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1、一、为什么要控制进给速度一、为什么要控制进给速度 对于任何一个数控机床来说，都要求能够对对于任何一个数控机床来说，都要求能够对进给速度进行控制，它不仅直接影响到加工零件的进给速度进行控制，它不仅直接影响到加工零件的表面粗糙度和精度，而且与刀具和机床的寿命和生表面粗糙度和精度，而且与刀具和机床的寿命和生产效率密切相关。产效率密切相关。按照加工工艺的需要，进给速度的给定一般按照加工工艺的需要，进给速度的给定一般是将所需的进给速度用是将所需的进给速度用F F代码编入程序。对于不同材代码编入程序。对于不同材料的零件，需根据切削速度、切削深度、表面粗糙料的零件，需根据切削速度、切削深度、表面粗糙度和精度
2、的要求，选择合适的进给速度。度和精度的要求，选择合适的进给速度。在进给过程中，还可能发生各种不能确定或在进给过程中，还可能发生各种不能确定或没有意料到的情况，需要随时改变进给速度，因此没有意料到的情况，需要随时改变进给速度，因此还应有操作者可以手动调节进给速度的功能。数控还应有操作者可以手动调节进给速度的功能。数控系统能提供足够的速度范围和灵活的指定方法。系统能提供足够的速度范围和灵活的指定方法。第1页/共44页 另外，在机床加工过程中，由于进给状态的变化，如起动、升速、降速和停止，为了防止产生冲击、失步、超程或振荡等，保证运动平稳和准确定位，必须按一定规律完成升速和降速的过程。第2页/共44
3、页 数控机床的进给速度F指令值与加工精度、表面粗糙度和生产率有着密切关系。对于不同轮廓尺寸、不同材料、不同技术要求的零件，对其切削进给速度有不同的要求，一般要求进给速度稳定、有一定的调速范围，且起动迅速，停止准确。两种进给速度单位：mm/min；mm/r。一、进给速度计算1、开环系统 在开环系统中，坐标轴运动速度是通过控制输出给步进电机脉冲的频率来实现的。每输出一个脉冲，步进电机就转过一定角度，驱动坐标轴进给一个距离，即 mm/脉冲（脉冲当量）第3页/共44页 插补程序根据零件轮廓尺寸和F指令值向各个坐标轴分配脉冲序列，其中脉冲数提供了位置指令值，脉冲频率确定了坐标轴进给的速度。两轴联动各坐标
4、轴进给速度：第4页/共44页2、闭环和半闭环系统（1）直线插补的速度计算 直线插补的速度计算是为插补程序提供各坐标轴在同一插补周期中的运动步长。一个插补周期的步长为：式中：F编程给出的合成速度（mm/min）T插补周期（ms）L每个插补周期子线段的长度（m）第5页/共44页x、y轴在一个插补周期中的步长为：式中为直线与x轴夹角第6页/共44页（2）圆弧插补的速度计算 圆弧插补的速度计算任务是计算步长分配系数。坐标轴一个插补周期的步长为：式中：R圆弧半径（mm)ii-1、jj-1圆心相对于第 i 1 点的坐标值（mm）i第 i 点与第 i 1 点连线与 x 轴的夹角 步长分配系数与圆弧上一点的值
5、的乘积可以确定下一插补周期的进给步长。第7页/共44页第8页/共44页二、进给速度控制CNC系统中进给速度控制方式：软件控制 采用程序计时法（程序延时法）。软件与接口控制 采用时钟中断法、v/L积分器法（适于采用DDA或扩展DDA插补中的稳速控制）。第9页/共44页1、程序计时法（程序延时法）其过程是：(1)计算出每次插补运算所占用的时间；(2)由给定的F值计算出相应的进给脉冲间隔时间；(3)由进给脉冲间隔时间减去插补运算时间，得到每次插补运算后的等待时间，由软件实现计时等待。为使进给速度可调，延时子程序按基本计时单位设计，并在调用这子程序前，先计算等待时间对基本时间单位的倍数，这样可用不同的
