CN113031508A - 一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法 - Google Patents

一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法 Download PDF

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CN113031508A
CN113031508A CN201911250814.XA CN201911250814A CN113031508A CN 113031508 A CN113031508 A CN 113031508A CN 201911250814 A CN201911250814 A CN 201911250814A CN 113031508 A CN113031508 A CN 113031508A
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朱艳菊
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Abstract

本发明机涉及床限位保护领域，特别涉及一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，包括：根据机床参数分别计算出加工运动的左极限位置和右极限位置，加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度以及限位预检测的左位置和右位置，并将计算结果设置于FPGA中；启动FPGA进行实时监测保护，监测轴位置与轴速度是否满足各极限位置及最高速度要求，若超出要求范围需要进行报警急停，并取消实时监测保护。本发明算法简单，系统资源占用少，并且充分考虑了运行速度的影响，准确率高，保护效果好。

Description

一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法
技术领域
本发明涉及机床限位保护领域，特别涉及一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法。
背景技术
限位保护是机床运行安全性和可靠性的保证，数控机床通常采用挡块、行程开关或接近开关等硬件传感器来实现限位保护，直线轴运动到特定位置时引发传感器信号，数控系统接收到信号进行急停停止控制。为了保证机床运行安全性，通常需要丝杆预留一定的减速距离，该减速距离与机床运行速度成正比，与加速度成反比。在数控机床运行速度较高情况下、如果减速加速度较低，则需要预留的减速距离会很大，降低了丝杆的有效使用长度，如果提高减速加速度，则容易引起机床振动，不能满足高精度机床的控制要求，而且该方法无法根据机床运行速度灵活修改限制范围。为此，国际一些数控厂家提出了软限位保护方法，即利用数控系统参数存储行程极限值的方法来进行超程限制，数控系统判断机床运行位置超过软限位参数值时控制机床减速停止，软限位参数值可以根据情况灵活修改，软限位在绝对轴控制的机床上可起到很好的保护作用。但是，目前高档数控系统的软限位保护在实现方法上都是边加工边计算运动路径覆盖的包围盒并进行实时判断，计算过程非常复杂，特别是针对圆弧、螺旋线等非直线路径，而且非常消耗系统的运算资源；一些普通数控系统的软限位计算方法虽然简单，但是由于未考虑运行速度的影响，运动停止时超出的行程值不容易确定，无法准确控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种算法简单，准确性高，系统资源占用少，保护范围改动灵活，保护效果好的机床软限位实现方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，包括以下步骤：
A．根据各轴的丝杆总长度、加工运动行程、丝杆左极限位置和右极限位置，分别计算各轴加工运动的左极限位置和右极限位置；
B．分别根据丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离、丝杆右极限位置与加工运动的右极限位置的距离、急停减速参数、机床轴最大运行速度、机床轴启动速度，计算机床各轴加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度以及限位预检测的左位置和右位置；
C．将步骤A和步骤B中的计算结果设置于FPGA（Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）中，并启动FPGA进行实时监测保护；
D、判断轴位置以及轴速度是否正常，如果正常则执行步骤E，不正常执行步骤F；
E、继续进行监测保护并返回步骤D；
F．报警急停，并取消实时监测保护。
优选地，步骤A中所述加工运动的左极限位置和右极限位置以丝杆两端对称原则确定，即：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为丝杆右极限位置与加工运动的右极限位置的距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为丝杆总长度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为加工运动行程；
加工运动的左极限位置和右极限位置为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
为加工运动的左极限位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
为加工运动的右极限位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
为丝杆左极限位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
为丝杆右极限位置。
优选地，步骤B中对于限位预检测的左位置和右位置的计算采用S曲线加减速算法，减速过程包括加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，或者包括加加速度段和减加速度段两个阶段，通过计算加加速度段和减加速度段两个阶段最高速度的阈值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
进行判断：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024A
为加加速度段和减加速度段两个阶段的最高速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
为启动速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
为急停加速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
为急停加加速度；
若轴最大运行速度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE035
，则该轴的减速过程只包含加加速度段和减加速度段两个阶段，其最大急停减速距离为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
为最大急停减速距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
为最大运行速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029A
为启动速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033A
为急停加加速度；
计算限位预检测的左位置和右位置分别为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE045
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE049
为限位预检测的左位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE051
为限位预检测的右位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020A
为丝杆左极限位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022A
为丝杆右极限位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039A
为最大急停减速距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041A
为最大运行速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029AA
为启动速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033AA
为急停加加速度；
若轴最大运行速度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE059
，则该轴的减速过程包含加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，其最大急停减速距离为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE061
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039AA
为最大急停减速距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041AA
为最大运行速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029AAA
为启动速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031A
为急停加速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033AAA
为急停加加速度；
计算限位预检测的左位置和右位置分别为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE068
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE070
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE049A
为限位预检测的左位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE051A
为限位预检测的右位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020AA
