CN101581927B - 计算机数值控制工具机及其加减速度方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机数值控制工具机的加减速度方法包含步骤：接收一加减速时间信号及一速度信号；将加减速时间信号经一第一函数及一第二函数得到相异第一权重值及第二权重值；判断速度信号的一速度变化量为零值、正值或负值；当速度变化量为零值，输出速度信号；当速度变化量为正值，将速度信号与第一权重值相乘积得到加速度信号；当速度变化量为负值，将速度信号与第二权重值相乘积得到减速度信号；以及将速度信号、加速度信号及减速度信号分别转换为一第一驱动信号、一第二驱动信号及一第三驱动信号。本发明仅进行一次加减速度规划可达到三次移动平均法的效果，可有效控制急冲量及控制加减速时间信号，并达到产品质量的提升。

Description

计算机数值控制工具机及其加减速度方法

技术领域

本发明涉及一种工具机及其加减速规划方法，特别是涉及一种计算机数值控制工具机及其加减速方法。

背景技术

随着科技的进步，就工具机械而言，已经由数值控制(Numerical Control)技术转变为计算机数值控制(Computerized Numerical Control)技术，就计算机数值工具机而言，即是利用计算机数值控制系统(Computerized Numerical Control System)结合工具机机械动作，并借着输入数据编码以控制工具机对加工件的动作控制，而由于目前对于工具机系统的功能性要求越来越高，除了要求计算机体积及驱动设备更加缩小，亦希望能越来越精密，故对于提升加减速速度的规划的技术，即为计算机数值控制工具机的要项之一。

请参照图1所示，现有技术的计算机数值控制工具机1包括一输入单元11、一移动单元12及一驱动单元13；移动单元12耦接于输入单元11及驱动单元13之间，输入单元11依序接收一数据信号D1并转换为一编码信号D2，且编码信号D2为一速度信号(如图2A所示)。移动单元12包括依次串联耦接的第一滤波器121、第二滤波器122及第三滤波器123，滤波器121、122、123具有若干权重值K0至K3n-1及若干缓存器R1至R9(如图2B所示)，而各权重值K0至K3n-1皆为固定值，缓存器R1至R9的个数与权重值K0至K3n-1的总和及计算机数值控制工具机1此次加工的一加减速度时间T1相对应。

移动单元12藉由第一滤波器121、第二滤波器122及第三滤波器123将编码信号D2转换为若干加减速度信号D3(如图2C所示)。驱动单元13则依据各加减速度信号D3以驱动工具机1的马达14的转速及方向。

上述计算机数值控制工具机1的作动举例如下：编码信号D2的值为30单位(如图2A所示)，各权重值K0至K3n-1均为1单位(如图2B所示)，而各滤波器121、122、123分别以具有3个缓存器为例，即各滤波器121、122、123分别具有加减速度时间T1为3单位。

对于加减速规划而言，通常藉由移动平均法的方式，即第一滤波器121接收编码信号D2后，于每隔一个加减速度时间T1内将编码信号D2分别与权重值K0至Kn-1中的对应一个经由计算及加总后，算出1个加减速度时间单位的速度为一第一速度信号V1，并送至第二滤波器122，而第二滤波器122及第三滤波器123亦分别使用移动平均法以分别得到一第二速度信号V2及加减速度D3，即总共使用三次移动平均法，使编码信号D2转换为加减速度信号D3(如图2C所示)。

然而，对于使用移动平均法而言，每使用一次时，便会使整体落后一倍的加减速度时间T1(如图3所示)，而曲线A、B及C分别为经过第一次、第二次及第三次移动平均法后的速度曲线，亦即工具机经过3倍的加减速度时间T1才会到达稳定作动，且无法依加工情况改变速度曲线的形状，即使用三次后的速度曲线必为钟形曲线(如图2C及图3所示)，故除了设定加减速度时间T1，并无其它使用弹性，此外，此种方法会产生转角误差，且使急冲度(jerk)的曲线的E部分较为尖锐(图4所示)，甚至因加速距离过短，导致无法加速至最高速度而产生轨迹误差。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种仅使用一次加减速速度规划，可得到不同加减速度性能，以符合不同加工需求的计算机数值控制工具机。

