1、2006年12月 中国制造业信息化第35卷第23期S曲线加减速控制方法研究朱晓春，屈波，孙来业，汪木兰(南京工程学院自动化系，江苏南京211167)摘要：针对目前S曲线加减速控制的不足，研究了易实现控制的S曲线加减速算法。给出了控制策略和实时控制方法。基于该算法和控制方法进行了应用研究，并给出了应用实例，结果表明采用该算法和控制方法实现高速高精度是正确的和可行的。关键词：S曲线；加减速；控制方法；数控系统中图分类号：11屹73 文献标识码：A 文章编号：1672一1616(2006)23一0038一03随着先进制造业的发展，对数控加工的精度和速度要求越来越高。提高加工精度的途径很多，其中，从数
2、控系统的控制角度看，要实现高速加工，必须采用加减速控制。传统数控系统一般采用指数曲线加减速或直线加减速。这两种加减速控制适合点位控制，但对于直线、圆弧高速切削，在加速启动和减速结束时易产生冲击【12。为解决这种冲击，在加减速启动阶段和结束阶段加减速，使速度变化柔和，从而适应电动机性能，减少冲击。这就诞生了S曲线加减速的思想。本文在其基础上，从可控性角度出发，研究了易实现控制的S曲线加减速算法，对S曲线加减速的实时控制方法进行了研究。1 S曲线加减速算法S曲线加减速将传统的3段加减速过程变为7段加减速过程，形成S字形，如图1所示。加速段由加加速度段(T1)、匀加速度段(T2)、减加速度段(T3)
3、组成；减速段由加减速度段(T5)、匀减速度段(T6)、减减速度段(T7)组成。Tl段加速度从0变到最大值A一，速度从Vs升为VL。设该段的加加速度(即：加速度的变化率)为J，则-，=A。Tl。A。恒定，-，越大，T1则越小，升速快，冲击大；反之，-，越小，丁，越大，升速慢，冲击小。T2段加速速度V从VL开始以A一加速度匀加速上升直到VM为止。k蜊幽繇蚓飞型瑙厂 厂 一， 。一) l t t L 7： 瓦 时问r| 爿眦、 ) 时间，刊。f ，一) 时间f图1 S曲线加减运过程瓦段速度按减加速度上升，越接近Vf，升速越缓慢，保证高速时电机不丢步。T4段以V(?匀速进给。丁5段速度从Vc开始，以加
4、加速度，变加速度下降直到加速度为A。，速度到达V7M。T6段速度从V7M开始以A。匀加速度直到V7L。T7段速度从V7I开始减加速度下降，直到V等于VF。根据以上分析，要进行加减速时的速度计算，必须知道最大加速度A一、最高速V。和加加速度-，。假设T1=T3=T5=T7=T，则加减速时d的加加速度、减加速度相等，且为J=竺笋。在数控系统参数表中可由用户输入A一，V一和-，。瞬收稿日期：20061108基金项目：江苏省教育厅资助项目(04目D1460082)；先进数控技术江苏省高校重点建设实验室开放基金资助项目(K05013)作者简介：朱晓春(1963一)，男，江苏溧水人，南京工程学院教授，主要
5、研究方向为数控技术、智能控制。万方数据智能控制技术 朱晓春屈波孙来业等S曲线加减速控制方法研究 39时速度等由数控系统自动计算。 V=V7M一-，T6S曲线加减速时的进给速度和位移计算公式推导如下。a加加速度(T1段)。设加速度为A，初始速度为，瞬时速度为Vi。因为A=dVd=儿所以V=胁dz=丢所以V=I儿d=去儿2 J 0 二yi：+-，2因为dS=V；d所以s=f yid=ys+吉3所以s 2 J。yid=ys+言3即：=vs+告儿2s=：州t=Vst+丢s=I Vid=Vsf+去儿3J 0 u其中：(0，T1)；、，i(Vs，VL)，VL=Vs+丢-，T2。b匀加速度段(T2段)。V=
6、VL+-，Tls=VLf+告，Tl2其中：(O，T2)；V(VL，VM)，VM=VL+A。axT2。c减加速度段(了、3段)。v：vc一丢-，(T3一)2s=Vcr一(丢，碣+吉儿3一吉-，乃t2)其印。T3m。=T，一掣；V(VM，Vc)。d匀速段(n段)。V=ycS=其中：(0，T4)。e加减速度段(T5段)。v：vc一丢儿2s=t一丢其中：(0，T5)；V(Vc，V7M)，V7M=Vc一丢，T；。f匀减速度段(T。段)。s=V7M一告，T62其中：(0，T6)；V(矿M，矿L)，矿L=矿M一，碡。g减减速度段(T7段)。V=去J(T7一)s=丢，(T；一功2+萼)其中：cT7m：=T，一
7、学；V(V7L，)。由上述推导公式可以看出，S曲线加减速实际是抛物线一直线一抛物线的变化过程。2 S曲线自动加减速的实时控制由S曲线自动加减速算法可知，加减速的控制要预先算出各段的边界点，即VL，yM，y7M，y7L，以此边界点作为判断点，从而决定计算公式的选取。控制策略：用瞬时进给速度Vi与目标速度Vc的比较值、当前位移值剩余量与降速距离的比较值，确定下一步进给。由于位移长短差异以及加减速过程中目标速度的变化(进给速度随JOG倍率变化)，需对加减速过程进行修正。S曲线自动加减速实时控制的步骤如下。步骤1：依据加加速度，最大加速度An诅。，目标速度Vc，求降速区位移值SR。步骤2：进行加加速度
8、段进给控制。若V；SR，且Vi、，c，或SyM，转入步骤4。步骤4：进行减加速度进给控制。若ViSR，继续步骤4；若Viu：，转入步骤4。否则，继续步骤5。步骤6：进行加减速度段进给控制。若Vi万方数据40 2006年12月 中国制造业信息化第35卷第23期V7M，继续步骤6；若ViV7L，继续步骤7；若ViVE，继续步骤8；若S=0或yiVE，S曲线自动加减速结束。3应用实例以数据采样插补的圆弧加工控制为例，介绍实现S曲线加减速控制的过程。数据采样插补以弦代替弧，会产生弓高误差，为保证加工精度，要根据圆弧半径和加工精度，限制最大进给速度。设加工精度P，为0001mm，插补采样周期T。为2mS
9、，圆弧半径尺为500mm，进给速度Vc为300mmS，最大进给加速度A。为1 000mmS2，进给加加速度-，为5 000mmS3。最大允许加工速度v一：互坠掣：盟紫=1 000(mmS)Vc由前面算法求得Tt=令警=裟=02(s)，令T1=T3=T5=T7=T，从而VL=吉，T2=吉5 000o22=100(mms)VM=Vc一寺-，T2=300一丢5 oooo22=200mmS减速区曲线与加速区曲线类似，不同之处在于数据采样插补用小线段拟合圆弧时的剩余量要均匀处理，否则，会影响加工速度。该圆弧的S加减速曲线如图2所示。图2 S加减速曲线应用实例4结 论本文对S曲线加减速控制方法的研究，为高
