CN104331025B - 一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，通过动态自适应选择前瞻预处理段数，对各前瞻段切削速度进行优化预处理，以保证进给速度的高速，平滑衔接；速度前瞻预处理方法包含前瞻段自适应选择和最优衔接速度预计算两个步骤，数控系统根据加工轨迹变化趋势，判断拐点位置，从而自适应选择前瞻预处理段，根据前瞻段的轨迹变化趋势，先粗估计各前瞻段的末速度，再根据各前瞻段的指令速度、段末速度粗估计值、加速度及段长约束，精确规划各前瞻段的最优衔接速度；本发明提供的速度前瞻预处理方法计算速度快，能够实现进给速度的高速、平滑衔接，从而满足高速数控装备的速度控制要求。

Description

一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法

技术领域

本发明属于数控技术领域，涉及数控系统的速度控制技术，特别涉及一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法。

背景技术

复杂型面加工往往由CAM软件生成微小直线段来逼近，其长度大多不超过1mm(最小0.1mm)，总程序量多达几万甚至几十万个程序段，进给速度高达60m/min，加速度高达9.18-2*9.18m/s²。速度前瞻预处理的目标是保证微小线段之间加工速度高速、平滑衔接，以提高数控系统的加工效率、零件加工精度。研究适合微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，对于提高数控系统的整体性能具有十分重要的意义。

目前，不少学者对高速加工的速度优化与平滑运动控制进行了研究。现有的一些小线段加工速度控制方法，大多采用读取固定段数的加工段，通过曲线拟合并求二阶导数，然后再对高曲率点处的速度进行优化，这些方法计算量较大，同时固定段数很难适应复杂轨迹的高速平稳加工要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，对各加工段最优衔接速度进行预计算，以保证微小线段之间加工速度的高速、平滑衔接。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，数控系统利用加工轨迹趋势自适应选择前瞻预读段，根据前瞻预读段的轨迹变化趋势粗估计各前瞻预读段的末速度，再利用各前瞻预读段的速度、加速度及段长约束，精确规划各前瞻预读段的最优衔接速度，从而使高速数控加工进给速度高速、平滑衔接。

所述自适应选择前瞻预读段包括：

1)拐点判断及拐点速度计算

条件1：加工段l(i-1)和l(i)的转接点P_i的单位方向矢量间夹角

条件2：指令速度在转接点P_i处的各轴分速度大于各轴最大允许速度，或者转接点处加速度大于最大允许加速度；

若加工段l(i-1)和l(i)的转接点P_i满足条件1或条件2时，该转接点P_i为第k个拐点，拐点位置N_k等于i；条件1下P_i拐点速度为0，条件2下P_i拐点速度为相邻段转接处最大允许速度v_emax，i-1；

2)前瞻预读段选取

以加工段l(i)中各拐点为界来自适应分割加工轨迹，将相邻两拐点间所有加工段l(j)作为一个整体进行前瞻预处理，即l(j)为前瞻预读段，并将相邻拐点间加工段段数(N_k-N_k-1)作为前瞻预读段数，其中i＝1,2,…,N,j＝N_k-1+1,N_k-1+2,…,N_k，k为拐点序号，N_k为转接点集合中拐点所在位置。

所述各前瞻预读段的末速度粗估计为：

$v_{e,j}=\left\{\begin{array}{cc}\min \{v_{e,j}^{\left(1\right)},v_{e,j}^{\left(2\right)}\},& j=N_{k-1}+1N_{k-1}+2,...,N_k-1\\ \min \{v_{e,N_k}^{\left(1\right)},v_{t\max ,N_k}\},& j=N_k\end{array}\right.$

式中，

其中，v_e,j为前瞻预读段l(j)的末速度粗估计值，j＝N_k-1+1,N_k-1+2,…,N_k，为前瞻预读段首段l(N_k-1+1)的初速度，为l(N_k)和l(N_k+1)段的拐点速度，l_j为前瞻预读段l(j)的段长，j＝N_k-1+1,N_k-1+2,…,N_k，a_加和a_减分别为加速过程和减速过程的加速度，v_emax,j为前瞻预读段l(j)的段末最大允许速度，j＝N_k-1+1,N_k-1+2,…,N_k。

所述各前瞻预读段的最优末速度精确规划过程如下：

根据各前瞻预读段l(j)的末速度粗估计值v_e,j，精确计算获得的前瞻预读段最优衔接速度为：

其中j＝N_k-1+1,N_k-1+1,…,N_k，limV表示前瞻预读段l(j)的段长为l_j，起点速度为加速目标速度为F_j的加速过程的极限末速度。

综上，本发明主要由前瞻预读段自适应选择和最优衔接速度预计算两步骤构成。前瞻预读段自适应选择，是根据转接点处轨迹趋势变化，判定拐点位置，并选择相邻拐点间所有加工段作为前瞻预读段。最优衔接速度预计算，是根据运动学理论，以及转接处最大允许速度约束，先对各前瞻预读段的段末速度进行粗估计，再精确计算各前瞻预读段的最优衔接速度。

