CN109254563B - 一种数控速度滤波方法及其滤波系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控速度滤波方法及其滤波系统。所述滤波方法包括：将任一周期的插补速度作为滤波输入，然后打开滤波，根据该周期的插补周期和滤波时间，通过三角函数计算出该滤波时间下的滤波权值；根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，计算出平滑轨迹速度，之后将所述平滑轨迹速度输出。通过三角函数计算出不同滤波时间下的滤波权值，采用滑动加权平均原理即可计算出平滑轨迹速度。同时，可以通过修改滤波权值来适应不同的轨迹和工艺要求。该滤波方法及系统，可有效地消除在过渡段衔接处由于计算精度误差导致无法完美衔接而产生的最终轨迹位置失真和抖动现象，使机床的运动更加柔和，速度曲线更加平滑，提高了工件的加工精度。

Description

一种数控速度滤波方法及其滤波系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种数控速度滤波方法及其滤波系统。

背景技术

数控系统通过对NC程序进行前瞻计算，根据计算出的轨迹进行插补以及速度规划，从而使得整个运动过程相对平滑，但是，在进行B样条或NURBS曲线过渡时，在轨迹衔接处(原本轨迹和拟合曲线相接处)会出现因计算精度误差而导致的衔接速度跳变的问题，为了不影响前面稳定的前瞻和插补计算过程，需要增加滤波算法进行滤波处理，使得速度曲线平滑。其中，NC(Numerical Control,数字控制,简称数控)程序即数控程序。

传统的滤波方法大多是对单段轨迹进行滤波或者是对整个运动过程滤波，并且轨迹始末速度为零，这种滤波方法无法适应增加了样条过渡、速度不为零并且由于计算精度误差产生了拐角速度跳变的平滑处理，在过渡衔接处导致无法完美衔接，从而出现最终轨迹位置失真和抖动现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术的不足，提供一种数控速度滤波方法及其滤波系统，可以消除增加拟合段轨迹后产生的由于计算精度误差导致的衔接处速度跳变，避免出现最终轨迹位置失真和抖动现象，使速度曲线更加平滑，机床的运动更加柔和，提高了工件的加工精度。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种数控速度滤波方法，所述数控速度滤波方法包括步骤A、将任一周期的插补速度作为滤波输入，然后打开滤波，根据该周期的插补周期和滤波时间，通过三角函数计算出该滤波时间下的滤波权值；

步骤B、根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，计算出平滑轨迹速度，之后将所述平滑轨迹速度输出。

本发明的更进一步优选方案是:步骤A2：判断是否打开滤波，当是时，则进行滤波处理，当否时，则将实际滤波输入作为滤波输出。

本发明的更进一步优选方案是:步骤A1、判断滤波开关是否改变，当是时，则等待当前待输出数据为空时，修改滤波状态为等待状态，然后进入步骤A2；当否时，则直接进入步骤A2。

本发明的更进一步优选方案是:所述滤波处理具体包括：

步骤A3、判断滤波时间是否改变，当是时，则等待当前待输出数据为空时修改滤波权值；当否时，则进入步骤A4；

步骤A4、判断滤波输入是否为0，当是时，等待当前滤波输出为0时进入步骤A4；当否时，则直接进入步骤A5；

步骤A5、判断是否存在待处理数据，当是时，则将当前滤波输入放入待处理数据末尾，并提取待处理数据首位数据作为滤波输入，然后进入步骤B；当否时，则直接进入步骤B。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤A2具体包括：

步骤A21、判断滤波开关是否改变，当是时，判断当前数据是否为空；

步骤A22、当当前数据为空时，修改滤波状态为等待状态；

步骤A23、当当前数据不为空时，保持原滤波状态进入步骤A1。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤A3具体包括：

A31、判断滤波时间是否改变，当是时，判断当前数据是否为空；

A32、当当前待输出数据为空时，修改滤波时间重新计算滤波权值；

A33、当当前待输出数据不为空时，保持原滤波时间进入步骤A4。

本发明的更进一步优选方案是:所述通过余弦函数计算滤波权值的方法为：

其中，N表示滤波时间周期数，即每次计算的取样周期数；H(k)表示N个取样周期中的第k个取样周期的权值，K为0到N。

本发明的更进一步优选方案是:所述平滑轨迹速度的计算方法为：

F(i)＝H(1)×X(i-N)+···+H(i-1)×X(i-1)+H(i)×X(i)

