CN106444637A - 一种微小线段动态前瞻控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微小线段动态前瞻控制方法和装置，通过对相邻两段直线轨迹段夹角极小情况下，将其拟合成为一段直线，从而减少前瞻计算时间，提高转接速度。本发明还本发明通过块前瞻处理，使得运动控制系统不需要静态或者动态指定前瞻段数，从而提高整体插补效率，减少运动控制系统存储空间，降低成本；而且在前瞻计算时提前考虑了插补周期影响，从而降低转接速度的跳动，提高加工精度。以及段前瞻处理，实现运动控制系统可以动态判断当前接收到的轨迹段是否为最后一段，从而置最后一段轨迹的终点速度为0。

Description

一种微小线段动态前瞻控制方法和装置

技术领域

本发明涉及运动控制系统的速度处理技术，特别是涉及通用运动控制器、数控系统和机器人控制系的微小线段动态前瞻控制方法。

背景技术

具有复杂型面工件的加工一般都是先通过CAM等软件把曲面曲线打断成大量的微小线段，再通过运动控制系统以直线插补或圆弧插补的方式完成复杂型面工件加工。由于复杂型面被打断成大量的微小线段，要实现复杂型面工件的高速度高精度加工，微小线段速度控制具有重大意义。它不仅直接影响工件的加工质量，加工效率，还影响加工设备的寿命。因为如果每一段微小线段的进给速度都从零开始加速然后再减速到零，将极大地降低平均进给速度，从而导致加工效率低下。另外，频繁的加减速也会降低加工工件的表面质量，加大电机负荷，降低电机寿命。

为解决上述问题，目前对微小线段的加工主要采用前瞻控制方法，使得每一段轨迹不用从零加速然后再减速到零。但是现有的前瞻控制方法存在以下四方面缺陷：(1)为了使得最后一段终点速度为0，目前的控制系统需要使用者指出某一段轨迹为最后一段，这在使用者也不知道哪一段是最后一段的情况下(比如微小线段轨迹是通过视觉系统得到)，无法使用，或者末段速度有跳动；(2)需要确定前瞻段数，这不仅会导致运动控制系统需要比较大的存储资源，而且当前的微小线段轨迹块前瞻插补完成后，需要等待下一个微小线段轨迹块完成前瞻计算才能重新插补，这个缺陷会降低整体效率(3)轨迹段段间衔接速度没有考虑插补周期只能是整数倍这个影响因素，这个缺陷会导致对一些插补周期小于2，或者起始速度等于运行速度且等于停止速度的轨迹段进行速度规划时，实际规划出的起始速度或停止速度有偏差，从而导致插补时速度产生突变，影响加工精度；(4)相邻两段直线轨迹段夹角极小情况下，没有做拟合处理，导致前瞻计算时间增加，且会降低加工效率。

发明内容

本发明提供一种微小线段动态前瞻控制方法和装置，解决了相邻段间缺少拟合，分别独自处理效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微小线段动态前瞻控制方法，包括以下处理过程：

确定前瞻控制指令中各相邻的微小线段指令的运动方向之间的夹角物理量；

判断所述夹角物理量是否小于预设的拟合角度物理量阈值；

对于所有夹角物理量小于拟合角度物理量阈值的两条相邻的微小线段指令拟合成新的微小线段指令。

优选的，所述相邻的微小线段指令的运动方向之间的夹角物理量为夹角的余弦值cosθ_i，其计算方式为：

其中：i＝1,2,3,……N，N表示接收到的待加工的微小线段数目；S_i表示微小线段指令L_i对应的线段的长度；S_i+1表示微小线段指令L_i+1对应的线段的长度；S_AB,i表示微小线段指令L_i对应的线段的起点到微小线段L_i+1指令对应的线段的终点的距离。所述的拟合角度物理量阈值的优选取值范围为大于0.9且小于0.9999999。

