CN109426151A - 基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，包括以下步骤：采用加减速可行性判断条件进行前瞻处理，保证加减速的可达性和前瞻的实时性；应用预测校正方法实时计算下一插补周期的进给速度，保证加工过程中速度、加速度的连续变化；在满足机床动态性能的前提下，对当前前瞻处理结果和速度规划结果进行调整，及时地响应加工中机床参数的改变。本发明加工速度和加工精度高。本发明能够实现数控系统的实时柔性加减速控制，支持动态修调，提高加工效率和加工质量，满足实际加工要求。

Description

基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法

技术领域

本发明涉及高速高质量加工中自适应前瞻，实时柔性速度规划及动态修调，属于数控加工技术领域。

背景技术

速度规划技术是高档数控系统运动轨迹控制关键技术之一，是评价数控系统性能的重要指标，直接影响着数控机床的加工效率和加工质量。目前，高速、高质量加工对数控机床的加减速控制能力提出了更高的要求，一方面要求刀具能够在最短的时间内，从当前位置点精确地移动到下一位置点；另一方面要求在刀具移动的过程中，保证数控机床平稳运行，避免因超过机床最大加减速能力而引起冲击、失步、超程或振动。

近年来，国内外学者针对速度规划技术做了大量研究，常见的规划方式有直线加减速控制方法和指数加减速控制方法。这两种方式控制简单，计算量小，但存在加速度频繁突变的情况，导致机床振动。Erkorkrnaz提出S型曲线加减速控制算法，通过将加速度的变化率限制在某一范围内，减小对机床的冲击，但加加速度依然存在突变。冷洪滨采用三次多项式型替代S型进行速度规划，实现了在加减速过程中加加速度的连续，但在加减速的开始和结束处仍然存在加加速度突变的情况。因此，一些研究人员提出四次多项式型、五次多项式型和三角函数型加减速算法，进一步提高柔性控制，实现速度、加速度和加加速度的平滑控制。但上述方法的实现过程比较复杂，涉及到多个参数，需要大量的时间进行数值计算。这些算法多采用离线的方式进行速度规划，而且在加工过程中，当加工参数发生改变时，数控机床无法及时地做出响应，不能很好地满足实际加工需求。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的是提供一种速度规划方法，通过采用前瞻和预测校正的方式，实时地计算下一插补周期的进给速度，实现实时最优速度规划，提高加工效率，同时动态修调能够保证进给速度及时地进行响应，满足实际加工需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，包括以下步骤：

前瞻处理：确定加工路径中相邻小线段拐角处的最大进给速度；

预测校正实时速度规划：利用前瞻处理，以预测的方式，计算下一插补周期进给速度，并依据机床动态性能，校正下一插补周期的速度、加速度和加加速度；

动态修调处理：对当前前瞻处理结果和预测校正实时速度规划结果进行调整，用于及时响应加工中机床参数的改变，实现实时加减速控制。

所述预测校正实时速度规划包括以下步骤：

2-1)预测减速处理；

2-2)加速处理；

2-3)减速处理。

所述预测减速处理具体为：

3-1)假设数控系统最大进给速度为F，各个驱动轴的最大加速度为A，最小加速度为-A，最大加加速度为J，最小加加速度为-J，插补周期为T，T₂为减减速阶段所用时间，T₃为匀减速阶段所用时间，T₄为加减速阶段所用时间；当前插补周期的速度、加速度和加加速度分别为v_i、a_i、j_i，i表示插补周期序号；末速度为v_e，剩余距离为L，以最大加加速度J预加速一个插补周期，则下一插补周期的速度v_i+1、加速度a_i+1、加加速度j_i+1和所走过的距离L_i+1由下式确定，

