CN102799146B

CN102799146B - 用于数控设备控制系统的s形加减速控制的速度规划方法

Info

Publication number: CN102799146B
Application number: CN 201210334913
Authority: CN
Inventors: 谭平; 张春雷
Original assignee: LEETRO AUTOMATION CO Ltd
Current assignee: LEETRO AUTOMATION CO Ltd
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102799146A

Abstract

本发明公开了一种用于数控设备控制系统的S形加减速控制的速度规划方法,引入“准直线”概念，设置矢量线段的参数；根据输入的矢量线段计算出准直线允许速度Vc；判断是否满足准直线条件，满足则产生一条准直线，并按顺序加入到准直线链表中；当准直线链表固定后，采取遍历算法分别计算出每条准直线的最高速度；通过FPGA程序来完成准直线插补任务，并将准直线的脉冲通过电子齿轮分配到各个实际运动轴，将数字信息转化为控制电机运动的电气信息。本发明的有益效果是：应用于S形速度控制，这样就可以很好的避免机器因笨重而产生的抖动和冲击，提高机器的运动平稳性，提高加工效率。引入准直线的解决思想。有效的减少了数据的处理数量，提高数据处理能力。

Description

用于数控设备控制系统的S形加减速控制的速度规划方法

技术领域

本发明涉及数控领域，具体涉及一种用于数控设备控制系统的S形加减速控制方法。

背景技术

数控机床可以分为机床和控制系统（包括控制器等）两部分。机床就如人的身体，控制系统就如人的大脑和灵魂。两部分各成体系又密不可分。

　　数控机床的控制系统，数控机床的核心部分，是大脑与灵魂。有了好的床身就现有了好的身体。要想让他动起来，这就需要给它一个聪明的大脑，纯净的灵魂。目前的控制系统一般由三部分组成，一、驱动器二、变频器三、雕刻控制器及上位机软件。

1、驱动器，它的功能是接受控制器提供的脉冲信号，来驱动步进电机运动。驱动器的最主要功能之一就是脉冲细分。步进电机每得到一个完整的方波脉冲信号，就会产生一个固定的步脚。以常见的两相混合电机为例。电机每得到一个脉冲信号就会产生一个1.8O的步角。电机旋转一周需要200步。但当驱动器八细分后，每转一周就需要200*8=1600步。再由此推知，当传导装置每转一圈的直线位移为10mm时，脉冲当量为10mm/1600脉冲=0.00625mm/脉冲。这也就是这台机子的理论最小雕刻精度。

2、变频器，它的主要功能是接受控制器信号，输出高速脉冲的装置。大家都知道，我们国家现在用的市电是50HZ,变频器的主要作用是通过调整供电频率来调整主轴的运行速度。

3、控制器，也就是控制系统中的核心部分。它的主要功能是执行计算机软件命令，并控制变频器，驱动器工作。为了实现工件上加工的高精度，在拐角程序段之间的运动控制中必须进行加减速处理，以保证机床在起动或停止或变速时不产生冲击、失步、超程或振荡。尤其是高速高精度加工（例如应用在高速高精度雕刻机控制器上，由于高速加工时间缩短、间隙缩短，机床运动启停频繁，如果仅从时间上去考虑缩短过度过程，而不对机床的加减速动态过程进行合理的控制，必将给机床结构带来很大冲击，轻者使其难以正常工作，重者将对机床零部件造成损伤，减少数控机床的寿命。

目前，在数控机床上常用的加减速控制方法有以下两种：

1） T型加减速（又称直线型加减速），即在加工过程中，加速度的值是不变的，该方法算法简单，机床响应快，但是在加减速阶段的起点和终点处加速度有突变，机床运动存在柔性冲击。尤其对于执行机构非常庞大，执行机构惯量大的设备（例如数控雕刻机），使用T型加速度，特别容易造成机器的运动冲击，降低设备使用寿命。

2） S形速度加减，即在加工过程中，根据路径的不同，对加速度进行变化，这样就可以很好的避免机器因笨重而产生的抖动和冲击，提高机器的运动平稳性，提高加工效率。然而传统S形速度前瞻算法涉及巨量的计算，因为从数学关系式上可知如果以S形速度曲线输出运动，那么距离（S）将是时间（t）的三次方。这样导致按照传统的处理方法，巨量的计算将导致运动输出控制无法满足实时性的要求。

文献号为CN1971457A，专利名称为“一种用于数控机床的加减速控制方法”的中国发明专利为本申请最接近的现有技术。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，因此上述技术问题，参考并引入了准直线的解决思想。首先根据输入的矢量线段进行准直线计算，当准直线条件满足则产生一条准直线，如此顺序产生准直线链表。当准直线链表固定后，采取遍历算法再对准直线进行计算以便于硬件输出。这样有效的减少了数据的处理数量，提高了数据的处理能力，

