CN111487930B - 基于对称图形替换技术的运动控制系统、方法、装置、机床和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对称图形替换技术的运动控制系统、方法、装置、机床和存储介质，涉及运动控制技术领域。其运动控制方法的技术要点包括用输入的工件程序数据进行直线加减速的初阶规划；对直线加减速的初阶规划的加速度曲线做等积分面积的对称图形替换的进阶规划，得到进阶规划中的规划值；对进阶规划的规划值进行插补,获得插补后的位置值；将插补获得的位置值送至运动控制驱动器以控制可控电机，本发明具有运算简单，运算量小，易于理解的优点。

Description

基于对称图形替换技术的运动控制系统、方法、装置、机床和 存储介质

技术领域

本发明属于运动控制领域，涉及电机加减速的速度规划技术，尤其是工业领域的自动化设备运动控制、机器人控制和数控机床控制的加减速的速度规划技术。

背景技术

工业自动化设备、数控机床、机器人等智能装备普遍采用电机作为运动控制的核心部件，加减速的速度规划作为电机运动控制的关键技术，其算法质量和复杂度直接影响运动精度、稳定性和效率。运动控制过程中，电机的启动、运行和停止时，保证位置准确、无丢步、无过载、无过冲和无振动，是智能装备高速高精度运转的前提，而实现该控制过程的基础就是高性能的速度规划方法；同时，高速高精度的速度规划是多轴运动控制系统实现高速插补和复杂轨迹插补的保证。

目前，常用的速度规划方式为梯形速度规划和S形速度规划。梯形速度规划属于一阶规划，计算简单，速度连续但加速度不连续，运行过程中有加速度突变，造成运动机构振动和冲击，严重影响机构寿命、工作速度和工作精度；S形速度规划属于二阶规划，速度和加速度连续，能避免梯形的基本缺陷而被频繁使用。

通常，目前公布号为CN106444635A的中国专利公开的一种运动控制系统的非对称S曲线加减速控制方法,类似于上述的S形曲线规划方法，为了增加稳定性，进一步提高精度和速度，S形曲线被设计成非对称的加减速方式，起始速度和结束速度可分开控制、加速度和减速度亦可分开控制。即便如此，S形曲线规划方法仍然有如下缺陷：计算方式复杂，通常采用迭代法、二分法并结合运动学速度、加速度和时间的关系进行计算，大量运算降低了运动控制的响应速度，也限制了高级复杂插补轨迹的应用实现，难以应用在更高端机床的复杂高精度曲面多轴同步插补加工。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于对称图形替换技术的运动控制系统加减速控制方法，其具有计算量小，易于理解的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于对称图形替换技术的运动控制系统加减速控制方法，包括以下步骤；

用输入的工件程序数据进行直线加减速的初阶规划；

对直线加减速的初阶规划的加速度曲线做等积分面积的对称图形替换的进阶规划，得到进阶规划中的规划值；

对进阶规划的规划值进行插补,获得插补后的位置值；

将插补获得的位置值送至运动控制驱动器以控制可控电机。

通过采用上述技术方案，首先根据工件程序数据生成简单的直线加减速的初阶规划，再利用简单的初阶规划基础上通过加速度的图形替换获得进阶的加速度值，之后根据加速度值推算得到加加速度值、速度值及位置值此类规划值，之后通过规划值插补，利用插补后的位置值实现可控电机的驱动。由于对称图形的对称性，S型曲线中加加速、匀加速和减加速的三个阶段分别无需采用多项式规划，因此本方法能够通过简单的图像变化，无需复杂的运算就能够将均变速的速度规划转化为S型曲线；解决加速度突变的问题外，另外由于对称图形和原图形的加速度积分相等，因此采用图形变化的技术方案后，还不会改变初阶规划的速度变化总量、运行时间以及位移总量；达到了运算简单，运算量小，易于理解的优点。

本发明进一步设置为：所述进阶规划包括以下步骤：

获取初阶规划中的匀变速阶段；

采用对称图形替换匀变速阶段的加速度图形，其中所述对称图形的积分面积和匀变速阶段的加速度图形的积分面积相等；

获取替换后的对称图形各时间值的进阶规划的加速度值；

基于进阶规划的加速度值计算进阶规划的加加速度值、速度值和位置值。通过采用上述技术方案，将原本的初阶规划中的多个匀变速阶段，分别做采用对称图像替换的方式；过程中S型的速度规划中加加速、匀加速和减加速的三个阶段分别无需采用多项式规划，整体的计算量小。因此在初阶规划中存在多段匀变速阶段的情况下，通过分别运算，运算量依然不大。