如果v_i+1＞F，则下一插补周期运动参数的校正由下式确定，

如果a_i+1＞A，则下一插补周期运动参数的校正由下式确定，

3-2)以最小加加速度-J进行加速，直到加速度减小为零为止，此时的速度v_j和减加速阶段所走过的距离L_j由下式确定，

如果v_j＞F，则结束当前预测减速处理，进入加速处理步骤；

3-3)按三阶段S型曲线进行减速，直到速度减小为末速度v_e；减速阶段所走的距离L_k由下式确定，

如果减速阶段没有匀减速段，其减速阶段所走的距离L_k由下式确定，

判断按照预测减速处理方式所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L_i+1+L_j+L_k)＞L，则结束当前预测减速处理，进入加速处理步骤；否则，将减速信息存储到变量dec_info中，其数据结构如下，

3-4)按照{v_i+1,a_i+1,j_i+1,L}计算下一插补点，并令v_i＝v_i+1、a_i＝a_i+1、j_i＝j_i+1、L＝L-L_i+1，然后返回3-1)。

所述减速处理具体为：

4-1)假设以v_i匀速一个插补周期，匀速距离L′＝v_iT；

4-2)按三阶段S型曲线进行减速，直到速度减小到末速度v_e；减速阶段所走的距离L_k′由下式确定，

如果减速阶段没有匀减速段T₃≤0，其减速阶段所走的距离L_k′由下式确定，

A’表示减速阶段能够达到的最大加速度；

4-3)判断减速处理所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L′+L_k′)＞L，进入4-4)；否则，以v_i匀速插补一个周期，令L＝L-v_iT，并将减速信息存储到变量dec_info中，然后进入4-1)；

4-4)按变量dec_info进行减速插补，然后结束当前减速处理。

所述动态修调处理包括以下步骤：

5-1)增大最大进给速度处理；

5-2)减小最大进给速度处理；

5-3)当前插补段调整处理。

所述增大最大进给速度处理具体为：

拐角限制速度v_min为拐角最大进给速度ve_max和系统最大进给速度F中的较小者，而拐角最终速度ve根据v_min来确定；当F提高时，已完成的前瞻处理结果会受到影响，动态修调处理如下所述：

6-1)如果ve＝F且F<ve_max，根据新的最大进给速度F’重新确定拐角最终速度，即进入步骤6-2)；否则，提高F不会影响拐角最终速度；

6-2)逆向依次对前瞻缓冲区中所有因F提高而被修改了拐角限制速度的拐角所在的直线段进行反向加速可行性判断，直至它们满足前瞻终止条件为止；

6-3)进入当前插补段调整处理步骤。

所述减小最大进给速度处理具体为：

当最大进给速度F减小为F’时，所有大于F’的拐角最终速度会因此降低，但拐角最终速度的降低不会对已完成的前瞻处理结果产生影响；因此，对前瞻缓冲区中所有拐角最终速度ve大于F’的拐角，在将其拐角最终速度修改为F’后，进入当前插补段调整处理步骤。

所述当前插补段调整处理具体为：

8-1)对于当前插补段，如果其处于预测减速处理阶段，进入8-2)；如果其处于加速处理阶段，当其加速处理结束后，进入8-3)；如果其处于减速处理阶段，直接进入8-3)；

8-2)使用新的首段末速度micro_lines[1].ve，按预测减速处理方式，从当前速度进行加减速，如果达到新的首段末速度，结束动态修调处理；否则，计算能够达到的最大末速度ve’，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve’，其中，micro_lines[2].vs为第二段小线段开始速度，然后从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理；

8-3)使用新的首段末速度micro_lines[1].ve，按三阶段S型曲线，从当前速度进行减速，如果达到新的首段末速度，结束动态修调处理；否则，计算能够达到的最大末速度ve’，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve’，其中，micro_lines[2].vs为第二段小线段开始速度，然后从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法控制简单，能够实现实时速度规划，满足数控系统的实时性。

