2.1.3 运动轨迹及速度控制技术

数控系统运动轨迹及速度控制如图2-12所示。

图2-12 数控系统运动轨迹及速度控制

1.运动轨迹控制

运动轨迹控制是数控系统的关键技术之一，其控制着数控加工过程中运动部件的轨迹、速度。作为数控系统的控制核心，运动轨迹控制功能的优劣直接影响着数控机床的加工效率和加工质量。

在汽车、航天、航空、船舶等制造领域，存在着大量的表面形状非常复杂的零件。传统的加工方法是CAD/CAM系统采用微小直线段去逼近某个复杂曲面，生成大量指令点构成的数控加工程序，直接在每一条微小直线段上进行数控加工，影响加工零件表面的光滑性；同时由于速度和加速度的频繁变化，造成数控系统频繁地进行加/减速控制，导致伺服电动机频繁起停，引起数控机床振动，难以达到指定的编程速度，降低加工效率和加工质量。为最大限度实现光滑曲面，提高加工精度，基于样条曲线插补的轨迹控制技术已经成为国外高档数控系统必备功能，相关研究包括非均匀有理B样条（NURBS）曲线插补、三次参数样条曲线实时插补、空间三次曲线插补等。

在加工形状简单的工件时，若采用样条曲线插补方法，通常会降低加工效率，增加编程难度，因此基于直线插补和圆弧插补的连续轨迹平滑控制技术依然有广泛的应用前景，但其中一个难点是连续轨迹段间速度的平滑过渡。速度平滑过渡方法将直接影响进给速度的优化，影响加工效率和精度的提高。连续轨迹段间过渡方法主要包括直接过渡法、曲线过渡法和曲线拟合法三种方法。直接过渡法为根据插补周期、系统允许的最大速度和最大加速度、相邻两段轨迹拐角信息、轨迹长度信息等约束条件确定相邻两段轨迹最大衔接速度的方法，具有参考模型简单、容易求解等特点，但拐角处衔接速度较低。为使衔接速度最大化，提出了曲线过渡法，其在两相邻直线轨迹段插入某种曲线，以求得速度平滑过渡，其具有过渡精度高、偏差小的优点，但算法较复杂、耗时长。曲线拟合法通过把多段直线轨迹和圆弧轨迹拟合成某种样条曲线，再进行样条曲线插补。该方法的加工效率和加工精度有所提升，但参考模型复杂，控制器需要具有NURBS曲线插补功能。

2.速度控制

速度规划直接影响着数控机床的加工效率和加工质量。目前，高速、高精度加工需求对数控机床的加减速控制能力提出了高要求，一方面要求刀具能在极短时间内达到指定速度，并在保持高速运动的条件下精确地移动到指定位置；另一方面要求在整个数控加工过程中保证数控机床平稳运行，避免因超出伺服电动机最大加减速能力，造成冲击、失步或超程等情况发生，从而引起机床振动，降低加工效率和加工质量。

目前加减速控制的实现途径主要有多项式方法和电子卷积方法等。多项式方法就是采用特定的多项式表达速度曲线。根据速度曲线形状的不同，多项式加减速控制方法可分为T曲线加减速控制、S曲线加减速控制、指数曲线加减速控制、正弦曲线加减速控制等。T曲线加减速控制方法的速度曲线为梯形，其计算量小，容易实现，但是加速度有突变，在实际加工过程中会产生柔性冲击。S曲线加减速控制方法的速度曲线为S形，加速度曲线较平滑，能够避免柔性冲击。

为了提高数控设备的加工效率，实现进给驱动装置的高加速度、高响应控制，数控加工必须解决一些关键技术。从控制目的来看，需要实现速度鲁棒性控制和位置快速整定控制。

1）速度鲁棒性控制技术。在高响应的机电控制系统中，因传动产生的振动需要从多层面进行抑制，可以利用输入整形器和陷波滤波器，结合频率在线分析技术，设计抑制转矩中高频振荡和位置末端的低频振动的控制算法。

2）位置快速整定控制技术。分析影响位置控制响应的主要因素，特别是位置控制的物理变化过程，从而设计能够提高位置响应收敛速度的高响应控制算法。伺服转动惯量辨识、参数搜索优化流程及数控系统界面如图2-13所示。

图2-13 伺服转动惯量辨识、参数搜索优化流程及数控系统界面