CN102566496A - 适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法，包括以下步骤：1)前瞻段数的动态确定：动态确定数控装置以当前进给速度加工时所需要前瞻的轨迹段数，并将前瞻轨迹段中的最后一个指令点的进给速度标记为0；2)转接速度的实时修正：从进给速度标记为0的指令点处反向加速到距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处，并对每个轨迹转接点处的转接速度进行修正；3)进给速度的实时规划：根据当前进给速度和距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处修正后的转接速度，实时规划当前插补周期的进给速度。本发明方法能够数动态确定前瞻段数，从而可有效减少前瞻计算的计算量，保证每个插补周期内完成进给速度的前瞻控制，交互性好。

Description

适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法

技术领域

本发明涉及数控领域中的进给速度控制技术，具体的说是一种适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法。

背景技术

进给速度控制与轨迹运动实时过程紧密相关，其不仅直接决定着数控加工效率和加工精度，而且还直接影响机床机械系统和刀具使用寿命。目前比较常用的进给速度控制方法主要有直线加减速控制方法、指数加减速控制方法以及基于七段多项式的S曲线加减速控制方法。直线加减速控制方法与指数加减速控制方法具有实现简单、加减速时间短等特点。但是在加减速的起始与终止阶段存在着加速度突变，因而会对机床产生柔性冲击。虽然基于七段多项式的S曲线加减速控制方法可通过对加加速度限制来减少进给速度变化对机床产生的柔性冲击，但是该方法将加减速过程划分为多个阶段，即加加速阶段、减加速阶段、匀加速阶段、匀减速阶段、减加速阶段和减减速阶段，并且随着相邻指令点间距离不同，又存在着多种变化，因而计算复杂，难以满足数控装置对进给速度控制的实时性要求。

进给速度控制按照其实现方式可划分为离线控制与实时控制。离线控制是在实际加工前，提前规划好整个加工过程中的进给速度，因而不需要考虑实时性的要求，可采用各种优化方法进行优化。但是由于不能实时处理加工过程中出现的各种突发情况，因而造成这种进给速度控制方法不具有实际使用价值。为此，Schuett等在文献《A Closer Look at Look-ahead》(发表于http://www.mmsonline.com/articles/039603，2008-09-02)中对离线进给速度控制方法中的优化效果与计算时间进行了折中，提出了进给速度前瞻控制的概念。但是现有进给速度前瞻控制方法中的前瞻段数不是动态确定的，因而在实际使用过程中会受到前瞻段数的限制而带来的进给速度波动、加工效率下降以及无法及时响应外部干预等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的前瞻段数为非动态确定带来的进给速度波动、加工效率下降以及无法及时响应外部干预等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种前瞻段数动态确定以及可及时响应外部干预的适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法包括以下步骤：

1)前瞻段数的动态确定：动态确定数控装置以当前进给速度加工时所需要前瞻的轨迹段数，并将前瞻轨迹段中的最后一个指令点的进给速度标记为0；

2)转接速度的实时修正：从进给速度标记为0的指令点处反向加速到距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处，并对每个轨迹转接点处的转接速度进行修正；

3)进给速度的实时规划：根据当前进给速度和距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处修正后的转接速度，实时规划当前插补周期的进给速度。

所述动态确定数控装置以当前进给速度加工时所需前瞻的轨迹段数为：

计算从当前轨迹转接点处正向减速到下一轨迹转接点处时所获得的最小进给速度；

判断所获得的最小进给速度是否等于零，若不等于零，则说明下一轨迹段为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段，并将前瞻段数加1；

判断当前前瞻段数是否小于数控装置缓存区个数，若当前前瞻段数小于数控装置缓冲区个数时，取所计算获得的最小进给速度与下一轨迹转接点处所允许的最大转接速度的最小值作为下一轨迹转接点处的进给速度，并用下一轨迹转接点作为当前轨迹转接点，返回至计算从当前轨迹转接点处正向减速到下一轨迹转接点处时所获得的最小进给速度步骤，循环执行；

若当前前瞻段数大于等于数控装置缓冲区个数时，动态确定的前瞻段数为数控装置缓冲区的个数；

若获得的最小进给速度等于零时，则说明下一轨迹段不为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段，当前的前瞻段数即为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段数。