6、循环次数实现不同速度的控制。第10页/共44页 程序计时法大多用于点位、直线控制系统，且系统采用数字脉冲增量法。不同的空运转时间对应不同的进给速度。这种系统控制的进给运动速度可分为升速、恒速、降速等几个阶段。其控制过程如图所示。第11页/共44页 速度准备框的内容包括按照指令速度预先算出降速距离，且置入相应的单元；速度控制框内需置入速度控制字和速度标志FK（当前速度控制值）、FK0（存恒定值）、FK1（存低速值），这一速度控制子程序的主要功能是给出“当前速度值”，以实现升速、降速、恒速和低速控制；第12页/共44页 位置计算是算出移动过程中的当前位置，以便确定位移是否达到降速点和低速点，并给出
7、相应标志，若GD=10时到达降速点，GD=01时到达低速点。第13页/共44页例4-14-1设CNCCNC装置的脉冲当量为=0.01mm=0.01mm，插补程序运行时间T Tl l0.1ms0.1ms。若指令进给速度，F=300mmF=300mmMinMin，延时子程序的运行时间t t2 20 0。1ms1ms，求延时子程序的循环次数N N。解：F=60fF=60f可得 f=Ff=F60=300/600.01(1/s)=500(1/s)60=300/600.01(1/s)=500(1/s)则插补时间间隔 T=1/f=0.002s=2msT=1/f=0.002s=2ms 相应延时的时间 T T2
8、 2 T T一 T T1 1=(=(2 2一 o o 1)ms 1)ms=l.9msl.9ms则循环次数 N=TN=T2 2/t/t2 2=1.9/0.1=1.9/0.1次=19=19次第14页/共44页2、时钟中断法 按照程序计时法所计算的频率 f 值预置适当的实时时钟，从而产生频率为 f 的定时中断。CPU每接受一次中断信号，就进行一次插补运算并送出一个进给脉冲，这类似硬件插补那样，每次中断要经过常规的中断处理后，再调用一次插补子程序转入插补运算。当速度较高时，CPU的时间很紧张，且这种方法不适用于每分钟毫米直接给定速度的系统。时钟中断法只要求一种时钟频率，并用软件控制每个时钟周期内的插补
9、次数，以达到进给速度控制的目的。进给速度可用mm/min给定。第15页/共44页 改变中断请求信号的频率，就等于改变了进给速度。中断请求信号一般通过可编程计数器定时器产生。由程序设置时间常数，定时一到，就向CPU发出中断请求信号。改变时间常数，就可以改变中断请求信号的频率。使用MCS-51系列单片机的计数器定时器时；由为定时计数器采用加1计数方式，即在初值的基础上每来一个定时脉冲，定时计数器就加1，一直加到计数器溢出并向CPU发出中断请求。第16页/共44页假如两次进给之间时时间间隔（即定时器的定时时间）为T，定时器的时间常数为Tc，定时计数器为n位，由于MCS-51系列单片机的定时脉冲频率为
10、系统振荡频率fosc 的112，因此有 T=(2n-TC)12/fosc解得 TC=2n-Tfosc12第17页/共44页 对时间常数的处理程序有两种方法 第一种方法为查表法，即对每一种F，预先算出对应的Tc值，按表格存放。工作时，根据输入的F值，查表找出对应的Tc值，装入定时器，从而得到指定的进给速度。由于表格长度有限，适用于有级变速。第二种方法为实际计算。根据输入的F值，由上面讨论的公式算出相应的Tc值。这种方法可输入任意的F值，调速级数不限。第18页/共44页 首先要对这个唯一的时钟频率进行合理选择，选择的原则是满足最高插补进给速度的要求，并考虑到计算机换算的方便，取一个特殊的速度为Fp
11、，使在该速度下每个时钟周期进行一次插补。另外，要进行速度的换算：如实际给定的进给速度是Fp的整数倍时，就表示每次中断进行的插补次数；如给定进给速度非Fp的整数倍时，包括大于和小于Fp两种情况，则可将其余数进行累加计算，每次中断作一次累加，对大于Fp的情况，有溢出时应多做一次插补运算，对小于Fp的情况，则经多次中断累加有溢出时才进行一次插补运算。p141第19页/共44页 余数处理程序框图如图所示。以上进给速度的控制方法基本上都适用于数字脉冲增量法插补的CNC系统。第20页/共44页例例4-24-2使使用用MCS-51MCS-51系系列列单单片片机机的的计计数数器器定定时时器器实实现现时时钟钟中
