CN103246236B - 一种考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法，通过计算获得所有小直线段、连接点的理论最大速度绘制最大速度曲线，据此来选取“局部结束点”，并通过局部结束点将加工路径进行了分段，系统对分段后的路径单元进行的加速或减速速度规划。本发明方法每次规划的线段不再是单独的一段小直线段，而是相关的连续多段小直线段；因此不会出现频繁加减速，机床不容易产生较大震动，提高了加工效率；使用本方法进行速度规划后，不要求加、减速轮廓是解析函数，其可以是分段的或者是某个表；不要求加减速过程对称。

Description

一种考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法，属于数控系统速度控制技术领域。

背景技术

CAD/CAM系统常以小直线段代替曲线实现轨迹的拟合，每一小段轨迹通常由加速过程、匀速运动和减速停止3部分构成，由此会造成电机的频繁加减速，使得机床容易产生较大震动，降低加工效率。

加工路径速度规划的重点是要求机床沿着给定轨迹运动，同时速度具有某种形式的包络线。例如：梯形、S形、指数形等，同时还要满足最大速度、加速度的约束。梯形、S形曲线算法只能适用于某种特定的速度形状，而针对其它形式的加、减速轮廓，没有理想的算法。

发明内容

针对现有的缺陷，本发明目的在于旨在解决速度规划过程中每次规划的线段是单独的一段、要求加减速轮廓是解析函数、加减速过程对称、规划后速度形状固定的问题，提供一种考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法，其将处于同一加速段或减速段的若干小直线段作为一个路径单元进行一次速度规划，大大降低系统的加减速频率，减少系统的震动，并提高系统运行效率。

为实现上述目的，本发明提供的一种考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法，其特征在于包含以下几个步骤：

S1、系统设置——设置数控系统的加速度、起跳速度、最大速度V_m、结束速度、控制周期T；

S2、加工路径离散化——设数控系统在加工路径上以最大速度V_m运动，则以控制周期T对加工路径划分得到一系列首尾相接的小直线段P_i，i＝1，2，3，...，N，N为加工路径离散化后得到小直线段数量；

S3、获取各小直线段的理论最大曲率速度——针对第i个小直线段P_i而言，若则第i个小直线段P_i的理论最大曲率速度V_i＝V_m；若则第i个小直线段P_i的理论最大曲率速度其中R_i为第i个小直线段P_i对应路径的曲率半径；

S4、获取连接点的最大曲率速度——所述加工路径包括n条首尾相接的曲线段，相邻曲线之间的连接点Q_j的数量为n-1，j＝1，2，3，...，n-1，计算相邻曲线之间的连接点Q_j的曲率半径R′_j，若则第j个连接点Q_j的理论最大曲率速度V′_j＝V_m；若则第j个连接点Q_j的理论最大曲率速度

S5、获取局部结束点——绘制小直线段与连接点的理论最大曲率速度曲线图，图中的峰值、谷值所对应的小直线段、连接点为局部结束点，若存在连续的多个峰值或谷值，则任选其中一根小直线段或连接点作为局部结束点；

S6、速度规划——利用局部结束点将加工路径分割为若干加工路径单元，每个加工路径单元包含有若干首尾相接的小直线段，并根据加工路径单元上所有小直线段和连接点的理论最大曲率速度及步骤S1中的系统设置进行速度规划。

进一步的，步骤S4中，连接点的曲率半径取连接点之后第一个小直线段的曲率半径。

本发明提出了“局部结束点”的概念，系统运行至局部结束点时，系统的运行状态将发生改变，由加速控制转为减速控制，或由减速控制转为加速控制。具体可以通过小直线段、连接点的理论最大曲率速度图像来确定“局部结束点”。本发明通过计算获得所有小直线段、连接点的理论最大速度绘制最大速度曲线，据此来选取“局部结束点”，并通过局部结束点将加工路径进行了分段，系统对分段后的路径单元进行的加速或减速速度规划。可见本发明方法每次规划的线段不再是单独的一段小直线段，而是相关的连续多段小直线段；因此不会出现频繁加减速，机床不容易产生较大震动，提高了加工效率；并且使用本方法进行速度规划后，不要求加、减速轮廓是解析函数，其可以是分段的或者是某个表；不要求加减速过程对称。

可见，本发明构思奇巧，将过去基于时间轴的控制方法改为基于累计位移的控制方法，使得速度控制在原理上获得了突破性的进展，使得速度控制更具智能化，大大提高了生产效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明数控系统速度控制方法流程图。

图2是本发明实施例加工路径示意图。

图3是小直线段、连接点理论最大曲率速度曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明数控系统速度控制方法流程图。本实施例考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法，包含以下几个步骤：

S1、系统设置——设置数控系统的加速度＝1200mm/s²、起跳速度＝0mm/s、最大速度V_m＝1300mm/s、结束速度＝0mm/s、控制周期T＝0.5ms。

S2、加工路径离散化——设数控系统在加工路径上以最大速度V_m运动，则以控制周期T对加工路径划分得到一系列首尾相接的小直线段P_i，i＝1，2，3，...，N，N为加工路径离散化后得到小直线段数量；如图2所示，本实施例的加工曲线被离散化为23个小直线段。

上述步骤S1、S2为现有速度控制方法的成熟步骤，本实施例不再展开说明。

S3、获取各小直线段的理论最大曲率速度——如针对第1个小直线段P₁而言，若则第1个小直线段P₁的理论最大曲率速度V₁＝V_m；若则第1个小直线段P₁的理论最大曲率速度其中R₁为第1个小直线段P₁对应路径的曲率半径。其余小直线段的理论最大曲率速度获取方法与之类似。