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于数控设备控制系统的S形加减速控制的速度规划方法，针对控制对象的动态特性，引入“准直线”概念，所述的准直线是指一条或多条线段的组合，每条准直线包含一个完整的S型升降速过程；在准直线内，所有两条线段的交点速度都小于允许速度Vc，则将这多条线段作为一条“准直线”来看待和计算；描述准直线的重要参数有起始速度Vb，末速度Ve、最高速度、长度——各线段的矢量长度之和，当这4个参数确定后，就可以确定一条S型速度准直线了；把所有的准直线组成一个链表，链表中的前一条准直线的末速度是后一条准直线的起始速度；并完成以下步骤：

步骤1：根据需要，设置矢量线段的低速、高速、加速度、加加速度、拐弯速度；

步骤2，根据输入的矢量线段计算出准直线允许速度Vc；

步骤3，判断是否满足准直线条件，满足则产生一条准直线，并按顺序加入到准直线链表中；

步骤4，当准直线链表固定后，采取遍历算法分别计算出每条准直线的最高速度，每一条准直线都是一条具有完整加减速的S型曲线；

步骤5，通过FPGA程序来完成准直线插补任务，并将准直线的脉冲通过电子齿轮分配到各个实际运动轴，将数字信息转化为控制电机运动的电气信号。

更进一步的是：

所述的步骤1具体包括根据每两条线段的交点坐标（（x1,y1）, （x2,y2）, （x3,y3））采用公式 Vc=sqrt(r*Aa),计算出允许速度Vc；其中参数Aa为外部输入拐弯加速度。此参数需要根据现场调试获取，参数r为两条直线的曲率半径。

所述的步骤3具体包括：以下步骤：

假设曲线由线段AB、线段BC、线段CD、线段DE……组成，

步骤3-1，将首段直线AB先作为一条准直线std1，准直线std1的起始速度为Vb，

步骤3-2，将准直线std1看作是一条线段，与线段BC交点处的允许速度Vc进行准直线判定；

按照S型速度曲线的加减速模型公式计算出准直线从Vb升速到Vc所需要的矢量长度Len，如果矢量长度Len小于线段AB和线段BC的长度和，则将线段AB和线段BC作为准直线std1，否则仅将线段AB作为准直线std1；

步骤3-3，步骤3-2中得到的准直线std1当作一条线段和下一条线段继续作准直线判定；如果不满足准直线判定条件，则将准直线std1加入到准直线链表中作为第一条准直线，同时将准直线std1之后的第一条线段先作为准直线std2，将Vc设置为std1的结束速度Ve，准直线std2的起始速度Vb为上一条准直线的结束速度Ve；

步骤3-4，将准直线std2与其后的线段做上述步骤3-2、3-3一样做准直线判定，如此遍历所有的线段，将所有的线段都转化为准直线std1、准直线std2、准直线std3……。

判定是否一条或多条线段是否能构成一条准直线时，采用以下S型加减速的加减速模型距离计算公式进行判定：

升速时：

当Vc-Vb>= 2*fVsa时，采用Len = (Vc+Vb)*(Vc-Vb+2*fVsa)/(2*fAcc)，计算升速所需要的矢量长度Len；

当Vc-Vb< 2*fVsa时，采用Len = (Vc+Vb)*my_sqrt((Vc-Vb)/fJ) 计算升速所需要的矢量长度Len；

降速时：

当Vb-Vc>= 2*fVsa时，采用Len = (Vc+Vb)*(Vb-Vc+2*fVsa)/(2*fAcc) 计算降速所需要的矢量长度Len；

当Vb-Vc< 2*fVsa时，采用 Len = (Vc+Vb)*my_sqrt((Vb-Vc)/fJ)计算降速所需要的矢量长度Len；

上述公式中， Vc 为拐点允许速度， Vb为开始速度， fVsa =fAcc²/(2*fJ)；FAcc为加速度， fJ为加加速度。

所述的步骤3需要计算每一条准直线采用S型曲线的最高速度，具体步骤如下：根据准直线的起始速度、结束速度、准直线长度和S型曲线的加减速模型计算公式，计算本条准直线能达到的最高速度，计算方法：根据加减速模型的公式，把不同的最高速度值Vh’代入公式分别计算出该最高速需要的准直线长度，再与准直线的原始长度比较，如果两者相等则此速度为本准直线的最高速度，如果不等则需要从新取值再计算继续比较，Vh’的取值原则是从准直线的起始速度逐渐往上累加，以整数为最小单位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、应用于S形速度控制，这样就可以很好的避免机器因笨重而产生的抖动和冲击，提高机器的运动平稳性，提高加工效率。

