基于CPLD數(shù)控機(jī)床的加減速控制
崔桂梅，龐海靜，任彥
(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭014010)
摘要：在雙軸二維硬件直線(xiàn)插補(bǔ)算法的基礎(chǔ)上，提出了不同于常用的雙軸二維電機(jī)同時(shí)加減速的控制方法，采用CPLD作為硬件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙軸加減速控制器。經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器及放大電路控制二維(X向，Y向)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速加工起動(dòng)和停止時(shí)速度的穩(wěn)步過(guò)渡。仿真結(jié)果顯示控制效果良好，驗(yàn)證了該控制算法的有效性。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；加減速直線(xiàn)插補(bǔ)；雙軸聯(lián)動(dòng)；CPLD
中圖分類(lèi)號(hào)：TM383．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)08—0045—04
0引言
加減速控制是數(shù)控系統(tǒng)中十分重要的控制功能，它對(duì)系統(tǒng)的精度和性能有重要的影響，在高速加工中，加減速控制顯得尤為重要。因此，研究高效、高精度的加減速控制算法，對(duì)于開(kāi)發(fā)高性能的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)具有十分重要的意義。
本文在文獻(xiàn)[2]所介紹的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的雙軸聯(lián)動(dòng)硬件直線(xiàn)插補(bǔ)算法的基礎(chǔ)上，為保證機(jī)床在加工時(shí)起動(dòng)或停止不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給脈沖頻率進(jìn)行加減速控制。傳統(tǒng)的加減速控制方式以單軸插補(bǔ)算法為基礎(chǔ)，即同一時(shí)刻只能對(duì)單方向電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，為克服這一方式所存在的實(shí)現(xiàn)速度慢、占機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等不足，提出雙軸聯(lián)動(dòng)加減速控制方式，并基于CPLD為硬件，給出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速控制算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。
1系統(tǒng)構(gòu)成
在開(kāi)環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，數(shù)控裝置輸?shù)某雒}沖經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，最終控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在經(jīng)過(guò)減速裝置帶動(dòng)了絲杠將角位移轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線(xiàn)位移，如圖1所示。二維數(shù)控機(jī)床石向運(yùn)動(dòng)以丑向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，y向運(yùn)動(dòng)以y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。控制x向和y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的組合，進(jìn)而控制刀具在工作臺(tái)上的二維運(yùn)動(dòng)[1]。
2雙軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加減速控制策略
以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)數(shù)控機(jī)床，由于位置為開(kāi)環(huán)，切削過(guò)程的精確度很大程度上取決于指令脈沖信號(hào)，因此，插補(bǔ)算法成為數(shù)字控制的核心內(nèi)容，直線(xiàn)插補(bǔ)算法的好壞與數(shù)控加工和快速原型制造的速度和精度有直接的關(guān)系。本文在文獻(xiàn)[2]所介紹的硬件直線(xiàn)插補(bǔ)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分階段改變進(jìn)給脈沖的頻率來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移速度，進(jìn)而改變移動(dòng)部件的直線(xiàn)位移速度，實(shí)現(xiàn)加減速與勻速之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通過(guò)控制頻率數(shù)控制位移量。
速度變化過(guò)程如圖2a所示，橫軸為時(shí)間，縱軸為速度。隨著時(shí)間的變化，速度呈臺(tái)階式的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)到****速度后勻速運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，到快要結(jié)束加工時(shí)，速度呈臺(tái)階式的遞減。根據(jù)不同加工工藝的要求確定速度的階躍量及時(shí)間。同時(shí)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：
(1)加減速運(yùn)行階段，速度時(shí)間曲線(xiàn)以階梯形折線(xiàn)擬合勻加速斜線(xiàn)(如圖2所示)。
(2)為提高效率，加減速過(guò)程越快越好，但以每次速度階躍跳變量不超出允許值為原則，即不引起失步和沖擊震蕩。
(3)加速和減速過(guò)程為對(duì)稱(chēng)的。
(4)對(duì)同一工件，以加減速方式運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)床移動(dòng)部件的直線(xiàn)位移，應(yīng)與以勻速方式運(yùn)動(dòng)時(shí)的相同，即圖2a的圖形面積與圖3的相等，滿(mǎn)足式(4)，使得機(jī)床運(yùn)動(dòng)不失步、不超程。
（5）X向與Y向的每一個(gè)加速或減速階段協(xié)調(diào)控制運(yùn)行，即每一段X向和Y向電機(jī)控制始終保持同時(shí)走并同時(shí)轉(zhuǎn)換速度，各階段合成運(yùn)動(dòng)方向保持不變與直線(xiàn)方向一致。
3 加減速插補(bǔ)算法及實(shí)現(xiàn)
本文以任意的二維直線(xiàn)AB為例(如圖4所錄)，說(shuō)明直線(xiàn)插補(bǔ)算法。起點(diǎn)4坐標(biāo)為(X1，Y1)，終點(diǎn)B堅(jiān)標(biāo)為(X2，Y2)；直線(xiàn)AB的水平分量△X=|X2-X1|；垂直分量△y=|Y2-Y1|。
(1)雙軸聯(lián)動(dòng)勻速直線(xiàn)插補(bǔ)[2]
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