从进给速度标记为0的指令点反向加速到距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处，并对每个轨迹转接点处的转接速度进行修正：

计算从当前轨迹转接点处的转接速度反向加速到下一轨迹转接点处时所获得的最大进给速度；

取所获得的最大进给速度与下一轨迹转接点处所允许的最大转接速度的最小值作为下一轨迹转接点处修正后的转接速度，并将处理次数加1；

判断处理次数与前瞻段数的大小，当处理次数小于前瞻段数时，以下一轨迹转接点作为当前轨迹转接点，返回至计算从当前轨迹转接点处的转接速度反向加速到下一轨迹转接点处时所获得的最大进给速度步骤，循环执行；

当处理次数等于前瞻段数时，结束当插补周期转接速度的实时修正。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.实时性好。本发明方法能够数动态确定前瞻段数，从而可有效减少前瞻计算的计算量，保证每个插补周期内完成进给速度的前瞻控制。

2.交互性好。能够实时处理加工过程中出现的突发情况，如进给修调、进给保持以及循环启动等外部干预。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图；

图2为本发明方法中前瞻段数动态确定示意图；

图3为本发明方法中前瞻段数动态确定流程图；

图4为本发明方法中转接速度实时修正示意图；

图5为本发明方法中转接速度实时修正流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作进一步详细说明。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

1)前瞻段数的动态确定：动态确定数控装置以当前进给速度加工时所需前瞻的轨迹段数，并将前瞻轨迹段中的最后一个指令点的进给速度标记为0，此步骤用于预判当前插补周期前瞻所需的轨迹段数；

2)转接速度的实时修正：从进给速度标记为0的指令点处反向加速到距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处，并对每个轨迹转接点处的转接速度进行修正，此步骤用于修正轨迹转接点处的转接速度；

3)进给速度的实时规划：根据当前进给速度和距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处修正后的转接速度，实时规划当前插补周期的进给速度，此步骤用于规划当前插补周期的进给速度。

本发明方法中步骤1)前瞻段数的动态确定具体过程如图3所示：

计算从当前轨迹转接点处正向减速到下一轨迹转接点处时所获得的最小进给速度；

判断所获得的最小进给速度是否等于零，若不等于零，则说明下一轨迹段为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段，前瞻段数加1；

判断当前前瞻段数是否小于数控装置缓存区个数，若当前前瞻段数小于数控装置缓冲区个数时，取所计算获得的最小进给速度与下一轨迹转接点处所允许的最大转接速度的最小值作为下一轨迹转接点处的进给速度，并用下一轨迹转接点作为当前轨迹转接点，返回至计算从当前轨迹转接点处正向减速到下一轨迹转接点处时所获得的最小进给速度步骤，循环执行。

若当前前瞻段数大于等于数控装置缓冲区个数时，动态确定的前瞻段数为数控装置缓冲区的个数。

若获得的最小进给速度等于零时，则说明下一轨迹段不为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段，当前的前瞻段数即为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段数。

对于图2所示，数控装置预处理缓存区中存储的n条轨迹段，其中P₁为当前轨迹加工点，v₁为轨迹加工点P₁处的瞬时进给速度，Q₁、Q₂、...、Q_n与Q_n+1为轨迹转接点，l₁₂为轨迹加工点P₁与其距离最近轨迹转接点Q₂之间的距离，v_2max、v_3max、...、v_nmax与v_n+1max分别为轨迹转接点Q₂、Q₃、...、Q_n与Q_n+1处所允许的最大转接速度，v_2dec3...、v_j-1decj与v_jdecj+1分别为当前插补周期从轨迹转接点Q₂以v_2max为起始速度正向减速到轨迹转接点Q₃、Q₄、...、Q_n与Q_n+1处时而获得的最小进给速度，s₁₂、s₂₃...、s_n-1n和s_nn+1分别为轨迹段Q₁Q₂、Q₂Q₃...、Q_n-1Q_n与Q_nQ_n+1的长度。根据上述信息，便可采用图3所示的流程计算出当前插补周期所需要动态前瞻的轨迹段数，详细过程如下所述：