2、引入了准直线的解决思想。首先根据输入的矢量线段进行准直线计算，当准直线条件满足则产生一条准直线，如此顺序产生准直线链表。当准直线链表固定后，采取遍历算法再对准直线进行计算以便于硬件输出。这样有效的减少了数据的处理数量，提高了数据的处理能力。

附图说明

图1为S型速度曲线图；

图2为图1中一段曲线局部放大后的形状；

图3为本发明准直线链表图。

具体实施方式

在详细叙述本发明的具体实施方式之前先来介绍一下有关S形曲线技术的相关内容。

S形速度计算方法是当前项目的关键技术，算法目标是要求控制加速度变化的连续性以达到速度平滑过渡保证机械平稳。由于现实加工过程的曲线都是任意的轨迹，因此控制器运动输出的速度曲线不是完整的S形曲线，一般一次加工输出的速度曲线都是由无数条S形速度曲线衔接构成。如图1所示：

从图1上可知距离（S）将是时间（t）的三次方的关系式，相对于T型加减速控制模式关系式多了一次方。因此速度前瞻过程加速度的变化导致我们无法延用梯形加减速前瞻的模式。

可以推得距离（S）将是时间（t）的三次方的关系式，相对于梯形加减速控制模式关系式多了一次方。因此速度前瞻过程加速度的变化导致我们无法延用梯形加减速前瞻的模式，针对这种变化引入准直线的解决思想。首先根据输入的矢量线段进行准直线计算，当准直线条件满足则产生一条准直线，如此顺序产生准直线链表。当准直线链表固定后，采取遍历算法再对准直线进行计算以便于硬件输出,每一条准直线都是一条具有完整升降速的S型曲线。

速度前瞻算法的基本思想是实现多段程序之间的速度平滑控制，即由单段指令的低速-加速-匀速-减速-低速平滑成多段指令的低速-加速-匀速-减速-低速。算法的基本原理是两相邻运动矢量的加工速度变化不超出系统承受的极限值，计算出拐点处的允许速度，并根据该允许速度提前判断减速点，实现对整段加工轨迹进给速度的自动控制。

如图2所示为一段曲线局部放大后的形状。若整个运动过程中矢量速度大小为一个常值，那么B、C、D点处会因为矢量速度方向发生变化而产生加速度a1,a2,a3，且三者满足关系：a1>a2>a3。若要使得三点处加速度小于或等于机械允许的加速度，则需要在这三点处将矢量速度降到一个合适的值。矢量速度n 随着进给方向夹角a的不同而变化，在0°～180°之间，n 随着a 的增大而减小。

因此，需要计算出拐弯点B处的合适矢量速度。使刀具沿路径AB运动到BC，控制拐弯点处的升降速以保证到达B点时的速度小于或等于允许的矢量速度，并提前降速。为减小升降速时设备冲击，项目采用S形升降速曲线。

下面再来详细叙述如图2所示S型曲线的具体实现过程：

首先，针对控制对象的动态特性，本发明引入“准直线”概念，“准直线”是指一条或多条线段的组合，每条准直线包含一个完整的S型升降速过程；在准直线内，所有两条线段的交点速度都小于允许速度Vc，则将这多条线段作为一条“准直线”来看待和计算；描述准直线的重要参数有起始速度Vb，末速度Ve、最高速度、长度——各线段的矢量长度之和，当这4个参数确定后，就可以确定一条S型速度准直线了；把所有的准直线组成一个链表，链表中的前一条准直线的末速度是后一条准直线的起始速度；并完成以下步骤：

步骤2，根据输入的矢量线段计算出准直线允许速度Vc；对每两条直线的交点（B点、C点、D点）计算出允许速度。公式 Vc=sqrt(r*Aa),其中参数Aa为外部输入的拐弯速度，它直接影响拐弯的处的效率，Aa如果小，则拐弯速度慢，运动冲击小，但是加工效率低，Aa如果大，则拐弯速度快，运动冲击大，所以此值需要根据现场调试获取，参数r为两条直线的曲率半径，可根据以下公式组获得：

根据B、C、D三点的坐标（（x1,y1）, （x2,y2）, （x3,y3））求半径：

a=2*(x2-x1);

b=2*(y2-y1);

c=x2*x2+y2*y2-x1*x1-y1*y1;

d=2*(x3-x2); e=2*(y3-y2);

f=x3*x3+y3*y3-x2*x2-y2*y2;

x=(b*f+e*c)/(b*d-e*a);

y=(d*c-a*f)/(b*d+e*a);

r=sqrt((x-x1)*(x-x1)+(y-y1)*(y-y1));

