高速数控系统的运动控制技术研究

摘要：作为一门综合技术，数控加工技术涉及到了机械运动学、信号学、动力学等多门学科技术。而运动控制技术是高速数控系统实现的关键技术，其将对系统加工速度和精度起到至关重要的影响。基于这种认识，本文对加减速控制技术、插补运算技术和误差补偿技术这三种高速数控系统的运动控制技术展开了研究，从而为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：高速数控系统 运动控制 技术研究

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0216-01

随着各行各业的发展，人们对数控加工的速度和精度也提出了更高的要求。在这种发展形势下，高速数控加工技术成为了主流的数控加工技术，其加工速度和精度能够在一定程度上满足其他行业对零件加工速度和精度的要求。而运动控制技术是高速数控系统中的关键技术，因此有必要对该技术展开研究，以便更好的利用该技術促进数控行业的发展。

1 高速数控系统的运动控制分析

在高速数控系统中，实现系统运动控制的目的不仅是提升数控加工的进给速度，同时也需要为加工轨迹精度提供保证。就目前来看，可以利用加减速控制技术、插补运算技术和误差补偿技术等多种技术提高高速加工进给速度和精度。而将软硬件结合起来，则能够实现系统的不同运动控制功能。从运动控制系统组成上来看，该系统将由PC机和相应接口的运动控制模块构成。利用软件，则可以实现系统的加减速调节、插补运算和误差补偿等前端管理任务。

2 高速数控系统的运动控制技术分析

2.1 加减速控制技术

在数控机床运动的过程中，启动或加速时出现失步或停止现象，减速时出现超程现象，都会导致整个数控系统的速度和精度受到影响。所以，想要实现过度过程时间最短，还要根据机床的加减速控制规律进行机床运动控制，以便在确保机床运动平稳的基础上，使机床拥有满足高速高精度加工要求的加减速特性。就目前来看，高速数控系统常用加减速控制方案有两种，即前加减速控制和后加减速控制。使用前一种控制方法，需要在插补之前和插补预处理之后进行机床运动控制，控制对象为指令进给速度。使用后一种方法，控制算法相对简单，无需进行减速点的计算。但是，使用该方法如果遭遇每个运动轴的伺服增益不同的情况，就会导致系统运动出现较大轨迹轮廓误差，继而导致系统运动精度受到影响。

为提升高速数控系统加工精度，目前普遍使用柔性加减速法进行机床运动控制。其中，S曲线加减速控制法是一种通过加速度和加加速度物理量设定实现柔性加减速控制的方法，可以在不同工况条件下进行系统运动控制。在机床加减速的过程中，使用该方法会将加速度导数设定为常数，然后通过限制机床加加速度减小机床冲击和振动[1]。通常情况下，S曲线加减速过程将由系统设定的最大加速度、起点速度、终点速度、加工路径长短和最大加速度等参数决定。利用该技术，可以使机床在加减速阶段的加速度呈现出分段连续线性变化状态，因此能够减小机床速度变化对机床的冲击。

2.2 插补运算技术

在数控机床运动的过程中，机床运动部件的最小移动量为脉冲当量，所以其运动轨迹并非使光滑曲线，而是一种逼近代加工曲线轨迹的折线。机床运动部件的运动轨迹生成过程，就被称之为插补。所以，合理进行插补运算技术的应用，才能够使机床按照给定加工轨迹运动。在高速数控系统中，参数曲线插补技术得到了广泛应用。使用该技术，需要将插补过程中的参数间隔设为常数，并且使用前向差分算法进行坐标轴增量计算。通过控制参数间隔，则能够提升插补的精度。但是，在参数域空间出现等间隔问题时，则容易出现相邻插补距离不等问题。为避免该问题给进给速度造成波动，还要使用基于参数空间的Taylor展开法进行插补。而为了对Taylor展开中的高阶截断误差进行控制，还要使用自适应曲线插补的补偿算法，以便使进给速度稳定性得到提升。在五轴数控加工控制方面，参数曲线插补技术得到了扩展应用。使用该技术，不仅能够提升插补精度，还能够改善五轴插补的速度平稳性。同时，由于使用该技术可以将逆机床运动在机床控制器中实现，所以能够使零件加工编程得到简化[2]。因此，通过使用参数曲线插补技术，不同结构的五轴数控机床加工只需要进行逆机床运动变换程序模块的更换，就能够对不同结构形式的零件进行加工。

2.3 误差补偿技术

在数控机床运动的过程中，复杂型面加工的机床运动轨迹较为复杂，所以容易导致加工轮廓产生误差。而使用误差补偿技术，则能够实现机床运动轨迹的优化控制，所以能够提高机床加工的轮廓精度。具体来讲，就是利用单轴跟随误差控制和多轴交叉耦合控制对刀具实际位置距离指定轨迹在轨迹法线上的偏差进行补偿。使用单轴跟随误差控制技术，能够在系统各种运动控制器中进行干扰观测器的建立，所以能够使系统干扰抑制能力和鲁棒性得到提升，从而使独立轴的动态位置控制性能得到改善。而数控加工轮廓是由各坐标轴合成运行形成的，所以还要对各个轴的运动情况进行综合考虑[3]。使用多轴交叉耦合控制技术，则能够对各个轴轮廓误差大小进行估算，然后在不改变各个轴位置控制环基础上，利用单轴跟踪误差对各个轴轮廓误差进行补偿。而通过实现各个轴轮廓误差的协调控制补偿，则能够使加工轮廓精度得到进一步改善。

3 结语

总而言之，随着数控加工行业的发展，高速数控系统将得到更加广泛的应用。而研究高速数控系统的运动控制技术，则能够有效提升数控加工速度和精度，所以能够为高速高精度数控加工的实现打下良好的基础。因此，相信本文对高速数控系统的运动控制技术展开的研究，可以为相关工作的开展提供指导。

参考文献

[1]游有鹏，张礼兵，何均.高速高精度数控系统若干控制技术的原理分析和应用进展[J].航空制造技术，2010，（11）：60-63.

[2]吉方，张勇斌，张连新等.基于PMAC的数控系统运动控制参数调节技术[J].组合机床与自动化加工技术，2010，（09）：70-72+78.

[3]李周平.基于直线电机的数控机床驱动控制技术[J].现代电子技术，2012，（03）：158-160.

收稿日期：2016-05-25

作者简介：崔静（1980—），女，陕西西安人，副教授，硕士，研究方向：数控技术。