基于CPLD数控机床的加减速控制

  崔桂梅，庞海静，任彦

(内蒙古科技大学，内蒙古包头014010)

    摘要：在双轴二维硬件直线插补算法的基础上，提出了不同于常用的双轴二维电机同时加减速的控制方法，采用CPLD作为硬件设计并实现了双轴加减速控制器。经过环形分配器及放大电路控制二维(X向，Y向)步进电机，实现机床高速加工起动和停止时速度的稳步过渡。仿真结果显示控制效果良好，验证了该控制算法的有效性。

    关键词：步进电动机；加减速直线插补；双轴联动；CPLD

    中图分类号：TM383．6  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)08—0045—04

0引言

    加减速控制是数控系统中十分重要的控制功能，它对系统的精度和性能有重要的影响，在高速加工中，加减速控制显得尤为重要。因此，研究高效、高精度的加减速控制算法，对于开发高性能的计算机数控系统具有十分重要的意义。

    本文在文献[2]所介绍的步进电动机驱动数控系统的双轴联动硬件直线插补算法的基础上，为保证机床在加工时起动或停止不产生冲击、失步、超程或振荡，对步进电动机的进给脉冲频率进行加减速控制。传统的加减速控制方式以单轴插补算法为基础，即同一时刻只能对单方向电动机进行控制，为克服这一方式所存在的实现速度慢、占机时间长等不足，提出双轴联动加减速控制方式，并基于CPLD为硬件，给出步进电动机加减速控制算法的设计和实现方法。

1系统构成

  在开环控制的数控机床系统中，数控装置输的出脉冲经过环形分配器，并通过驱动电路进行功率放大，最终控制步进电动机的角位移。步进电动机在经过减速装置带动了丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移，如图1所示。二维数控机床石向运动以丑向步进电动机作为驱动源，y向运动以y向步进电动机作为驱动源。控制x向和y向步进电动机运动的组合，进而控制刀具在工作台上的二维运动[1]。

2双轴联动插补加减速控制策略

    以步进电动机为驱动的开环数控机床，由于位置为开环，切削过程的精确度很大程度上取决于指令脉冲信号，因此，插补算法成为数字控制的核心内容，直线插补算法的好坏与数控加工和快速原型制造的速度和精度有直接的关系。本文在文献[2]所介绍的硬件直线插补的基础上，通过分阶段改变进给脉冲的频率来控制步进电动机的角位移速度，进而改变移动部件的直线位移速度，实现加减速与匀速之间的平稳转换。同时，通过控制频率数控制位移量。

  速度变化过程如图2a所示，横轴为时间，纵轴为速度。随着时间的变化，速度呈台阶式的增长，增长到****速度后匀速运动一段时间，到快要结束加工时，速度呈台阶式的递减。根据不同加工工艺的要求确定速度的阶跃量及时间。同时满足以下几点：

    (1)加减速运行阶段，速度时间曲线以阶梯形折线拟合匀加速斜线(如图2所示)。

    (2)为提高效率，加减速过程越快越好，但以每次速度阶跃跳变量不超出允许值为原则，即不引起失步和冲击震荡。

    (3)加速和减速过程为对称的。

    (4)对同一工件，以加减速方式运动时机床移动部件的直线位移，应与以匀速方式运动时的相同，即图2a的图形面积与图3的相等，满足式(4)，使得机床运动不失步、不超程。  

    （5）X向与Y向的每一个加速或减速阶段协调控制运行，即每一段X向和Y向电机控制始终保持同时走并同时转换速度，各阶段合成运动方向保持不变与直线方向一致。

3 加减速插补算法及实现 

    本文以任意的二维直线AB为例(如图4所录)，说明直线插补算法。起点4坐标为(X₁，Y₁)，终点B坚标为(X₂，Y₂)；直线AB的水平分量△X=|X₂-X₁|；垂直分量△y=|Y₂-Y₁|。 

  (1)双轴联动匀速直线插补^[2]