步骤3具体包括：以下步骤：

假设曲线由线段AB、线段BC、线段CD、线段DE……组成，

升速时：

降速时：

当Vb-Vc< 2*fVsa时，采用 Len = (Vc+Vb)*my_sqrt((Vb-Vc)/fJ)计算降速所需要的矢量长度Len；上述公式中， Vc 为拐点允许速度， Vb为开始速度， fVsa =fAcc²/(2*fJ)；fAcc为加速度， fJ为加加速度。

步骤4，当准直线链表固定后，采取遍历算法分别计算出每条准直线的最高速度，具体过程如下：

根据准直线的信息：起始速度、结束速度、准直线长度和S型曲线的加减速模型计算公式，我们来计算本条准直线能达到的最高速度，计算方法：根据加减速模型的公式，把不同的最高速度值Vh’代入公式分别计算出升速模型公式计算出该最高速需要的准直线长度与准直线的原始长度比较，如果两者相等则此速度为本直线的最高速度，如果不等则需要从新取值在计算继续比较。Vh’的取值原则是从准直线的起始速度逐渐往上累加，以整数为最小单位。

每一条准直线都是一条具有完整加减速的S型曲线；

所有的线段转化为准直线的链表如图3：我们可以通过准直线链表找到所有的线段。

Claims

1.一种用于数控设备控制系统的S型加减速控制的速度规划方法,其特征在于：针对控制对象的动态特性，引入“准直线”概念，所述的准直线是指一条或多条线段的组合，每条准直线包含一个完整的S型升降速过程；在准直线内，所有两条线段的交点速度都小于拐点允许速度Vc，则将这多条线段作为一条“准直线”来看待和计算；描述准直线的重要参数有起始速度Vb，结束速度Ve、最高速度、长度——各线段的矢量长度之和，当这4个参数确定后，就可以确定一条S型速度准直线了；把所有的准直线组成一个链表，链表中的前一条准直线的结束速度是后一条准直线的起始速度；并完成以下步骤：

步骤2，根据输入的矢量线段计算出准直线拐点允许速度Vc；

步骤5，通过FPGA程序来完成准直线插补任务，并将准直线的脉冲通过电子齿轮分配到各个实际运动轴，将数字信息转化为控制电机运动的电气信息。

2.如权利要求1所述的用于数控设备控制系统的S型加减速控制的速度规划方法，其特征在于：所述的步骤2具体包括根据每两条线段的交点坐标（（x1,y1）, （x2,y2）, （x3,y3））采用公式 Vc=sqrt(r*Aa),计算出拐点允许速度Vc；其中参数Aa为外部输入拐弯加速度，此参数需要根据现场调试获取，参数r为两条直线的曲率半径。

3.如权利要求1所述的用于数控设备控制系统的S型加减速控制的速度规划方法，其特征在于：判定一条或多条线段是否能构成一条准直线时，采用以下S型加减速的加减速模型距离计算公式进行判定：

升速时：

降速时：

上述公式中， Vc 为拐点允许速度， Vb为开始速度， fVsa =fAcc²/(2*fJ)；fAcc为加速度， fJ为加加速度；

所述的步骤3具体包括：以下步骤：

假设曲线由线段AB、线段BC、线段CD、线段DE……组成，

步骤3-2，将准直线std1看作是一条线段，与线段BC交点处的拐点允许速度Vc进行准直线判定；

按照S型速度曲线的加减速模型公式计算出准直线从Vb升降速到Vc所需要的矢量长度Len，如果矢量长度Len小于线段AB和线段BC的长度和，则将线段AB和线段BC作为准直线std1，否则仅将线段AB作为准直线std1；

4.如权利要求3所述的用于数控设备控制系统的S型加减速控制的速度规划方法，其特征在于：所述的步骤4需要计算每一条准直线采用S型曲线的最高速度，具体步骤如下：根据准直线的起始速度、结束速度、准直线长度和S型曲线的加减速模型计算公式，计算本条准直线能达到的最高速度，计算方法具体来说是：假设一个最高速度值Vh’， Vh’的取值原则是从准直线的起始速度逐渐往上累加，以整数为最小单位；把不同的最高速度值Vh’代入S型曲线的加减速模型计算公式，分别计算出该最高速需要的准直线长度，再与准直线的原始长度比较，如果两者相等则此速度为本准直线的最高速度，如果不等则需要从新取值再计算继续比较。