其中，X(i)表示当前周期的滤波输入，X(i-1)表示前一周期的滤波输入，X(i-N)表示前N个周期的滤波输入，F(i)表示滤波输出。

本发明的更进一步优选方案是:所述滤波权值和为1且比例分布满足余弦函数，所述余弦函数的定义域为(-π，π)。

本发明还提供一种数控速度滤波系统，所述数控速度滤波系统包括：

滤波权值计算模块，用于将任一周期的插补速度作为滤波输入，然后打开滤波，根据该周期的插补周期和预设滤波时间，通过三角函数计算出该预设滤波时间下的滤波权值；

滤波处理模块，用于根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，计算出平滑轨迹速度，之后将所述平滑轨迹速度输出。

本发明的有益效果在于，根据该周期的插补周期和滤波时间，通过三角函数计算出该滤波时间下的滤波权值；然后采用滑动加权平均原理，根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，即可计算出平滑轨迹速度。同时，可以修改滤波权值来适应不同的轨迹和工艺要求。所述数控速度滤波方法及滤波系统，可将原本带细小抖动的速度曲线修正为平滑曲线，有效地消除在过渡段衔接处由于计算精度误差导致无法完美衔接而产生的最终轨迹位置失真和抖动现象，使机床的运动更加柔和，速度曲线更加平滑，提高了工件的加工精度，且不需要在处理衔接速度的细微调整上花费大量的计算时间。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明数控速度滤波方法的流程图；

图2是本发明步骤S110中的滤波处理的具体流程图；

图3是本发明数控速度滤波方法的详细流程图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1所示，本实施例所述数控速度滤波方法包括：

步骤S100、将任一周期的插补速度作为滤波输入，然后打开滤波，根据该周期的插补周期和滤波时间，通过三角函数计算出该滤波时间下的滤波权值；

步骤S200、根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，计算出平滑轨迹速度，之后将所述平滑轨迹速度输出。

本发明采用滑动加权平均滤波的原理，通过构造具备平滑特性的滤波权值来使滤波输出结果具备平滑特性。具体地，采用三角函数作为参数计算的参照，构造出具备平滑特性的滤波权值，后采用滑动加权平均原理将每一个输入滤波器的数据分解为具备平滑特性的多个数据输出，赋予整个速度曲线平滑特性，解决了样条过渡时轨迹衔接处速度跳变的问题。其中，针对不同的轨迹和工艺需求，可以通过修改滤波权值来使滤波输出结果具备平滑特性。

根据任一周期的插补周期和滤波时间，并通过三角函数计算出该滤波时间下的滤波权值；然后采用滑动加权平均原理，根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，即可计算出平滑轨迹速度。此速度滤波方法，可将原本带细小抖动的速度曲线修正为平滑曲线，可以有效地消除在过渡段衔接处由于计算精度误差导致无法完美衔接而产生的最终轨迹位置失真和抖动现象，可以使机床的运动更加柔和，速度曲线更加平滑，且不需要在处理衔接速度的细微调整上花费大量的计算时间。

其中，所述滑动加权平均滤波原理的公式为：

其中，F(j)为滤波输出，X(i)为滤波输入，H(i)为滤波过程的滤波权值，j表示第j个输出值，X(i)中的i表示前m个数据中的第i个滤波输入数据。

在本实施例中，所述三角函数采用余弦函数，所述余弦函数的定义域为(-π，π)。因三角函数在其定义域内对称且具备平滑特性，所以采用三角函数作为参数计算的参照，有利于构造出具备平滑特性的滤波权值。进一步地，所述滤波权值和为1且比例分布满足余弦函数，按照此条件采用余弦函数计算出不同滤波时间下的滤波权值。

进一步地，所述采用余弦函数计算滤波权值的方法为：

其中，N表示滤波时间周期数，即每次计算的取样周期数；H(k)表示N个取样周期中的第k个取样周期的权值，k为0到N。具体的，N＝t/T，已知滤波时间t和运行插补周期T，可知滤波时间周期数N。

如图3所示，所述滤波输入之后打开滤波之前还包括：

步骤S110、判断滤波开关是否改变，当是时，则等待当前待输出数据为空时，修改滤波状态为等待状态，然后进入步骤S120；当否时，则直接进入步骤S120。

进一步地，在本实施例中，所述步骤S110具体包括：

步骤S111、判断滤波开关是否改变，当是时，判断当前待输出数据是否为空；

步骤S112、当当前待输出数据为空时，修改滤波状态为等待状态；

步骤S113、当当前待输出数据不为空时，保持原滤波状态进入步骤S120。

整个滤波过程分为运行状态、等待状态和关闭状态。等待状态表示之前存储的输入数据都已经转化为滤波结果输出。当判断滤波开关改变时，即表示当前过程为运行状态，则要等待当前剩余数据滤波完成，即待输出数据为空时，修改滤波状态为等待状态。使当前剩余数据滤波完成后、待输出数据为空时，后续再进行滤波时间的修改以及滤波流程的开关,可以避免在运动中开、关滤波导致的输出数据的丢失。