11)在最大加速度为a_max的条件下，计算以v_j-1decj为起始速度(j起始时为2，第一次起始时v_1dec2＝v_2max)从轨迹转接点Q_j处减速到轨迹转接点Q_j+1处时所能获得的最小进给速度v_jdecj+1，可根据如下公式进行计算：

$v_{\mathrm{jdecj}+1}=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{{3v}_{j-1\mathrm{decj}}^2-{4a}_{\max }{s}_{\mathrm{jj}+1}}{3}}& {3v}_{j-1\mathrm{decj}}^2-{4a}_{\max }{s}_{\mathrm{jj}+1}\&GreaterEqual;0\\ 0& {3v}_{j-\mathrm{decj}}^2-{4a}_{\max }{s}_{\mathrm{jj}+1}<0\end{array}\right.$ 公式(1)

12)判断计算出来的最小进给速度v_jdecj+1是否等于零；若v_jdecj+1≠0，转至过程13)；若v_jdecj+1＝0，则说明只有轨迹转接点Q₂到Q_j+1之间的j-1个轨迹段对当前插补周期内的进给速度产生影响。因此，只需前瞻j-1个轨迹段，便可确保动态规划出来的进给速度既能保证最佳的加工效率又能保持规定的动态精度，转至过程15)；

13)若v_jdecj+1≠0，则说明轨迹段Q_jQ_j+1为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段。判断轨迹转接点Q_j+1处正向减速获得的速度v_jdecj+1与其所允许的最大转接速度v_j+1max的大小。若v_jdecj+1≥v_j+1max，用v_j+1max作为当前插补周期前瞻段数动态确定过程中轨迹转接点Q_j+1处的进给速度；若v_jdecj+1＜v_j+1max，则用正向减速获得速度v_j+1decj作为当前插补周期前瞻段数动态确定过程中轨迹转接点Q_j+1处的进给速度；

14)判断j与n+1的大小，若j＜n+1，将j加1重新转至过程11)；若j＝n+1，说明由于受到数控系统缓存区大小的限制，最大只能动态前瞻n条轨迹段，将当前插补周期Q_j+1处的进给速度赋值成零，并转至过程15)；

15)结束当前插补周期动态前瞻段数的确定。

通过上述过程便可找出影响轨迹加工点P₁与轨迹转接点Q₂之间进给速度最少的j-1个轨迹段，从而可有效地减少前瞻处理时间，使得该进给速度前瞻控制方法能在数控系统每个插补周期内完成。

本发明方法的步骤2)转接速度的实时修正具体过程如图5所示：

计算从当前轨迹转接点处的转接速度反向加速到下一轨迹转接点处时所获得的最大进给速度；

取所获得的最大进给速度与下一轨迹转接点处所允许的最大转接速度的最小值作为下一轨迹转接点处修正后的转接速度，并将处理次数加1；

判断处理次数与前瞻段数的大小，当处理次数小于前瞻段数时，以下一轨迹转接点作为当前轨迹转接点，返回至计算从当前轨迹转接点处的转接速度反向加速到下一轨迹转接点处时所获得的最大进给速度步骤，循环执行。

当处理次数等于前瞻段数时，结束当插补周期转接速度的实时修正。

对图2所示的n条轨迹段，需进行转接速度修正的j条轨迹段如图4所示，其中v_2max、v_3max、...、v_nmax与

分别为轨迹转接点Q₂、Q₃、...、Q_n与Q_n+1处所允许的最大转接速度，s₁₂、s₂₃...、s_n-1n和s_nn+1分别为轨迹段Q₁Q₂、Q₂Q₃...、Q_n-1Q_n与Q_nQ_n+1的长度，v_j+2accj+1、v_j+1accj...、v_4acc3和v_3acc2分别为当前插补周期以零为起始速度从轨迹转接点Q_j+1处反向加速到轨迹转接点Q_j、Q_j-1、...、Q₂处时而获得的进给速度。根据上述信息便可采用图5所示的流程对轨迹转接点Q_j+1到Q₂之间的转接速度进行修正，详细过程如下所述：

21)在假定最大加速度为a_max的条件下，计算以v_j+2accj+1(第一次起始时为0)为起始速度从轨迹转接点Q_j+1处反向加速到轨迹转接点Q_j处时所能获得的最大速度v_j+1accj，可通过如下公式进行计算：