2.本发明方法使用S型加减速曲线，实现加工过程中速度曲线光滑，加速度曲线连续，加加速度曲线有界，保证了机床的平稳运行，减小了对机床的冲击，提高了加工质量；

3.本发明方法采用前瞻和预测校正的方式，实时地计算下一插补周期的进给速度，实现了实时最优速度规划，提高了加工效率。

4.本发明方法采用动态修调，能够在满足柔性加减速控制的条件下，对当前前瞻结果和速度规划结果做出调整，从而使得进给速度及时地进行响应，满足实际加工需求。

5.本发明能够实现数控系统的实时柔性加减速控制，支持动态修调，提高加工效率和加工质量，满足实际加工要求。

附图说明

图1为算法流程图；

图2为拐角最大速度的计算原理图；

图3为前瞻缓冲区示意图；

图4为加速度曲线图示意图；

图5为前瞻处理流程图；

图6为速度规划算法流程图；

图7a为预测减速处理速度与加速度曲线示意图一；

图7b为预测减速处理速度与加速度曲线示意图二；

图8a为运动参数校正流程图一；

图8b为运动参数校正流程图二；

图9为无匀减速阶段的加速度曲线示意图；

图10为加速处理加速度曲线示意图；

图11为减速处理加速度曲线示意图；

图12为无匀减速段加速度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，包括以下步骤：

前瞻处理，确定加工路径中相邻小线段拐角处的最大进给速度，保证小线段两端速度的可达性；

预测校正实时速度规划，利用前瞻处理，以预测的方式，计算下一插补周期进给速度，并依据机床动态性能，校正下一插补周期的速度、加速度和加加速度，保证柔性速度规划；

动态修调处理，在满足机床动态性能的前提下，对当前前瞻处理结果和速度规划结果进行调整，及时地响应加工中机床参数的改变。

所述预测校正实时速度规划包括以下步骤：

2-1)预测减速处理

2-2)加速处理

2-3)减速处理

所述预测减速处理具体为：

3-1)假设系统最大进给速度为F，各个驱动轴参数相同：最大加速度为A，最小加速度为-A，最大加加速度为J，最小加加速度为-J。插补周期为T，T₂为减减速阶段所用时间，T₃为匀减速阶段所用时间，T₄为加减速阶段所用时间。当前插补周期的速度、加速度和加加速度分别为v_i、a_i、j_i，末速度为v_e，剩余距离为L，以最大加加速度J预加速一个插补周期，则下一插补周期的速度v_i+1、加速度a_i+1、加加速度j_i+1和所走过的距离L_i+1由下式确定，

如果v_i+1＞F，则下一插补周期运动参数的校正由下式确定，

如果a_i+1＞A，则下一插补周期运动参数的校正由下式确定，

3-2)以最小加加速度-J进行加速，直到加速度减小为零为止，此时的速度v_j和减加速阶段所走过的距离L_j由下式确定，

如果v_j＞F，则结束当前预测减速处理，进入加速处理模块。

3-3)按三阶段S型曲线进行减速，直到速度减小为末速度v_e。减速阶段所走的距离L_k由下式确定，

如果减速阶段没有匀减速段，其减速阶段所走的距离L_k由下式确定，

判断按照预测减速处理方式所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L_i+1+L_j+L_k)＞L，则结束当前预测减速处理，进入加速处理模块；否则，将减速信息存储到变量dec_info中，其数据结构如下，

3-4)按照{v_i+1,a_i+1,j_i+1,L}计算下一插补点，并令v_i＝v_i+1、a_i＝a_i+1、j_i＝j_i+1、L＝L-L_i+1，然后进入3-1)。

所述减速处理具体为：

4-1)假设以v_i匀速一个插补周期，匀速距离L′＝v_iT。

4-2)按三阶段S型曲线进行减速，直到速度减小到末速度v_e。减速阶段所走的距离L_k′由下式确定，

如果减速阶段没有匀减速段T₃≤0，其减速阶段所走的距离L_k′由下式确定，

A’表示减速阶段能够达到的最大加速度。

4-3)判断减速处理所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L′+L_k′)＞L，进入4-4)；否则，以v_i匀速插补一个周期，令L＝L-v_iT，并将减速信息(dec_info数据结构中所包含的所有变量)存储到变量dec_info中，然后进入4-1)。

