CN108037737B - 快速响应的点到点s形速度规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种快速响应的点到点S形速度规划方法，包括：S1：当用户参数调整发生在停止或匀速段时，S1.1：则通过迭代计算出各阶段需要的时间，并使其总和最小，并转步骤S3；S2：当用户参数调整发生非匀速段时：则进行如下步骤：S2.1：备份当前速度曲线，然后依次进行如下两种试探：S2.2：利用修改后的用户参数反向虚拟出一段反向虚拟速度曲线：S2.3：正向虚拟出一段正向虚拟速度曲线：S2.4：若以上试探皆失败，则恢复备份，等待下次有参数变更时再试探，重新进入步骤S2.1；S3：按规划好的速度曲线，输出脉冲值。本发明的方法，整体的运动冲击较小，振动较小，整体效率提高。

Description

快速响应的点到点S形速度规划方法

技术领域

本发明涉及数控系统技术领域，尤其涉及一种快速响应的点到点S形速度规划方法。

背景技术

当前，开放式的数控系统研究已经成为世界各国数控界研究的热点，尤其是加减速控制技术的研究上更当前的一个重点。数控机床的进精度、生产率以及工件表面粗糙度有着密切关系，数控机床的进给速度应该稳定、停止的位置准确。因此数控机床系统必须具有加减速控制功能。

现在较为流行的加减速控制是S型加减速控制，相比直线型加减速和指数型加减速控制，S型加减速控制有速度曲线光滑、均匀、运动平稳、无冲击等优势。S型加减速控制能较好的实现机床各轴的平滑启停和速度切换，可做到无加速的突变，能够较好的减少机床的运动冲击和震荡，从而有效的提高工件的加工质量，特别适用于高速高精加工。

一个完整的S型加减速曲线要包括7个速度曲线段，即加加速段、匀加速段、减加速段、匀速度段、加减速段、匀减速段和减减速度段。当前已经有很多的S形速度规划算法，这在众多企业的不同类型产品上已得到印证。

但在手动控制时，比如手动连续、手轮、机械臂以及探针探测时，由于用户会随时变更目标点的位置，或者最大速度等运动限定参数，但传统的S形速度规划算法，并不具备快速响应能力。

当前，不少数控系统，在实时性要求更高的手动运动中，只好以比较低级的梯形速度曲线进行规划，导致运动冲击大，振动剧烈，定位精度差；最后不得不下调参数，反过来影响效率。或者即便采用S形速度曲线算法，也只允许中途调整终点位置及最大速度。

难点及关键点在于：当起止加速度为零时，可以通过迭代计算出各阶段需要的时间，并使其总和最小；但若当前状态在非匀速状态时，如何快速响应用户参数的变更，且使速度曲线仍然保持平滑。

发明内容

为了至少解决现有的技术问题。

本发明实施例提供了一种快速响应的点到点S形速度规划方法，应用于数控系统，所述方法包括：

S1：当用户参数调整发生在停止或匀速段时，S1.1：则通过迭代计算出各阶段需要的时间，并使其总和最小，并转步骤S3；

S2：当用户参数调整发生非匀速段时：则进行进行如下步骤：

S2.1：备份当前速度曲线，然后依次进行如下两种试探：

S2.2：利用修改后的用户参数反向虚拟出一段反向虚拟速度曲线：

S2.2.1：使起点加速度、加加速为0，终点运动参数为当前的(vt，at，jt)，限定参数则采用新的限定参数；

S2.2.2：将剩余位移量与该段反向虚拟速度曲线的位移量相加，以该段反向虚拟速度曲线的起始速度为起始速度，规划出新的速度曲线；

S2.2.3：判断所述反向虚拟速度曲线正好重叠于新规划出的新的速度曲线上，是则试探成功，将新的速度曲线剩余部分保存，准备输出并进入步骤S3；否则转下一类试探；

S2.3：利用修改后的用户参数正向虚拟出一段正向虚拟速度曲线：

S2.3.1：加加速采用新的最大值，但符号与当前加速度相反，使加速度迅速降为0；

S2.3.2：判断上述正向虚拟速度曲线终点速度是否小于0，或剩余位移量是否比该段位移量小，是则试探失败，转步骤S2.4，否则进入下一步骤；

S2.3.3：以所述正向虚拟速度曲线的终点速度为起始速度，终点速度为0，规划出一条最快减速曲线；

S2.3.4：判断当前剩余位移量是否大于等于虚拟运动位移及最快减速曲线的位移总和，是则试探成功，将所述正向虚拟速度曲线保存准备输出并进入步骤S3；否则试探失败，转步骤S2.4；