10、速高精度数控系统的研制提供了理论支撑，解决了电动机加速和减速时的冲击问题。从该研究可以看出，S曲线加减速过程除受加速度A、加加速度，和加工速度V。、影响外，还与加工轮廓的长短有关。对于短距离轮廓显然不能实现完整的S曲线加减速过程，本文用设置降速区距离来控制加减速过程，是一种有效和实用的方法。在加工过程中，切削速度若不断变化，对于非直线轮廓实现实时的S曲线加减速控制，降速区的距离计算是复杂的，需研究新的控制方法。参考文献：1朱晓春，吴祥，任浩，等数控技术M北京：机械工业出版社。20062赵巍，王太勇，万淑敏基于M瓜BS曲线的加减速控制方法研究J中国机械工程，2006，17(1)：13Studv
11、on the AccelaratiOnIecelaration(：ontrol l垤ethod fbr ScuI，eZHU Xiaochun，QU Bo，SUN Lai-ye，WANG Mulan(Nanjing 111stitute of Technology，Jiangsu Nanjing，211167，China)Abstr舵t：Due to deficiency of S curve accelerationdeceleration cOntrol at preSent，it reSearches a newntrolstrategy，the control arithmetic an
12、d method of real time contr01With the application example，it gives thedetail on the arithmetic and control methodThe results show that the arithnletic andntrol method for realizing highs1)(跫d and highprecision is right and usefulKey删吣：Scue；Accelaration门)ecelaration；COntrol Method；CNC System(上接第37页)A
13、bstr越t：It introduces the motordriven syStem of the electrical bicycleBased on the AVR single chip，through m。dulating the dutyratio of P、VM wave，the speed of the electrical bicycle can be weHntlledThe research is focused on the phenonlenon of overcurrent，overload and abnonl】al operation of the motor
14、during begining It puts forward the method of overcurrent detecting and protecting The experimental resultssh()、，that the method has000d abilityKey words：EIectric Bicycle；BmshleSs Direct Current Motor；PWM Control万方数据S曲线加减速控制方法研究作者： 朱晓春， 屈波， 孙来业， 汪木兰， ZHU Xiao-chun， QU Bo， SUN Lai-ye， WANG Mu-lan作者单位
15、： 南京工程学院,自动化系,江苏,南京,211167刊名： 中国制造业信息化英文刊名： MANUFACTURING INFORMATION ENGINEERING OF CHINA年，卷(期)： 2006,35(23)被引用次数： 8次参考文献(2条)1.赵巍;王太勇;万淑敏 基于NURBS曲线的加减速控制方法研究期刊论文-中国机械工程 2006(01)2.朱晓春;吴祥;任浩 数控技术 2006本文读者也读过(10条)1. 林晓新.吴小洪.曹占伦.姜永军 S曲线加减速控制在LED粘片机中的应用期刊论文-机械制造2008,46(5)2. 胡磊.林示麟.徐建明.董辉.HU Lei.LIN Shi-
16、lin.XU Jian-ming.DONG Hui S曲线加减速速度控制新方法期刊论文-组合机床与自动化加工技术2010(1)3. 张碧陶.高伟强.沈列.阎秋生.ZHANG Bitao.GAO Weiqiang.SHEN Lie.YAN Qiusheng S曲线加减速控制新算法的研究期刊论文-机床与液压2009,37(10)4. 李晓辉.邬义杰.冷洪滨.LI Xiao-hui.WU Yi-jie.LENG Hong-bin S曲线加减速控制新方法的研究期刊论文-组合机床与自动化加工技术2007(10)5. 吴小洪.林晓新.曹占伦.姜永军.袁喜林.Wu Xiaohong.Lin Xiaoxin.
17、Cao Zhanlun.Jiang Yongjun.Yuan XiLing 三极管粘片机S曲线加减速控制期刊论文-半导体技术2008,33(3)6. 郝双晖.宋芳.郝明晖.宋宝玉.HAO Shuanghui.SONG Fang.HAO Minghui.SONG Baoyu 参数限制快速求解S曲线加减速控制算法研究期刊论文-制造技术与机床2008(7)7. 黄艳.李家霁.于东.彭健钧.HUANG Yan.LI Jiaji.YU Dong.PENG Jianjun CNC系统S型曲线加减速算法的设计与实现期刊论文-制造技术与机床2005(3)8. 郭新贵.李从心 S曲线加减速算法研究期刊论文-机床
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