CNC控制进给加减速过程简介

1.功能说明

进给功能是CNC控制坐标轴进给速度及加减速过程的功能，它直接影响到机床的加工效率和加工精度。数控机床的不同加工要求对坐标轴的进给方式提出了不同的要求。例如，对于加工开始前的刀具定位，要求的是效率，但对运动轨迹原则上无要求，因此，其进给速度要高、加减速过程要尽可能快；而对于直线、圆弧等需要通过插补实现的切削加工，为了保证加工轮廓的准确，参与插补的各坐标轴需要根据插补脉冲的分配频率，实时改变进给速度等。

在CNC上，对于加工开始前的刀具定位，各坐标轴一般都是以最大移动速度进行，进给轴在运动过程中不进行插补运算，因此，不能试图利用经倍率调整后的快速定位，来进行本应通过直线插补完成的切削加工。快速定位的速度一般由指令G00直接确定，它不可通过编程改变。

CNC程序中的进给速度是指刀具进行切削加工时的移动速度，它可以通过加工程序中的F代码编程与改变。加工程序中的F代码不能使用负值，一般也不允许通过指令F0来控制进给停止，CNC的进给暂停可通过程序暂停指令G04实现，但可以利用外部的进给倍率开关将进给速度调节到0。

直线轴的进给速度基本单位为mm/min（或in/min），回转轴为°/min。进给速度单位可以通过机床参数的设定或加工程序指令进行改变，例如，根据传统的习惯和出于简化编程的考虑，在进行车削加工或螺纹加工时，程序中的进给速度的单位一般选择mm/r（主轴每转进给）等。

进给加减速是CNC控制进给速度从0上升到指令值或从指令值下降到0的过程。合理的加减速方式，不仅可以提高机床效率、减小加减速冲击，而且还可以改变速度变化点的轨迹，提高轮廓加工精度，因此，在高速高精度加工机床上需要采用S型加减速、插补前加减速等多种加减速方式。

有关F指令及编程要求，在本书作者编写的《FANUC-0iD编程与操作》一书中已进行详细介绍，本节仅对相关功能做简要说明。

2.F1位数进给和反比时间进给

1）F1位数法。坐标轴的进给速度的编程方法有F1位数法、F2位数法和直接指令法等。直接指令法是最为常用的编程方法，它可以通过F后缀的数字，直接指定刀具的进给速度值。F1、F2位数法用于早期的CNC或专用数控机床，利用这一方法编程的F代码，其后缀的数字并非实际进给速度，而是速度档，故适合于专用数控机床的有级变速进给，而不能实现进给的无级变速编程。在FS-0iD上，利用F1位数法指定的实际进给速度值，可以通过CNC参数PRM1451～1459进行设定。

2）反比时间进给。反比时间进给（Inverse Time Feed）用于进给时间恒定控制，这是一种保持进给时间不变的进给速度指定方式。反比时间进给功能生效时，坐标轴的进给速度与进给距离有关，两者的比值保持不变，即：进给的距离越来长，进给速度就越快。利用反比时间进给可以准确控制切削加工时间，但将影响工件的表明加工质量，因此，功能在金属切削机床上的实际应用较少。

3.加减速方式

CNC的进给加减速的方式主要有线性加减速、指数加减速与S形加减速三种。

线性加减速是一种加速度保持恒定的加减速方式，在加减速过程中，移动速度以图3.3-6所示的斜坡线性变化；指数加减速的进给速度按的规律上升或下降。S形加减速又称钟（或铃）型加减速（Bell-shaped acceleration/deceleration），这是一种加速度变化率保持恒定的加减速方式，加减速时其加速度以图3.3-7所示的斜坡线性变化；速度变化过程为S形。

进给加减速方式可通过CNC参数设定选择，加减速的控制由CNC自动进行，它不能通过编程改变。在绝大多数CNC上，快速常采用线性加减速，以加快加减速过程；切削加工通常采用指数加减速，以减小切入时的冲击；但对于高速加工机床，如果采用S形加减速，不但可减小启/制冲击，且可以提高圆弧插补等轮廓加工的精度。