进一步的，还包括以下处理过程：

设置指令缓冲数量阈值；

判断指令缓冲区中的微小线段指令数量是否达到所述缓冲数量阈值；

当达到时，对所述指令缓冲区中的微小线段指令进行转接速度预计算；

否则，继续在指令缓冲区中缓存微小线段指令，并统计所述微小线段指令的数量，返回所述判断指令数量是否达到缓冲数量阈值的处理步骤。

优选的，所述转接速度预计算的具体过程为：

S41，计算在加速度约束和拐角约束条件下微小线段指令L_i+1和L_i转接速度速度V_i，计算方式为：

其中：A_max表示运动设备能够承受的最大加速度；T表示运动系统的插补周期；sinθ_i表示微小线段指令L_i+1和L_i在运动方向上夹角θ_i的正弦；

S42，判断V_i是否满足微小线段L_i+1路径长度约束，并根据判断结果调整V_i，计算方式为：

S421，判断以下条件是否成立：

S422，如果成立，表示微小线段L_i+1为加速段且不满足路径长度约束，然后按以下方式调整V_i：其中：V_i-1表示微小线段指令L_i-1和L_i的转接速度，S_i+1表示微小线段指令L_i+1对应的线段的长度；进入步骤S424；

S423，如果不成立，判断以下条件是否成立：

如果成立，表示微小线段L_i+1为减速段且不满足路径长度约束；然后按照以下方式调整V_i-1后，置i＝i-1，并返回步骤S421；如果不成立，进入步骤S424；

S424，判断以下条件是否成立：

V_if＝V_i-1＝V_i

如果成立，按照以下方式计算微小线段L_i+1的插补周期数N：

然后再按照以下方式调整V_i、V_i-1、V_if：

其中V_if为微小线段L_i+1的进给速度；然后转入步骤S421；

如果不成立，转入步骤S421。

进一步的，还包括以下处理过程：

设置块指令缓冲时间阈值；

判断所述块指令缓冲时间阈值内指令缓冲区中的微小线段指令数量是否保持不变，且小于所述指令缓冲数量阈值；

如果是，则将所述指令缓冲区中的最后一条微小线段指令所对应的微小线段的终点速度设置为零。

进一步的，还包括以下处理过程：

设置段指令缓冲时间阈值；

对于指令缓冲区中的最后一条微小线段指令，判断段指令缓冲时间阈值内所述微小线段指令是否还是指令缓冲区中的最后一条微小线段指令；

如果是，则将该微小线段指令所对应的微小线段的终点速度设置为零。

本发明还提供了微小线段动态前瞻控制装置，包括：

夹角物理量计算模块，用于确定前瞻控制指令中各相邻的微小线段指令的运动方向之间的夹角物理量；

判断模块，用于判断所述夹角物理量是否小于预设的拟合角度物理量阈值；

拟合处理模块，用于对于所有夹角物理量小于拟合角度物理量阈值的两条相邻的微小线段指令拟合成新的微小线段指令。

本发明的有益效果：

本发明中，通过计算相邻微小线段的夹角物理量，对于夹角在极小的情况下，将两段拟合成一段。即只在相邻两段直线轨迹段夹角极小情况下，将相邻两段直线轨迹段拟合成为一段直线。跟全部轨迹段都拟合相比，它能够极大地降低运算复杂度。跟全部不做拟合相比，它也能够降低运算复杂度，提高相邻两段轨迹转接速度。

进一步，本发明还实现了动态判断当前接收到的轨迹段是否为最后一段。即在用户通过视觉系统产生微小线段轨迹的情况下，用户不必判断哪一段轨迹是最后一段轨迹，运动控制系统会自动根据接收的运动命令情况自行判断是否把当前轨迹段终点速度设置为0。这种控制方法使得用户使用微小线段前瞻时更加方便，而且能够保证轨迹终点速度平滑减速到0，不产生跳动。