前瞻预读段自适应选择是为了选择合理的前瞻预读段数，以适应复杂多变的轨迹变化。为此，采用几何分析法，分析相邻段运动趋势，并根据相邻两插补周期的进给速度变化规律，计算转接点处所需加速度，在此基础上，判断拐点位置，以拐点为界来分隔加工轨迹，将相邻两拐点间所有加工段l(j)(j＝N_k-1+1,N_k-1+2,…,N_k)作为一个整体进行前瞻预处理。因为前瞻预读段数可以随轨迹趋势变化而变化，从而实现了前瞻预读段自适应选择功能。同时，根据转接点处速度约束条件和加速度约束条件，计算各前瞻预读段转接点处最大允许速度v_emax,j以及拐点速度为后续计算做准备。

最优衔接速度预计算包括各前瞻预读段的段末速度粗估计和各前瞻预读段的最优衔接速度精确计算两步。段末速度粗估计，是根据运动学理论，由前瞻预读段的首段初速度，末段末速度约束(拐点速度)，以及各前瞻预读段的段长、转接处最大允许速度约束，估计各前瞻预读段的段末速度v_e,j；最优末速度精确规划，是根据运动学原理，由前瞻预读段的首段初速度，以及各前瞻预读段的段长、指令速度、加速度、段末速度粗估计值，精确计算各前瞻预读段的最优衔接速度

与现有技术相比，本发明面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，不受指令速度的影响，对不同指令速度的加工程序均能实现进给速度的高速、平滑衔接；同时本发明的方法计算速度快，能够满足高速数控系统高实时性的要求，在不改变原数控系统控制软件结构的情况下，能够实现进给速度的高速、平滑衔接。

附图说明

图1为本发明前瞻速度预处理流程示意图。

图2为本发明前瞻预读段数选取计算示意图。

图3为本发明各前瞻预读段的末速度粗估计计算示意图。

图4为本发明前瞻预读段最优衔接速度计算示意图。

图5为带前瞻速度和不带前瞻速度曲线对比示意图，实线曲线为带前瞻速度曲线，虚线曲线为不带前瞻速度曲线。

具体实施方式

本发明提供的速度前瞻预处理方法，是通过嵌入到数控系统加工代码译码模块和加减速模块之间的前瞻速度预处理模块实现。其中，加减速模块采用S加减速算法。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1所示，前瞻速度预处理由前瞻预读段自适应选择模块和最优衔接速度预计算模块组成。前瞻预读段自适应选择模块，包括拐点判断、前瞻预读段选取两步，该模块根据预读段l(i)(i＝1,2,...,N)信息，先进行拐点判断，拐点为段l(N_k)与段l(N_k+1)转接点，将拐点序号N_k放入拐点队列，再进行前瞻加工段选取，选取相邻拐点间加工段l(j)(j＝N_k-1+1,N_k-1+2,...,N_k)为前瞻预读段。最优衔接速度预计算模块，包括各前瞻加工段末速度粗估计、最优衔接速度精确计算两步，该模块首先算出段末速度粗估计值v_e,j，再根据v_e,j计算出最优衔接速度两个模块并行处理，只有当拐点队列中至少存在两个拐点时，最优衔接速度预计算模块才能进行。

参见图2所示，前瞻预读段自适应选择模块，是由预读段信息(段l(i-1)终点单位方向矢量e_e,i-1＝(e_xe,i-1,e_ye,i-1,e_ze,i-1)^T、段l(i)起点单位方向矢量e_s,i＝(e_xs,i,e_ys,i,e_zs,i)^T)，依次进行转接点最大允许速度v_emax,i-1计算、拐点判断、拐点速度计算、前瞻预读段选取，并将转接点最大允许速度、拐点速度放入相应的队列中，以备后续计算。

