继续重复上述四个节拍的工作,直至终点为止。


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