进一步地，在本实施例中，所述打开滤波的步骤包括：

步骤S120：判断是否打开滤波，当是时，则进行滤波处理，当否时，则将实际滤波输入作为滤波输出。

其中，判断是否打开滤波，即可判断当前滤波状态是否为关闭状态，滤波未打开即表示当前滤波为关闭状态，则以实际输入作为滤波输出；当滤波打开后即可进行下一步的滤波处理。

在滤波流程中，在相同的滤波输入下，滤波时间越长，输出值就越平滑，对运动来说花费的时间就越多，那么在运动过程中，滤波时间越长，整个运动就越平稳，为了同时兼顾效率和精度，就需要在不同的轨迹处使用不同的滤波时间。如在走大型长直线轨迹时，可以将滤波时间加长，是整个运动更稳定，从而达到更大的速度；在走小的拐角或圆弧时，可以降低滤波时间，以保证加工的精度。通过不断改变滤波时间可以适应加工过程中各种形状的加工需求。进一步地，为了适应外部可以不断改变滤波时间来控制工艺情况，将滤波时间作为参数开放给外部设置，具体通过NC代码调用M代码的形式来使用。通过在插补过程中修改滤波时间来控制加工工艺，在不同的轨迹情况下使用不同的滤波时间，可以适应运动中多种轨迹的要求，同时兼顾了整个工件的加工效率和精度。

如图2所示，所述步骤S120中的滤波处理具体包括：

步骤S130、判断滤波时间是否改变，当是时，则等待当前待输出数据为空时修改滤波权值；当否时，则进入步骤S140；

步骤S140、判断滤波输入是否为0，当是时，等待当前滤波输出为0时进入步骤S150；当否时，则直接进入步骤S150；

步骤S150、判断是否存在待处理数据，当是时，则将当前滤波输入放入待处理数据末尾，并提取待处理数据首位数据作为滤波输入，然后进入步骤S200；当否时，则直接进入步骤S200。

如图3所示，进一步地，所述步骤S130具体包括：

S131、判断滤波时间是否改变，当是时，判断当前待输出数据是否为空；

S132、当当前待输出数据为空时，修改滤波时间重新计算滤波权值；

S133、当当前待输出数据不为空时，保持原滤波时间进入步骤S140。

更进一步地，所述步骤S140具体包括：

S141、判断滤波输入是否为0，当是时，判断当前滤波输出是否为0；

S142、当当前滤波输出为0时，进入步骤S150；

S143、当当前滤波输出不为0时，将接下来的滤波输入添加到待处理数据，直到输出为0，之后进入步骤S200。

打开滤波后，每次检查滤波时间是否改变，即每次检查当前设置的滤波时间是否和上一滤波时间一致，具体的，在计算中会记录之前的滤波时间，然后每次计算都会检查外部设置的滤波时间是否和记录的上一滤波时间一致,如果滤波时间发生改变，就需要在轨迹输出完成之后，未输出数据为0时修改滤波时间，重新计算滤波权值和分配滤波数据空间。针对不同的轨迹和工艺要求，通过修改滤波时间，达到修改滤波权值的目的，使滤波输出具备平滑特性，避免了最终轨迹位置失真和抖动现象，使机床的运动更加柔和。同时，可以适应运动中多种轨迹的要求，提高了工件的加工精度。

为了适应增加了样条过渡的运动控制方法，在外部滤波输入Vt＝0时，判断当前点为轨迹的分段点，由于在这个时候需要进行其他操作比如快速定位、蛙跳、关光等操作，且滤波具有一定的延时，此时需要等待滤波器的输出值为0，即整个运动在停止状态时才能进行下一段轨迹的滤波运算，否则会导致原本的静止点产生运动，导致失真；同时将后面轨迹的输入数据存储起来，在下一段运动开始时加入到滤波器数据中，保证数据的完整性。通过判断滤波输入为0来自动寻找滤波输出的分界点，在分界处延迟数据的输入，直到前N个周期存储的数据输出完成，确保位置到达目标点，可以消除全轨迹滤波导致静止点滤波后带速度的问题。

最终通过存储起来的前N个周期的输入数据，将每个数据按照给定的滤波权值H(i)分配给接下来的N个周期进行输出，那么每个周期的输出值为前N个周期的输入的共同作用(包括当前周期在内的前N个周期的输入的共同作用)。根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，即可计算出平滑轨迹速度。

进一步地，所述平滑轨迹速度的计算方法为：

F(i)＝H(1)×X(i-N)+···+H(i-1)×X(i-1)+H(i)×X(i)

