数控加工中加减速控制曲线的研究

何峰 韩玉娟

摘要：详细分析数控加工的基本信息，了解并分析数控加工系统中各种加减速曲线，如直线形、三角函数形、指数形等。比较这几种控制方法的优缺点和各自的适用场合。

关键词：数控加工;加减速控制曲线;优缺点

中图分类号：TG659                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0065-02

1  数控加工

数控加工是数控机床上加工零部件的加工方法，数控机床上加工与原先的传统方式的机床加工有一定程度相近的地方，但是却有了不少进步，数控机床加工是利用数字信息对部件和刀具位置进行调节的加工方式，这是实现自动化加工很有效的办法，实现了零件种类繁多、数量小、形状复杂、精密度高等高难度问题可以有效的完成。

1.1 数控加工的起源发展

数字控制技术源于航空产业的需求。在20世纪40年代，美国的一家直升机公司提出了数字机床的初步构想，麻省理工学院于1952年开发了三坐标数码铣床。1950年代中期，麻省理工学院开发的这种三坐标数码铣床已经投入生产，用于加工制造飞机所需要的机械零件，20世纪60年代，数字控制系统和程序设计日渐成熟完善，数字控制机器已经应用于各工业部门，但航空航天产业一直是数字控制系统控制机器的最大用户。

数字控制技术不仅仅缩短了程序设计的时间还大大提高了自动化生产的水平，降低了数字控制技术的成本，先进的数字控制技术应用在航空航天事业上，小型或者微型计算机上，比如计算机的数字控制、更换数字控制系统控制器，使用电脑存储的软件执行计算和控制功能，直接数字控制是利用一台电脑直接控制几台数字控制机床，成本比较贵，系统也比较复杂，但是从提高加工的质量和效率这两方面是可以的，CNC控制的发展除了硬件领域的数字控制系统和机床的改善外，这样软件的发展也显得很重要，计算机辅助程序设计（也称为自动程序设计）是指程序员用数字控制语言编制程序后，将程序输入电脑进行翻译，然后在电脑上自动进行耳钉胶带和磁带输出，比较广泛的数字控制语言是APT语言，主要分为处理程序和事后处理程序，前者翻译程序员写的程序，计算刀的轨迹，后者将刀的轨迹加工成数字控制器的部件加工程序。

1.2 数控加工的优点

①加工出来的零件质量稳定可靠，加工出来的零件更为精细，零件的一致性较高，足够满足航空产业的需求。②加工出来的零件品种丰富，可以较为少量的生产零件，大大提高生产效率，减少了准备生产，机床调整，工程检查的时间。③可以加工其他加工方法比较难加工的复杂状况，还可以加工一些肉眼无法看到的加工的部位。

1.3 数控加工的基本过程

数字控制加工是指用CNC控制的机床加工零件的工序，CNC控制机器是计算机控制的机器控制机器，CNC机床的动作和辅助動作都是接受CNC控制系统的指示，程序员会根据作业的加工要求还有材质的需要，机床的特性和系统规定的指令格式（CNC语言或符号）制作CNC控制系统的指令，CNC控制系统根据程序指令向伺服装置和其他功能部件发送运行或中断等信号所有的功能部件接收到信号后立刻做出相对的反应，比如零件加工结束后面车床自动停止，如果CNC控制车床不向CNC控制系统输入程序命令，CNC控制车床将无法启动，以此来保证设备与工作人员的安全。机床控制的动作有机床的操作、停止、主轴的开关、旋转方向和旋转时速度的变化、刀片进入不同的速度、方式还有方向，刀的选择上，长度和半径等问题，刀片的更换还有冷却液的开关等等。

1.4 数控加工加工工艺

数字控制加工程序制作方法分两种，手动程序设计和自动程序设计。都是按照人工数字控制系统规定的命令形式制作的程序的内容。自动程序的设计根据计算机程序的设计分为基于语言和图像的自动程序的设计方法，有自动程序。不管使用方法如何，都需要对应的硬件和软件。虽然实现数字加工程序的设计很重要，但不能只进行程序设计。数字加工还包括了准备工作还有程序设计之后后续需要处理的一些事宜。通常的数字控制加工过程中包含以下内容：①数字控制加工需要选择并确认加工零部件和其内容。②对零部件所对应的图纸进行数值控制加工的技术分析。③数字控制加工技术设计。④针对零部件图纸进行数学处理。⑤制作加工流程说明书。⑥根据程序生成控制介质。⑦程序验证和变更。⑧第一次试验加工和现场问题处理。⑨数字控制加工技术文档的定型化和归档。

1.5 数控加工的文明生产

数字控制设备是自动化水平高、机构比较复杂的先进一点的加工设备，数字控制设备可以发挥机器的完善性，大大提升数控加工的生产效率，使用和管理数字控制设备，这就要求了技术人员文明生产对提高技术人员的素质也有了相关的要求。工作人员不但要培养良好的工作习惯和工作态度还应该熟练掌握数字控制机器的性能，工作人员还应具有良好的职业素养培养责任感和团队精神。

①严格遵守数字控制机床的安全操作规程，不经过专业训练，不得随意操作机床。②严格遵守上下班、轮班工作制度。③做好机床的使用和管理，有较强的工作责任感。④操作人员应穿戴好工作服、工作鞋，不得穿、戴有危险性的服饰品。