此外，本发明还可以不需要静态或者动态指定前瞻段数。即运动控制系统不需要事先设定或动态技术出前瞻段数，只需要插补开始前一次性前瞻和速度规划一定数量的轨迹段之后，边插补边逐段前瞻。这个技术一方面能够减少运动控制系统存储空间，降低成本，另一方面能够提高整体插补效率。

而且，本发明在前瞻计算时提前考虑插补周期影响，从而降低转接速度的跳动，提高加工精度。在前瞻计算阶段提前处理速度规划阶段产生的由于插补周期必须为整数使得轨迹段起点速度或者终点速度必须改变的问题，从而使得相邻两段轨迹转接速度能够平滑过渡，降低机械振动，提高插补精度。

附图说明

图1是本发明微小线段动态前瞻控制方法实施例一种基本流程图；

图2是本发明实施例一中的拟合处理具体流程图；

图3是本发明实施例一中的块前瞻模块处理流程图。

具体实施方式

以下结合实施例详细先介绍本发明中的几个关键技术点：拟合处理、块前瞻处理和段前瞻处理。

本发明的拟合处理旨在对相邻两段直线轨迹段夹角极小情况下，将其拟合成为一段直线，从而减少前瞻计算时间，提高转接速度。

本发明的块前瞻处理，使得运动控制系统不需要静态或者动态指定前瞻段数，从而提高整体插补效率，减少运动控制系统存储空间，降低成本；而且在前瞻计算时提前考虑了插补周期影响，从而降低转接速度的跳动，提高加工精度。

本发明的段前瞻处理实现了运动控制系统可以动态判断当前接收到的轨迹段是否为最后一段，从而置最后一段轨迹的终点速度为0。

以下通过实施例分别对上述三种处理的具体实现进行详细说明：

实施例一

如图1所示为拟合处理、块前瞻处理和段前瞻处理的一种时序逻辑，即先进行拟合处理，再判断块前瞻处理是否完成，如果没有完成则进行块前瞻处理，如果完成了则进行段前瞻处理。

在实际的控制中还可以采用其他不同的时序逻辑，或者省略一种或两种处理，例如只进行拟合处理和块前瞻处理等等。基于上述三种处理的各种时序逻辑都在本发明的保护范围之内。

以下就以实施例一的逻辑进行说明。运动控制系统接收到微小线段指令后，包括以下处理步骤：

一、拟合处理

拟合处理的原理就是根据微小线段指令轨迹参数做相应的拟合处理；

如图2所示处理步骤包括：

S11，计算微小线段指令L_i+1和L_i在运动方向上夹角θ_i的余弦；

S12，根据cosθ_i大小决定是否拟合微小线段指令L_i+1和L_i，如果cosθ_i大于0.999999，则将微小线段指令L_i+1和L_i拟合成新的微小线段L_i，反之，则不拟合；上述的0.999999为cosθ_i的阈值，其取值范围可以为大于0.9且小于0.9999999，根据不同的拟合精度进行设置。

在S11中计算微小线段指令L_i+1和L_i在运动方向上夹角θ_i的余弦cosθ_i方式为：

其中：i＝1,2,3,……N，N表示运动控制系统接收到的待加工的微小线段数目；S_i表示微小线段L_i的长度；S_i+1表示微小线段L_i+1的长度；S_AB,i表示微小线段L_i的起点到微小线段L_i+1终点的距离。

二、块前瞻处理

块前瞻处理就是对指令缓冲区整体做前瞻处理。

对指令缓冲区做前瞻处理的步骤包括：

S21等待指令缓冲区数目达到阀值C，如果指令缓冲区数目达到阀值C，则等待结束，转入步骤S22；

S22，计算微小线段指令L_i+1和L_i转接速度V_i，转入步骤S23；

S23，重复步骤S22直到指令缓冲区内的微小线段指令前置处理完毕。

在上述的块前瞻处理中，可以在步骤S21中增加以下的定时控制方式：如果超时Ta后指令缓冲区指令数目保持不变而且小于阀值C,则置指令缓冲区最后一段微小线段终点速度为0后，等待结束，转入步骤S22。

