CN110879569B - 一种前瞻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前瞻控制方法，适用于包括微小线段在内的任意插补曲线，具体包括以下步骤：进行插补曲线终点的拐点处的最大速度v1进行计算，加上拐点处的夹角构成一个约束，在此约束下进行曲线插补；曲线插补的最后一点的目标插补点不是曲线的终点，而是真实轨迹圆弧的中点；曲线插补的加减速控制保证到达插补终点的上一点的速度正好为v1，本发明结构科学合理，使用安全方便，本发明科学合理，计算简单，易于计算机实现；这种前瞻控制方法，包括微小线段在内的任意插补曲线，极大的扩展。

Description

一种前瞻控制方法

技术领域

本发明涉及数控系统及机器人控制系统技术领域，具体为一种前瞻控制方法。

背景技术

具有复杂型面工件的加工一般都是把曲面曲线解析成大量的直线或者圆弧，包含有微小线段，再通过运动控制系统以直线插补或圆弧插补的方式实现轨迹加工，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，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，加大机床以及电机振动与负荷，降低机床和电机寿命；

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，CN201510470826.9 公开了一种前瞻控制方法，以解决以下四方面缺陷：

(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，但是此方法过于繁琐。

发明内容

本发明提供一种前瞻控制方法，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种前瞻控制方法，包括微小线段在内的任意插补曲线，具体包括以下步骤：

进行插补曲线终点的拐点处的最大速度v1进行计算，加上拐点处的夹角构成一个约束，在此约束下进行曲线插补；

根据上述技术方案，所述曲线插补的最后一点的目标插补点不是曲线的终点，而是真实轨迹圆弧的中点；

根据上述技术方案，所述曲线插补的加减速控制保证到达插补终点的上一点的速度正好为v1。

根据上述技术方案，所述步骤S1中拐点最大速度有以下约束：

1)轨迹容许误差；

2)插补最大加速度；

3)插补最大速度。

根据上述技术方案，所述曲线插补线速度的加减速的原则为：按当前线速度一直以a大小匀减速未过超目标，则加速，直到最大速度，若按当前速度一直以a大小匀减速已超过目标则减速。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便，本发明科学合理，计算简单，易于计算机实现；这种前瞻控制方法，包括微小线段在内的任意插补曲线，极大的扩展了前瞻控制的适用范围，是插补更加平滑，从而提高加工质量。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是插补拐点处的插补控制原理图；

图2是曲线插补实例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1所示，本发明提供技术方案：一种前瞻控制方法，包括微小线段在内的任意插补曲线，具体包括以下步骤：

S1、进行插补曲线终点的拐点处的最大速度v1进行计算，加上拐点处的夹角构成一个约束，在此约束下进行曲线插补；

根据上述技术方案，步骤S1中拐点最大速度有以下约束：

1)轨迹容许误差，设为Δd_max；；

2)插补最大加速度a；

3)插补最大速度v_max。

根据上述技术方案，曲线插补线速度的加减速的原则为：按当前线速度一直以a大小匀减速未过超目标，则加速，直到最大速度，若按当前速度一直以a大小匀减速已超过目标则减速。

假设拐点速度为v，0点到1点，1点到2点的时间为ΔT，0点为插补曲线到达终点的前一点，1点为预期到达的拐点，2点为下一插补曲线的第一个插补点，有关系式：

tan(α/2)＝v*ΔT/R； (1)

sin(α/2)＝v*ΔT/(R+Δd)； (2)

由(1)(2)式可得：

Δd＝v*ΔT*tan(α/4)； (3)

由(3)可得对速度的约束为：

v≤Δd_max/(ΔT*tan(α/4))； (4)

由于插补最大加速度为a，而：

a＝v*v/R； (5)

由(5)可以得到约束：

v≤a*ΔT/tan(α/2)； (6)

加上最大速度约束：

v≤v_max； (7)