2  加减速控制

加减速控制是数字控制系统补充器的重要组成部分，是数字控制系统开发的重要技术之一，数字控制系统的开发目标是实现高精度和高效率的加工，坐标运动部件在短时间内可以加快指定的速度，高速运转后，预定位置会急剧停止，准备时间缩短。另一方面，加工过程稳定，冲击较小，如何确保机器的稳定运动，以最短的过渡时间为目标实现减速控制规则，满足高速加工要求的减速特性就是本文的课题。

2.1 加减速控制方式

加减速控制方式分为前加减速控制和后加减速控制，而前加减速控制又分为线性加减速处理和终点判别处理。

数字控制系统必须对送至进电机的进给脉冲或电压进行加速减速控制，以防止在机床启动或停止的过程中发生冲击、失步、超程或振动等现象。也就是说，保证在机器加速启动时，电机的进给脉冲和电压逐渐增加。本机床减速停止时，务必进行咨询。给电机的进给脉冲频率和电压依次减少，通过加减速控制到控制系统的位置，插值前加减速和插值后加减速部分，前加减速的控制对象在指令进给速度F、插值前计算进给速度F’，根据进给速度进行插值，各轴的进给量0X、0Y获得0Z。之后将各轴的进给量转换成脉冲或电压驱动电机。由于减速插补后进行加减速处理，各轴的正确联动关系在轨迹控制中会产生轨迹误差。为了实现各轴的精度控制，可进行插补前加减速控制。

2.2 加减速控制算法

2.2.1 直线加减速控制算法

“直线加速减速”是指加减速中的加速度为常数，加速度为0的加减速过程。直线减速速度曲线设定目标速度。这种减速曲线设定的优点很容易理解，很容易计算。但是减速阶段有几个缺点，在等速和加速运行中要预测减速点，即，判断下一个插件周期的运行距离和该插件周期的运行距离，然后将剩余路径的长度差异与理论减速点进行比较，当它们的数值相同时，下一个插值周期开始减慢，但这在理论上是可能，实际理论减速点和实际减速点在实际工作中不一致，此时，以负加速度降低速度，即使以最小速度减速，也无法到达目标地点。然后以最小的速度慢慢地走剩下的长度。速度曲线虽然有必须马上停止的部分，但是会延迟一段时间，速度会持续一段时间变成“尾巴”。这个“尾巴”的长度与减速开始速度和最低速度的比率有关，这个比例越大“尾巴”就越长。工作时间越长等问题也越来越大。

当然，现在也有一定的解决方法。如果程序进入减速区域，新的加速度就会重新计算出来。如果没有现有的加速度，速度变为零，剩下的路径就会完全恢复。直线减速最大的界限是在固定加工长度的条件下才可以使用算法，直线加减中控制曲线使用频率不高。

2.2.2 指数加减速控制算法

“指数加減速”使运行和停止之间的速度随时间变化，速度随指数变化而规则地上升或下降。

指数的加减速分为三个过程：加速过程、匀速过程、减速过程。

指数的加减速速度比直线慢，平滑度高，运动精度高。但是相对来说，减少索引速度的算法比较复杂，占用了更长的时间。另外，减速的起点和终点的加速度发生了突变，产生了具有柔性的冲击。

2.2.3 三角函数加减速控制算法

“三角函数加减速”是将加速段和减速段速度随着时间的变化按照三角函数公式的变化规律变化。

一般情况下三角函数加减速分为三个过程：加速过程、匀速过程、减速过程。

若程序段长度大于加速段和减速段之和则三角函数加减速分为加速过程、匀速过程、减速过程等三个过程，总运行时间=加速时间+匀速时间+减速时间。

若程序段长度小于加速段和减速段之和，最大速度无法达到，则匀速段消失，总运行时间=加速时间+减速时间。

三角函数加减速规则可以实现平滑运动，但三角函数的计算相对复杂，不能满足数字控制系统的适时要求，必须在运行前处理。

2.2.4 直线加抛物线加减速控制算法

“直线加抛物线加减速”是在直线加减速的基础上将直线加减速中加速过程和减速过程的直线变化变成抛物线变化。在运行过程中速度随着时间的变化加入抛物线的变化规律。

直线加抛物线加减速和直线加减速过程类似，都是加速段、匀速段、减速段。

直线加抛物线加减速只有很少的时间点对机床产生冲击，对机床的冲击有所改善，这种方法相对来说简单有效，更能充分利用进电机低速转动时的有效转矩，以提高升速和降速中的效率。

2.2.5 S曲线加减速控制算法

“S曲线加减速”的名称是因为系统减速阶段的曲线形状表示S型曲线而得来，其使用下降速度和上升速度对称曲线来调整升降速度。

正常情况下S曲线加减速共有七个过程分别是加加速过程、匀加速过程、减加速过程、匀速过程、加减速过程、匀减速过程、减减速过程。

普遍采用的恒加速方式，由于加加速或加速度的导数为零，在相对复杂的路径运动时会导致系统出现噪音和振动。S曲线加减速可以实现加减速过程中加速度的连续变化，能够有效减小系统的冲击和震荡。

3  结束语

本文对数控加工进行了一定的分析理解，了解了数控加工的起源发展、优点、基本过程以及文明生产。对于各种加减速控制方法进行了一定程度的分析，分别了解了直线加减速、指数加减速、三角函数加减速、直线加抛物线加减速、S曲线加减速的特点和在实际运用中的优缺点，之后可以根据不同的使用情况择优使用不同的加减速控制曲线。

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作者简介：何峰（1989-），男，江苏涟水人，本科，初级，研究方向为机电。