CN103941647A - 用于嵌入式数控设备的柔性加减速控制插补方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于嵌入式数控设备的柔性加减速控制插补方法，适用于数控加工和机器人技术领域，其中包括对输入的运动路径信息进行前瞻处理，确定每段运动路径插补所需要的相关参数；对每段运动路径按照直线加减速模型进行速度规划并通过插补计算得到每个插补周期的插补长度；以直线加减速插补计算得到的插补长度进行柔性处理，通过简单运算实现加速度平滑过渡，从而得到一种具有柔性加减速控制的插补方法，可用于高速高精度运动的嵌入式数控设备。

Description

用于嵌入式数控设备的柔性加减速控制插补方法

技术领域

本发明涉及数控加工和机器人技术领域中的数字控制系统的运动控制方法，具体地说是用于嵌入式数控设备的柔性加减速控制插补方法。

背景技术

数字控制系统的速度规划方法对数控机床零件加工质量和机器人运动会产生很大影响，如果速度规划方法不合理，加速度发生较大的突变，极易使数控设备产生振动，从而影响零件加工精度和机器人的运动精度。常用的速度规划方法主要有直线加减速模型速度规划方法和S形曲线加减速模型的速度规划方法。

直线加减速模型比较简单，计算量较小，编程简单，算法容易实现，机床和机器人的响应速度快，机床数控加工和机器人运动效率高，但是在加减速过程中加速度会产生突变，对机床和机器人的运动产生冲击，影响运动平稳性和运动精度，因此不适合高速高精度运动数控机床和机器人设备。S形曲线加减速模型的速度规划方法由于加速度连续变化，数控设备运动平稳，运动精度高，因此适用于高速高精度控制的数字控制系统，但S形曲线加减速模型是一个三阶分段多项式，一个完整的S形曲线加减速模型由七个阶段组成，在S形曲线加减速模型速度规划过程中，根据运动路径长度对模型进行分段求解，计算量大，编程复杂，需要的系统资源大，耗费的时间长，对于嵌入式数控设备而言，由于系统资源有限，从而影响速度规划和插补计算的实时性。

发明内容

针对现有技术中数字控制系统直线加减速模型的速度规划中存在加速度突变致使运动时对数控设备产生振动和冲击以及S形曲线加减速模型的速度规划中计算量大，算法复杂，需要系统资源大，耗费时间长等问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种有效地降低数字控制系统在数控设备高速运动过程中产生的振动和冲击，缩短S形曲线加减速的速度规划时间，实现数控设备柔性加减速控制的插补计算方法。该方法实现简单，对系统资源要求低，有效实现数控设备的高速高平稳和高精度运动，可应用于高速高精度加工的数控机床和高精度运动的机器人领域。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

包括以下步骤：对输入的运动路径信息进行前瞻处理，确定每段运动路径所需的相关参数；对每段运动路径按照直线加减速模型进行速度规划并通过插补计算得到每个插补周期的插补长度；以直线加减速插补计算得到的插补长度进行平滑处理，得到每个插补周期的插补数据，从而实现一种具有柔性加减速控制的插补方法；将插补数据传给伺服驱动器控制伺服电机运动，从而实现数控设备的运动控制。

所述的对输入的运动路径信息进行前瞻处理是指确定每段运动路径的起点速度、终点速度、允许的最大速度和柔性化处理的柔化长度。根据相邻线段之间的夹角大小和动力学特性，确定转接点实现平滑过渡所允许的速度，其中包括每段运动路径所允许的最大起始速度和终点速度；根据当前运动路径距离确定本段路径的最大速度；根据系统最大加加速度确定每段运动路径柔性化处理的柔化长度。

所述的根据系统最大加加速度确定每段运动路径柔性化处理的柔化长度是指根据直线加减速模型速度规划方法得到的第i段运动路径的第二个插补周期和第三个插补周期的速度确定柔化长度，其柔化长度可表示为：

$N_i\≥\frac{J_{\max }{T}_s}{v_{i,3}-v_{i,2}}---\left(1\right)$

式中N_i为第i段运动路径的柔化处理的柔化长度，J_max为系统允许的最大加加速度，T_s为插补周期，v_i，2为第i段运动路径的直线加减速第二个插补周期的速度，v_i，3为第i段运动路径的直线加减速第三个插补周期的速度。

所述的对每段运动路径按照直线加减速模型进行速度规划并通过插补计算得到每个插补周期的插补长度是指采用直线加减速控制方法对每段运动路径进行速度规划，然后根据直线加减速速度规划的速度值进行插补计算。

