機床數控系統插補算法
機床數控系統插補算法
摘 要：本文對影響機床數控系統效率和精度的核心技術(shù)，即機床數控系統插補算法進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：機床數控系統 插補 算法
一、插補算法決定數控系統加工效率和
精度
在機床運動(dòng)控制系統中，運動(dòng)控制分為點(diǎn)位控制、直線(xiàn)控制和輪廓控制三類(lèi)。
點(diǎn)位控制又稱(chēng)為點(diǎn)到點(diǎn)控制，能實(shí)現由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，即準確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運動(dòng)軌跡。
直線(xiàn)控制除了控制終點(diǎn)坐標值之外，同時(shí)還要保證運動(dòng)軌跡是一條直線(xiàn)，這類(lèi)運動(dòng)不僅控制終點(diǎn)位置的準確定位，還要控制運動(dòng)速度。
輪廓控制既要保證終點(diǎn)坐標值，還要保證運動(dòng)軌跡在兩點(diǎn)間沿一定的曲線(xiàn)運動(dòng)，即這類(lèi)運動(dòng)必須保證至少兩個(gè)坐標軸進(jìn)行連續運動(dòng)控制。
數控系統基本都有兩軸及多軸聯(lián)動(dòng)的功能。
數控系統是根據用戶(hù)的要求進(jìn)行設計，按照編制好的控制算法來(lái)控制運動(dòng)的。
其數控系統不同，功能和控制方案也不同，所以數控系統的控制算法是設計的關(guān)鍵，對系統的精度和速度影響很大。
插補是數控系統中實(shí)現運動(dòng)軌跡控制的核心。
數控裝置根據輸入的零件程序的信息，將程序段所描述的曲線(xiàn)的起點(diǎn)、終點(diǎn)之間的空間進(jìn)行數據密化，從而形成要求的輪廓軌跡，對于簡(jiǎn)單的曲線(xiàn)，數控系統比較容易實(shí)現，但對于較復雜的形狀，若直接生成算法會(huì )變得很復雜，計算機的工作量也會(huì )很大。
因此可以采用小段直線(xiàn)或者圓弧去擬合，這種“數據密化”機能就是插補。
插補的任務(wù)就是根據輪廓形狀和進(jìn)給速度的要求，在一段輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，計算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標值。
插補的實(shí)質(zhì)就是“數據點(diǎn)的密化”。
因此，在輪廓控制系統中，加工效率和精度取決于插補算法的優(yōu)劣。
二、插補算法體現數控系統的核心技術(shù)
1.插補算法的研究途徑
目前對插補方算法的研究有：一是基于圓弧參數方程的、以步進(jìn)角為中間變量的新型圓弧插補算法;結合計算機數值運算的特點(diǎn)，改進(jìn)了距離終點(diǎn)判別方法，利用下一插補點(diǎn)與插補終點(diǎn)的距離作為終點(diǎn)判別依據。
二是割線(xiàn)進(jìn)給代替圓弧進(jìn)給的插補方法和遞推公式，這種方法計算簡(jiǎn)便、快速，容易達到精度要求，避免了原來(lái)算法的近似取值的缺點(diǎn)，能夠提高數控機床的插補精度和加工效率。
三是距離判斷、角度判斷以及符號判斷的圓弧插補終點(diǎn)判斷方法。
實(shí)驗驗證結果表明，在一般加減速速度條件下，這種方法可以實(shí)現圓弧插補、整圓插補的終點(diǎn)判斷。
2.插補算法決定了路徑誤差
插補算法一般由插入器和升降速算法組成。
插補算法的最終結果是以良好的內插值替換的，然后通過(guò)譯成指令對位置進(jìn)行循環(huán)控制，即控制機床主軸的運動(dòng)，對未加工材料進(jìn)行加工。
在常規的插補算法中，每個(gè)單位時(shí)間內的移動(dòng)距離是沿著(zhù)X、Y、Z軸計算，并通過(guò)升降速實(shí)現進(jìn)給運動(dòng)。
在這種情況下，路徑誤差是由插補生成的理想曲線(xiàn)輪廓和實(shí)際沿X、Y、Z軸升降速的步進(jìn)間距組成的。
最終這種路徑誤差體現在實(shí)際的數控加工過(guò)程中。
另外，路徑誤差呈現出的不同誤差情況還取決于不同的升降速方法。
3.插補信息提供了滿(mǎn)足各種特征的功能
如果數控程序被計算機數控的主CPU解讀，有關(guān)插補點(diǎn)與進(jìn)給速度的信息都將傳送到包括運動(dòng)控制器在內的插補程序中。
這種插補程序不僅提供直線(xiàn)、圓弧插補功能，還可以提供螺旋、漸開(kāi)線(xiàn)、樣條等插補功能，以便更好地滿(mǎn)足未加工材料的二維、三維各種特征的需要。
插補程序包括生成理想曲線(xiàn)的插入器和用于輸出的升降速算法。
在沿軸心運動(dòng)的控制中，升降速算法能使機械系統在開(kāi)始或減慢軸向運動(dòng)時(shí)不受振動(dòng)或沖擊。
4.常規插補算法體現其優(yōu)越性
常規插補算法廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)，插入器首先要計算出沿理想曲線(xiàn)的運動(dòng)距離以及在笛卡爾坐標下偏離X、Y、Z軸的偏置值。
在每個(gè)采樣周期內，它要計算出單位時(shí)間內零件沿理想輪廓曲線(xiàn)移動(dòng)的距離，以及在同一插補程序采樣周期和給定的進(jìn)給速度下，在單位時(shí)間內零件沿X、Y、Z軸移動(dòng)的距離。
然后，將計算出的這些微小距離增量傳送到升降速算法器中，使其在運動(dòng)控制中的輸出量能很好地由輸入指令傳送到插入器中。
常規插補算法的優(yōu)越性體現在其簡(jiǎn)單易行的插入器和升降速算法。
這是因為它(常規插補算法)實(shí)現了徹底的獨立插補。
在常規的插補算法中，升降速算法相當于一個(gè)低通濾波，使各軸之間產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)，最終協(xié)調出各自的一個(gè)沿X、Y、Z軸的步長(cháng)距離，產(chǎn)生誤差。
這個(gè)路徑誤差最終表現為與理想曲線(xiàn)和實(shí)際加工曲線(xiàn)都不同的一條曲線(xiàn)。
此外，這種算法能根據不同的升降速算法呈現出不同的路徑誤差類(lèi)型。
總之，為了使數控系統能夠充分發(fā)揮其功能，高速高精度的插補算法一直是國內外科研人員研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
因此插補算法將成為未來(lái)數控系統中不可或缺的核心技術(shù)。
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