图3.3-6 线性加减速

图3.3-7 S形加减速

在FS-0iMD上，为了进一步提高轮廓加工精度，还可以使用S形加减速变化率控制功能，它可以保证加减速时的加速度变化为S形，这一功能又称加加速度控制功能。

4.拐角减速与圆弧插补速度限制

由于机械传动部件刚性、电气控制延时等因素的影响，数控机床的实际刀具移动总是滞后于CNC的指令，两者的误差称为位置跟随误差。位置跟随误差最终可通过闭环自动调整消除，但在连续切削加工时，它将导致加工轨迹的转换处（拐角）产生图3.3-8a所示的过渡圆，特别是在高速加工时，它将直接影响轮廓的加工精度。

利用拐角自动减速功能可以减小拐角处的位置跟随误差，功能生效后，在程序段的终点，进给轴需要进行图3.3-8b所示的减速，只有当运动速度到达设定值V_n以下或实际位置到达允许的范围时，才能执行下一程序段，故可减小过渡圆角、提高轮廓加工精度。(www.xing528.com)

图3.3-8 拐角自动减速功能

a）无拐角减速 b）拐角减速

与拐角类似的原因，在高速圆弧插补加工时，位置跟随误差同样会导致实际圆弧轨迹与理论轨迹间的半径偏差ΔR。理论计算和实际测试表明，如果切削速度为V（mm/s）、CNC的加减速时间常数为T₁（s）、伺服电动机时间常数为T₂（s），对于半径为R（mm）的圆弧加工，如采用指数加减速方式，其半径偏差ΔR的值为；如采用线性加减速方式，半径偏差ΔR的值为。

例如，当CNC的加减速时间常数为0.1s、伺服电动机时间常数为0.002s时，以切削速度为2000mm/min（33.3m/s）的切削速度，加工半径为100mm的圆弧，采用指数加减速时其半径偏差ΔR将达到0.055mm。

为此，在FS-0iD上，CNC可根据圆弧半径与CNC参数设定的最大允许误差，自动计算和限制圆弧插补时的进给速度，这一功能称为圆弧插补速度限制功能。

5.前瞻控制

前瞻控制又称先行控制（Advanced Preview Control），这是FANUC公司专门为高速、高精度加工研发的一种功能。

传统CNC的位置控制方式如图3.3-9a所示。进给时，各坐标轴的位置指令由插补运算生成，指令脉冲需要经过不同坐标轴独立的加减速控制，才能输出到伺服驱动系统控制定位。这种控制方式的加减速环节位于插补运算之后，故称插补后加减速。

图3.3-9 位置控制方式比较

a）插补后加减速 b）插补前加减速

高速、高精度加工的CNC位置控制方式如图3.3-9b所示。进给时，CNC的位置指令首先进行统一加减速处理，然后才进行插补运算，这样，输出到不同伺服驱动系统的位置指令就不再需要进行加减速处理，便可直接控制定位，从而提高轮廓加工的速度和精度。由于这种控制方式的减速环节位于插补运算之前，故称插补前加减速。

插补后加减速与插补前加减速的加减速过程比较如图3.3-10所示。

图3.3-10 加减速过程比较

a）插补后加减速 b）插补前加减速

采用插补后加减速加减速方式时，CNC输出到伺服驱动器的速度指令脉冲总是滞后于理论速度，而且不同坐标轴的加减速环节也存在差异，因此，在高速高精度加工时它将影响轮廓加工的精度。

采用插补前加减速时，插补运算所生成的位置指令脉冲不再需要进行加减速环节的处理，且可以通过程序段的预处理，生成超前于理论轨迹的速度指令，因此，运动更准确、轮廓加工精度更高。

作为使用插补前加减速的前提条件，坐标轴运动之前必须预知下一个程序段的运动轨迹，才能进行加减速的计算，这就要求CNC能够对当前执行段以后的多个程序段提前进行预处理，即CNC的处理要“先行”于插补运算，故称先行控制或前瞻控制。在FANUC技术资料上，前瞻控制有AI先行控制与AI轮廓控制之分，AI轮廓控制所需要进行的预处理程序段更多，它一般是AI先行控制（20段）的两倍（40段）。