所述采用直线加减速控制方法对对每段运动路径进行速度规划是指根据所输入的运动长度判断直线加减速类型的三个阶段，如加速段、匀速段和减速段，根据加减速类型进行速度规划，各个阶段的速度可以表示为：

式中v_l，i为第i个插补周期的直线加减速的运动速度，v_l，i-1为第i-1个插补周期的直线加减速的运动速度，a_c为系统的加速度，T_s为系统的插补周期，v_max为系统最大速度。

所述根据直线加减速速度规划的速度值进行插补计算是通过直线加减速模型的速度规划的速度值进行插补计算得到每个插补周期的插补长度，插补计算可表示：

Δs_l，i＝v_l，iT_s            (3)

式中Δs_l，i为第i个插补周期的直线加减速的插补长度，v_l，i为第i个插补周期的直线加减速的运动速度。

所述的以直线加减速插补计算得到的插补长度进行平滑处理是指对直线加减速速度规划得到的插补长度进行柔性化处理，通过简单运算实现加速度平滑过渡，从而避免由于插补长度发生较大变化引起速度发生较大波动。

所述对直线加减速速度规划得到的插补长度进行柔性化处理的具体过程为：

对所输入的运动路径按照直线加减速进行插补计算得到的插补长度序列进行柔性化处理，得到一种类似S形曲线的柔性加减速控制的插补计算方法，其柔性处理后得到的每个插补周期的插补长度序列为：

$l_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{N}(\underset{k=1}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_s+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{j+1})& 0<i\&le;N\\ \frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{i-k+1}& N<i\&le;n-N\\ \frac{1}{N}(\underset{k=1}{\overset{N+i-n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_e+\underset{j=1}{\overset{n-i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{n-j})& n-N<i\&le;n\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中l_i为第i个插补周期柔性处理后的插补长度，l_s＝v_sT_s，v_s为运动路径的起始速度，l_e＝v_eT_s，v_e为运动路径的终点速度，N为柔化处理长度。

根据柔性化处理后的插补长度序列，可得到第i个插补周期的运动速度为：

$v_i=\frac{l_i}{T_s}---\left(5\right)$

由速度序列可得到柔性处理后的加速度序列：

$a_i=\frac{v_i-v_{i-1}}{T_s}---\left(6\right)$

由加速度序列可得到柔性处理后的加加速度：

$J_i=\frac{a_i-a_{i-1}}{T_s}---\left(7\right)$

所述的将插补数据传给伺服驱动器控制伺服电机运动是指将柔化处理后的插补长度经过精插补模块进行数据处理，将处理后的数据传给伺服驱动器，由驱动器控制伺服电机运动，从而实现数控设备的运动控制。

本发明与现有的数字控制系统插补方法相比，在数控设备运动过程中，首先对输入的运动路径信息进行前瞻处理，确定每段运动路径所需的相关参数，然后采用直线加减速模型进行插补计算，并对插补计算得到的插补长度进行平滑处理，得到一种类似S形曲线柔性加减速控制的插补计算方法。这种插补方法与直线加减速模型插补方法相比，速度更加平滑，运动更加平稳；与传统的S形曲线加减速模型插补方法相比，仅需要简单的乘法运算以及求和计算，避免了对S形曲线加减速模型进行分段讨论和多项式方程求解。因此，该插补方法运算简单、需要的资源少、算法简单、效率高和实现容易等优点，适用于高速高精度运动的嵌入式数控设备。

附图说明

图1本发明整体技术方案图。

图2本发明总体规划方案图。

图3本发明前瞻处理速度与路径关系图。

图4直线加减速插补方法速度和加速度图。

图5本发明插补方法速度、加速度和加加速度图。

图6路径长度L＝100mm，采用本发明插补方法速度、加速度和加速度图。

图7路径长度L＝100mm，采用直线加减速插补方法速度和加速度图。

具体实施方式

为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，结合附图及实施例对本发明进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不局限于本发明。

本实施例的整体技术方案如图1所示，硬件结构主要由嵌入式运动控制器、伺服驱动器和伺服电机等部分组成，嵌入式运动控制器作为数字控制系统的核心，主要由ARM和FPGA组成，通过网络接口与PC机实现数据信息的传递和通信，由ARM完成运动路径的前瞻处理、直线加减速插补计算、柔性化处理和平滑插补长度等任务，由FPGA完成精插补计算，将精插补得到的结果通过数据线传给伺服驱动器，由伺服驱动器控制电机运动。

如图2所示，本发明方法包括如下步骤：

1.对输入的运动路径进行前瞻处理；

根据相邻线段之间的夹角大小和动力学特性，确定转接点实现平滑过渡所允许的速度，其中包括每段运动路径所允许的最大起始速度和终点速度，根据当前运动路径的距离确定本段路径的最大速度，如图3所示。