为丝杆左极限位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022AA
为丝杆右极限位置，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039AAA
为最大急停减速距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041AAA
为最大运行速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029AAAA
为启动速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031AA
为急停加速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033AAAA
为急停加加速度。
优选地，步骤B中对于加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度的计算采用S曲线加减速算法，减速过程包括加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，或者包括加加速度段和减加速度段两个阶段，通过计算加加速度段和减加速度段两个阶段最大减速距离的阈值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE081
进行判断：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE083
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE081A
为加加速度段和减加速度段两个阶段的最大减速距离之和，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029AAAAA
为启动速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031AAA
为急停加速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033AAAAA
为急停加加速度；
若丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE089
，则该轴的减速过程只包含加加速度段和减加速度段两个阶段，其加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE091
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE093
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE095
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE097
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033AAAAAA
为急停加加速度；
若丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE089A
，则该轴的减速过程包含加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，其加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE093A
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE095A
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE097A
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031AAAA
为急停加速度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAA
为急停加加速度。
优选地，步骤D中所述对轴位置和轴速度的判断包含数控机床全部运动轴，其中一个运动轴出现不正常，判定结果即为不正常，全部运动轴均正常时才判定为正常；各运动轴的具体判断方法包括：
D1．判断轴位置是否小于该轴加工运动的左极限位置
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤D2；
D2．判断轴位置是否小于等于该轴限位预检测的左位置
Figure DEST_PATH_IMAGE109
，若是，则执行步骤D3；若否，则执行步骤D4；
D3．判断轴速度是否超过该轴加工运动的左极限位置允许的最大速度
Figure DEST_PATH_IMAGE093AA
，且速度方向为负向，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤D4；
D4．判断轴位置是否大于该轴加工运动的右极限位置
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤D5；
D5．判断轴位置是否大于等于该轴限位预检测的右位置
Figure DEST_PATH_IMAGE051AA
，若是，则执行步骤D6；若否，则判断结果为正常；
D6．判断轴速度是否超过该轴加工运动的右极限位置允许的最大速度
Figure DEST_PATH_IMAGE095AA
，且速度方向为正向，若是，则判断为不正常；若否则判断为正常。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明算法简单，系统资源占用少，并且充分考虑了运行速度的影响，准确率高，保护效果好。本发明可以根据每台机床装机情况、最大速度规划情况，自动合理设置限位参数，使机床在丝杆总长度不变的情况下，增大丝杆的有效行程；在丝杆总长度、丝杆有效行程、机床减速参数不变的情况下，安全地提高机床最大运行速度；在丝杆有效行程、机床最大运行速度不变的情况下，安全地降低机床减速参数，减少机床急停时的振动。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图。
图2是本发明丝杆限位位置示意图。
图3是本发明机床运动轴的加减速运动S曲线示意图。
图4是本发明各轴位置及轴速度判断方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，包括以下步骤：
步骤100，根据各轴的丝杆总长度、加工运动行程、丝杆左极限位置和右极限位置，分别计算各轴加工运动的左极限位置和右极限位置；
步骤200，分别根据丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离、丝杆右极限位置与加工运动的右极限位置的距离、急停减速参数、机床轴最大运行速度、机床轴启动速度，计算机床各轴加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度以及限位预检测的左位置和右位置；
步骤300，将步骤100和步骤200中的计算结果设置于FPGA中，并启动FPGA进行实时监测保护；
步骤400，判断轴位置以及轴速度是否正常，如果正常则执行步骤,500，不正常则执行步骤600；
步骤500、继续进行监测保护并返回步骤400；
步骤600．报警急停，并取消实时监测保护。
图2显示了丝杆左右极限位置、加工运动的左右极限位置以及限位预检测的左右位置等各位置关系，由图2所示，为保证丝杆利用率最高，步骤100中所述加工运动的左极限位置
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
和右极限位置
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
以丝杆两端对称原则确定，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
为丝杆右极限位置与加工运动的右极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
为丝杆总长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
为加工运动行程。
则加工运动的左极限位置和右极限位置分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAA
为加工运动的左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAA
为加工运动的右极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
为丝杆左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
为丝杆右极限位置。
图3显示了机床各轴加减速运动S曲线示意图，减速过程由加加速度段T5段、匀加速度段T6段以及减加速度段T7段组成，其中：
完整的T5段速度从初速度
Figure DEST_PATH_IMAGE128
开始，加速度从0开始以加加速度
Figure DEST_PATH_IMAGE130
变加速下降，直到加速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE132
，此时T5段末速度达到
Figure DEST_PATH_IMAGE134
，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE136
Figure DEST_PATH_IMAGE138
Figure DEST_PATH_IMAGE140
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE134A
为T5段末速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE128A
为T5段初速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE130A
为加加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE145
为T5段总运行时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE147
为最大加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE149
为T5段速度的变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE151
为T5段运行距离。
T6段速度从
Figure DEST_PATH_IMAGE134AA
开始，以
Figure DEST_PATH_IMAGE132A
匀加速度减速运动至T6段末速度达到
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE157
Figure DEST_PATH_IMAGE159
