CN101609326A - 加减速控制装置及加减速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加减速控制装置，用来对一CNC机床进行加减速控制，其包括：一插补运算器，用于对一速度命令进行插补运算，并输出一脉冲速度；一移动单元，包括一运算滤波器，该运算滤波器包括多个缓存器，每一缓存器分别存储一权重值，该移动单元利用一第一函数根据该脉冲速度及这些缓存器的权重值计算得出一加减速脉冲；及一驱动转换单元，用于将该加减速脉冲转换成一驱动信号，以驱动一马达。可达到加工精密度及产品质量的提升。本发明还提供一种加减速控制方法。

Description

加减速控制装置及加减速控制方法

技术领域

本发明涉及一种CNC(Computer Numerical Control，计算机数字控制)机床的加减速控制装置及加减速控制方法。

背景技术

CNC机床是利用CNC系统结合机床机械动作，并借着输入加工指令以使机床对加工件的动作进行控制。而由于目前对于机床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外，也希望其加工精度能越来越高。

所以当加工速度的变化率过大时，需要利用一控制系统做一加减速的规划，使CNC机床有一个较平滑的加工速度曲线，来达到提升加工的精度。所以加减速规划控制为目前CNC机床所要研发的重要项目之一。传统CNC机床使用的后加减速法是将插值运算后的速度脉冲从梯形曲线整形成钟型曲线，达到加速度与急冲度(Jerk)曲线较为平顺的效果，来提升加工精度，其具体内容，请参照图1。CNC机床1具有一输入单元11、一移动单元12及一驱动单元13；移动单元12连接于该输入单元11及该驱动单元13之间；该输入单元11接收一速度命令信号D1并将其转换成一速度脉冲信号D2(如图2A所示)。该移动单元12具有串联连接的一第一滤波器121、一第二滤波器122及一第三滤波器123。该第一、第二及第三滤波器121、122、123分别为一FIR(Finite Impulse Response，有限长冲激响应)滤波器，分别具有多个权重值K0-Kn-1及多个缓存器R0-Rn-1(如图2B所示)。该第一滤波121将其缓存器R0-Rn-1内的速度脉冲信号D2与其对应的权重值K0-Kn-1分别相乘后加总，并除以缓存器的个数n，得到一第一速度脉冲信号V1并传送给第二滤波器122的缓存器R0-Rn-1；该第二滤波器122将其缓存器R0-Rn-1内的第一速度脉冲信号V1与其对应的权重值K0-Kn-1分别相乘后加总，并除以缓存器的个数n，得到一第二速度脉冲信号V2并传送给第三滤波器123的缓存器R0-Rn-1；该第三滤波器123将其缓存器R0-Rn-1内的第二速度脉冲信号V2与其对应的权重值K0-Kn-1分别相乘后加总，并除以缓存器的个数n，即可得到一加减速脉冲信号D3(如图2C所示)。

该移动单元12借助该第一滤波器121、该第二滤波器122及该第三滤波器123将该速度脉冲信号D2进行加减速规划转换为加减速脉冲信号D3。该驱动单元13则将该加减速脉冲信号D3经转换后传送至马达14，来控制马达14的运转。

上述加减速规划借助移动平均法将该输入单元11插值运算后的速度脉冲信号D2的方形曲线规划成加减速脉冲信号D3的钟型曲线，即该第一滤波器121接收该速度脉冲信号D2后，于每一个取样时间T内的速度脉冲信号D2分别与各权重值K0-Kn-1相乘再相加，再经过收敛后得到第一速度脉冲信号V1(图3中的A曲线)；再将该第一速度脉冲信号V1传送至第二滤波器122，而第二滤波器122及第三滤波器123也分别使用移动平均法以分别得到该第二速度脉冲信号V2(图3中的B曲线)及该加减速脉冲信号D3(图3中的C曲线)，即总共使用三次移动平均法，使速度脉冲信号D2转换成加减速脉冲信号D3。

如图3所示，对于使用移动平均法而言，每使用一次时，便会使信号整体落后一倍的加减速规划时间Tn(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，意即该CNC机床1经过3倍的加减速速度规划时间(即3Tn)才会到达成，且无法依加工情况改变加减速脉冲信号D3曲线的形状，除了设定加减速度时间，并无其它使用弹性。此外，此种方法也会产生转角误差；且急冲度(Jerk)的曲线的尖峰E也较为尖锐(图4所示)。

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便可实现加减速控制的加减速控制装置及加减速控制方法。

一种加减速控制装置，用来对一CNC机床进行加减速控制，其包括：

一插补运算器，用于对一速度命令进行插补运算，并输出一脉冲速度；一移动单元，包括一运算滤波器，该运算滤波器包括多个缓存器，每一缓存器分别存储一权重值，该移动单元利用一第一函数根据该脉冲速度及这些缓存器的权重值计算得出一加减速脉冲；及一驱动转换单元，用于将该加减速脉冲转换成一驱动信号，以驱动一马达。