12、中断断法法控控制制进进给给速速度度，若若进进给给速速度度F=60mm/minF=60mm/min系系统统脉脉冲冲当当量量=0.001mm/p=0.001mm/p，单单片片机机的的主主振振频频率率f foscosc=11.06MHz=11.06MHz，采采用用定定时时方方式式1 1，计数器位数，计数器位数n n1616，求定时器的时间常数，求定时器的时间常数T TC C。解解：已已知知进进给给速速度度F F和和脉脉冲冲当当量量令令则则定定时时器器中中断断请请中中信信号号的的频频率为率为f=F/60f=F/60其定时时间为其定时时间为T=1/f=60/F=600.001/60ms=1msT=1/f
13、=60/F=600.001/60ms=1ms定时器的时间常数为定时器的时间常数为 T TC C=2=2n n-Tf-Tfoscosc12=212=21616-10-10-3-311.06/1211.06/12 =64610D =64610DFC62HFC62H第21页/共44页 用中断法实现进给速度控制的过程，可归纳为：在主程序中，将要求的进给速度换算成计数器定时器有时间常数，将该时间常数装入定时器定时器开始计数时，定时一到，就发出中断请求，CPU响应后执行中断服务程序，输出一个进给脉冲。在定时器工作的同时，主程序进行插补运算，速度调节，将定时器的下一个时间常数准备好。待中断服务程序发出进给脉
14、冲后，主程序将新的时间常数装入定时器。如此重复不断，进给速度控制贯穿于整个插补过程，直到插补程序段结束。第22页/共44页3、数据采样的CNC系统加减速控制 加减速控制大多采样软件来实现，以便使系统的速度控制更为灵活方便。前加减速控制：加减速控制可以在插补前进行。后加减速控制：加减速控制可以在插补后进行。（1）前加减速控制 前加减速控制是对编程的F指令值即合成速度进行控制。首先要计算出稳定速度Fs和瞬时速度Fi。稳定速度就是系统处于恒定进给状态时，在一个插补周期内每插补一次的进给量。实际上就是编程给定F值（mm/min）在每个插补周期T（ms）的进给量。第23页/共44页 考虑调速方便，设置了
15、快速和切削进给的倍率开关，其速度系数设为K（），可得Fs的计算公式为：稳定速度计算结束后，要进行速度限制检查，如稳定速度超过由参数设定的最高速度，则取限制的最高速度为稳定速度。瞬时速度就是系统每个插补周期的实际进给量。当系统处于恒定进给状态时，瞬时速度FiFs；当系统处于加速状态时，瞬时速度FiFs；第24页/共44页1)线性加减速处理 当数控设备启动、停止或在加工中改变进给速度时，系统能进行自动加减速处理，这种处理常有指数、线性和s型等加减速。线性加减速的处理过程：首先，把快速进给和加工进给的加减速率必须作为机床参数预先给予设定。设进给设定F（mm/min），加速到F所需时间为t（ms），则
16、加/减速度a可按下式计算：第25页/共44页 加速时，系统每插补一次都要进行稳定速度、瞬时速度和加速处理。若给定稳定速度要作改变，当计算出的稳定速度Fs大于原来的稳定速度Fs时，则要加速。或者，给定的稳定速度Fs不变，而计算出的瞬时速度FiFs，则也要加速。每加速一次，瞬时速度为：F Fi i1 1F Fi iatat 新的瞬时速度Fi1参加插补计算，对各坐标轴进行进给量的分配。第26页/共44页 减速时，系统每进行一次插补运算后，都要进行终点判断，也就是要计算出离终点的瞬时距离si。并按本程序段的减速标志，判别是否已到达减速区，若已到达，则要进行减速。如图，如果稳定速度Fs和设定的加/减速度
