CN102707671A - 应用于工具机的加工路径最佳化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及应用于工具机的加工路径最佳化方法，提供加工程序，并解译加工程序；提供路径规划单元，其接收经解译的加工程序，并依据数值控制参数规划出加工路径；提供张力云形线的轨迹插补算法的插补器将加工路径做平滑化处理；提供动程规划单元，依据数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，赋予平滑化处理的加工路径的运动特性；提供插值单元，依据数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，对已完成动程规划的具有运动特性的加工路径的数据，进行插补运算并产生插值命令；提供驱动器，将插值命令发送至驱动器；利用驱动器发出控制信号以驱动并控制轴向马达；提供位置感测组件，其将轴向马达的位置信息回馈至驱动器。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于工具机的加工路径最佳化方法，具体涉及用于工具机的加工路径轨迹生成与内插的方法。
背景技术
随着计算机数值控制（Computer Numerical Control，CNC）工具机设备的进步，传统以线段插补的加工路径规划方式已不能满足高速度、高精度的要求，需使用更先进的插补方式来描述复杂的曲面或曲线，最广泛被使用的插补方式多为B-Spline、三次云形线（Cubic Spline）、多项式曲线或是直接线性插补，这些方法都存在着缺点。
然而，利用B-Spline作为插补曲线的插补器最常见的就是NURBS （Non-uniform rational B-Spline），NURBS在应用上最大的麻烦点就是所生成的轨迹并不一定会通过控制点，也就是要经过指定的轨迹，就必须要反求出相对应的控制点让工具机去追踪。
另外，Cubic Spline以及多项式的曲线之形状较难自由调控，Cubic Spline虽然圆滑，但较难生成比较硬直的曲线，多项式曲线则非常容易发生震幅过大与抖动的问题。
而直接线性插补方式所生出的轨迹在速度（一次微分）的部分就已经不连续，对工具机容易造成伤害与震动的问题，故少被使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种应用于工具机的加工路径最佳化方法，旨在解决一般插补曲线常发生的问题，如生成的加工路径轨迹不一定会经过所有控制点或生成的轨迹容易发生震幅过大与抖动的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
应用于工具机的加工路径最佳化方法，特点是：
提供加工程序，并解译加工程序；
提供路径规划单元，其接收经解译的加工程序，并依据数值控制参数规划出加工路径；
提供张力云形线的轨迹插补算法的插补器将加工路径做平滑化处理；
提供动程规划单元，依据数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，赋予平滑化处理的加工路径的运动特性；
提供插值单元，依据数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，对已完成动程规划的具有运动特性的加工路径的数据，进行插补运算并产生插值命令；
提供驱动器，将插值命令发送至驱动器；
利用驱动器发出控制信号以驱动并控制轴向马达；
提供位置感测组件，其将轴向马达的位置信息回馈至驱动器。
进一步地，上述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，所述加工路径包含复数个控制点。
更进一步地，上述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，所述控制点由张力云形线的轨迹插补算法的插补器设定边界条件。
更进一步地，上述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，所述边界条件为控制点的位置、速度与加速度。
再进一步地，上述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，所述张力云形线的轨迹插补算法的插补器包含一张力值系用于调整加工路径的控制点间曲线的圆滑程度。
再进一步地，上述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，所述张力云形线的轨迹插补算法的插补器包含一时间值系用于调整加工路径从一控制点至另一控制点所经过的时间。
再进一步地，上述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，所述赋予平滑化处理的加工路径的运动特性包含赋予加工路径速度与加速度。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明基于张力云形线（Tension Spline）的最佳化插补轨迹生成方法，利用此方法所生成的插补轨迹能平滑地经过所有控制点，由更改张力值，可以调整各段曲线的圆滑程度，只要曲线边界条件相符合，利用此方法可以自由地合并任意两条插补轨迹，进而达成不间断在线轨迹生成的目的。