Figure DEST_PATH_IMAGE161
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE163
为T6段末速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE134AAA
为T6段起始速度T5段末速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE166
为T6段总运行时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE147A
为最大加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE169
为T6段速度的变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE171
为T6段运行距离。
完整的T7段，速度从
Figure DEST_PATH_IMAGE163A
开始，加速度从
Figure DEST_PATH_IMAGE132AA
开始，以加加速度
Figure DEST_PATH_IMAGE130AA
减加速下降，直到T7段末速度达到
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAA
，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE177
Figure DEST_PATH_IMAGE179
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE155A
为T7段起始速度T6段末速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAA
为T7段末速度也为轴启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE130AAA
为加加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE184
为T7段总运行时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE147AA
为最大加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE187
为T7段速度的变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE189
为T7段运行距离。
本发明步骤200中对于限位预检测的左位置和右位置以及加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度的计算均采用S曲线加减速算法，急停减速过程可包括加加速度段T5、匀加速度段T6、减加速度段T7三个阶段，或者仅包括加加速度段T5和减加速度段T7两个阶段，分别通过计算加加速度段T5和减加速度段T7两个阶段最高速度的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
和最大减速距离的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE081AA
进行判断，当轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAA
小于等于阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAA
，或者轴减速距离小于等于阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE081AAA
时，急停减速过程仅由加加速度段T5和减加速度段T7两个阶段组成；当轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAAA
大于阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAA
，或者轴减速距离大于阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE081AAAA
时，急停减速过程由加加速度段T5、匀加速度段T6、减加速度段T7三个阶段组成。
加加速度段T5和减加速度段T7两个阶段最高速度的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAA
通过下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE200
Figure DEST_PATH_IMAGE202
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAA
为加加速度段T5和减加速度段T7两个阶段的最高速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAA
为急停加加速度。
若轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE035A
，则该轴的减速过程只包含加加速度段T5和减加速度段T7两个阶段，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE209
Figure DEST_PATH_IMAGE211
Figure DEST_PATH_IMAGE213
Figure DEST_PATH_IMAGE215
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE217
为急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE128AA
为T5段初速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAA
为急停加加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE222
为整个减速过程速度变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE224
为T5段速度变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE226
为T7段速度变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE228
为T5段运行时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE230
为T7段运行时间。
当T5段初速度
Figure DEST_PATH_IMAGE128AAA
等于轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAAAA
时，急停减速距离
Figure DEST_PATH_IMAGE217A
达到最大值，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE235
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039AAAA
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAAAAA
为轴最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAA
为急停加加速度。
计算限位预检测的左位置和右位置分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE045A
Figure DEST_PATH_IMAGE047A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049AA
为限位预检测的左位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE051AAA
为限位预检测的右位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAA
为丝杆左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAA
为丝杆右极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE039AAAAA
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAAAAAA
为最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAA
为急停加加速度。
若轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE059A
，则该轴的减速过程包含加加速度段T5、匀加速度段T6和减加速度段T7三个阶段，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE252
Figure DEST_PATH_IMAGE254
Figure DEST_PATH_IMAGE256
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE258
为三个阶段的急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE128AAAA
为T5段初速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAA
为急停加加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAAAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE264
为整个减速过程速度变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE169A
为T6段速度变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE267
为T5段和T7段最大速度变化量之和，
Figure DEST_PATH_IMAGE269
为T6段运行时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE145A
为T5段总运行时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE184A
为T7段总运行时间。
同样，在T5段初速度
Figure DEST_PATH_IMAGE128AAAAA
等于轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAAAAAAA
时，三个阶段的急停减速距离
Figure DEST_PATH_IMAGE258A
