CNC机床伺服驱动系统的自动升降速处理

CNC 机床伺服驱动系统的自动升降速处理
张洪兴　聂秋根　袁　坤
南昌航空工业学院机械系,江西南昌　330034
摘要:CNC 机床在启动、停止或切削加工过程中改变进给速度时,由于伺服驱动元件的响应频率跟不上微机插补运算所输出的进给指令信号频率,而容易产生失步或超程,直接影响加工精度。

本文较为详细地分析了以步进电机或交直流伺服电机作为伺服驱动元件的开环、闭环(半闭环)控制系统中产生以上
问题的原因,介绍了为解决以上矛盾所采取自动升降速处理的原理、方法和步骤。

关键词:伺服驱动系统;自动升降速;CNC 机床
中图分类号:TG659　文献标识码:B 文章编号:1001-2265(2002)08-0069-03
On the problem of automatic speed control in C NC machine tool servo drive systems
ZHANG Hongxing NIE Qiugen YUAN Kun
A bstract :When changes of feed rate are found to be necessary in a CN C machine tool system at the points o f its staring ,stop -ping or in process of its w orking ,stepping out and /or overstepping range are very likely to take place because of the failure of the response frequencies of servo drive parts in keeping pace with those of instruction sig nals output by the micro -computer in -terpolations .T his phenomenon no doubt will exert direct influences on the machining accuracy .In this paper ,a detailed analy -sis has been carried out on the reasons to produce above mentioned troubles in the open -loop or closed -loop (inclusive of semi -closed -loop )control sy stems equipped with step mo to rs or DC servo motors as their servo drive elements .M oreover ,are also introduced the principles ,metho ds and steps adopted by the automatic speed co ntrol technique to so lve these problems .Key words :serv o drive sy stem ;automatic speed regulation ;CN C machine tool
图1　伺服驱动元件的升降速特性曲线　图2　自动升降速控制曲线
1　前言
CNC 机床整个系统的可靠性主要取决于微型计算机及接口电路等,而整个系统的精度与快速性又主要取决于伺服系统。

由于微型计算机的运算速度快(最小指令执行时间一般在1μs 内),经软件插补运算输出的进给指令信号频率高;而伺服驱动元件的响应频率低(一般在几百μs 之间)。

因此,容易造成启动或加速时的失步、停止或减速时的超程,使工作台的实际位移与进给指令信号不一致,形成加工误差,直接影响整个数控系统的精度和快速性。

为了解决微型计算机运算速度快、输出进给指令信号频率高,伺服驱动元件的响应频率低的矛盾,消除由此产生的加工误差,必须对进给指令信号频率进行自动升降处理,使之适合伺服驱动元件的响应频率。

由于开环控制CNC 机床常采用步进电机作为伺服驱动元件,而闭环(半闭环)CNC 机床多采用交、直流伺服电机作为伺服驱动元件,因此,它们的自动升降速处理的原理和方法也各不相同。

2　伺服驱动元件的升降速特性
伺服驱动元件的升降速特性是描述伺服驱动元件由静止到工作频率f 和由工作频率f 到静止的升降速过程中,定子绕组通电状态频率与时间的变化关系。

而用来描述以上关系的曲线称之为伺服驱动元件的升降速特性曲线,如图1所示。

由于受机械和电气过渡过程的影响,当伺服驱动元件从静止启动逐渐上升达到工作率时,需要经过一段加速时间,逐渐上升,这一过程称为升速过程;同样,当伺服驱动元件从工作频率f 降到静止时,也需要一段减速时间,逐渐下降,这一过程称为降速过程;当伺服驱动元件的工作频率f 不变化时,这一过程称为恒速过程。

为了使伺服驱动元件工作时不失步、不超程,
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2002年第8期
升速时间和降速时间应分别大于升速时间常数T a和
降速时间常数T d。

3　开环控制CNC机床的自动升降速处理开环控制CNC机床常采用步进电机作为伺服驱动元件。

为了克服系统工作过程中的失步、超程等所产生的加工误差,必须使进给指令信号频率与步进电机的升降速特性曲线相适应。

为了使步进电机能正常工作,应使进给指令信号的频率也基本遵循步进电机升降速特性曲线的规律进行变化,如图2所示。

f a———实际启动频率
f q———最大允许启动频率
f b———恒速运行频率
f max———最大允许运行频率
进给指令信号频率的自动升降速控制曲线,可通过自动升降速处理软件耒实现。

其方法为:升降速时,根据步进时间间隔的大小,通过软件延长不同的时间,使CPU执行等待命令,来自动改变进给指令信号的频率,从而实现进给指令信号的频率基本按步进电机升降速特性曲线的变化规律进行变化。

其实现流程如图3所示。

图3　
自动升降速处理流程图4　升速频率—时间间隔及进给脉冲　图5　自动升降速延时值存放表
为了对步进电机实现最佳升降速控制,应按图4所示的频率要求(现以升速为例,降速类同),计算出对应的步进时间间隔延时值a1、a2、......a n,(降速为b1、b2、......b n,恒速为时间常数k),并存放于相应单元,如图5所示,供延时程序取值。