S2.4：若以上试探皆失败，则恢复备份的当前速度曲线，等待下次有参数变更，或运动阶段发生变更时再试探，重新进入步骤S2.1；

S3：按规划好的速度曲线，输出脉冲值。

在S形速度曲线七段中的任意时刻，用户可能任意调整位置、速度、加速度、加加速及其任意组合，必须在当前已规划好的速度曲线基础上实时响应变更，由于组合非常多，若采用普通算法，需大量的逻辑判断分支来完成，无法满足实时性；且普通算法，很难完成在非匀速段的调整，使之与当前速度曲线平滑衔接，比如某些算法，就无法在制动阶段响应参数调整。

本发明的方法，可以在任意时段对参数进行调整，对于在非匀速阶段的参数调整，本发明采用先反向虚拟试探，不成功后再进行正向虚拟试探，若反向虚拟速度曲线刚好与重新规划的新的速度曲线相重合，则可以直接运行新的速度曲线，响应速度非常快，不需要进行减速再加速的操作。若进行正向虚拟试探的时候，则比对当前剩余位移量是否大于等于虚拟运动位移及最快减速曲线的位移总和，如果则直接按正向虚拟速度曲线输出运行。本发明的方法可以在插补周期1ms内响应，响应速度非常快，从而可以广泛应用于精加工设备当中，例如数控机床、加工中心和一些精密机械智能手臂当中。整体的运动冲击较小，振动较小，定位精度高，动点到点的运动快速而平稳；整体效率提高。

同时，本发明还提供了一种非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序用于执行如上所述的快速响应的点到点S形速度规划方法。存储介质包括但不限于ROM、RAM、普通硬盘、U盘或者软盘。只需要可以用于存储相应程序即可，通过存储介质将相应的可执行程序存储起来后，可以将方便的将相应的可执行程序安装到相应的数控装置当中，从而对数控装置实现控制。

同时，本发明还提供了一种数控装置，包括：至少一个处理器、一个执行部件；以及存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的如上所述的计算机可执行程序，所述计算机可执行程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够向所述执行部件发送指令，控制所述执行部件的运动。所述数控装置为数控机床、加工中心、机械手臂当中的任意一种。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的快速响应的点到点S形速度规划方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的快速响应的点到点S形速度规划方法中的反向虚拟速度曲线部分子流程图；

图3为本发明一实施例提供的快速响应的点到点S形速度规划方法中的正向虚拟速度曲线部分子流程图；

图4是一个完整的S形加减速曲线的加减速过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示为本发明实施例提供的一种快速响应的点到点S形速度规划方法，应用于数控系统。

首先确认用户参数是否有调整，如果没有调整，则直接按预定的速度规划曲线进行输出运行即可。若用户参数有调整，则进入正式响应程序，具体的方案如下：

S1：当用户参数调整发生在停止或匀速段时，S1.1：则通过迭代计算出各阶段需要的时间，并使其总和最小，并转步骤S3；

S2：当用户参数调整发生非匀速段时：则进行进行如下步骤：

S2.1：备份当前速度曲线，然后依次进行如下两种试探：

S2.2：利用修改后的用户参数反向虚拟出一段反向虚拟速度曲线：

S2.2.1：使起点加速度、加加速为0，终点运动参数为当前的(vt，at，jt)，限定参数则采用新的限定参数；

S2.2.2：将剩余位移量与该段反向虚拟速度曲线的位移量相加，以该段反向虚拟速度曲线的起始速度为起始速度，规划出新的速度曲线；

S2.2.3：判断所述反向虚拟速度曲线正好重叠于新规划出的新的速度曲线上，是则试探成功，将新的速度曲线剩余部分保存，准备输出并进入步骤S3；否则转下一类试探∶

S2.3：利用修改后的用户参数正向虚拟出一段正向虚拟速度曲线：

S2.3.1：加加速采用新的最大值，但符号与当前加速度相反，使加速度迅速降为0；

S2.3.2：判断上述正向虚拟速度曲线终点速度是否小于0，或剩余位移量是否比该段位移量小，是则试探失败，转步骤S2.4，否则进入下一步骤；

S2.3.3：以所述正向虚拟速度曲线的终点速度为起始速度，终点速度为0，规划出一条最快减速曲线；

S2.3.4：判断当前剩余位移量是否大于等于虚拟运动位移及最快减速曲线的位移总和，是则试探成功，将所述正向虚拟速度曲线保存准备输出并进入步骤S3；否则试探失败，转步骤S2.4；