在上述的块前瞻处理中，如图3所示，步骤S22中的转接速度的计算方式具体可以为以下方式：

S41，计算在加速度约束和拐角约束条件下微小线段指令L_i+1和L_i转接速度速度V_i，计算方式为：

其中：A_max表示运动设备能够承受的最大加速度；T表示运动系统的插补周期；sinθ_i表示微小线段指令L_i+1和L_i在运动方向上夹角θ_i的正弦；

S42，判断V_i是否满足微小线段L_i+1路径长度约束，并根据判断结果调整V_i，计算方式为：

S421，判断以下条件是否成立：

S422，如果成立，表示微小线段L_i+1为加速段且不满足路径长度约束，然后按以下方式调整V_i：其中：V_i-1表示微小线段指令L_i-1和L_i的转接速度，S_i+1表示微小线段指令L_i+1对应的线段的长度；进入步骤S424；

S423，如果不成立，判断以下条件是否成立：

如果成立，表示微小线段L_i+1为减速段且不满足路径长度约束；然后按照以下方式调整V_i-1后，置i＝i-1，并返回步骤S421；如果不成立，进入步骤S424；

S424，判断以下条件是否成立：

V_if＝V_i-1＝V_i

如果成立，按照以下方式计算微小线段L_i+1的插补周期数N：

然后再按照以下方式调整V_i、V_i-1、V_if：

其中V_if为微小线段L_i+1的进给速度；然后转入步骤S421；

如果不成立，转入步骤S421。

上述的转接速度计算方式也可以其他的计算方式实现，这些实现方式都在本发明的保护范围之内。

三、段前瞻处理

段前瞻处理的步骤包括：

S31，(判断微小线段指令L_i+1是否是指令缓冲区内最后一段指令，如果是，则等待时间Tb，等待时间Tb后，微小线段指令L_i+1还是指令缓冲区内最后一段指令，则置L_i+1终点速度为零；

S32，调用步骤S22计算微小线段指令L_i+1和L_i转接速度速度V_i。

本发明还公开了一种微小线段动态前瞻控制装置，包括：夹角物理量计算模块、判断模块和拟合处理模块；其中，夹角物理量计算模块，用于确定前瞻控制指令中各相邻的微小线段指令的运动方向之间的夹角物理量；判断模块，用于判断所述夹角物理量是否小于预设的拟合角度物理量阈值；拟合处理模块，用于对于所有夹角物理量小于拟合角度物理量阈值的两条相邻的微小线段指令拟合成新的微小线段指令。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微小线段动态前瞻控制方法，其特征在于，包括以下处理过程：

确定前瞻控制指令中各相邻的微小线段指令的运动方向之间的夹角物理量；

判断所述夹角物理量是否小于预设的拟合角度物理量阈值；

对于所有夹角物理量小于拟合角度物理量阈值的两条相邻的微小线段指令拟合成新的微小线段指令。

2.根据权利要求1所述的微小线段动态前瞻控制方法，其特征在于，所述相邻的微小线段指令的运动方向之间的夹角物理量为夹角的余弦值cosθ_i，其计算方式为：

${\mathrm{cos\θ}}_i=\frac{{S_i}^2+{S_{i+1}}^2-{S_{AB,i}}^2}{2{S_i}^2{S_{i+1}}^2}$

其中：i＝1,2,3,……N，N表示接收到的待加工的微小线段数目；S_i表示微小线段指令L_i对应的线段的长度；S_i+1表示微小线段指令L_i+1对应的线段的长度；S_AB,i表示微小线段指令L_i对应的线段的起点到微小线段L_i+1指令对应的线段的终点的距离。