根据系统最大加加速度确定每段运动路径柔性化处理的柔化长度N_i。根据直线加减速模型速度规划方法得到的第i段运动路径的第二个插补周期和第三个插补周期的运动速度确定柔化长度，柔化长度可表示为：

$N_i\&GreaterEqual;\frac{J_{\max }{T}_s}{v_{i,3}-v_{i,2}}---\left(1\right)$

式中N_i为第i段运动路径的柔化处理的柔化长度，J_max为系统允许的最大加加速度，T_s为插补周期，v_i,2为第i段运动路径直线加减速第二个插补周期的速度，v_i，3为第i段运动路径直线加减速第三个插补周期的速度。

2.对当前段运动路径进行直线加减速插补计算；

按照直线加减速控制方法对当前段的运动路径进行速度规划，由当前段运动路径的长度确定直线加减速的三个阶段：加速段、匀速段和减速段，根据加减速阶段进行速度规划，各个阶段的速度可以表示为：

式中v_l，i为第i个插补周期的运动速度，v_l，i-1为第i-1个插补周期的运动速度，a_c为系统的加速度，T_s为系统的插补周期，v_max为系统的最大速度，直线加减速插补速度和加速度如图4所示，加速度存在突变，影响运动的平稳性，对数控设备容易产生冲击和振动。

所述根据直线加减速速度规划的速度值进行插补计算是通过直线加减速模型的速度规划的速度值进行插补计算得到每个插补周期的插补长度，插补计算可表示：

Δs_l，i＝v_l，iT_s              (3)

式中Δs_l，i为第i个插补周期的直线加减速的插补长度，v_l，i为第i个插补周期的直线加减速的运动速度。

3.对直线加减速插补结果进行平滑处理；

对直线加减速速度规划得到的插补长度进行柔性化处理，实现各个插补周期的插补长度平稳过渡，从而避免由于插补长度发生较大变化引起速度发生较大波动。

对所当前段的运动路径按照直线加减速进行插补计算得到的插补长度序列进行柔性化处理，得到一种S形曲线柔性加减速控制的插补计算方法，其柔性处理后得到的插补长度序列为：

$l_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{N}(\underset{k=1}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_s+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{j+1})& 0<i\&le;N\\ \frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{i-k+1}& N<i\&le;n-N\\ \frac{1}{N}(\underset{k=1}{\overset{N+i-n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_e+\underset{j=1}{\overset{n-i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{n-j})& n-N<i\&le;n\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中l_i为第i个插补周期柔性处理后的插补长度，l_s＝v_sT_s，v_s为运动路径的起始速度，l_e＝v_eT_s，v_e为运动路径的终点速度，N为柔化处理长度。

根据柔性化处理的插补长度序列，可得到第i个插补周期的运动速度为：

$v_i=\frac{l_i}{T_s}---\left(5\right)$

由速度序列可得到柔性处理后的加速度序列：

$a_l=\frac{v_i-v_{i-1}}{T_s}---\left(6\right)$

由加速度序列可得到柔性处理后的加加速度：

$J_i=\frac{a_i-a_{i-1}}{T_s}---\left(7\right)$

经过柔性化平滑处理得到的速度、加速度和加加速度如图5所示。

4.插补数据输出

在精插补模块中，对柔化处理后的每个插补周期的插补长度进行精插补计算处理，将处理后的数据传给伺服驱动器，由驱动器控制伺服电机运动，从而实现数控设备的运动轨迹的控制。

以长度L＝100mm运动路径为例，系统最大速度v_max＝100mm／s，系统加速度A_max＝500mm／s2，运动径路的起始速度v_s＝10mm／s，终点速度v_e＝20mm／s，柔性长度N＝50，插补周期T＝1ms，采用本发明插补方法进行速度规划和插补计算，得到各个插补周期的进给速度、加速度和加加速度曲线如图6所示，采用直线加减速模型进行插补得到的速度和加速度如图7所示。

本实施例以线段运动路径为例，说明了一种用于嵌入式数控设备的柔性加减速控制插补方法。通过比较图6和图7可知，直线加减速插补过程中加速度会出现局部突变，影响运动的平稳性，对数控设备容易产生冲击和振动；采用本发明方法加速度实现平滑过渡，能够有效地降低数控设备高速运动过程中产生的振动和冲击，同时这种方法算法简单、计算量小，可应用于高速高精度运动的嵌入式数控设备。

Claims (5)