S2.4：若以上试探皆失败，则恢复备份的当前速度曲线，等待下次有参数变更，或运动阶段发生变更时再试探，重新进入步骤S2.1；

S3：按规划好的速度曲线，输出脉冲值。

在S形速度曲线七段中的任意时刻，用户可能任意调整位置、速度、加速度、加加速及其任意组合，必须在当前已规划好的速度曲线基础上实时响应变更，由于组合非常多，若采用普通算法，需大量的逻辑判断分支来完成，无法满足实时性；且普通算法，很难完成在非匀速段的调整，使之与当前速度曲线平滑衔接，比如某些算法，就无法在制动阶段响应参数调整。

本发明的方法，可以在任意时段对参数进行调整，对于在非匀速阶段的参数调整，本发明采用先反向虚拟试探，不成功后再进行正向虚拟试探，若反向虚拟速度曲线刚好与重新规划的新的速度曲线相重合，则可以直接运行新的速度曲线，响应速度非常快，不需要进行减速再加速的操作。若进行正向虚拟试探的时候，则比对当前剩余位移量是否大于等于虚拟运动位移及最快减速曲线的位移总和，如果则直接按正向虚拟速度曲线输出运行。本发明的方法可以在插补周期1ms内响应，响应速度非常快，从而可以广泛应用于精加工设备当中，例如数控机床、加工中心和一些精密机械智能手臂当中。整体的运动冲击较小，振动较小，定位精度高，动点到点的运动快速而平稳；整体效率提高。

如图4所示，设定，一个完整的S形加减速曲线要包括7个速度曲线段，即①加加速段，其路程为L₁，时间为t₁、②匀加速段，其路程为L₂，时间为t₂、③减加速段，其路程为L₃，时间为t₃、④匀速度段，其路程为L₄，时间为t₄、⑤加减速段，其路程为L₅，时间为t₅、⑥匀减速段，其路程为L₆，时间为t₆和⑦减减速段，其路程为L₇，时间为t₇，

虽然七段可分别设定各自受限的最大值，比如匀加速段与匀减速段的加速度绝对值(A₊，A_-)可以不相等，但为了简化起见，一般是统一限定全程的最大速度为V_max、最大加速度为A_max、最大加加速度为J_max，起始速度为v_s、终止速度为v_e、起止点间的总路程为L；

速度曲线的规划，即为确定出各段的时间t_i(1≤i≤7)，对应各段的路程为L_i(1≤i≤7)，使之满足起止状态及限定条件；若某段对应的t_i＝0时，意味着该段L_i＝0退化成一个点，即该段实际上不存在。

把一个完整的S形加减速曲线可分成三部分：加速段①②③，减速段⑤⑥⑦，及匀速段④，它们有个共同特点：起止处的加速度、加加速均为0。

当起止点的加速度、加加速均为0时，若已知起止速度v_s，v_e，及限定的最大速度V_max、最大加速度A_max、最大加加速度J_max，则从v_s→v_e所需的最短总路程L_min(v_s→v_e)是确定的。

当v_s＝v_e时，L_min(v_s→v_e)＝0；当v_s＜v_e时，仅经历加速段①②③(第②段可能退化成一个点)，L_min(v_s→v_e)＝L₁₂₃＝L₁+L₂+L₃；当v_s＞v_e时，仅经历减速段⑤⑥⑦(第⑥段可能退化成一个点)，L_min(v_s→v_e)＝L₅₆₇＝L₅+L₆+L₇。