达到最大值，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE276
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039AAAAAA
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAAAAAAAA
为轴最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAAA
为急停加加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAAAAA
为急停加速度。
计算限位预检测的左位置和右位置分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE068A
Figure DEST_PATH_IMAGE070A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049AAA
为限位预检测的左位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE051AAAA
为限位预检测的右位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAAA
为丝杆左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAAAA
为丝杆右极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE039AAAAAAA
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAAAAAAAAAA
为最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAAAAAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAAAA
为急停加加速度。
加加速度段和减加速度段两个阶段最大减速距离的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE081AAAAA
通过下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE295
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE081AAAAAA
为加加速度段T5段和减加速度段T7段两个阶段的最大减速距离之和，
Figure DEST_PATH_IMAGE298
为加加速度段T5段的最大减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE300
为加加速度段T7段的最大减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAA
为加加速度段T5和减加速度段T7两个阶段的最高速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAAAAAAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAAAAA
为急停加加速度。
若丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE089AA
，则该轴的减速过程只包含加加速度段T5段和减加速度段T7段两个阶段，此时急停减速距离采用前述的下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE307
急停减速距离
Figure DEST_PATH_IMAGE217AA
达到丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE097AA
时，T5段初速度
Figure DEST_PATH_IMAGE128AAAAAA
达到加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE312
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE097AAA
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE093AAA
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE095AAA
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAAAAAA
为急停加加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAAAAA
为启动速度。
由于
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAAAAAA
速度很小，对计算结果影响很小，可将
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAAAAAAA
定义为0，因此，计算加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE321
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE093AAAA
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE095AAAA
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE097AAAA
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAAAAAAA
为急停加加速度。
若丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE089AAA
，则该轴的减速过程包含加加速度段T5段、匀加速度段T6段、减加速度段T7段三个阶段，此时急停减速距离采用前述的下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE328
同样，急停减速距离
Figure DEST_PATH_IMAGE258AA
达到丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE097AAAAA
时，T5段初速度
Figure DEST_PATH_IMAGE128AAAAAAA
达到加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE333
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE097AAAAAA
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE093AAAAA
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE095AAAAA
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAAAAAAAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAAAAAAAA
为急停加加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAAAAAAAA
为启动速度。
同样将
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
定义为0，计算加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE342
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE093AAAAAA
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE095AAAAAA
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE097AAAAAAA
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAAAAAAAAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAAAAAAAAAAAAAA
为急停加加速度。
图4显示了步骤400中各运动轴的具体判断方法，结合图2所示，判断过程包括：
步骤401，判断轴位置是否小于该轴加工运动的左极限位置
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAA
，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤402；
步骤402，判断轴位置是否小于等于该轴限位预检测的左位置
Figure DEST_PATH_IMAGE109A
，若是，则执行步骤403；若否，则执行步骤404；
步骤403，判断轴速度是否超过该轴加工运动的左极限位置允许的最大速度
Figure DEST_PATH_IMAGE093AAAAAAA
，且速度方向为负向，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤404；
步骤404，判断轴位置是否大于该轴加工运动的右极限位置
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAAA
，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤405；
步骤405，判断轴位置是否大于等于该轴限位预检测的右位置
Figure DEST_PATH_IMAGE051AAAAA
，若是，则执行步骤406；若否，则判断结果为正常；
步骤406，判断轴速度是否超过该轴加工运动的右极限位置允许的最大速度
Figure DEST_PATH_IMAGE095AAAAAAA
，且速度方向为正向，若是，则判断为不正常；若否则判断为正常。
上述判断方法是针对单个运动轴的判断，而步骤400需要对全部运动轴进行判断，只有全部运动轴按照上述方法判断均正常时，步骤400的判断结果才为正常；如果其中一个运动轴出现不正常，则判断结果即为不正常。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
A．根据各轴的丝杆总长度、加工运动行程、丝杆左极限位置和右极限位置，分别计算各轴加工运动的左极限位置和右极限位置；