1.一种用于嵌入式数控设备的柔性加减速控制插补方法，包括：对输入的运动路径信息进行前瞻处理，确定每段运动路径所需要的参数；对每段运动路径按照直线加减速模型进行速度规划并通过插补计算得到每个插补周期的插补长度；以直线加减速插补计算得到的插补长度进行平滑处理，通过简单运算实现加速度平滑过渡，得到每个插补周期的插补数据；将插补数据传给伺服驱动器控制伺服电机运动，从而实现数控设备的运动控制。

2.根据权利要求1所述的对输入的运动路径信息进行前瞻处理是指确定每段运动路径的起点速度、终点速度、允许的最大速度和柔性化处理的柔化长度。根据相邻线段之间的夹角大小和动力学特性，确定转接点实现平滑过渡所允许的速度，其中包括每段运动路径所允许的最大起始速度和终点速度；根据当前运动路径距离确定本段路径的最大速度；根据系统最大加加速度确定每段运动路径柔性化处理的柔化长度；

所述的根据系统最大加加速度确定每段运动路径柔性化处理的柔化长度是指根据直线加减速模型速度规划方法得到的第i段运动路径的第二个插补周期和第三个插补周期的速度确定柔化长度，其柔化长度可表示为：

$N_i\&GreaterEqual;\frac{J_{\max }{T}_s}{v_{i,3}-v_{i,2}}---\left(1\right)$

式中N_i为第i段运动路径的柔化处理的柔化长度，J_max为系统允许的最大加加速度，T_s为插补周期，v_i，2为第i段运动路径的直线加减速第二个插补周期的速度，v_i，3为第i段运动路径的直线加减速第三个插补周期的速度。

3.根据权利要求1所述的对每段运动路径按照直线加减速模型进行速度规划并通过插补计算得到每个插补周期的插补长度是指采用直线加减速控制方法对每段运动路径进行速度规划，然后根据直线加减速速度规划的速度值进行插补计算；

所述采用直线加减速控制方法对对每段运动路径进行速度规划是指根据所输入的运动长度判断直线加减速类型的三个阶段，如加速段、匀速段和减速段，根据加减速类型进行速度规划，各个阶段的速度可以表示为：

式中v_l，i为第i个插补周期的直线加减速的运动速度，v_l，i-1为第i-1个插补周期的直线加减速的运动速度，a_c为系统的加速度，T_s为系统的插补周期，v_max为系统最大速度；

所述根据直线加减速速度规划的速度值进行插补计算是通过直线加减速模型的速度规划的速度值进行插补计算得到每个插补周期的插补长度，插补计算可表示：

Δs_l，i＝v_l，iT_s                  (3)

式中Δs_l，i为第i个插补周期的直线加减速的插补长度，v_l，i为第i个插补周期的直线加减速的运动速度。

4.根据权利要求1所述的以直线加减速插补计算得到的插补长度进行平滑处理是指对直线加减速速度规划得到的插补长度进行柔性化处理，通过简单运算实现加速度平滑过渡，从而避免由于插补长度发生较大变化引起速度发生较大波动；

所述对直线加减速速度规划得到的插补长度进行柔性化处理的具体过程为：

对所输入的运动路径按照直线加减速进行插补计算得到的插补长度序列进行柔性化处理，得到一种类似S形曲线的柔性加减速控制的插补计算方法，其柔性处理后得到的每个插补周期的插补长度序列为：

$l_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{N}(\underset{k=1}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_s+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{j+1})& 0<i\&le;N\\ \frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{i-k+1}& N<i\&le;n-N\\ \frac{1}{N}(\underset{k=1}{\overset{N+i-n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_e+\underset{j=1}{\overset{n-i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{l}_{n-j})& n-N<i\&le;n\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中l_i为第i个插补周期柔性处理后的插补长度，l_s＝v_sT_s，v_s为运动路径的起始速度，l_e＝v_eT_s，v_e为运动路径的终点速度，N为柔化处理长度；

根据柔性化处理后的插补长度序列，可得到第i个插补周期的运动速度为：

$v_i=\frac{l_i}{T_s}---\left(5\right)$

由速度序列可得到柔性处理后的加速度序列：

$a_i=\frac{v_i-v_{i-1}}{T_s}---\left(6\right)$

由加速度序列可得到柔性处理后的加加速度：

$J_i=\frac{a_i-a_{i-1}}{T_s}---\left(7\right)$

5.根据权利要求1所述的将插补数据传给伺服驱动器控制伺服电机运动是指将柔化处理后的插补长度经过精插补模块进行数据处理，将处理后的数据传给伺服驱动器，由驱动器控制伺服电机运动，从而实现数控设备的运动控制。