对于直线段而言，曲率半径为无穷大，对于圆弧而言理论曲率半径为圆弧半径，对于样条曲线而言，曲率半径可根据近似公式获得，上述属于曲率半径的获得方法皆属于现有技术范畴，本领域技术人员都能掌握，本文对此不具体说明。

本实施例中，第1个小直线段P₁为直线，曲率半径R₁＝+∞，由于，因此V₁＝V_m＝1300mm/s；第8个小直线段P₈为圆弧，曲率半径R₈＝0.05mm，由于因此V₈＝628mm/s。本例中仅以这两条小直线段为例说明理论最大曲率速度的获得方法，其余小直线段的理论最大曲率速度获取方法可参考本段。

S4、获取连接点的最大曲率速度——如图2所示，本例中加工路径包括6条首尾相接的曲线段，相邻曲线之间的连接点的数量为5个，本实施例中，相邻曲线之间连接点的曲率半径取该连接点后的第一段小直线段的曲率半径，连接点的理论最大曲率速度取该连接点后的第一段小直线段理论最大曲率速度，如针对第1个连接点Q₁而言，则第1个连接点Q₁的理论最大曲率速度再比如第5个连接点Q₅，则第5个连接点Q₅的理论最大曲率速度V′₅＝V_m。

本实施例中，第1个连接点Q₁，通过近似公式计算获得曲率半径R′₁＝0.05mm，由于，因此V′₁＝628mm/s；第2个连接点Q₂，通过近似计算(取连接点后的第一段小直线的曲率半径)获得曲率半径R′₂＝0.4mm，由于5024mm/s≥V_m，因此V′₂＝V_m＝1300mm/s。本例中仅以这两个连接点为例说明连接点的理论最大曲率速度获得方法，其余连接点的理论最大曲率速度获取方法可参考本段。

S5、获取局部结束点——绘制小直线段与连接点的理论最大曲率速度曲线图(如图3所示)，图3中，横坐标为小直线段及连接点的序号，纵坐标为速度值。图3中的峰值、谷值所对应的小直线段、连接点为局部结束点，若存在连续的多个峰值或谷值，则任选其中一根小直线段或连接点作为局部结束点。

从图3中可知，共有4个局部结束点，分别为图中的P7、P9、P17、P19。

S6、速度规划——利用局部结束点将加工路径分割为5个加工路径单元LEP1、LEP2、LEP3、LEP4、LEP5，每个加工路径单元包含有若干首尾相接的小直线段，并根据加工路径单元上所有小直线段和连接点的理论最大曲率速度及步骤S1中的系统设置进行速度规划。

具体的，本实施例步骤S6中，首先进行初步的速度规划分段，获取表1，然后再根据表1中结合步骤S1中的系统设置进行具体的速度规划。

表1速度上限控制表

对于每一段加速过程或减速过程进行速度规划，是本领域技术人员能够掌握的，属于现有技术范畴，故本实施例不对此进行详细阐述。

可见实施本发明速度控制方法后，不要求加、减速轮廓是解析函数，其可以是分段的也可以是某个表；不要求加减速过程对称。控制的灵活性得到了提高，并且由于没有频繁的加减速，减少系统的震动，并提高系统运行效率。

结合图3和从表1，可知小直线段和连接点的理论最大曲率速度作为系统运行的最大运行的速度上限，而实际运行速度根据速度规划后方能确定，实际运行速度都要小于理论最大曲率速度。

本发明的创新在于提出了一种利用局部结束点对路径分割，并对分割后的路径单元进行速度规划。步骤S6的速度规划，由于受到了理论最大曲率速度及步骤S1中的系统设置的约束，因此本领域技术人员皆能轻易实现，本实施例不对具体实现方法进行阐述。

本实施例中，相邻曲线间的连接点的理论最大曲率速度取该连接点后的第一段小直线段理论最大曲率速度。除此之外，相邻曲线间的连接点曲率半径还可以通过其他方式来确定或人为给定，速度规划的方法与本实施例相同，仍然通过速度曲线的峰值、谷值来取局部结束点。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法，其特征在于包含以下几个步骤：

S1、系统设置——设置数控系统的加速度、起跳速度、最大速度V_m、结束速度、控制周期T；

S2、加工路径离散化——设数控系统在加工路径上以最大速度V_m运动，则以控制周期T对加工路径划分得到一系列首尾相接的小直线段P_i，i＝1，2，3，...，N，N为加工路径离散化后得到小直线段数量；

S3、获取各小直线段的理论最大曲率速度——针对第i个小直线段P_i而言，若则第i个小直线段P_i的理论最大曲率速度V_i＝V_m；若则第i个小直线段P_i的理论最大曲率速度其中R_i为第i个小直线段P_i对应路径的曲率半径；

S4、获取连接点的最大曲率速度——所述加工路径包括n条首尾相接的曲线段，相邻曲线之间的连接点Q_j的数量为n-1，j＝1，2，3，...，n-1，计算相邻曲线之间的连接点Q_j的曲率半径R′_j，若则第j个连接点Q_j的理论最大曲率速度V′_j＝V_m；若则第j个连接点Q_j的理论最大曲率速度

S5、获取局部结束点——绘制小直线段与连接点的理论最大曲率速度曲线图，图中的峰值、谷值所对应的小直线段、连接点为局部结束点，若存在连续的多个峰值或谷值，则任选其中一根小直线段或连接点作为局部结束点；

S6、速度规划——利用局部结束点将加工路径分割为若干加工路径单元，每个加工路径单元包含有若干首尾相接的小直线段，并根据加工路径单元上所有小直线段和连接点的理论最大曲率速度及步骤S1中的系统设置进行速度规划。

2.根据权利要求1所述考虑小直线段和连接点速度的数控系统速度控制方法，其特征在于：步骤S4中，连接点的曲率半径取连接点之后第一个小直线段的曲率半径。