其中ACCST为存放升速延时值的起始单元,ACCEND为存放升速延时值的结束单元,ACCVAL为存放升速过程所需步进数。

DBCST为存放降速延时值的起始单元,DBCEND 为存放降速延时值的结束单元,DBCVAL为存放降速过程所需步进数。

进行升降速处理时,先按上述方法分别计算出升、降、恒速延时值,并将之送入对应单元;同时将加工段用于终点判的计数长度值送入总步进数单元。

若为升速设置升速状态标志,需降速则设置降速状态标志。

接着发出一个进给指令信号,并使总步进数单元的值减一,然后判断升速标志的状态。

若升速状态标志有效,依次取出升速延时值,执行延时程序,进行升速处理。

若升速状态标志无效,则根据总步进数单元的值与降速所需步进数(即DECVAL中的值)的比较结果,耒判断是否进入降速区。

未进入降速区则取出恒速延时值(常数),进行恒速处理,否则为进入了降速区,依次取出降速延时值,执行延时程序,进行降速处理。

当每取出一次升、降、恒速延时值,进行一次升、降、恒速处理时,均发出一个进给指令信号,并使总步进数单元的值减一,同时也进行一次终点判断。

当总步进数单元的值减至零,说明加工到达终点,自动升降速处理结束。

4　闭环(半闭环)控制CNC机床的自动升降速处理
闭环(半闭环)控制CNC机床常采用交直流伺服电机作为伺服驱动元件,其自动升降速处理的方法与开环控制不同。

4.1　自动升降速处理的过程
若系统采用“时间分割法”进行插补(如FANUC 7M系统),它是将加工程序段的增量以下ms为单位
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组合机床与自动化加工技术
时间分成若干个小段,每次插补进给一小段。

其一次插补处理分为四个阶段:即速度计算———插补运算———终点判断———进给量变换。

其自动升降速处理的过程如下。

(1)根据NC 程序设定的工作方式(如是快速进给,还是切削加工进给)及速度指令F 计算每8ms 时间内的瞬时进给量f i ,即瞬时进给速度。

(2)按瞬时进给速度f i 进行插补,得到各轴的瞬时位置指令值D oi 。

(3)将各轴的瞬时位置指令值D oi 的大小变换为瞬时速度指令电压值V pi 。

(4)由瞬时速度指令电压值V pi 的大小控制伺服电机的旋转速度。

4.2　自动升降速的处理方法
图6　升速处理程序流程 图7　降速处理程序流程
根据以上分析可知,自动升降速处理的关键是怎样计算伺服驱动系统在启动、停止及切削加工过程中改变进给速度时,每8ms 时间内的瞬时进给速度f i 。

1)稳定速度f s
稳定速度是指处于稳定状态时,每插补一次(即8ms )的进给量。

计算公式为
f s =b 60×1000×K ×F =1
7500
×K ×F (mm /
8ms )
式中F ———NC 程序中设定的进给速度或快速进给速
率,mm /min
K ———速度系数,由操作面板开关所选定的快速
分倍率、切削进给倍率、进给减小倍率及进给率控制命令决定
2)系统不同进给状态时,两种速度之间的关系
当系统处于稳定进给状态时f i =f s ;当系统处于升速进给状态时f i <f s ;当系统处于减速进给状态时f i >f s ;
瞬时速度f i 是指系统每8ms 的实际进给量。

3)升降速时的加速度a
当系统启动、停止或切削加工过程中改变进给速度,即系统升速时,加速度的计算公式为
a =8×10007500×F T =1.07×F T ,(μm /8ms )
24)升速处理
当系统启动或进给速度增大时,需增大瞬时速度值。

计算公式为
f i +1=f i +a t =f i +8a
程序用这个新的瞬时速度f i +1按3.1所述的自动升速处理过程,使交直流伺服电机加速,并重复以上过程,直至f i +1=f i 升速处理结束。

升速处理流程如图6所示。

5)降速处理
系统每进行一次插补计算,均需进行终点判断,计算出加工点与终点的瞬时距离s i ,检查是否已到达降速区域s ,若s i ≤s ,则应设置降速标志,开始进行降速处理。

降速区域s 的计算公式为s =-f 2
s
2a
新的瞬时速度计算公式为f i +1=f i -8
程序用这个新的瞬时速度f i +1按3.1所述的自动降速处理过程,使交直流伺服电机减速,并重复以上过程,直至s i =0,降速处理结束。

降速处理程序流程如图7所示。

[参考文献]
[1]李铁才编著.电机控制技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版
社.2000
[2]彭炎午主编.计算机数控(CN C )系统.西安:西北工业大学
出版社.1988
[3]焦振学主编.微机数控技术.北京:北京理工大学出版社.
2000
收稿日期:2002-03-27
作者简介:张洪兴(1947-),男,江西丰城人,南昌航空工业学院教授。

(编辑　何　钢)
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2002年第8期 。