本发明进一步设置为：所述对称图形为关于中间时间线对称的图形；其中，所述中间时间为所在匀变速阶段的中间时刻。

通过采用上述技术方案，对称图形为关于中间时间线对称的图形，使得S型的速度规划的加加速和减加速之间能够做到完全对应，从而能够保证图形变化后运行时间以及位移总量不会在初阶规划的基础上改变。

本发明进一步设置为：所述初阶规划为至少包括匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段中的一种或几种。

通过采用上述技术方案，一般工件加工的过程中会产生速度的变化来运行指定的行程，而采用匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段方式初步规划简便。

本发明进一步设置为：所述进阶规划的规划值为时间值、加加速度值、加速度值、速度值及位置值中的一种或几种

通过采用上述技术方案，规划值采用时间值、加加速度值、加速度值、速度值及位置值中的一种或几种，都能够通过计算获得插补后的位置值。

本发明目的二是提供一种基于对称图形替换技术的运动控制系统，具有针对运动控制计算快速的特点。

一种基于对称图形替换技术的运动控制系统，包括：

初阶规划模块，用输入的工件程序数据进行直线加减速的初阶规划；

进阶规划模块，对直线加减速的初阶规划的加速度曲线做等积分面积的对称图形替换的进阶规划，得到进阶规划中的规划值；

插补模块，对进阶规划的规划值进行插补,获得插补后的位置值；

驱动模块，将插补获得的位置值送至运动控制驱动器以控制运动电机。

本发明目的三是提供一种运动控制系统加减速控制装置，具有针对运动控制响应快速的特点。

本发明的上述发明目的三是通过以下技术方案得以实现的：

一种运动控制系统加减速控制装置，包括存储器和处理器，所属存储器上存储有能够被处理器加载并执行上述目的一方法的计算机程序。

本发明目的四是提供一种数控机床，具有针对运动控制响应快速的特点。

一种数控机床，所述数控机床包括目的三所述的加减速控制装置。

本发明目的五是提供一种计算机存储介质，能够存储相应的程序，具有运动控制计算快速的特点。

本发明的上述发明目的五是通过以下技术方案得以实现的：

一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行上述目的一的任一种速度规划的加减速控制方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)S型的速度规划中加加速、匀加速和减加速的三个阶段分别无需采用多项式规划，采用对称图像替换的方式，整体的计算量小；

(2)采用图形变化的技术方案后，不会改变初阶规划的速度变化总量、运行时间以及位移总量，当初阶规划中存在多段匀变速阶段的情况下，通过分别运算；

(3)对称图形的起始加速度和结束加速相同，从而保证相邻阶段之间的加速度不会发生突变，避免了机床加工过程中由于加速度突变而产生的震动；

(4)从加速度方面做初始控制，因此在初始速度和结束速度方面，可以不为零，因此能够适应的加工场景也更加丰富。

附图说明

图1为运动控制系统加减速控制方法的流程示意图；

图2为运动控制系统加减速控制方法中进阶规划的流程示意图；

图3为加减速控制方法中加速度替换的对称图形为等腰梯形时速度曲线的变化示意图；

图4为加减速控制方法中加速度替换的对称图形为等腰三角形时速度曲线的变化示意图；

图5为加减速控制方法中加速度替换的对称图形为抛物线时速度曲线的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

工业自动化设备、数控机床、机器人等智能装备普遍采用电机作为运动控制的核心部件，加减速的速度规划作为电机运动控制的关键技术，其算法质量和复杂度直接影响运动精度、稳定性和效率。运动控制过程中，电机的启动、运行和停止时，保证位置准确、无丢步、无过载、无过冲和无振动，是智能装备高速高精度运转的前提，而实现该控制过程的基础就是高性能的速度规划方法。

常用的速度规划方式为梯形速度规划和S形速度规划。梯形速度规划属于一阶规划，计算简单，速度连续但加速度不连续，运行过程中有加速度突变，造成运动机构振动和冲击，严重影响运动机构寿命、工作速度和工作精度；S形速度规划属于二阶规划，速度和加速度连续，能避免梯形的基本缺陷而被频繁使用。