一种加减速控制方法，是利用一加减速控制装置对一CNC机床进行加减速控制，该加减速控制装置包括依次连接的一插补运算器、一移动单元及一驱动转换单元，该移动转换单元包括一运算滤波器，该运算滤波器包括多个缓存器，每一缓存器分别存储一个权重值，该加减速控制方法包括以下步骤：

该插补运算器对一速度命令进行插补运算，并输出一脉冲速度；该移动单元接收该脉冲速度并利用一第一函数根据该脉冲速度及这些缓存器的权重值计算得出一加减速脉冲；及该驱动转换单元将该加减速脉冲转换成一驱动信号，以驱动一马达。

与现有技术相比较，本发明加减速控制装置的移动单元将该脉冲速度与由该第二函数计算得到的各权重值经由该第一函数式计算可直接得到该加减速脉冲。不仅只需使用一次加减速度规划，就可达到现有技术三次移动平均法的效果，更因权重值是由第二函数式计算而得，所以使急冲度曲线较为圆滑，进而达到加工精密度及产品质量的提升。

附图说明

图1是现有加减速控制装置的示意图。

图2A是图1中的加减速控制装置的脉冲速度的示意图。

图2B是图1中的加减速控制装置的移动单元的示意图。

图2C是图1中的加减速控制装置输出的加减速脉冲的示意图。

图3是图1中的加减速控制装置的加减速脉冲的曲线图。

图4是图1中的加减速控制装置的急冲度的曲线图。

图5是本发明加减速控制装置的较佳实施方式的示意图。

图6是图5的加减速控制装置的移动单元的示意图。

图7是图5的加减速控制装置的移动单元接收的脉冲速度的示意图。

图8是图5的加减速控制装置的移动单元输出的加减速脉冲的示意图。

图9是本发明加减速控制装置的较佳实施方式的第二函数的曲线图。

图10是本发明加减速控制装置的较佳实施方式的加速度的曲线图。

图11是本发明加减速控制装置的较佳实施方式的急冲度的曲线图。

具体实施方式

请参照图5所示，本发明加减速控制装置的较佳实施方式用来对一CNC机床进行加减速规划，其包括依次连接的一插补运算器21、一移动单元22、一驱动转换单元23及一可驱动一刀具或一工作平台25的马达24。

该插补运算器21用来接收一速度命令S1，且将该速度命令S1经插补运算后得到一脉冲速度Vx(如图7所示)；该移动单元22包括一运算滤波器221，用以接收该脉冲速度Vx；如图6所示，该运算滤波器221包括多个缓存器2212，这些缓存器2212分别具有一不同的权重值ω₀、ω₁...ω_n-1。该运算滤波器221利用一第一函数将该脉冲速度Vx与各权重值ω₀、ω₁...ω_n-1，进行计算得到一加减速脉冲V′x(如图8所示)，这些权重值ω₀、ω₁...ω_n-1由一第二函数f(n)在一个加减速规划时间Tn内取样求值得到。在本实施方式中，该第一函数的表达式为：

$V^{\′}x\left[\mathrm{\ω}\right]=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{f\left(i\right)}{\mathrm{Ks}}\×\mathrm{Vx}[\mathrm{\ω}-i\left]\right\}$

其中V′x[ω]为经该第一函数式运算后的加减速脉冲；Vx[ω-i]为与这些权重值相对应的脉冲速度；f(i)为权重值ω₀、ω₁...ω_n-1； $\mathrm{Ks}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(i\right);$ n代表缓存器2212的个数，将f(i)除以Ks的目的是将权重标准化(normalize)，使权重的总和为1。该第二函数f(n)的曲线形状即为该加减速脉冲V′x的曲线形状，且该第二函数f(n)在实施上，可以是一高斯分布函数(如图9所示)，一极值分布函数(图未示)或其它形状与该加减速脉冲信号的曲线形状相对应的函数。本实施方式中，该第二函数f(n)是一高斯分布函数。

该高斯分布函数的表达式为：

$f\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(n-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

其中σ为一标准差、μ为一期望值及n为缓存器个数，意即在n个取样时间T对该高斯分布函数进行取值，则借助高斯分布函数计算可得到n个权重值ω₀、ω₁...ω_n-1。请再参照图5，该驱动单元23将该加减速脉冲V′x转换为一驱动信号S2输出至该马达24以控制该马达24的转速及方向。该驱动信号S2可为一脉波值或一电压值。