4-4)按变量dec_info进行减速插补，然后结束当前减速处理。

所述动态修调处理包括以下步骤：

5-1)增大最大进给速度处理；

5-2)减小最大进给速度处理；

5-3)当前插补段调整处理。

所述增大最大进给速度处理具体为：

拐角限制速度v_min为拐角最大进给速度ve_max和系统最大进给速度F中的较小者，而拐角最终速度ve根据v_min来确定。因此，当F提高时，已完成的前瞻处理结果会受到影响，其动态修调方法如下所述：

6-1)如果ve＝F且F<ve_max，需要根据新的最大进给速度F’重新确定拐角最终速度；否则，提高F不会影响拐角最终速度。

6-2)逆向依次对前瞻缓冲区中所有因F提高而被修改了拐角限制速度的拐角所在的直线段进行反向加速可行性判断，直至它们满足前瞻终止条件为止。

6-3)进行当前插补段调整处理。

所述减小最大进给速度处理具体为：

当最大进给速度F减小为F’时，所有大于F’的拐角最终速度会因此降低，但拐角最终速度的降低不会对已完成的前瞻处理结果产生影响。因此，对前瞻缓冲区中所有拐角最终速度ve大于F’的拐角，在将其拐角最终速度修改为F’后，进行当前插补段调整处理。

所述当前插补段调整处理具体为：

8-1)对于当前插补段，如果其处于预测减速处理阶段，进入8-2)；如果其处于加速处理阶段，当其加速处理结束后，进入8-3)；如果其处于减速处理阶段，直接进入8-3)；

8-2)使用新的首段末速度micro_lines[1].ve，按预测减速处理方式，从当前速度进行加减速，如果能够达到新的首段末速度，结束动态修调处理；否则，计算能够达到的最大末速度ve’，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve’，其中，micro_lines[2].vs为第二段小线段开始速度，然后从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理。

8-3)使用新的首段末速度micro_lines[1].ve，按三阶段S型曲线，从当前速度进行减速，如果能够达到新的末速度，结束动态修调处理；否则，按三阶段S型曲线计算能够达到的最大末速度ve’，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve’，其中，micro_lines[2].vs为第二段小线段开始速度，然后从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理。

本发明是一种基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，首先，在自适应前瞻处理中，确定离散小线段拐角处允许通过的最大速度，并保证小线段两端速度的可达性；然后，通过采用预测校正的方式，实时计算下一插补周期的进给速度，实现速度和加速度的连续变化、加加速度的有界变化。同时，如果在加工过程中机床参数或状态发生了改变，动态修调模块能够在满足柔性加减速控制的条件下对当前前瞻结果和速度规划结果做出调整，从而使得进给速度及时地进行响应。

本发明提供了一种基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，包括以下步骤：

1.前瞻处理，确定加工路径中相邻小线段拐角处的最大进给速度，保证小线段两端速度的可达性；

2.预测校正实时速度规划，利用前瞻处理，以预测的方式，计算下一插补周期进给速度，并依据机床动态性能，校正下一插补周期的速度、加速度和加加速度，保证柔性速度规划；

3.动态修调处理，在满足机床动态性能的前提下，对当前前瞻处理结果和速度规划结果进行调整，及时地响应加工中机床参数的改变。

如图1所示，本发明的具体步骤如下：

1.前瞻处理

1.1拐角最大速度计算

以X-Y二维空间为例，如图2所示，AB和BC为由两条小线段表示的连续加工路径，加工方向为A→B→C。假设加工过程中系统允许的轮廓误差值大小为ε，伺服系统为不产生跟随误差的理想系统，则拐角∠ABC处所允许的最大加工速度由下式可得，