由张力云形线（Tension Spline）的轨迹插补算法调整张力值后，可以达到通过所有控制点、轨迹平顺以及轨迹形状方便调控等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明应用于工具机的加工路径最佳化方法流程图；
图2：CNC机械装置的数值控制器方块示意图；
图3：本发明的加工程序示意图；
图4：本发明的不同张力值对于加工路径的影响示意图。
具体实施方式
本发明提出利用Tension Spline作为插补曲线的算法可以做到通过所有控制点、轨迹平顺以及轨迹形状方便调控的优点。
本发明应用于工具机的加工路径最佳化方法，其中，所提到机械设备的数值控制装置的构造与功能以及插补曲线B-Spline、Cubic Spline与多项式曲线的原理，已为相关技术领域具有通常知识者所能明了，故以下文中的说明，仅针对与本发明使用于工具机的加工路径最佳化方法其特征处进行详细说明。
如图1所示，应用于工具机的加工路径最佳化方法如下：
步骤100：提供一加工程序，并解译该加工程序，接着进入步骤101。
步骤101：提供一路径规划单元，其接收经过解译的该加工程序并依据一数值控制参数规划出一加工路径；工具机于接收加工程序后，会将使用者所编译完成的加工程序解译成复数个加工指令，并透过所提供的路径规划单元规划出包含复数个控制点的一加工路径，接着进入步骤102。
步骤102：提供一张力云形线（Tension Spline）的轨迹插补算法的插补器（Interpolator），将该加工路径做一平滑化处理；此步骤主要藉由张力云形线的轨迹插补算法的插补器，并设定加工路径上控制点间位置、速度与加速度的边界条件，以平滑加工路径上控制点间的插补曲线，其张力云形线的轨迹插补算法的演算方程式如下式(1)所示：
其中，q j,i (t)代表的是第j轴在i段的插补轨迹，σ j,i 代表第j轴第i段曲线的张力值，可藉以调整加工路径上控制点间曲线的圆滑程度，当张力值σ j,i 越大时可得到愈硬直的插补曲线；当张力值σ j,i 越小时可得到越滑顺的插补曲线，而h i 代表第i段时间段长短，即h i = t i+1 - t i ，其中t i 代表到达第i个控制点的时间点，可藉以调整加工路径上从一控制点至另一控制点所需经过的时间；而式(2)～式(4)分别代表张力云形线的轨迹插补算法其位置、速度与加速度的边界条件方程式：
步骤103：提供一动程规划单元，依据一数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，赋予平滑化处理的该加工路径的运动特性；详言之，所提供的动程规划单元依据一数值控制参数赋予加工路径运动特性，包含其速度与加速度。
步骤104：提供一插值单元，依据一数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，对已完成动程规划的具有运动特性的加工路径的数据，进行插补运算并产生一插值命令；详言之，所提供的插值单元会将完成动程规划并具有运动特性的加工路径数据进行上述张力云形线的轨迹插补运算，接着进入步骤105。
步骤105：提供一驱动器，将插值命令发送至驱动器；详言之，经过插补运算后所得到的一插值命令会传送至驱动器，接着进入步骤106。
步骤106：利用一驱动器发出一控制信号以驱动并控制工具机的轴向马达；详言之，驱动器于接收到插值命令后会发送出一控制信号驱动轴向马达动作，最后进入步骤107。
步骤107：提供一位置感测组件，其将工具机的轴向马达的位置信息回授至驱动器。
本发明的不同张力值下的张力云形线曲率表现，当张力值越大时，例如：张力值=100，会生成越硬直的曲线；而当张力值越小时，例如：张力值=0.01，会得到较为平滑的曲线，因此由调整其张力值，可以调整加工路径上控制点间曲线的圆滑程度，进而达成不同加工需求。
以一实施例来说明应用于工具机的加工路径最佳化方法，如图2，为一种CNC机械装置的数值控制器方块示意图。首先，由一加工程序32，并将其加工程序32进行解译，输入至数字控制模块30中，产生一控制信号驱动一轴向马达44动作，其中数字控制模块30系由路径规划单元34、动程规划单元36、插值单元38以及数值控制参数40所组成；其中路径规划单元34，系接收经过解译的加工程序32并依据数值控制参数40，规划出包含复数个控制点的加工路径，再经由张力云形线的轨迹插补算法的插补器将其加工路径做平滑化处理，以平滑加工路径控制点间的插补曲线；接着，动程规划单元36会依据数值控制参数40以及张力云形线的轨迹插补算法的插补器赋予平滑化处理的加工路径的运动特性，例如：速度与加速度；之后，插值单元38会依据数值控制参数40以及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，将已完成动程规划的具有运动特性的加工路径的数据进行插值运算并产生一插值命令，再将插值命令发送至一驱动器42；然后，驱动器42于收到插值命令后，会发出一控制信号以驱动并控制工具机的一轴向马达44动作；此外，位于各轴向的位置感测组件46，例如：马达编码器或光学尺，反馈轴向马达44的位置信息回授至驱动器42作闭回路的控制。将张力云形线的轨迹插补算法的插补器，应用在路径规划单元34、动程规划单元36以及插值单元38上，用以平滑加工路径，使其获得滑顺的插补曲线。