根据(4)(6)(7)可以计算出任意曲线拐点的最大速度v1，而此速度v1与夹角α作为前瞻控制的依据，可以有效产生平滑控制的效果；

如图2所示，进行一个闭合曲线的插补，假设a＝5000mm/ s^2，Δd_max＝0.03mm，ΔT＝50ms，v_max＝1000mm/s；

若是粗加工，对轨迹偏差无要求，则计算出拐点最大速度 v1＝250mm/s；v2＝1000mm/s；v3＝1000mm/s；v4＝250mm/s；

很明显此算法在4个拐点平滑效果明显；

若是精加工对轨迹偏差有要求，则计算出拐点最大速度 v1＝1.45mm/s；v2＝1000mm/s；v3＝1000mm/s；v4＝1.45mm/s；

此算法对于v2，v3效果很明显，达到了平滑控制的目的，也实现了前瞻控制的目的。

这种曲线插补的特殊性在于：如在如图1所示的插补曲线的0 点，其目标插补点不是1点，而是真实轨迹圆弧的中点，此中点可以由最大速度v1与夹角α计算得出；

其次，曲线插补线速度的加减速的原则为：按当前线速度一直以 a大小匀减速未过超目标，则加速，直到最大速度，若按当前速度一直以a大小匀减速已超过目标则减速，其中a为最大加速度。

以终点限速v1的一段长度为s12直线的插补为例进一步进行说明；

假设起始速度为v0，最大速度为vm，当前速度为v，当前位置为s，插补周期为ΔT，最大加速度为a，插补速度的算法为：

起点初始速度v＝v0，若Δs≥s12-s则减速v＝v-a*ΔT；

若Δs<s12-s且v<vm，则加速v＝v+a*ΔT，此算法可让到达终点时速度控制在目标速度。

由于任意曲线都能以s为参数表达，

x＝u(s)；y＝v(s)；z＝w(s)；

因此可以控制任意曲线的加减速都能归结为控制参数s的加减速，直线段的加减速控制插补算法也适用。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便，本发明科学合理，计算简单，易于计算机实现；这种前瞻控制方法，包括微小线段在内的任意插补曲线，极大的扩展了前瞻控制的适用范围，是插补更加平滑，从而提高加工质量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种前瞻控制方法，其特征在于：适用包括微小线段在内的任意插补曲线，具体包括以下步骤：

S1、进行插补曲线终点的拐点处的最大速度v1进行计算；S2、加上拐点处的夹角构成一个约束，在此约束下进行曲线插补；

所述曲线插补的最后一点的目标插补点不是曲线的终点，而是真实轨迹圆弧的中点；

所述曲线插补的加减速控制保证到达插补终点的上一点的速度正好为v1，

步骤S1中拐点最大速度有以下约束：

1)轨迹容许误差，设为Δd_max；

2)插补最大加速度a；

3)插补最大速度v_max；

曲线插补线速度的加减速的原则为：按当前线速度一直以a大小匀减速未过超目标，则加速，直到最大速度，若按当前速度一直以a大小匀减速已超过目标则减速，

拐点速度为v，0点到1点，1点到2点的时间为ΔT，0点为插补曲线到达终点的前一点，1点为预期到达的拐点，2点为下一插补曲线的第一个插补点，有关系式：

tan(α/2)＝v*ΔT/R； (1)

sin(α/2)＝v*ΔT/(R+Δd)； (2)

由(1)(2)式可得：

Δd＝v*ΔT*tan(α/4)； (3)

由(3)可得对速度的约束为：

v≤Δd_max/(ΔT*tan(α/4))； (4)

由于插补最大加速度为a，而：

a＝v*v/R； (5)

由(5)可以得到约束：

v≤a*ΔT/tan(α/2)； (6)

加上最大速度约束：

v≤v_max； (7)

根据(4)(6)(7)可以计算出任意曲线拐点的最大速度v1，而此速度v1与夹角α作为前瞻控制的依据，可以有效产生平滑控制的效果。

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