CN110286651B - 一种高维的轨迹插补方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高维的轨迹插补方法，包括以下步骤：建立插补行程模型，通过建立插补行程模型预测插补轨迹，建立插补行程速度规划；在样条刀位轨迹生成的同时，同步建立刀位轨迹和映射参数之间的映射关系，把实时插补需要建模、迭代的计算提前到与刀位轨迹生成的同时进行；映射参数包括运动参数、几何特征参数和机床性能参数；将映射关系、生成样条刀具轨迹所具有的节点向量和控制点信息一并代入耦合成高维向量进行实时插补。本发明通过构建高维向量，在计算插补轨迹时无需进行反复的迭代等大量的计算，可以直接通过高维向量中映射因子与节点向量、控制点信息一并带入耦合进行实时插补，以提高实时插补的计算效率，降低计算量。

Description

一种高维的轨迹插补方法

技术领域

本发明实施例涉及数控车床技术领域，具体涉及一种高维的轨迹插补方法。

背景技术

提高加工速度和质量是数控加工一直追求的目标。在进给速度不高时，传统的数控加工引起速度波动不大、插补的实时性要求也容易满足，使得对零件表面质量不会产生很大负面影响，比较容易控制，加工出的零件具有良好的表面质量。随着数控技术的不断发展，对高速高精的数控加工提出了新的要求：高速加工普遍使用的进给速度在10m/min、加速度在2g以上，在高速度的要求下，同一条刀位轨迹，插补弦长(跨度)变长，导致样条编程轨迹与插补弦长、规划速度与进给速度偏差变大，在曲率变化的轨迹上连续插补时，引起的速度波动也增大，当速度是数量级增加时，引起的速度波动是几何级变大。同时随着速度的提升，实时插补的要求也越来越高，特别是样条刀位轨迹，插补过程的实时计算成为一个挑战。

在现有技术中虽然有一系列的技术方案来解决上述问题，但是目前的技术仍然存在如下问题：

(1)插补轨迹与编程轨迹的不一致，导致速度规划与进给速度有较大偏差。插补轨迹由实时插补计算得到，无法对插补轨迹进行直接的速度规划，通常是在编程轨迹上进行速度规划，采用编程轨迹的速度规划是迫不得已的方法，在实际插补时，速度、降速点等运动参数判断很难与规划时一致，规划速度与进给速度有较大偏差，破坏速度的连续性；

(2)实时插补时，实时计算量复杂且计算量大，影响实时插补效率。不同于小线段的线性化的插补点计算，对于样条特别是NURBS曲线，首先要根据当前点的参数，通过建模、迭代、矩阵求逆等方法计算出下一个插补参数，然后根据对应的控制点和差分方程计算插补点，在强实时插补要求下，繁琐复杂计算难免会影响插补的实时性要求。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种高维的轨迹插补方法，以解决现有技术中在高速高精数控加工中由于繁琐复杂计算的而无法满足强实时插补要求下实时性的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种高维的轨迹插补方法，包括如下步骤：

步骤100、建立插补行程模型，通过建立插补行程模型预测插补轨迹，建立插补行程速度规划；

步骤200、获取映射参数，所述映射参数具体包括运动参数、几何特征参数和机床性能参数；在样条刀位轨迹生成的同时，同步建立刀位轨迹和映射参数之间的映射关系，把实时插补需要建模、迭代的计算提前到与刀位轨迹生成的同时进行；

步骤300、将映射关系、生成样条刀具轨迹所具有的节点向量和控制点信息一并代入耦合成高维向量进行实时插补。

作为本发明的一种优选方案，插补行程模型建立的具体步骤为：根据编程曲线和编程速度预估插补轨迹，同时根据编程轨迹中的编程速度，与插补轨迹的速度规划中的进给速度进行比较，计算偏离程度，以确定降速点的位置。

作为本发明的一种优选方案，建立插补行程速度规划的具体方法是：根据编程速度计算插补的弦长累计和，并通过插补行程预测对插补行程的速度进行规划。

作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，样条刀位轨迹节点向量和控制点的计算方法为：

在CAD中建立模型；

通过CAM处理得到刀位点信息，并通过反求的方法计算节点向量和控制点，将其后置生成样条的G代码。

作为本发明的一种优选方案，所述运动参数具体为位置坐标、速度、加速度、捷度、弧长；所述几何特征参数包括切矢、曲率最大值、曲率最小值、曲率波动率；所述机床性能参数包括机床刚度、切削力、运动轴动力学参数、主轴电流。