一种计算机数值控制工具机的加减速度方法，包含下列步骤：接收一加减速时间信号及一速度信号，加减速时间信号被分为若干个取样时间；加减速时间信号在若干个取样时间中分别经由一第一函数式及一第二函数式计算得到对应的若干个相异的第一权重值及若干个相异的第二权重值；判断速度信号的一速度变化量为零值、正值或负值；当速度变化量为零值时，则将速度信号转换为一控制工具机马达的第一驱动信号；当速度变化量为正值时，则将速度信号与若干个第一权重值相乘积以得到若干个加速度信号，并将所述若干个加速度信号转换为控制工具机马达的第二驱动信号；以及当速度变化量为负值时，则将速度信号与若干个第二权重值相乘积以得到若干个减速度信号，并将所述若干个减速度信号转换为控制工具机马达的第三驱动信号。

一种计算机数值控制工具机，包含一输入单元、一控制单元、以及一驱动单元。其中，输入单元用于接收一加减速时间信号及一速度信号，加减速时间信号被分为若干个取样时间。控制单元用于在加减速时间信号的若干个取样时间中分别经由一第一函数及一第二函数得到若干个对应的第一权重值及第二权重值，并将速度信号分别与若干个第一权重值及所述的第二权重值相乘积以分别得到若干个加速度信号及若干个减速度信号。驱动单元用于将速度信号、所述的加速度信号及所述的减速度信号分别转换为一第一驱动信号、一第二驱动信号及一第三驱动信号，马达与驱动单元耦接，驱动单元依据第一驱动信号、第二驱动信号或第三驱动信号以驱动及控制工具机的马达的转速及方向。

与现有技术相比，本发明的计算机数值控制工具机及其加减速度方法，藉由控制单元透过第一函数及第二函数配合加减速时间计算以得到若干个相异的第一权重值及若干个相异第二权重值，并判断速度信号的速度变化量以选择输出速度信号、加速度信号或减速度信号至驱动单元以驱动马达。亦即本发明仅使用第一函数及第二函数得到若干个相异的第一权重值及第二权重值，不需像现有技术的计算机数值控制工具机需使用三个滤波器作三次移动平均法，且其权重值皆为相同固定值。此种方式，不仅只需进行一次加减速度规划即可达到三次移动平均法的效果，更因第一函数及第二函数皆为正弦函数式，故计算后亦得到弦波曲线，而可有效控制急冲量(jerk)，此外，更能有效控制加减速时间信号，避免造成大量的时间延迟，进而达到加工精密度及产品质量的提升。

附图说明

下面结合附图及较佳实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1现有的计算机数值控制工具机的结构示意图。

图2A为图1所示计算机数值控制工具机的速度信号的波形图。

图2B为图1所示计算机数值控制工具机的第一滤波器、第二滤波器及第三滤波器的示意图。

图2C为图1所示计算机数值控制工具机的加减速度信号的波形图。

图3为图1所示计算机数值控制工具机的加减速度信号的曲线图。

图4为图1所示计算机数值控制工具机的急冲度的曲线图。

图5为本发明计算机数值控制工具机的较佳实施方式的结构示意图。

图6为图5所示计算机数值控制工具机的速度信号的波形图。

图7为图5所示计算机数值控制工具机的第一权重值的波形图。

图8为图5所示计算机数值控制工具机的第二权重值的波形图。

图9为图5所示计算机数值控制工具机经由加减速度规划后的加速度信号、减速度信号及速度信号的波形图。

图10为本发明计算机数值控制工具机的加减速度方法的较佳实施例的流程图。

具体实施方式

请参照图5所示，本实施方式中的计算机数值控制工具机2包含一输入单元21、一控制单元22、一储存单元23、一驱动单元24、一马达25及一加工平台26。

输入单元21接收一加减速时间信号D4及一速度信号D5，速度信号D5在本实施方式中为一切线速度信号(如图6所示)，加减速时间信号D4被分为若干个取样时间(如图7与图8所示)；此外，加减速时间信号D4及速度信号D5可由使用者设定、外部输入或于计算机数值控制工具机2内部预先设定。