$v_{j+1\mathrm{accj}}=\frac{\sqrt{{3v}_{j+2\mathrm{accj}+1}^2+{4a}_{\max }{s}_{\mathrm{jj}+1}}}{3}$ 公式(2)

22)判断轨迹转接点Q_j处由反向加速而获得速度v_j+1accj与其所允许的最大转接速度v_jmax之间的大小。若v_j+1accj≤v_jmax，用速度v_j+1accj作为当前插补周期轨迹转接点Q_j处动态修正后的转接速度v_jc；若v_j+1accj＞v_jmax，则用v_jmax作为当前插补周期轨迹转接点Q_j处动态修正后的转接速度v_jc；

23)将j减1，判断j与2的大小。若j＞2，重新转至过程21)；若j＝2，说明轨迹转接点Q_j到Q₂之间的转接速度修正完毕，转至过程24)；

24)结束当插补周期转接速度的实时修正。

通过上述过程便可对轨迹转接点Q_j+1与Q₂之间的j+1个轨迹转接点处的转接速度进行修正，从而可确保从当前轨迹加工点有足够的距离减速到其后任意轨迹转接点处的转接速度。

本发明方法的步骤3)进给速度的实时规划具体过程如下：

对图4所示转接速度修正后的轨迹段，可根据当前轨迹加工点P₁处的进给速度v₁、轨迹转接点Q₂处修正后的转接速度v_2c以及它们之间的距离l₁₂来完成轨迹段P₁Q₂当前插补周期进给速度的实时规划。

Claims (6)

1.一种适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)前瞻段数的动态确定：动态确定数控装置以当前进给速度加工时所需要前瞻的轨迹段数，并将前瞻轨迹段中的最后一个指令点的进给速度标记为0；

2)转接速度的实时修正：从进给速度标记为0的指令点处反向加速到距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处，并对每个轨迹转接点处的转接速度进行修正；

3)进给速度的实时规划：根据当前进给速度和距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处修正后的转接速度，实时规划当前插补周期的进给速度。

2.按权利要求1所述的适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法，其特征在于：所述动态确定数控装置以当前进给速度加工时所需前瞻的轨迹段数为：

计算从当前轨迹转接点处正向减速到下一轨迹转接点处时所获得的最小进给速度；

判断所获得的最小进给速度是否等于零，若不等于零，则说明下一轨迹段为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段，并将前瞻段数加1；

判断当前前瞻段数是否小于数控装置缓存区个数，若当前前瞻段数小于数控装置缓冲区个数时，取所计算获得的最小进给速度与下一轨迹转接点处所允许的最大转接速度的最小值作为下一轨迹转接点处的进给速度，并用下一轨迹转接点作为当前轨迹转接点，返回至计算从当前轨迹转接点处正向减速到下一轨迹转接点处时所获得的最小进给速度步骤，循环执行。

3.按权利要求2所述的适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法，其特征在于：

若当前前瞻段数大于等于数控装置缓冲区个数时，动态确定的前瞻段数为数控装置缓冲区的个数。

4.按权利要求2所述的适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法，其特征在于：

若获得的最小进给速度等于零时，则说明下一轨迹段不为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段，当前的前瞻段数即为当前插补周期动态规划所需要前瞻的轨迹段数。

5.按权利要求1所述的适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法，其特征在于：从进给速度标记为0的指令点反向加速到距离当前轨迹加工点最近的轨迹转接点处，并对每个轨迹转接点处的转接速度进行修正：

计算从当前轨迹转接点处的转接速度反向加速到下一轨迹转接点处时所获得的最大进给速度；

取所获得的最大进给速度与下一轨迹转接点处所允许的最大转接速度的最小值作为下一轨迹转接点处修正后的转接速度，并将处理次数加1；

判断处理次数与前瞻段数的大小，当处理次数小于前瞻段数时，以下一轨迹转接点作为当前轨迹转接点，返回至计算从当前轨迹转接点处的转接速度反向加速到下一轨迹转接点处时所获得的最大进给速度步骤，循环执行。

6.按权利要求5所述的适用于数控装置的进给速度动态实时前瞻控制方法，其特征在于：

当处理次数等于前瞻段数时，结束当插补周期转接速度的实时修正。

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