其中，α为向量与x轴正向之间的夹角，β为向量与x轴正向之间的夹角，a_{x_max}为伺服系统在x轴方向上所允许的最大加速度值，a_{y_max}为伺服系统在y轴方向上所允许的最大加速度值，θ为向量与向量之间的夹角。

X-Y-Z三维空间中拐角最大速度的计算方法与X-Y二维空间类似，只是增加了Z轴的情况，因此，不再进行推导。

1.2前瞻初始化

如图3所示，首先，向大小为N的前瞻缓冲区中读入等数量的小线段，将首段的初速度和末段的末速度设置为零，并按照1.1节所述方法计算每个拐角处的最大进给速度；然后，按照1.3节所述方法进行加减速可行性判断，确定每个拐角处的最终速度；最后，得到一个小线段数组micro_lines[N]，其中小线段的数据结构如下：

1.3加减速可行性判断

为了确定每个拐角的最终速度，需要进行加减速可行性判断，其主要过程如以下步骤。

1)令q＝1。q表示存储当前下标的变量。

2)如果q>N，结束加减速可行性判断；否则，令拐角限制速度v_min＝min(micro_lines[q].ve_max,F)。V_min为micro_lines[q].ve_max和F中的较小者。

3)如果micro_lines[q].vs<v_min，进入4)；如果micro_lines[q].vs>v_min，进入5)；否则，令micro_lines[q].ve＝micro_lines[q+1].vs＝v_min，进入6)。

4)正向加速可行性判断。按图4所示的加速度曲线进行加速，计算加速距离l′。如果l′>micro_lines[q].l，则末速度不可达，根据加速度曲线反求出能够加速到的最大速度ve′，令micro_lines[q].ve＝micro_lines[q+1].vs＝ve′；否则，令micro_lines[q].ve＝micro_lines[q+1].vs＝v_min。进入6)。

5)反向加速可行性判断。按图4所示的加速度曲线进行反向加速，计算加速距离l′。如果l′>micro_lines[q].l，则初速度不可达，根据加速度曲线求出能够加速到的最大速度vs′，并令micro_lines[q].ve＝micro_lines[q+1].vs＝v_min，micro_lines[q].vs＝micro_lines[q-1].ve＝vs′，令r＝q-1，进入5-1)；否则，令micro_lines[q].ve＝micro_lines[q+1].vs＝v_min，进入6)。

5-1)如果r≤1，进入6)。

5-2)如果micro_lines[r].vs>micro_lines[r].ve，按图3所示的加速度曲线进行反向加速，计算加速距离l′，进入5-3)；否则，进入6)。

5-3)如果l′>micro_lines[q].l，则初速度不可达，求出能够加速到的最大速度vs′，并令micro_lines[r].vs＝micro_lines[r-1].ve＝vs′，r＝r-1,进入5-1)；否则，进入6)。

6)令q＝q+1，进入2)。

1.4前瞻终止条件

计算得到的直线段micro_lines[i]末点拐角速度为ve′，如果ve′≥micro_lines[i].ve，则本次前瞻提前终止。0<i<N。

1.5前瞻处理

前瞻处理的流程图如图5所示，其主要过程如下所述：

1)当数控系统读入NC加工文件后，进行前瞻初始化。

2)取前瞻缓冲区中的第一段进行第2节的预测校正实时速度规划。

3)如果存在后续小线段，向前瞻缓冲区队尾读入一个小线段，令micro_lines[N].ve＝micro_lines[N].ve_max＝0，计算前瞻缓冲区内第N-1段和第N段的拐角最大速度v_t，并令micro_lines[N].vs_max＝micro_lines[N-1].ve_max＝v_t。然后，令q＝N，按1.3节的方法，进行反向加速可行性判断，直至满足前瞻终止条件为止。