作为本发明的一种优选方案，在步骤300中，高维向量耦合的具体方法为：

步骤301、求解插补轨迹的控制点，确定插补轨迹的曲线形状；

步骤302、在样条轨迹生成之前，结合所述刀位轨迹的局部几何特征分析，建立运动参数与曲线参数的映射关系；

步骤303、将整条曲线的映射关系记录下来与对应的控制点耦合构建高维向量。

作为本发明的一种优选方案，所述映射关系根据插补轨迹的曲线曲率、连续度的几何特征进行细分匹配。

作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，通过将实时计算的映射参数建立在非实时阶段内完成，并且对完成的计算结果建立与刀位轨迹之间的映射关系；

在步骤300中通过高维向量将映射关系直接与实时阶段对应即可获得映射参数，并通过映射参数分量计算插补点参数。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明通过构建高维向量，在计算插补轨迹时无需进行反复的迭代等大量的计算，可以直接通过高维向量中映射因子与节点向量、控制点信息一并带入耦合进行实时插补，以提高实时插补的计算效率，降低计算量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施方式中的流程示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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做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。

现有的速度规划和插补算法中，不管是插补前的加减速还是插补后的加减速，在速度规划时主要是依据刀具轨迹的曲线曲率，让每一个周期的合成位移量实现在轨迹曲线弧长上的高阶连续和分轴位移量在时间上的高阶来连续。

由于是直接以速度进行规划的，当高速运行时，速度的波动性会对插补的精度产生影响，因此为了解决上述问题。

如图1所示，本发明提供了一种高维的轨迹插补方法，包括如下步骤：

步骤100、建立插补行程模型，通过建立插补行程模型预测插补轨迹，建立插补行程速度规划。

在样条插补前后，有两种轨迹，一种是插补前的编程轨迹，这是在插补前已知的。还有一种是插补轨迹，这是在插补时形成的，是边插补边形成的，是不可预知的。

因此，本发明是通过建立插补行程模型来预测插补轨迹。插补行程是根据编程曲线以及编程速度预估插补轨迹，是每个插补周期内的弦长累积和。通过建立插补行程模型来预测插补轨迹，建立插补行程速度规划，可以从根本上减少规划速度与进给速度的偏差。

在本发明中与现有技术的区别在于，现有技术中是以速度进行规划的，而本发明中则是以编程曲线来进行规划的。本发明通过以这种方式来克服现有技术中由于进给速度和编程速度偏离程度带来降速点预测准确性不高的问题。插补行程模型建立的具体步骤为：根据编程曲线和编程速度预估插补轨迹，同时根据编程轨迹中的编程速度，与插补轨迹的速度规划中的进给速度进行比较，计算偏离程度，以确定降速点的位置。

建立插补行程速度规划的具体方法是：根据编程速度计算插补的弦长累计和，并通过插补行程预测或者描述插补轨迹走过的路程对插补行程的速度进行规划。

步骤200、获取映射参数，所述映射参数具体包括运动参数、几何特征参数和机床性能参数；在样条刀位轨迹生成的同时，同步建立刀位轨迹和映射参数之间的映射关系，把实时插补需要建模、迭代的计算提前到与刀位轨迹生成的同时进行。

通常的样条插补，只有控制点和节点向量带入在G代码中，因此刀位轨迹的几何特征、运动信息都没有体现，而这些信息在实时插补中非常重要，不可或缺。而现有技术中以速度为规划进行的实时插补会影响插补效率，在实时插补时需要计算的几何特征、映射关系调整到反求刀位轨迹时，同步对这些信息进行计算，此时在实时插补时就会存在较大的优化空间。在实时插补阶段，避免影响实时性的一系列繁琐的建模、反求计算，在样条到位轨迹生成时同步的建立映射参数和到位轨迹之间的映射关系，把实时插补需要建模、迭代等计算提前到与到位轨迹生成的同时进行。在步骤200中，样条刀位轨迹节点向量和控制点的计算方法为：

在CAD中建立模型；

通过CAM处理得到刀位点信息，并通过反求的方法计算节点向量和控制点，将其后置生成样条的G代码。

所述映射参数具体包括运动参数、几何特征参数和机床性能参数。

在本发明中还需要进一步阐述映射参数，分别为：

运动学参数包括位置坐标、速度、加速度、捷度、弧长，是数控系统在插补中输出的周期指令。

几何特征参数包括切矢、曲率最大值、曲率最小值、曲率波动率，是数控系统插补中运动的几何约束条件。

机床性能参数包括机床刚度、切削力、运动轴动力学参数、主轴电流，是在插补中机床物理约束条件。

上述的映射参数可以通过直接方式获取，比如曲线曲率、位置、速度，机床性能参数等，也可以衍生变换计算特征参数。映射参数与曲线，以及一些参数之间能建立线性的、非线性、解析、隐函数等映射关系，构建映射因子。