通常，S形曲线规划方法，为了增加稳定性，进一步提高精度和速度，S形曲线被设计成非对称的加减速方式，起始速度和结束速度可分开控制、加速度和减速度亦可分开控制。即便如此，S形曲线规划方法仍然有如下缺陷：(1)只能做到速度和加速度连续的二阶速度连续，三阶的加加速度是突变的，更高阶的突变造成精度丢失，无法进一步提升加工速度。(2)无法做到加加速度和减加速度的分开控制，稳定性进一步提升受限。(3)计算方式复杂，通常采用迭代法、二分法并结合运动学速度、加速度和时间的关系进行计算，大量运算降低了运动控制的响应速度，也限制了高级复杂插补轨迹的应用实现，难以应用在更高端机床的复杂高精度曲面多轴同步插补加工。(4)只能分段规划速度和时间，多项式表示法将整个速度规划分为5个或7个阶段，然后在每个阶段内进行讨论，计算量大，编程复杂。

一种基于对称图形替换技术的运动控制系统加减速控制方法，如图1所示，包括以下步骤；

S10、用输入的工件程序数据进行直线加减速的初阶规划；

初阶规划为至少包括匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段中的一种或几种。其中较为常见的直线加减速的初阶规划包括梯形速度规划和三角形速度规划。当然直线加减速的初阶规划还可以包括匀加速速度规划、匀速速度规划等其他包括匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段中的一种或几种的规划方式。

其中梯形速度规划包括匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段三个阶段，三角形速度规划包括匀加速阶段和匀减速阶段两个阶段。

如图3a，以梯形速度规划为例，梯形速度规划分三个阶段，且加减速阶段的速度呈线性变化，梯形速度规划速度的表达式为三个阶段的分段函数：

如图3b，以上述梯形速度规划为例，梯形速度规划加速度的表达式为三个阶段的分段函数：

其中，A为匀加速阶段的加速度，V为均速阶段的速度，D为匀减速阶段的加速度，t₀为匀加速阶段的初始时间，t₁为匀加速阶段的结束时间，t₂为匀速阶段的结束时间，t₃为匀减速阶段的结束时间。

由式(2)可知，梯形速度规划的加速度a(t)在时间t等于t₀、t₁、t₂和t₃的时刻存在跳变。加速度的跳变会导致机床出现严重的振动与冲击，本发明方法首先要解决的就是由于机床严重振动和冲击的问题。

S20、对直线加减速的初阶规划的加速度曲线做等积分面积的对称图形替换的进阶规划，得到进阶规划中的规划值；

规划值主要应用于下述步骤S30中的插补，常用的规划值为位置值。当然进阶规划的规划值也可以是时间值、加加速度值、加速度值、速度值及位置值中的一种或几种。

如图2所示，进阶规划包括以下步骤：

S201、获取初阶规划中的匀变速阶段；

由式2可知，上述梯形速度规划的三个阶段中第一段的匀加速阶段、第二段的匀速阶段和第三段的匀减速阶段均可以判断为匀变速阶段，其中匀速阶段可以看做为加速度为0的匀变速阶段。从梯形速度规划中获取匀加速阶段和匀减速阶段分别做对称图形替换的进阶规划。

S202、采用对称图形替换匀变速阶段的加速度图形；

具体的，对称图形为关于中间时间线对称的加速度图形，其中，中间时间为所在匀变速阶段的中间时刻。以梯形速度规划的第一段的匀加速阶段为例，那么匀加速阶段中间时间为匀加速阶段的初始时间t₀和结束时间t₁的中间值。

则匀加速阶段中间时间t_f计算公式如下：

另外，对称图形的面积和匀变速阶段的加速度图形相等，即匀变速阶段下产生的速度差值△f(t)不变。以梯形速度规划的第一段的匀加速阶段为例，初始时间t₀和结束时间t₁的速度差值△f(t)的积分计算公式如下：

在具体的实施方式中，对称图形可以为等腰三角形、等腰梯形、抛物线形或圆弧形任意一种图形。值得一提的是，虽然在举例中，对称图形的初始时间和结束时间的加速度值均过零点，即对称图形下初始时间和结束时间的加速度数值为零；但是对称图形也应该包括对称图形的初始时间和结束时间的加速度值不为零的情况。

