基于速度前瞻的数控系统连续轨迹控制算法设计及实现

摘要

数控系统的加工路径主要由直线和圆弧构成，由直线构成的加工路径中通常存在以高曲率和尖角为代表的速度敏感点，常规控制方式在发现这些敏感点时已经没有足够的路径长度来减速，以较高速度通过敏感点，由于雕刻系统的响应频率跟不上数控系统控制频率的变化，加工过程中就会发生撞击和丢步现象。
　　本文采用了速度前瞻控制技术、指数速度规划算法和逐点比较插补算法，开发了数控雕刻机的速度控制系统。速度前瞻控制技术可以有效预测并圆弧过渡敏感点；指数速度规划算法可以减小升降速时间，明显提高加工效率；逐点比较插补算法以最逼近的方式对加工路径进行插补。前瞻控制技术的核心思想是：对待加工数据先做前瞻预处理，找出加工路径中的敏感点，并对敏感点做圆弧过渡自适应拟合；根据自适应拟合得到的安全速度，对敏感点之前的数据段做加减速划分，到达圆弧拟合起点时加工速度和安全速度一致，因此数控系统能平稳地通过敏感点。根据步进电机指数速度模型建立了直线拟合方式的指数加减速速度表，提高了数控系统的加工效率。常规插补方式以基准轴的速度为参考比例发送脉冲，对长短轴互换的转折点加工轴的控制频率会突然跳跃，从而发生撞击现象；新算法中将原来插补方式改变为以合成速度的逐点比较方式发送脉冲，这种方式有效地减小了频率跳跃对数控系统的影响。对上述新的控制算法进行实验实现，对比常规控制方式，新的控制算法可以有效判断并自适应拟合敏感点；段内加减速规划算法中，减速点的判断准确，到达圆弧拟合起点时加工速度与安全速度基本一致。最后，对实验实现与加工过程中产生的误差做了分析，找出误差产生的原因，并找到合适的解决方案减小了误差对加工效果的影响。
　　本课题采用了上述算法针对美工雕刻机开发了一套速度控制算法。对控制算法做加工实验验证，敏感点圆弧自适应拟合的误差达到0.002 mm，加工精度达到0.0025 mm/脉冲，当加工速度4 m/min和加速度4002mm/s时，步进电机的起始加工频率是100 Hz，控制系统的最大输出频率是26666.7 Hz。实验加工过程中数控系统的加工速度平稳；加工质量和加工效率比常规控制方式都明显提高。

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第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 数控系统控制算法的发展现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 论文结构安排

第二章 数控系统连续轨迹控制算法的理论基础

2.1 速度前瞻控制算法原理

2.2 加减速控制算法分析

2.3 插补算法性能分析

2.4本章小结

第三章 数控系统连续轨迹控制算法设计

3.1 控制算法总体方案的设计

3.2 速度前瞻控制算法设计

3.3 指数模型加减速算法的设计

3.4 插补算法的设计

3.5 本章小结

第四章 数控系统连续轨迹控制算法的实现

4.1 算法实现的硬件平台概述

4.2 程序的开发工具与运行环境

4.3 连续轨迹控制算法的实现

4.4本章小结

第五章 调试结果与误差分析

5.1 调试方案的制定

5.2 算法的验证与结果分析

5.3 误差分析与补偿

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 课题总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献