步骤300、将映射关系、生成样条刀具轨迹所具有的节点向量和控制点信息一并代入耦合成高维向量进行实时插补。

将传统的插补信息如节点向量和控制点信息与映射因子向量耦合构建高维向量，通过高维向量实现高效的插补计算以提高加工效率。

高维向量耦合的具体方法为：

步骤301、求解插补轨迹的控制点，确定插补轨迹的曲线形状；

步骤302、在样条轨迹生成之前，结合所述刀位轨迹的局部几何特征分析，建立运动参数与曲线参数的映射关系；

步骤303、将整条曲线的映射关系记录下来与对应的控制点耦合构建高维向量。

作为本发明的一种优选方案，所述映射关系根据插补轨迹的曲线曲率、连续度的几何特征进行细分匹配。

作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，通过将实时计算的映射参数建立在非实时阶段内完成，并且对完成的计算结果建立与刀位轨迹之间的映射关系；

在步骤300中通过高维向量将映射关系直接与实时阶段对应即可获得映射参数，并通过映射参数分量计算插补点参数。

利用高维向量中控制点、节点分量计算插补点，建立一套轻量计算、高效插补计算的方法，本发明中只需要高维向量就能够高效的计算插补参数和插补点，既能够利用样条作为刀具轨迹的优点，又能够100％实现小线条插补一样轻量化实时插补的计算。

在上述利用高维向量的实时插补中，核心问题是高维向量的生成。正如前所述，高维向量主要与曲线局部几何特征有关，也可以与机床动态性能建立联系，即映射参数之间建立联系。在控制点求解、形状确定后，常规方法就是后置处理生成G代码。如果在样条轨迹生成之前，辅以该刀位轨迹局部几何特征分析，建立运动参数与曲线参数映射关系，且关系可以根据曲线曲率、连续性等几何特征进行细分匹配，将整条曲线的映射关系记录下来，与对应控制点构建高维向量。该高维向量不仅蕴含曲线几何信息，更重要的是建立了运动参数与曲线参数非线性、解析的几何关系，达到提高加工效率，改善适合插补的工作条件的目的。

因此，相对于现有的速度规划难以保证进给速度与规划速度的一致性，本发明就如何建立可以预测的、减少进给速度与规划速度的偏差、提高降速点准确性的速度规划来建立插补行程模型，研究基于插补行程的速度规划方法，提高插补效率，为实时插补时速度等信息提供可以预测的准确输入。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、建立插补行程模型，通过建立插补行程模型预测插补轨迹，建立插补行程速度规划；

步骤200、获取映射参数，所述映射参数具体包括运动参数、几何特征参数和机床性能参数；在样条刀位轨迹生成的同时，同步建立刀位轨迹和映射参数之间的映射关系，把实时插补需要建模、迭代的计算提前到与刀位轨迹生成的同时进行；

步骤300、将映射关系、生成样条刀具轨迹所具有的节点向量和控制点信息一并代入耦合成高维向量进行实时插补。

2.根据权利要求1所述的一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，插补行程模型建立的具体步骤为：根据编程曲线和编程速度预估插补轨迹，同时根据编程轨迹中的编程速度，与插补轨迹的速度规划中的进给速度进行比较，计算偏离程度，以确定降速点的位置。

3.根据权利要求1所述的一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，建立插补行程速度规划的具体方法是：根据编程速度计算插补的弦长累计和，并通过插补行程预测对插补行程的速度进行规划。

4.根据权利要求1所述的一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，在步骤200中，样条刀位轨迹节点向量和控制点的计算方法为：

在CAD中建立模型；

通过CAM处理得到刀位点信息，并通过反求的方法计算节点向量和控制点，将其后置生成样条的G代码。

5.根据权利要求1所述的一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，所述运动参数具体为位置坐标、速度、加速度、捷度、弧长；所述几何特征参数包括切矢、曲率最大值、曲率最小值、曲率波动率；所述机床性能参数包括机床刚度、切削力、运动轴动力学参数、主轴电流。

6.根据权利要求1所述的一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，在步骤300中，高维向量耦合的具体方法为：

步骤301、求解插补轨迹的控制点，确定插补轨迹的曲线形状；

步骤302、在样条轨迹生成之前，结合所述刀位轨迹的局部几何特征分析，建立运动参数与曲线参数的映射关系；

步骤303、将整条曲线的映射关系记录下来与对应的控制点耦合构建高维向量。

7.根据权利要求1所述的一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，所述映射关系根据插补轨迹的曲线曲率、连续度的几何特征进行细分匹配。

8.根据权利要求1所述的一种高维的轨迹插补方法，其特征在于，在步骤200中，通过将实时计算的映射参数建立在非实时阶段内完成，并且对完成的计算结果建立与刀位轨迹之间的映射关系；

在步骤300中通过高维向量将映射关系直接与实时阶段对应即可获得映射参数，并通过映射参数分量计算插补点参数。

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