基于CPLD數控機床的加減速控制

  崔桂梅，龐海靜，任彥

(內蒙古科技大學，內蒙古包頭014010)

    摘要：在雙軸二維硬件直線插補算法的基礎上，提出了不同于常用的雙軸二維電機同時加減速的控制方法，采用CPLD作為硬件設計并實現了雙軸加減速控制器。經過環形分配器及放大電路控制二維(X向，Y向)步進電機，實現機床高速加工起動和停止時速度的穩步過渡。仿真結果顯示控制效果良好，驗證了該控制算法的有效性。

    關鍵詞：步進電動機；加減速直線插補；雙軸聯動；CPLD

    中圖分類號：TM383．6  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)08—0045—04

0引言

    加減速控制是數控系統中十分重要的控制功能，它對系統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，對于開發高性能的計算機數控系統具有十分重要的意義。

    本文在文獻[2]所介紹的步進電動機驅動數控系統的雙軸聯動硬件直線插補算法的基礎上，為保證機床在加工時起動或停止不產生沖擊、失步、超程或振蕩，對步進電動機的進給脈沖頻率進行加減速控制。傳統的加減速控制方式以單軸插補算法為基礎，即同一時刻只能對單方向電動機進行控制，為克服這一方式所存在的實現速度慢、占機時間長等不足，提出雙軸聯動加減速控制方式，并基于CPLD為硬件，給出步進電動機加減速控制算法的設計和實現方法。

1系統構成

  在開環控制的數控機床系統中，數控裝置輸的出脈沖經過環形分配器，并通過驅動電路進行功率放大，最終控制步進電動機的角位移。步進電動機在經過減速裝置帶動了絲杠將角位移轉換為移動部件的直線位移，如圖1所示。二維數控機床石向運動以丑向步進電動機作為驅動源，y向運動以y向步進電動機作為驅動源。控制x向和y向步進電動機運動的組合，進而控制刀具在工作臺上的二維運動[1]。

2雙軸聯動插補加減速控制策略

    以步進電動機為驅動的開環數控機床，由于位置為開環，切削過程的精確度很大程度上取決于指令脈沖信號，因此，插補算法成為數字控制的核心內容，直線插補算法的好壞與數控加工和快速原型制造的速度和精度有直接的關系。本文在文獻[2]所介紹的硬件直線插補的基礎上，通過分階段改變進給脈沖的頻率來控制步進電動機的角位移速度，進而改變移動部件的直線位移速度，實現加減速與勻速之間的平穩轉換。同時，通過控制頻率數控制位移量。

  速度變化過程如圖2a所示，橫軸為時間，縱軸為速度。隨著時間的變化，速度呈臺階式的增長，增長到****速度后勻速運動一段時間，到快要結束加工時，速度呈臺階式的遞減。根據不同加工工藝的要求確定速度的階躍量及時間。同時滿足以下幾點：

    (1)加減速運行階段，速度時間曲線以階梯形折線擬合勻加速斜線(如圖2所示)。

    (2)為提高效率，加減速過程越快越好，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)加速和減速過程為對稱的。

    (4)對同一工件，以加減速方式運動時機床移動部件的直線位移，應與以勻速方式運動時的相同，即圖2a的圖形面積與圖3的相等，滿足式(4)，使得機床運動不失步、不超程。  

    （5）X向與Y向的每一個加速或減速階段協調控制運行，即每一段X向和Y向電機控制始終保持同時走并同時轉換速度，各階段合成運動方向保持不變與直線方向一致。

3 加減速插補算法及實現 

    本文以任意的二維直線AB為例(如圖4所錄)，說明直線插補算法。起點4坐標為(X₁，Y₁)，終點B堅標為(X₂，Y₂)；直線AB的水平分量△X=|X₂-X₁|；垂直分量△y=|Y₂-Y₁|。 

  (1)雙軸聯動勻速直線插補^[2]