其中，X(i)表示当前周期的滤波输入，X(i-1)表示前一周期的滤波输入，X(i-N)表示前N个周期的滤波输入，F(i)表示滤波输出。

举例如下：

运行插补周期为0.5ms；输入速度数据：5,5,5,5.2,5,5；和为30.2

设定滤波时间t为5.5ms，即取样周期数为11个。

则计算出滤波权值依次为：0.00000000000000000，0.019098300562505263，0.069098300562505252，0.13090169943749472，0.18090169943749471，0.20000000000000018，0.18090169943749471，0.13090169943749472，0.069098300562505252，0.019098300562505263，0.00000000000000000，

经过滤波计算之后输出速度为：0，0.095492，0.440983，1.095492，2.00382，3.01382，3.930689，4.499706，4.503525，3.940689，3.02618，2.01382，1.099311，0.440983，0.095492，0；和仍为30.2，可知，经过速度滤波后在位置上没有出现失真现象。

本发明还提供一种数控速度滤波系统，所述滤波系统包括：

滤波权值计算模块，用于将任一周期的插补速度作为滤波输入，然后打开滤波，根据该周期的插补周期和滤波时间，通过三角函数计算出该滤波时间下的滤波权值；

滤波处理模块，用于根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，计算出平滑轨迹速度，之后将所述平滑轨迹速度输出。

可以根据不同的轨迹更改不同的滤波时间，并通过三角函数计算出该预设滤波时间下的滤波权值计算出滤波权值，

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述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；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种数控速度滤波方法，其特征在于，包括：

步骤A、将任一周期的插补速度作为滤波输入，然后打开滤波，根据该周期的插补周期和滤波时间，通过余弦函数计算出该滤波时间下的滤波权值，所述余弦函数的定义域为(-π,π)；

步骤B、根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，计算出平滑轨迹速度，之后将所述平滑轨迹速度输出。

2.根据权利要求1所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述打开滤波的步骤包括：

步骤A2：判断是否打开滤波，当是时，则进行滤波处理，当否时，则将实际滤波输入作为滤波输出。

3.根据权利要求1所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述滤波输入之后打开滤波之前还包括：

步骤A1、判断滤波开关是否改变，当是时，则等待当前待输出数据为空时，修改滤波状态为等待状态，然后进入步骤A2；当否时，则直接进入步骤A2。

4.根据权利要求2所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述滤波处理具体包括：

步骤A3、判断滤波时间是否改变，当是时，则等待当前待输出数据为空时修改滤波权值；当否时，则进入步骤A4；

步骤A4、判断滤波输入是否为0，当是时，等待当前滤波输出为0时进入步骤A5；当否时，则直接进入步骤A5；

步骤A5、判断是否存在待处理数据，当是时，则将当前滤波输入放入待处理数据末尾，并提取待处理数据首位数据作为滤波输入，然后进入步骤B；当否时，则直接进入步骤B。

5.根据权利要求3所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述步骤A1具体包括：

步骤A11、判断滤波开关是否改变，当是时，判断当前待输出数据是否为空；

步骤A12、当当前待输出数据为空时，修改滤波状态为等待状态；

步骤A13、当当前待输出数据不为空时，保持原滤波状态进入步骤A2。

6.根据权利要求4所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述步骤A3具体包括：

A31、判断滤波时间是否改变，当是时，判断当前待输出数据是否为空；

A32、当当前待输出数据为空时，修改滤波时间重新计算滤波权值；

A33、当当前待输出数据不为空时，保持原滤波时间进入步骤A4。

7.根据权利要求1所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述通过余弦函数计算滤波权值的方法为：

其中，N表示滤波时间周期数，即每次计算的取样周期数；H(k)表示N个取样周期中的第k个取样周期的权值，k为0到N。

8.根据权利要求1所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述平滑轨迹速度的计算方法为：

F(i)＝H(1)×X(i-N)+···+H(i-1)×X(i-1)+H(i)×X(i)

其中，X(i)表示当前周期的滤波输入，X(i-1)表示前一周期的滤波输入，X(i-N)表示前N个周期的滤波输入，F(i)表示滤波输出。

9.根据权利要求1所述的数控速度滤波方法，其特征在于，所述滤波权值和为1且比例分布满足余弦函数，所述余弦函数的定义域为(-π，π)。

10.一种数控速度滤波系统，其特征在于，包括：

滤波权值计算模块，用于将任一周期的插补速度作为滤波输入，然后打开滤波，根据该周期的插补周期和预设滤波时间，通过余弦函数计算出该预设滤波时间下的滤波权值；

滤波处理模块，用于根据前N个周期的滤波输入乘以对应的滤波权值的累加，计算出平滑轨迹速度，之后将所述平滑轨迹速度输出。

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