基于CPLD數(shù)控機床的加減速控制

  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插補算法的基礎(chǔ)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(shè)計并實現(xiàn)了雙軸加減速控制器。經(jīng)過環(huán)形分配器及放大電路控制二維(X向，Y向)步進電機，實現(xiàn)機床高速加工起動和停止時速度的穩(wěn)步過渡。仿真結(jié)果顯示控制效果良好，驗證了該控制算法的有效性。

    關(guān)鍵詞：步進電動機；加減速直線插補；雙軸聯(lián)動；CPLD

    中圖分類號：TM383．6  文獻標(biāo)識碼：A  文章編號：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，對于開發(fā)高性能的計算機數(shù)控系統(tǒng)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(qū)動數(shù)控系統(tǒng)的雙軸聯(lián)動硬件直線插補算法的基礎(chǔ)上，為保證機床在加工時起動或停止不產(chǎn)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(tǒng)的加減速控制方式以單軸插補算法為基礎(chǔ)，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(xiàn)速度慢、占機時間長等不足，提出雙軸聯(lián)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(shè)計和實現(xiàn)方法。

1系統(tǒng)構(gòu)成

  在開環(huán)控制的數(shù)控機床系統(tǒng)中，數(shù)控裝置輸?shù)某雒}沖經(jīng)過環(huán)形分配器，并通過驅(qū)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(jīng)過減速裝置帶動了絲杠將角位移轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移，如圖1所示。二維數(shù)控機床石向運動以丑向步進電動機作為驅(qū)動源，y向運動以y向步進電動機作為驅(qū)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(lián)動插補加減速控制策略

    以步進電動機為驅(qū)動的開環(huán)數(shù)控機床，由于位置為開環(huán)，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(shù)字控制的核心內(nèi)容，直線插補算法的好壞與數(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[2]所介紹的硬件直線插補的基礎(chǔ)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(xiàn)加減速與勻速之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。同時，通過控制頻率數(shù)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(jié)束加工時，速度呈臺階式的遞減。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(yīng)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(xié)調(diào)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(zhuǎn)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(xiàn) 

    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(biāo)為(X₁，Y₁)，終點B堅標(biāo)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(lián)動勻速直線插補^[2]