3.根据权利要求2所述的微小线段动态前瞻控制方法，其特征在于，所述的拟合角度物理量阈值的取值范围为大于0.9且小于0.9999999。

4.根据权利要求1-3任一项所述的微小线段动态前瞻控制方法，其特征在于，还包括以下处理过程：

设置指令缓冲数量阈值；

判断指令缓冲区中的微小线段指令数量是否达到所述缓冲数量阈值；

当达到时，对所述指令缓冲区中的微小线段指令进行转接速度预计算；

否则，继续在指令缓冲区中缓存微小线段指令，并统计所述微小线段指令的数量，返回所述判断指令数量是否达到缓冲数量阈值的处理步骤。

5.根据权利要求4所述的微小线段动态前瞻控制方法，其特征在于，所述转接速度预计算的具体过程为：

S41，计算在加速度约束和拐角约束条件下微小线段指令L_i+1和L_i转接速度速度V_i，计算方式为：

$V_i=\frac{A_{\max }T}{{\mathrm{sin\θ}}_i}$

其中：A_max表示运动设备能够承受的最大加速度；T表示运动系统的插补周期；sinθ_i表示微小线段指令L_i+1和L_i在运动方向上夹角θ_i的正弦；

S42，判断V_i是否满足微小线段L_i+1路径长度约束，并根据判断结果调整V_i，计算方式为：

S421，判断以下条件是否成立：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{i-1}<V_i\\ \left|{V_{i-1}}^2-V_i^2\right|<2A_{\max }(S_{i+1}-V_{i-1})\end{array}\right.$

S422，如果成立，表示微小线段L_i+1为加速段且不满足路径长度约束，然后按以下方式调整V_i：其中：V_i-1表示微小线段指令L_i-1和L_i的转接速度，S_i+1表示微小线段指令L_i+1对应的线段的长度；进入步骤S424；

S423，如果不成立，判断以下条件是否成立：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{i-1}>V_i\\ \left|{V_{i-1}}^2-V_i^2\right|<2A_{\max }(S_{i+1}-V_{i-1})\end{array}\right.$

如果成立，表示微小线段L_i+1为减速段且不满足路径长度约束；然后按照以下方式调整V_i-1后，置i＝i-1，并返回步骤S421；如果不成立，进入步骤S424；

$V_{i-1}=\sqrt{{A_{\max }}^2+V_i^2+2A_{\max }{S}_{i+1}}-A_{\max }$

S424，判断以下条件是否成立：

V_if＝V_i-1＝V_i

如果成立，按照以下方式计算微小线段L_i+1的插补周期数N：

$N=\frac{S_{i+1}}{V_{if}T}$

然后再按照以下方式调整V_i、V_i-1、V_if：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_f=\frac{S_{i+1}}{NT}\\ V_{i-1}=V_{if}\\ V_i=V_{if}\end{array}\right.$

其中V_if为微小线段L_i+1的进给速度；然后转入步骤S421；

如果不成立，转入步骤S421。

6.根据权利要求4所述的微小线段动态前瞻控制方法，其特征在于，还包括以下处理过程：

设置块指令缓冲时间阈值；

判断所述块指令缓冲时间阈值内指令缓冲区中的微小线段指令数量是否保持不变，且小于所述指令缓冲数量阈值；

如果是，则将所述指令缓冲区中的最后一条微小线段指令所对应的微小线段的终点速度设置为零。

7.根据权利要求4所述的微小线段动态前瞻控制方法，其特征在于，还包括以下处理过程：

设置段指令缓冲时间阈值；

对于指令缓冲区中的最后一条微小线段指令，判断段指令缓冲时间阈值内所述微小线段指令是否还是指令缓冲区中的最后一条微小线段指令；

如果是，则将该微小线段指令所对应的微小线段的终点速度设置为零。

8.一种微小线段动态前瞻控制装置，其特征在于，包括：

夹角物理量计算模块，用于确定前瞻控制指令中各相邻的微小线段指令的运动方向之间的夹角物理量；

判断模块，用于判断所述夹角物理量是否小于预设的拟合角度物理量阈值；

拟合处理模块，用于对于所有夹角物理量小于拟合角度物理量阈值的两条相邻的微小线段指令拟合成新的微小线段指令。