4)如果前瞻缓冲区没有小线段，结束前瞻处理；否则，进入2)。

2.预测校正实时速度规划

预测校正实时速度规划由预测减速、加速和减速三个模块组成，其算法流程图如图6所示。

2.1预测减速处理

假设系统最大进给速度为F，各个驱动轴的最大加速度为A，最小加速度为-A，最大加加速度为J，最小加加速度为-J，插补周期为T，当前插补周期的速度、加速度和加加速度分别为v_i、a_i、j_i，末速度为v_e，剩余距离为L。经过预测减速处理后，其速度和加速度曲线如图7a、图7b所示，B-C为加加速阶段；B-C₁为匀加速阶段；C₁-D为减加速阶段，加速度从最大值减小到零；D-E-F-G为减速阶段，加速度先减小到最小值，然后增大，当加速度增大为零时，达到末速度；具体的预测减速处理流程如下。

1)从当前位置{v_i,a_i,j_i,L}，以最大加加速度J预加速一个插补周期，如图7a、图7b中B-C段所示，则下一插补周期的速度v_i+1、加速度a_i+1、加加速度j_i+1和加加速阶段所走过的距离L_i+1为

根据机床动态性能限制，需要对运动参数进行校正，以保证机床各驱动轴不超过其最大加减速能力，其流程如图8a、图8b所示。

如果v_i+1＞F，则将下一插补周期的运动参数校正为

如果a_i+1＞A，则将下一插补周期的运动参数修改为

2)如图7a、图7b中C₁-D段所示，以最小加加速度-J进行加速，直到加速度减小为零。由下式可以计算出t₂处的速度v_j和减加速阶段所走过的距离L_j。

如果v_j＞F，则结束当前预测减速处理，进入2.2节加速处理模块。

3)按图7a、图7b中D-E-F-G段所示，进行减速，直到速度减小为末速度v_e。由下式可得减速阶段所走的距离L_k。j表示某时刻的加加速度值；a为某时刻的加速度值、v为某时刻的速度值、s为某时刻的距离值；τ表示。t_2～t₅表示时间点；

如果减速阶段没有匀减速段，其加速度曲线如图9中D-E/F-G段所示，减速阶段所走的距离L_k为

判断按照预测减速处理方式所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L_i+1+L_j+L_k)＞L，则结束当前预测减速处理，进入2.2节加速处理模块；否则，将减速信息存储到变量dec_info中，其数据结构如下。

4)按照{v_i+1,a_i+1,j_i+1,L}计算下一插补点，并令v_i＝v_i+1、a_i＝a_i+1、j_i＝j_i+1、L＝L-L_i+1，然后进入1)。

2.2加速处理

按照以下步骤进行插补，保证速度限制条件和末速度的可达性，以及柔性控制的可行性，其加速度曲线如图10中B-D₁段所示。

1)插补次数修正后的加加速度为J′＝a_i/(nT)，令p＝1。p表示存储当前下标的变量；

2)根据以下公式，计算下一插补点坐标a_p为下一插补点的加速度、v_p为下一插补点的速度、L_p为下一插补点的距离；

3)如果p＜n，令p＝p+1，进入2)；否则，令v_i＝v_p、a_i＝a_p、j_i＝J′、L＝L-L_P，结束当前加速处理，进入2.3节减速处理模块。

2.3减速处理

按照以下步骤进行插补，其加速度曲线如图11所示。

1)假设以v_i匀速一个插补周期，如图11中B-C段所示，匀速的距离为L′＝v_iT。

2)按图11中C-D-E-F段所示，进行减速，直到速度减小到末速度v_e。由下式可得减速阶段所走的距离L_k′。

如果减速阶段没有匀减速段T₃≤0，其加速度曲线如图12所示，减速阶段所走的距离L_k′为

3)判断减速处理所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L′+L_k′)＞L，进入4)；否则，以v_i匀速插补一个周期，令L＝L-v_iT，并将减速信息存储到变量dec_info中，然后进入1)。