在上述限定下，且已知起止点间的总路程L，则可以通过下述算法可迅速获得一条最短时间的速度规划曲线。具体步骤如下：

S1.1.1：若无需先加速再减速过程，计算出v_s→v_e所需的最短总路程L_min(v_s→v_e)，若L_min(v_s→v_e)＞L，则表明该段不可S形速度曲线规划(限定的A_max或J_max值过小)，退出；

S1.1.2：若存在最大速度的匀速段，令其值为v_max＝V_max，则L₄＝L-L_min(v_s→v_max)-L_min(v_max→v_e)，若L₄≥0，则假设成立，

完成规划退出；

S1.1.3：经历以上两步后，可以确定所需的最大速度v_max必介于max(v_s，v_e)与V_max之间，且匀速段退化成一个点(即L₄＝0)。因L₄＝L-L₁₂₃-L₅₆₇，而L₁₂₃、L₅₆₇均可看作是v_max的函数值，L保持不变，则可通过牛顿迭代算法，快速计算出所需的v_max，使L₄恰好等于0，完成规划。

本发明还公开了一种非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序用于执行如上所述的快速响应的点到点S形速度规划方法。存储介质包括但不限于ROM、RAM、普通硬盘、U盘或者软盘。只需要可以用于存储相应程序即可，通过存储介质将相应的可执行程序存储起来后，可以将方便的将相应的可执行程序安装到相应的数控装置当中，从而对数控装置实现控制。

同时，本发明还提供公开了一种数控装置，包括：至少一个处理器、一个执行部件；以及存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的如上所述的计算机可执行程序，所述计算机可执行程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够向所述执行部件发送指令，控制所述执行部件的运动。所述数控装置为数控机床、加工中心、机械手臂当中的任意一种。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.快速响应的点到点S形速度规划方法，能够应用于数控系统，所述方法包括：

S1：当用户参数调整发生在停止或匀速段时，S1.1：则通过迭代计算出各阶段需要的时间，并使其总和最小，并转步骤S3；

S2：当用户参数调整发生在非匀速段时：则进行如下步骤：

S2.1：备份当前速度曲线，然后依次进行如下两种试探：

S2.2：利用修改后的用户参数反向虚拟出一段反向虚拟速度曲线：

S2.2.1：使起点加速度、加加速为0，终点运动参数为当前的(vt,at,jt)，限定参数则采用新的限定参数；

S2.2.2：将剩余位移量与该段反向虚拟速度曲线的位移量相加，以该段反向虚拟速度曲线的起始速度为起始速度，规划出新的速度曲线；

S2.2.3：判断所述反向虚拟速度曲线正好重叠于新规划出的新的速度曲线上，是则试探成功，将新的速度曲线剩余部分保存，准备输出并进入步骤S3；否则转下一种试探；

S2.3：利用修改后的用户参数正向虚拟出一段正向虚拟速度曲线：

S2.3.1：加加速采用新的最大值，但符号与当前加速度相反，使加速度迅速降为0；

S2.3.2：判断上述正向虚拟速度曲线终点速度是否小于0，或剩余位移量是否比该段位移量小，是则试探失败，转步骤S2.4，否则进入下一步骤；

S2.3.3：以所述正向虚拟速度曲线的终点速度为起始速度，终点速度为0，规划出一条最快减速曲线；

S2.3.4：判断当前剩余位移量是否大于等于正向虚拟速度曲线中虚拟运动位移及最快减速曲线的位移总和，是则试探成功，将所述正向虚拟速度曲线保存准备输出并进入步骤S3；否则试探失败，转步骤S2.4；

S2.4：若以上试探皆失败，则恢复备份的当前速度曲线，等待下次有参数变更，或运动阶段发生变更时再试探，重新进入步骤S2.1；

S3：按规划好的速度曲线，输出脉冲值。

2.一种非易失性计算机存储介质，存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序用于执行权利要求1所述的快速响应的点到点S形速度规划方法。

3.根据权利要求2所述的非易失性计算机存储介质，其中，所述存储介质为ROM、RAM、硬盘、U盘、软盘当中的任意一种。

4.一种数控装置，包括：至少一个处理器、一个执行部件；以及存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的如权利要求2所述的计算机可执行程序，所述计算机可执行程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够向所述执行部件发送指令，控制所述执行部件的运动。

5.根据权利要求4所述的数控装置，其中，所述数控装置为数控机床、加工中心、机械手臂当中的任意一种。

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