S203、获取替换后的对称图形各时间点的进阶规划的加速度值；

不同的对称图形各时间点对应不同的加速度值，以梯形速度规划的第一段的匀加速阶段为例。

若匀加速阶段的替换的对称图形为等腰梯形，如图3c所示，等腰梯形加速度图形包括初始时间t₀至第一突变时间t₀₁之间的匀加加速度阶段，第一突变时间t₀₁和第二突变时间t₀₂之间的匀加速度阶段，以及第二突变时间t₀₂和结束时间t₁之间的匀减加速度阶段，加速度表达式如下：

表达式(6-1)中J为加加速度值，A为最大加速度值，t₀₁为第一突变时间，t₀₂为第二突变时间。其中第一突变时间t₀₁和第二突变时间t₀₂的中间值为中间时间t_f。

如图3b所示，替换前匀加速度阶段的加速度图形的积分面积为D1；如图3c所示，由加加速度值J、第一突变时间t₀₁和第二突变时间t₀₂构成的等腰梯形的加速度图形的积分面积为D2；替换前加速度图形的积分面积D1和替换后等腰梯形的加速度图形的面积D2相等。

若匀加速阶段的替换图形为等腰三角形，如图4c所示，等腰三角形加速图形包括初始时间t₀至中间时间t_f之间的匀加加速度阶段和中间时间t_f至结束时间t₁之间的匀减加速度阶段，加速度表达式如下：

表达式(6-2)中J为加加速度值，A为最大加速度值。

如图4b所示，替换前匀加速度阶段的加速度图形的积分面积为D1；如图4c所示，由加加速度值J、中间时间t_f构成的等腰三角形的加速度图形的面积为D3；替换前加速度图形的积分面积D1和替换后等腰三角形的加速度图形的积分面积D3相等。

若匀加速阶段的替换图形为抛物线形，如图5c所示，抛物线加速度图形包括初始时间t₀至中间时间t_f之间的变加加速度阶段和中间时间t_f至结束时间t₁之间的变减加速度阶段，加速度表达式如下：

a(t)＝-J(t-t_f)²+A t₀≤t<t₁ (6-3)

表达式(6-3)中J为加加速度，A为最大加速度值。

如图5b所示，替换前匀加速度阶段的加速度图形的积分面积为D1；如图5c所示，由加加速度值J、中间时间t_f构成的抛物线形的加速度图形的面积为D4；替换前加速度图形的积分面积D1和替换后抛物线形的加速度图形的积分面积D4相等。

同理，替换后的其他对称图形时，替换前加速度图形的积分面积和替换后抛物线形的加速度图形的积分面积相等。

S204、基于进阶规划的加速度值计算进阶规划的加加速度值、速度值和位置值。

加加速度值加速度值之间、位置值和速度值之间基于时间值的计算公式如下：

以匀加速阶段的替换图形为等腰梯形为例,结合式(6-1)、式(7-1)、式(4)和式(7-2)计算获得梯形速度规划的第一段的匀加速阶段的加加速度值、速度值和位置值如下列公式(8)、公式(9)和公式(10)：

其中J为加加速度值，f_s为起始速度，f₀₁为第一突变时间t₀₁时的速度，f₀₂为第二突变时间t₀₂时的速度。s₀₁为第一突变时间t₀₁时的位移，s₀₂为第二突变时间t₀₂时的位移。

同理，如图3所示，替换图形为等腰梯形，梯形速度规划的第三段的匀减速阶段的加加速度值、速度值和位置值也可以通过公式(8)、公式(9)和公式(10)计算获得，仅需对应修改起始速度f_s和加加速度J即可，故本文中不再赘述。

S30、对进阶规划的规划值进行插补；

S40、将插补获得的位置值送至运动控制驱动器以控制可控电机。

其中，当运动控制驱动器为伺服驱动器时，可控电机为伺服电机；当运动控制驱动器为步进驱动器时，可控电机为步进电机；当运动控制驱动器为变频驱动器时，可控电机为变频电机。