请再同时参照图5、图7与图8所示，控制单元22与输入单元21耦接，其具有一第一函数F1及一第二函数F2，控制单元22通过输入单元21接收加减速时间信号D4及速度信号D5后，将加减速时间信号D4经由第一函数F1计算而得到若干个相异的第一权重值WA(如图7所示)，第一函数F1的公式：

$f\left(w1\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}1+\frac{3\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w1)为各第一权重值WA，θ1范围为0至π/2，意即于加减速时间信号D4中每间隔一个取样时间Ts在θ1的范围中取一个θ1值计算对应所述的θ1值的第一权重值WA。

而加减速时间信号D4亦经由第二函数F2计算而得到若干个相异的第二权重值WS(如图8所示)，且第二函数F2的公式：

$f\left(w2\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}2+\frac{\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w2)为各第二权重值WS，θ2范围为0至π/2，意即于加减速时间信号D4中每间隔一个取样时间Ts在θ2的范围中取一个θ2值计算对应所述的θ2值的第二权重值WS。

此外，控制单元22还判断速度信号D5的速度变化量ΔV为零值、正值或负值，速度变化量ΔV为本次的速度信号D5与前次的速度信号D5的差值。

当速度变化量ΔV为零值时，控制单元22输出本次的速度信号D5；当速度变化量ΔV为正值时，控制单元22使本次的速度信号D5分别与各第一权重值WA相乘积以得到并输出若干个加速度信号D6；当速度变化量ΔV为负值时，控制单元22使本次的速度信号D5分别与各第二权重值WS相乘积以得到并输出若干个减速度信号D7。本实施方式中控制单元22为可编程的控制单元22，且可为一控制器、一处理器、一微处理器或一微处理芯片，而加速度信号D6及减速度信号D7分别为一速度信号。

储存单元23与控制单元22耦接，储存单元23用以储存各第一权重值WA及各第二权重值WS，其可为一内存或一缓存器。

驱动单元24与控制单元22耦接，用以接收速度信号D5、加速度信号D6及减速度信号D7并分别将其转换为一第一驱动信号DR1、一第二驱动信号DR2及一第三驱动信号DR3。驱动单元24可为一运动控制器(exquisite position control and inputs/outputs，EPCIO)或一运动轴卡，第一驱动信号DR1、第二驱动信号DR2及第三驱动信号DR3为一脉波值或一电压值。

马达25分别与加工平台26及驱动单元24耦接，驱动单元24依据第一驱动信号DR1、第二驱动信号DR2或第三驱动信号DR3驱动马达25的转速及方向，以使马达25移动加工平台26。

为使本发明的内容更加清楚，以下将列举一实例以说明依本发明较佳实施方式的计算机数值控制工具机2的作动(如图5所示)，且藉由一使用者自外部设定及输入速度信号D5及加减速时间信号D4。

当计算机数值控制工具机2开始运作时，先藉由输入单元21接收加减速时间信号D4并送至控制单元22，加减速时间信号D4被分为5个取样时间Ts(如图7及图8所示)，而控制单元22则使加减速时间信号D4在5个取样时间Ts中经由第一函数F1得到对应的5个第一权重值WA1、WA2、WA3、WA4、WA5，分别为0.095、0.345、0.654、0.904及1(如图7所示)，另外，控制单元22亦使加减速时间信号D4在5个取样时间Ts中经由第二函数F2得到对应的5个第二权重值WS1、WS2、WS3、WS4、WS5，分别为1、0.904、0.654、0.345及0.095(如图8所示)，并将各第一权重值WA1、WA2、WA3、WA4、WA5及各第二权重值WS1、WS2、WS3、WS4、WS5储存至储存单元23中。