4)按变量dec_info进行减速插补，然后结束当前减速处理。

3.动态修调

3.1增大最大进给速度

在第1节前瞻处理中，拐角限制速度v_min为拐角最大进给速度ve_max和系统最大进给速度F中的较小者，而拐角最终速度ve根据v_min来确定。因此，当F提高时，已完成的前瞻处理结果会受到影响，其动态修调方法如下所述。

1)如果ve＝F且F<ve_max，需要根据新的最大进给速度F’重新确定拐角最终速度(即进入下一步骤)；否则，提高F不会影响拐角最终速度。

2)逆向依次对前瞻缓冲区中所有因F提高而被修改了拐角限制速度的拐角所在的直线段进行反向加速可行性判断，直至它们满足前瞻终止条件为止。

3)进入3.3节，进行当前插补段调整处理。

3.2减小最大进给速度

当最大进给速度F减小为F’时，所有大于F’的拐角最终速度会因此降低，但拐角最终速度的降低不会对已完成的前瞻处理结果产生影响。因此，对前瞻缓冲区中所有拐角最终速度ve大于F’的拐角，在将其拐角最终速度修改为F’后，进入3.3节，进行当前插补段调整处理。

3.3当前插补段调整

如果当前插补段的拐角最终速度被修改，需要对当前速度规划结果和前瞻处理结果进行再次调整，其动态修调方法如下所述。

1)对于当前插补段，如果其处于预测减速处理阶段，进入2)；如果其处于加速处理阶段，当其加速处理结束后，进入3)；如果其处于减速处理阶段，直接进入3)；

2)使用新的末速度micro_lines[1].ve，按照图7a、图7b中C1-D-E-F-G段所示的加速度曲线，从当前速度进行加减速，如果能够达到新的末速度，结束动态修调处理；否则，根据加速度曲线计算能够达到的最大末速度ve′，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve′，并从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理。

3)使用新的末速度micro_lines[1].ve，按照图7a、图7b中D-E-F-G段所示的加速度曲线，从当前速度进行减速，如果能够达到新的末速度，结束动态修调处理；否则，根据加速度曲线计算能够达到的最大末速度ve′，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve′，并从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理。

Claims (8)

1.基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于包括以下步骤：

前瞻处理：确定加工路径中相邻小线段拐角处的最大进给速度；

预测校正实时速度规划：利用前瞻处理，以预测的方式，计算下一插补周期进给速度，并依据机床动态性能，校正下一插补周期的速度、加速度和加加速度；

动态修调处理：对当前前瞻处理结果和预测校正实时速度规划结果进行调整，用于及时响应加工中机床参数的改变，实现实时加减速控制。

2.根据权利要求1所述的基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于所述预测校正实时速度规划包括以下步骤：

2-1)预测减速处理；

2-2)加速处理；

2-3)减速处理。

3.根据权利要求2所述的基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于所述预测减速处理具体为：

3-1)假设数控系统最大进给速度为F，各个驱动轴的最大加速度为A，最小加速度为-A，最大加加速度为J，最小加加速度为-J，插补周期为T，T₂为减减速阶段所用时间，T₃为匀减速阶段所用时间，T₄为加减速阶段所用时间；当前插补周期的速度、加速度和加加速度分别为v_i、a_i、j_i，i表示插补周期序号；末速度为v_e，剩余距离为L，以最大加加速度J预加速一个插补周期，则下一插补周期的速度v_i+1、加速度a_i+1、加加速度j_i+1和所走过的距离L_i+1由下式确定，

如果v_i+1＞F，则下一插补周期运动参数的校正由下式确定，

如果a_i+1＞A，则下一插补周期运动参数的校正由下式确定，

3-2)以最小加加速度-J进行加速，直到加速度减小为零为止，此时的速度v_j和减加速阶段所走过的距离L_j由下式确定，

如果v_j＞F，则结束当前预测减速处理，进入加速处理步骤；

3-3)按三阶段S型曲线进行减速，直到速度减小为末速度v_e；减速阶段所走的距离L_k由下式确定，

如果减速阶段没有匀减速段，其减速阶段所走的距离L_k由下式确定，

判断按照预测减速处理方式所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L_i+1+L_j+L_k)＞L，则结束当前预测减速处理，进入加速处理步骤；否则，将减速信息存储到变量dec_info中，其数据结构如下，