综上本方法:首先根据工件程序数据生成简单的直线加减速的初阶规划，再利用简单的初阶规划基础上通过加速度的图形替换获得进阶的加速度值，之后根据加速度值推算得到加加速度值、速度值及位置值此类规划值，之后通过规划值插补，利用插补后的位置值实现可控电机的驱动。由于对称图形的对称性，S型曲线中加加速、匀加速和减加速的三个阶段分别无需采用多项式规划，因此本方法能够通过简单的图像变化，无需复杂的运算就能够将均变速的速度规划转化为S型曲线；解决加速度突变的问题外，另外由于对称图形和原图形的加速度积分相等，因此采用图形变化的技术方案后，还不会改变初阶规划的速度变化总量、运行时间以及位移总量；达到了运算简单，运算量小，易于理解的优点。

实施例二，一种基于对称图形替换技术的运动控制系统，包括：

初阶规划模块，用输入的工件程序数据进行直线加减速的初阶规划；

进阶规划模块，对直线加减速的初阶规划的加速度曲线做等积分面积的对称图形替换的进阶规划，得到进阶规划中的规划值；

插补模块，对进阶规划的规划值进行插补,获得插补后的位置值；

驱动模块，将插补获得的位置值送至运动控制驱动器以控制运动电机。

实施例三，一种运动控制系统加减速控制装置，具有针对S型速度曲线运算快速的特点。一种运动控制系统加减速控制装置，包括存储器和处理器，所属存储器上存储有能够被处理器加载并执行上述实施例一所述方法的计算机程序。

实施例四，一种数控机床，所述数控机床包括实施例三所述的加减速控制装置。

实施例五，一种计算机存储介质，存储有能够被处理器加载并执行上述任一种运动控制系统加减速控制方法的计算机程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于对称图形替换技术的运动控制系统加减速控制方法，其特征在于：包括以下步骤；

用输入的工件程序数据进行直线加减速的初阶规划；

对直线加减速的初阶规划的加速度曲线做等积分面积的对称图形替换的进阶规划，得到进阶规划中的规划值；其中，进阶规划不会改变初阶规划的速度变化总量、运行时间以及位移总量；

对进阶规划的规划值进行插补,获得插补后的位置值；

将插补获得的位置值送至运动控制驱动器以控制可控电机；

所述进阶规划包括以下步骤：

获取初阶规划中的匀变速阶段；

采用对称图形替换匀变速阶段的加速度图形，其中所述对称图形的积分面积和匀变速阶段的加速度图形的积分面积相等；对称图形为关于中间时间线对称的加速度图形；

获取替换后的对称图形各时间值的进阶规划的加速度值；

基于进阶规划的加速度值计算进阶规划的加加速度值、速度值和位置值。

2.根据权利要求1所述的基于对称图形替换技术的运动控制系统加减速控制方法，其特征在于：所述对称图形为关于中间时间线对称的图形；其中，所述中间时间为所在匀变速阶段的中间时刻。

3.根据权利要求1所述的基于对称图形替换技术的运动控制系统加减速控制方法，其特征在于：所述初阶规划为至少包括匀加速阶段、匀速阶段和匀减速阶段中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的基于对称图形替换技术的运动控制系统加减速控制方法，其特征在于：所述进阶规划的规划值为时间值、加加速度值、加速度值、速度值及位置值中的一种或几种。

5.一种基于对称图形替换技术的运动控制系统，其特征在于：包括：

初阶规划模块，用输入的工件程序数据进行直线加减速的初阶规划；

进阶规划模块，对直线加减速的初阶规划的加速度曲线做等积分面积的对称图形替换的进阶规划，得到进阶规划中的规划值；其中，进阶规划不会改变初阶规划的速度变化总量、运行时间以及位移总量；

插补模块，对进阶规划的规划值进行插补,获得插补后的位置值；

驱动模块，将插补获得的位置值送至运动控制驱动器以控制运动电机；

所述进阶规划包括以下步骤：

获取初阶规划中的匀变速阶段；

采用对称图形替换匀变速阶段的加速度图形，其中所述对称图形的积分面积和匀变速阶段的加速度图形的积分面积相等；对称图形为关于中间时间线对称的加速度图形；

获取替换后的对称图形各时间值的进阶规划的加速度值；

基于进阶规划的加速度值计算进阶规划的加加速度值、速度值和位置值。

6.一种运动控制系统加减速控制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所属存储器上存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1至4中任一种方法的计算机程序。

7.一种数控机床，其特征在于，所述数控机床包括权利要求6所述的加减速控制装置。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有能够被处理器加载并执行如权利要求1至4中任一种方法的计算机程序。

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