请参照图6所示，同时，计算机数值控制工具机2亦开始进行加减速规划，且控制单元22即持续监测速度信号D5是否有变化，即监测速度变化量ΔV；当时间值为1时，输入单元21开始接收速度信号D5，故速度信号D5由0急升至10单位，即速度变化量ΔV为正值，控制单元22将速度信号D5分别与各第一权重值WA1、WA2、WA3、WA4、WA5相乘积以得到并输出加速度信号D6分别为0.9、3.4、6.5、9及10(如图9所示)至驱动单元24，而驱动单元24则将加速度信号D6转换为第二驱动信号DR2以驱动马达25来移动加工平台26。

接着，因输入单元21继续接收速度信号D5，故当时间值为1后至时间值为11之前，此段时间速度信号D5皆为10单位(如图6所示)，而速度变化量ΔV皆为零值，控制单元22直接输出速度信号D5至驱动单元24，以转换为第一驱动信号DR1而驱动马达25。

最后，当时间值为11时，速度信号D5停止送入输入单元21，则速度信号D5由10单位急降至0单位(如图6所示)，即速度变化量ΔV为负值，控制单元22将速度信号D5分别与各第二权重值WS1、WS2、WS3、WS4、WS5相乘积以得到并输出减速度信号D7分别为10、9、6.5、3.4及0.9(如图9所示)至驱动单元24，而驱动单元24则将减速度信号D7转换为第三驱动信号DR3以驱动马达25来移动加工平台26。

此外，控制单元22在计算机数值控制工具机2中断运作前，亦会持续监测速度变化量ΔV，直至计算机数值控制工具机2运作停止为止。

故本实施方式仅需藉由一次加减速度规划，即藉由第一函数F1及第二函数F2就可得到与现有技术相同的效果。

另外，请参照图10所示，依本发明较佳实施方式的加减速度方法应用在上述(如图5所示)计算机数值控制工具机2，包括如下的步骤：

步骤S01，工具机2的输入单元21接收加减速时间信号D4及速度信号D5，所述加减速时间信号D4被分为5个取样时间Ts。

步骤S02，工具机2的控制单元21将加减速时间信号D4在5个取样时间Ts中分别经由第一函数及第二函数得到对应的5个相异的第一权重值及5个相异的第二权重值。其中第一函数的公式：

$f\left(w1\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}1+\frac{3\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w1)为第一权重值，θ1的范围为0至π/2，第二函数的公式：

$f\left(w2\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}2+\frac{\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w2)为第二权重值，θ2的范围为0至π/2。

步骤S03，工具机2的控制单元21判断速度信号D5的速度变化量为零值、正值或负值，其中速度变化量为本次的速度信号与前次的速度信号的差值。

步骤S04，当速度变化量为零值，则直接输出速度信号D5。

步骤S05，当速度变化量为正值，则将本次的速度信号与每一个第一权重值相乘积以得到并输出若干个加速度信号D6。

步骤S06，当速度变化量为负值，则将本次的速度信号与每一个第二权重值相乘积以得到并输出若干个减速度信号D7。

当步骤S07，工具机2的驱动单元24将所述的速度信号D5、加速度信号D6及减速度信号D7分别转换并输出为一第一驱动信号DR1、一第二驱动信号DR2及一第三驱动信号DR3以驱动并控制加工平台26的马达25。

当计算机数值控制工具机2继续运作时，则返回步骤S03继续进行，直至计算机数值控制工具机2停止运作。

由于依本发明较佳实施方式的加减速度方法可应用于前述的计算机数值控制工具机2，而且上述加减速度方法的可能实施方式与功效已于前述实施方式的计算机数值控制工具机2中讨论过，故于此不再赘述。

Claims (10)