如图3，本发明的加工程序示意图。G01代表直线切削指令，Z自变量代表所设定单节的终点坐标，F2000代表设定切削进给率；而G5.1 Q1 E0.02即表示开启张力云形线的轨迹插补算法，其中E为使用者可以自行调整的参数，即误差容许值，虽然本发明以容许误差0.02mm为例，但不限于使用0.02mm，接下来G01 X0. Y10.与X30. Y20.等单节会开始进行平滑规划与插补，直到遇到G5.1 Q0将结束以张力云形线的轨迹插补算法的轨迹插补。因此，利用 CNC机械装置的数值控制器上所设定的数值控制参数40以及使用者所下的误差容许值E值，可藉以调整式(1)中的张力值σ，以达到平滑加工路径的效果。
如图4，不同张力值对于加工路径的影响示意图，本发明可用在任何对象的加工路径上，依所给定的误差容许值E值可调整张力值进而调整曲线的圆滑程度，当张力值(σ)越大时可得到愈硬直的插补曲线，本实施例以张力值(σ)=100为例但是不限于使用张力值(σ)=100；当张力值(σ)越小时可得到越平滑的插补曲线，本实施例以张力值(σ)=0.1为例但是不限于使用张力值(σ)=0.1。
利用不同插补方法经过相同控制点所生成的曲线，其插补方法包含：三次云形线（Cubic Spline）、直线、固定张力值的张力云形线（Tension Spline）以及变化张力值的张力云形线（Tension Spline），其中，线性插补的方法所生的插补曲线不够平滑，在实际应用中极少被使用；另外，三次云形线（Cubic Spline）乃由多段三次多项式组成，基本性质上为多项式，曲线的形状较难自由调控；而变化张力值的张力云形线（Tension Spline）拥有较多变的特性，在张力小时可生出跟三次云形线（Cubic Spline）相似的曲线，在中等张力时可以得到震动较小相对较平滑的曲线，在大张力下，会得到较硬直的曲线，因此本发明提出的方法能适用于不同加工需求。
张力云形线（Tension Spline）与多项式曲线比较，虽然两种方法都能完全通过所有控制点，但张力云形线（Tension Spline）能够比多项式曲线更能平滑地通过所需经过的控制点且震荡情况较少，而且所有要通过的控制点都在转折的顶点处，曲线不会轻易地超出控制点，这代表着张力云形线（Tension Spline）拥有比较好的可控制性，只要适当地选定控制点，如此所生成的曲线就不会超出所选定的控制点。
综上所述，本发明提供一种应用于工具机的加工路径最佳化方法，由Tension Spline的轨迹插补算法中的张力值，调整加工路径上控制点间曲线的圆滑程度，解决一般插补曲线常发生的问题，例如:生成的加工路径轨迹不一定会经过所有控制点或生成的轨迹容易发生震幅过大与抖动的问题。由张力云形线（Tension Spline）的轨迹插补算法调整张力值后，可以达到通过所有控制点、轨迹平顺以及轨迹形状方便调控等优点。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1. 应用于工具机的加工路径最佳化方法，其特征在于：
提供加工程序，并解译加工程序；
提供路径规划单元，其接收经解译的加工程序，并依据数值控制参数规划出加工路径；
提供张力云形线的轨迹插补算法的插补器将加工路径做平滑化处理；
提供动程规划单元，依据数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，赋予平滑化处理的加工路径的运动特性；
提供插值单元，依据数值控制参数及张力云形线的轨迹插补算法的插补器，对已完成动程规划的具有运动特性的加工路径的数据，进行插补运算并产生插值命令；
提供驱动器，将插值命令发送至驱动器；
利用驱动器发出控制信号以驱动并控制轴向马达；
提供位置感测组件，其将轴向马达的位置信息回馈至驱动器。
2.根据权利要求1所述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，其特征在于：所述加工路径包含复数个控制点。
3.根据权利要求2所述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，其特征在于：所述控制点由张力云形线的轨迹插补算法的插补器设定边界条件。
4.根据权利要求3所述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，其特征在于：所述边界条件为控制点的位置、速度与加速度。
5.根据权利要求1所述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，其特征在于：所述张力云形线的轨迹插补算法的插补器包含一张力值系用于调整加工路径的控制点间曲线的圆滑程度。
6.根据权利要求1所述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，其特征在于：所述张力云形线的轨迹插补算法的插补器包含一时间值系用于调整加工路径从一控制点至另一控制点所经过的时间。
7.根据权利要求1所述的应用于工具机的加工路径最佳化方法，其特征在于：所述赋予平滑化处理的加工路径的运动特性包含赋予加工路径速度与加速度。
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