为使本发明的内容更加清楚，以下将列举一实例进行详细说明。请参照图9第二函数的图形，当取n为11，标准差σ为2，期望值μ为5，而在11个取样时间T内，该运算滤波器221藉由该第二函数f(n)(高斯分布函数)计算得到11个权重值ω₀、ω₁...ω₁₀，在此举其中3个权重值ω₀、ω₅及ω₁₀为例，其中ω₀及ω₁₀为0.00876415，ω₅权重值为0.199477114。

请参照图8，在一总加减速度规划时间Ta内，分成35个取样时间T，该运算滤波器221将该脉冲速度Vx及各权重值ω₀、ω₁...ω₁₀代入该第一函数式中进行计算得到的该加减速规划曲线V′x，为一较平滑的曲线。本实施方式中，可依据不同加工条件而使用不同函数参数(如σ及μ)以进行加减速规划，进而提升加工精密度及产品质量。

另外，请同时参照图10与图11，将相同的脉冲速度Vx输送至本实施方式的运算滤波器221进行加减速规划得到的加减速脉冲V′x的曲线F，与现有技术经三次移动平均法得到的加减速脉冲曲线G相同(如图10所示)，而本实施方式得到的急冲度曲线的尖峰H较现有技术的急冲度曲线的尖峰E更加圆滑(如图11所示)。

所以本实施方式仅需借助一次加减速度规划，即经一次权重分配就可得到与现有技术相同的效果，而且加工后的产品的表面质量较高。

Claims (10)

1.一种加减速控制装置，用来对一CNC机床进行加减速控制，其包括：

一插补运算器，用于对一速度命令进行插补运算，并输出一脉冲速度；

一移动单元，包括一运算滤波器，该运算滤波器包括多个缓存器，每一缓存器分别存储一权重值，该移动单元利用一第一函数根据该脉冲速度及这些缓存器的权重值计算得出一加减速脉冲；及

一驱动转换单元，用于将该加减速脉冲转换成一驱动信号，以驱动一马达。

2.如权利要求1所述的加减速控制装置，其特征在于，该第一函数的表达式为 $V^{\′}x\left[\mathrm{\ω}\right]=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{f\left(i\right)}{\mathrm{Ks}}\×\mathrm{Vx}[\mathrm{\ω}-i\left]\right\},$ 其中V′x[ω]为加减速脉冲；f(i)为每一缓存器的权重值；n为缓存器个数；Ks为f(i)的总和；Vx[ω-i]为脉冲速度。

3.如权利要求1所述的加减速控制装置，其特征在于，这些权重值由一与该加减速脉冲曲线形状相对应的第二函数得出，该第二函数为一高斯函数，该高斯函数的表达式为 $f\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(n-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}},$ 其中f(n)为权重值、σ为一标准差、μ为一期望值及n为取样时间的个数。

4.如权利要求1所述的加减速控制装置，其特征在于，这些权重值由一与该加减速脉冲曲线形状相对应的第二函数得出，该第二函数是一极值分布函数。

5.如权利要求1所述的加减速控制装置，其特征在于，该驱动信号为一脉波值或一电压值。

6.一种加减速控制方法，是利用一加减速控制装置对一CNC机床进行加减速控制，该加减速控制装置包括依次连接的一插补运算器、一移动单元及一驱动转换单元，该移动转换单元包括一运算滤波器，该运算滤波器包括多个缓存器，每一缓存器分别存储一个权重值，该加减速控制方法包括以下步骤：

该插补运算器对一速度命令进行插补运算，并输出一脉冲速度；

该移动单元接收该脉冲速度并利用一第一函数根据该脉冲速度及这些缓存器的权重值计算得出一加减速脉冲；及

该驱动转换单元将该加减速脉冲转换成一驱动信号，以驱动一马达。

7.如权利要求6所述的加减速控制方法，其特征在于，该第一函数的表达式为 $V^{\′}x\left[\mathrm{\ω}\right]=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\{\frac{f\left(i\right)}{\mathrm{Ks}}\×\mathrm{Vx}[\mathrm{\ω}-i\left]\right\},$ 其中V′x[ω]为加减速脉冲；f(i)为权重值；n为缓存器个数；Ks为f(i)函数总和；Vx[ω-i]为与这些权重值相对应的脉冲速度。

8.如权利要求6所述的加减速控制方法，其特征在于，这些权重值由一与该

加减速脉冲曲线形状相对应的第二函数得出，该第二函数为一高斯分布函数，该高斯分布函数的表达式为 $f\left(n\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(n-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}},$ 其中σ为一标准差、μ为一期望值及n为取样时间的个数。

9.如权利要求6所述的加减速控制方法，其特征在于，这些权重值由一与该加减速脉冲曲线形状相对应的第二函数得出，该第二函数式是一极值分布函数。

10.如权利要求6所述的加减速控制方法，其特征在于，该驱动单元可将该驱动信号转换为一脉波值或一电压值。

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