17、a已确定，可用下式计算出减速区域：第27页/共44页 若本程序段要减速，即sis，则设置减速状态标志，并进行减速处理。每减速一次，瞬时设定为：F Fi i1 1F Fi iatat 新的瞬时速度Fi+1参加插补计算，对各坐标轴进行进给增量的分配。一直减速到新的稳定速度或减到零。如果提前一段距离开始减速，则可按需要，把提前量ss作为参数预先设置好，这样，减速区域s的计算式为：第28页/共44页2）终点判别处理 在前加减速处理中，每次插补运算后，系统都要按求出的各轴插补进给量来计算刀具中心离开本程序段终点的距离si，并以此进行终点判别和检查本程序段是否已到达减速区并开始减速。对于直线插补，si的计
18、算可应用公式：第29页/共44页 设直线终点P坐标为（xe,ye），x为长轴，其加工点A(xi,yi)也就已知，则瞬时加工点A离终点P距离si为：第30页/共44页 对于圆弧插补，si的计算应按圆弧所对应的圆心角小于及大于两种情况进行分别处理，如图。小于时，瞬时加工点离圆弧终点的直线距离越来越小，以MP为基准，A点离终点的距离为：第31页/共44页 瞬时点离圆弧终点的距离si的变化规律是：当瞬时加工点由A到B点时，si越来越大，直到它等于直径；当加工点越过分界点B后，si越小。在这种情况下的终点判别，首先应判别si的变化趋势，若si变大，则不进行终点判别处理直到越过分界点；若si变小再进行终点
19、判别处理。大于时，设A点为圆弧AP的起点，B点为离终点P的弧长所对应的圆心角等于时的分界点，C点则为小于圆心角的某一瞬时点。第32页/共44页过程如下图所示。第33页/共44页（2）后加减速控制 放在插补后各坐标轴的加减速控制为后加减速控制。这种加减速控制是对各运动坐标轴进行分别控制，因此，可利用实际进给滞后于插补运算进给这一特点，在减速控制时，只要运算终点到就进行减速处理，经适当延迟就能平稳地到达程序终点，无需预测减速点。后加减速控制的规律实际上与前加减速一样，通常有直线和指数规律的加减速控制。直线加减速控制使机床起动时，速度按一定斜率的直线下降，如图。第34页/共44页 指数加减速控制目标
20、是把机械设备起动或停止时的速度突变，变成随时间按指数规律上升和下降。指数加减速度与时间的关系为：加速时 v(t)=vc(1 e-1/T)匀速时 v(t)=vc减速时 v(t)=vc e-1/T 式中T 为加减速时间参数；vc为稳定速度；v(t)为被控的输出速度。第35页/共44页上述过程可以用累加公式来实现上述过程可以用累加公式来实现公公式式中中的的E Ei i和和V Vi i分分别别为为第第个个采采样样周周期期误误差差寄寄存存器器E E中中的的值值和和输输出速度值，迭代初值分别为出速度值，迭代初值分别为E E0 00 0和和V V0 0。第36页/共44页 根据闭环、半闭环数控系统的控制方式
21、，可用如图所示的算法原理图来实现指数加减速控制。图中t表示采样周期，其作用是每个采样周期进行一次加减速运算，对输出速度进行控制。误差寄存器E将每个采样周期的输入速度 vc 与输出速度 v 之差进行累加，累加结果一方面保存在误差寄存器中，另一方面与1/T相乘，乘积作为当前采样周期加减速控制的输出速度 v。同时 v 又反馈到输入端，准备下一采样周期到来。第37页/共44页第38页/共44页第39页/共44页（2）直线加减速控制算法l直线加减速控制算法：使得机床在启动或停止时，速度沿着一定斜率的直线上升或下降。l加速过程：l加速过渡过程：l匀速过程：l减速过渡过程：l减速过程：第40页/共44页 前
22、加减速控制的优点是不会影响实际插补输出的位置精度，而需要进行预测减速点的计算，花费CPU时间；后加减速控制的优点则是无需预测减速点，简化了计算，但在加减速过程中会产生实际的位置误差，这当然仅仅是局部的。第41页/共44页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第42页/共44页第43页/共44页感谢您的观看。第44页/共44页