3-4)按照{v_i+1,a_i+1,j_i+1,L}计算下一插补点，并令v_i＝v_i+1、a_i＝a_i+1、j_i＝j_i+1、L＝L-L_i+1，然后返回3-1)。

4.根据权利要求2所述的基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于所述减速处理具体为：

4-1)假设以v_i匀速一个插补周期，匀速距离L′＝v_iT；

4-2)按三阶段S型曲线进行减速，直到速度减小到末速度v_e；减速阶段所走的距离L_k′由下式确定，

如果减速阶段没有匀减速段T₃≤0，其减速阶段所走的距离L_k′由下式确定，

A’表示减速阶段能够达到的最大加速度；

4-3)判断减速处理所走过的距离是否超过剩余距离，如果(L′+L_k′)＞L，进入4-4)；否则，以v_i匀速插补一个周期，令L＝L-v_iT，并将减速信息存储到变量dec_info中，然后进入4-1)；

4-4)按变量dec_info进行减速插补，然后结束当前减速处理。

5.根据权利要求1所述的基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于所述动态修调处理包括以下步骤：

5-1)增大最大进给速度处理；

5-2)减小最大进给速度处理；

5-3)当前插补段调整处理。

6.根据权利要求5所述的基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于所述增大最大进给速度处理具体为：

拐角限制速度v_min为拐角最大进给速度ve_max和系统最大进给速度F中的较小者，而拐角最终速度ve根据v_min来确定；当F提高时，已完成的前瞻处理结果会受到影响，动态修调处理如下所述：

6-1)如果ve＝F且F<ve_max，根据新的最大进给速度F’重新确定拐角最终速度，即进入步骤6-2)；否则，提高F不会影响拐角最终速度；

6-2)逆向依次对前瞻缓冲区中所有因F提高而被修改了拐角限制速度的拐角所在的直线段进行反向加速可行性判断，直至它们满足前瞻终止条件为止；

6-3)进入当前插补段调整处理步骤。

7.根据权利要求5所述的一种基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于所述减小最大进给速度处理具体为：

当最大进给速度F减小为F’时，所有大于F’的拐角最终速度会因此降低，但拐角最终速度的降低不会对已完成的前瞻处理结果产生影响；因此，对前瞻缓冲区中所有拐角最终速度ve大于F’的拐角，在将其拐角最终速度修改为F’后，进入当前插补段调整处理步骤。

8.根据权利要求5所述的一种基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法，其特征在于所述当前插补段调整处理具体为：

8-1)对于当前插补段，如果其处于预测减速处理阶段，进入8-2)；如果其处于加速处理阶段，当其加速处理结束后，进入8-3)；如果其处于减速处理阶段，直接进入8-3)；

8-2)使用新的首段末速度micro_lines[1].ve，按预测减速处理方式，从当前速度进行加减速，如果达到新的首段末速度，结束动态修调处理；否则，计算能够达到的最大末速度ve’，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve’，其中，micro_lines[2].vs为第二段小线段开始速度，然后从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理；

8-3)使用新的首段末速度micro_lines[1].ve，按三阶段S型曲线，从当前速度进行减速，如果达到新的首段末速度，结束动态修调处理；否则，计算能够达到的最大末速度ve’，令micro_lines[1].ve＝micro_lines[2].vs＝ve’，其中，micro_lines[2].vs为第二段小线段开始速度，然后从前瞻缓冲区中的第二段开始进行正向加速可达性判断，直至满足前瞻终止条件为止，结束动态修调处理。