B．分别根据丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离、丝杆右极限位置与加工运动的右极限位置的距离、急停减速参数、机床轴最大运行速度、机床轴启动速度，计算机床各轴加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度以及限位预检测的左位置和右位置；
C．将步骤A和步骤B中的计算结果设置于FPGA（Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）中，并启动FPGA进行实时监测保护；
D、判断轴位置以及轴速度是否正常，如果正常则执行步骤E，不正常执行步骤F；
E、继续进行监测保护并返回步骤D；
F．报警急停，并取消实时监测保护。
2.根据权利要求1所述的一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，其特征在于，步骤D中所述对轴位置和轴速度的判断包含数控机床全部运动轴，其中一个运动轴出现不正常，判定结果即为不正常，全部运动轴均正常时才判定为正常；各运动轴的具体判断方法包括：
D1．判断轴位置是否小于该轴加工运动的左极限位置，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤D2；
D2．判断轴位置是否小于等于该轴限位预检测的左位置，若是，则执行步骤D3；若否，则执行步骤D4；
D3．判断轴速度是否超过该轴加工运动的左极限位置允许的最大速度，且速度方向为负向，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤D4；
D4．判断轴位置是否大于该轴加工运动的右极限位置，若是，则判断为不正常；若否则执行步骤D5；
D5．判断轴位置是否大于等于该轴限位预检测的右位置，若是，则执行步骤D6；若否，则判断结果为正常；
D6．判断轴速度是否超过该轴加工运动的右极限位置允许的最大速度，且速度方向为正向，若是，则判断为不正常；若否则判断为正常。
3.根据权利要求1或2所述的一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，其特征在于，步骤A中所述加工运动的左极限位置和右极限位置以丝杆两端对称原则确定，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为丝杆右极限位置与加工运动的右极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为丝杆总长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为加工运动行程；
加工运动的左极限位置和右极限位置为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为加工运动的左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为加工运动的右极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为丝杆左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为丝杆右极限位置。
4.根据权利要求3所述的一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，其特征在于，步骤B中对于限位预检测的左位置和右位置的计算采用S曲线加减速算法，减速过程包括加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，或者包括加加速度段和减加速度段两个阶段，通过计算加加速度段和减加速度段两个阶段最高速度的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE024
进行判断：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
为加加速度段和减加速度段两个阶段的最高速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为急停加加速度；
若轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，则该轴的减速过程只包含加加速度段和减加速度段两个阶段，其最大急停减速距离为：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029A
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033A
为急停加加速度；
计算限位预检测的左位置和右位置分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
Figure DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为限位预检测的左位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为限位预检测的右位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
为丝杆左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
为丝杆右极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE039A
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041A
为最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AA
为急停加加速度；
若轴最大运行速度
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，则该轴的减速过程包含加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，其最大急停减速距离为：
Figure DEST_PATH_IMAGE061
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE039AA
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041AA
为最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031A
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAA
为急停加加速度；
计算限位预检测的左位置和右位置分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
Figure DEST_PATH_IMAGE070
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049A
为限位预检测的左位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE051A
为限位预检测的右位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
为丝杆左极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE022AA
为丝杆右极限位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE039AAA
为最大急停减速距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041AAA
为最大运行速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAA
为急停加加速度。
5.根据权利要求4所述的一种位置和速度保护相结合的机床软限位实现方法，其特征在于，步骤B中对于加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度的计算采用S曲线加减速算法，减速过程包括加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，或者包括加加速度段和减加速度段两个阶段，通过计算加加速度段和减加速度段两个阶段最大减速距离的阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE081
进行判断：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE081A
为加加速度段和减加速度段两个阶段的最大减速距离之和，
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAA
为启动速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAA
为急停加加速度；
若丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE089
，则该轴的减速过程只包含加加速度段和减加速度段两个阶段，其加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE091
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE093
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE095
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE097
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAA
为急停加加速度；
若丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE089A
，则该轴的减速过程包含加加速度段、匀加速度段、减加速度段三个阶段，其加工运动的左极限位置和右极限位置允许的最大速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE093A
为加工运动的左极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE095A
加工运动的右极限位置允许的最大速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE097A
为丝杆左极限位置与加工运动的左极限位置的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE031AAAA
为急停加速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE033AAAAAAA
为急停加加速度。
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