基于运动控制卡的PC数控进给速度前瞻控制

　　“PC+运动控制卡”结构的数控系统已经成为当前数控的重要形式之一,该结构的数控系统具有开发成本低、标准化程度高和易于获得高性能等优点[1]。开发者直接运用PC平台丰富的软硬件资源和运动控制卡丰富的运动控制功能,可以快速构建高性能的数控系统。典型代表有美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC系统、日本MAZAK公司用三菱公司的MELDASMAG-IC 64构造的MAZATROL 640 CNC系统等。

　　速度控制是运动控制的重要内容。运动控制卡提供段内直线型或S型加减速控制功能,加工时只需对每一段赋以进给速度,运动控制卡自动完成加减速处理。运动控制卡还可以根据当前加工段和下一段之间夹角的大小进行段间加减速控制,夹角越大,降速越多,衔接点处的速度就越低[2]。这些功能可以满足低速低负载运动控制场合对速度控制的要求。

　　当前数控已经步入高速高精度时代。为了保证加工精度,CAM给出的刀轨一般由大量的微线段组成,机床高速走过这些长度极短的微线段。当遇到轨迹急拐弯等情况时,需要降到很低的速度。若只用运动控制卡提供的功能在相邻两段间进行加减速控制,由于线段很短,将对机床产生巨大的加速度冲击,造成机床振动,甚至会来不及减速而导致工件过切。因此在开发基于运动控制卡的PC数控系统时,需要更加高级的速度控制方法。速度前瞻( lookahead)控制,是随着高速加工的发展而出现的一种新的速度控制方法。它可以提前发现轨迹突变,从而按照安全的加速度提前减速。速度前瞻控制的两个关键问题是减速特征识别和速度整体规划。减速特征识别的主要任务是提前发现拐点,并计算通过该拐点的最大安全速度;整体速度规划处理是根据机床的约束条件,对各段进给速度进行整体规划,再配合运动控制卡提供的段内加减速控制,可以使机床保持高速平稳地运行。目前国内外学者在插补层面上进行了速度前瞻控制的研究,彭芳瑜等人[3]和Meng-ShiunTsai等人[4]提出NURBS曲线插补算法,取得了很好的效果,但显得很复杂。笔者直接运用运动控制卡丰富的底层插补功能,提出了一种易于实现的速度前瞻控制算法。

　　1　减速特征识别

　　数学上通常用曲率表示曲线的弯曲变化程度。CAM生成的刀轨在段间衔接点处仅仅是C0连续,不可能直接计算出曲率。任锟等人[5]提出了用三次多项式曲线拟合离散的刀位点来求出各个衔接点处曲率的近似值。但当刀位点间距变化很大时,拟合的曲线效果不好,不能准确地反映各个衔接点处的曲率。张得礼等人[6]提出在衔接点处假设一个虚拟小圆弧,用该虚拟圆弧的半径表示刀轨在该点的曲率半径。该圆弧只是用来计算拐点处的曲率半径,实际刀轨并没有变化。笔者在其方法的基础上加以改进。