计算步骤如下，

a.计算转接点P_i处最大允许速度v_emax,i-1，转向b；

b.计算e_e,i-1·e_s,i，若小于等于0，P_i处转接角大于π/2，P_i为拐点，转向e，否则，转向c；

c.计算段l(i-1)终点处指令速度各轴分量，段l(i)起点处指令速度各轴分量，若某一分量大于对应轴最大允许速度，P_i为拐点，转向e，否则，转向d；

d.计算P_i处加速度在各轴分量，若某一分量大于对应轴最大允许加速度，P_i为拐点，转向e，否则，P_i不是拐点，i＝i+1，转向a；

e.N_k＝i,k＝k+1,转向f；

f.计算拐点速度若e_e,i-1·e_s,i≤0，则否则转向g；

g.选择相邻拐点间加工段l(j)(j＝N_k-1+1,N_k-1+2,...,N_k)为前瞻预读段，i＝i+1，转向a。

参见图3所示，各前瞻预读段段末速度粗估计，是由前瞻预读段首段l(N_k-1+1)的初速度末段l(N_k)末速度约束(l(N_k)和l(N_k+1)段的拐点速度)，以及各前瞻预读段的段长l_j(j＝N_k-1+1,N_k-1+2,…,N_k)、加速过程的加速度a_加(a_加＞0)、减速过程的加速度a_减(a_减＜0)、段末最大允许速度v_emax,j，先计算再计算在此基础上，对各前瞻预读段的段末速度v_e,j进行粗估计，并将v_e,j放入队列，以备后续计算。v_e,j计算公式如下，

$v_{e,j}=\left\{\begin{array}{cc}\min \{v_{e,j}^{\left(1\right)},v_{e,j}^{\left(2\right)}\},& j=N_{k-1}{+1,N}_{k-1}+2,...,N_k-1\\ \min \{v_{e,N_k}^{\left(1\right)},v_{t\max ,N_k}\},& j=N_k\end{array}\right.$

式中，

计算步骤如下，

a. $j=N_{k-1}+1v_{e,j-1}^{\left(1\right)}=v_{e,N_{k-1}}^{*},$ 转向b；

b.计算若j＞N_k,转向c，否则，继续b；

c. $j=N_k-1v_{e,j+1}^{\left(2\right)}=v_{t\max ,N_k},$ 转向d；

d.计算j＝j-1，若j＜N_k-1+1,转向e，否则，继续d；

e.计算v_e,j

参见图4所示，各前瞻预读段的最优衔接速度精确计算，是由前瞻预读段首段l(N_k-1+1)的初速度以及各前瞻预读段l(j)的段长l_j、加速目标速度F_j、加速过程的加速度a、段末速度粗估计值v_e,j，精确计算各前瞻预读段的最优衔接速度并放入队列，以备后续计算。计算公式如下，

$v_{e,j}^{*}=\min \{\mathrm{limV}(l_j,v_{e,j-1}^{*},F_j,a),v_{e,j}\}$

式中，limV表示段长为l_j，起点速度为加速目标速度为F_j的加速过程的极限末速度。

计算步骤如下，

a. $j=N_{k-1}+1v_{e,j-1}^{*}=v_{e,N_{k-1}}^{*},$ 转向b；

b.计算前瞻预读段l(j)极限末速度LimV；

c.计算前瞻预读段最优衔接速度j＝j+1，若j≤N_k，转向b

在实验室高速雕铣机床上对本发明的速度前瞻预处理方法进行验证。加工测试程序包括直线(G01)、顺圆(G02)、逆圆(G03)插补类型，以及直线接直线、直线接圆弧、圆弧接圆弧和圆弧接直线曲线过渡类型，图5为带前瞻预处理和不带前瞻预处理的进给速度曲线。由图5可知，采用速度前瞻预处理方法前，在圆弧接直线，直线接圆弧位置，发生速度突变，其加减速频繁，导致数控系统存在一定程度的机械振动；采用速度前瞻预处理方法后，段末速度突变得到有效地避免，其进给速度能够实现高速、平滑衔接，保证了数控系统加工精度，同时，加工时间也有所缩短，数控系统加工效率也得到提高。

Claims (1)

1.一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，数控系统利用加工轨迹趋势自适应选择前瞻预读段，根据前瞻预读段的轨迹变化趋势粗估计各前瞻预读段的末速度，再利用各前瞻预读段首段的初速度、加速目标速度与所述末速度及段长约束，精确规划各前瞻预读段的最优衔接速度，从而使高速数控加工进给速度高速、平滑衔接，其特征在于，所述自适应选择前瞻预读段包括：

1)拐点判断及拐点速度计算

条件1：加工段l(i-1)和l(i)的转接点P_i的单位方向矢量间夹角

条件2：指令速度在转接点P_i处的各轴分速度大于各轴最大允许速度，或者转接点处加速度大于最大允许加速度；

若加工段l(i-1)和l(i)的转接点P_i满足条件1或条件2时，该转接点P_i为第k个拐点，拐点位置N_k等于i；条件1下P_i拐点速度为0，条件2下P_i拐点速度为相邻段转接处最大允许速度v_emax，i-1；

2)前瞻预读段选取

以加工段l(i)中各拐点为界来自适应分割加工轨迹，将相邻两拐点间所有加工段l(j)作为一个整体进行前瞻预处理，即l(j)为前瞻预读段，并将相邻拐点间加工段段数(N_k-N_k-1)作为前瞻预读段数，其中i＝1,2,…,N,j＝N_k-1+1,N_k-1+2,…,N_k，k为拐点序号，N_k为转接点集合中拐点所在位置。