1.一种计算机数值控制工具机的加减速度方法，包含下列步骤：

接收一加减速时间信号及一速度信号，所述的加减速时间信号被分为若干个取样时间；

所述的加减速时间信号在所述若干个取样时间中分别经由一第一函数及一第二函数得到对应的若干个相异的第一权重值及若干个相异的第二权重值，其中所述的第一函数的公式：

$f\left(w1\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}1+\frac{3\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w1)为所述的第一权重值，θ1的范围为0至π/2，θ1为在所述加减速时间信号中每间隔一个取样时间在0至π/2的范围内选取的一个弧度值，所述的第二函数的公式：

$f\left(w2\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}2+\frac{\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w2)为所述的第二权重值，θ2的范围为0至π/2，θ2为在所述加减速时间信号中每间隔一个取样时间在0至π/2的范围内选取的一个弧度值；

判断所述的速度信号的速度变化量为零值、正值或负值；

当所述的速度变化量为零值时，则将所述的速度信号转换为一控制工具机马达的第一驱动信号；

当所述的速度变化量为正值时，则将所述的速度信号与所述若干个第一权重值相乘积以得到若干个加速度信号，并将所述若干个加速度信号转换为所述的控制工具机马达的第二驱动信号；以及

当所述的速度变化量为负值时，则将所述的速度信号与所述若干个第二权重值相乘积以得到若干个减速度信号，并将所述若干个减速度信号转换为所述的控制工具机马达的第三驱动信号。

2.如权利要求1所述的计算机数值控制工具机的加减速度方法，其特征在于：所述的速度信号为一切线速度信号。

3.如权利要求1所述的计算机数值控制工具机的加减速度方法，其特征在于：所述的第一驱动信号、所述的第二驱动信号及所述的第三驱动信号为脉波值或电压值。

4.一种计算机数值控制工具机，包含：

一输入单元，用于接收一加减速时间信号及一速度信号，所述的加减速时间信号被分为若干个取样时间；

一控制单元，用于在所述的加减速时间信号的若干个取样时间中分别经由一第一函数及一第二函数得到若干个对应的第一权重值及第二权重值，并将所述的速度信号分别与所述若干个第一权重值及第二权重值相乘积以分别得到若干个加速度信号及若干个减速度信号，其中所述的第一函数的公式：

$f\left(w1\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}1+\frac{3\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w1)为所述的第一权重值，θ1的范围为0至π/2，θ1为在所述加减速时间信号中每间隔一个取样时间在0至π/2的范围内选取的一个弧度值，所述的第二函数的公式：

$f\left(w2\right)=0.5[\sin (\mathrm{\θ}2+\frac{\mathrm{\π}}{2})+1]$

其中f(w2)为所述的第二权重值，θ2的范围为0至π/2，θ2为在所述加减速时间信号中每间隔一个取样时间在0至π/2的范围内选取的一个弧度值；及

一驱动单元，用于将所述的速度信号、加速度信号及减速度信号分别转换为一第一驱动信号、一第二驱动信号及一第三驱动信号以驱动及控制工具机的马达的转速及方向。

5.如权利要求4所述的计算机数值控制工具机，其特征在于：所述的速度信号为一切线速度信号。

6.如权利要求4所述的计算机数值控制工具机，其特征在于：所述的控制单元为一处理器。

7.如权利要求4所述的计算机数值控制工具机，其特征在于：所述的第一权重值及所述的第二权重值储存于一储存单元，所述的储存单元与所述的控制单元耦接。

8.如权利要求7所述的计算机数值控制工具机，其特征在于：所述的储存单元为一内存或一缓存器。

9.如权利要求4所述的计算机数值控制工具机，其特征在于：所述的第一驱动信号、所述的第二驱动信号及所述的第三驱动信号为脉波值或电压值。

10.如权利要求4所述的计算机数值控制工具机，其特征在于：所述的驱动单元为一运动控制器或一运动轴卡。

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