CN114063568B - 基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及计算机可读存储介质 - Google Patents

基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，包括以下步骤：获取当前位置、控制周期、插补周期和当前倍率，设置当前时间；从缓冲区获取指令脉冲Step更新运动持续时间EndTime，并更新缓存区因子r避免缓冲区无指令脉冲导致电机速度掉零；判断当前时间是否小于等于EndTime，如果是，则计算s；得到当前Step前后的4个坐标；进行三次卷积插值，计算插值点；生成控制周期为nT的指令脉冲Step。本发明还涉及一种用于基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的装置、处理器及其计算机可读存储介质。采用了本发明的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，达到加速度平滑，机床不会由于加速度跳变而震动的效果，加速度跳变的问题有了很大的改善。

Description

基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、 处理器及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及数控软件运动控制领域，尤其涉及倍率平滑调整领域，具体是指一种基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。
背景技术
现有技术的步骤如下：
步骤1：数控系统的“解析模块”，把数控系统使用者输入的刀路文件，以及设定的参数(如速度、加速度等)，转化为一个计算机系统、机床驱动器能够识别的“指令数据集”。
步骤2：数控系统可以把这些“指令数据集”直接发送给驱动器，则驱动器此时以100％倍率加工。
步骤3：数控系统使用者若想在加工过程中实时修改加工倍率(如100％倍率降为70％，设加工最大速度为5000mm/min，则需要把速度降为3500mm/min)。
数控不会把“指令数据集”直接发送给驱动器，而是把数据先发给数控系统的“倍率控制模块”处理，再将处理后的数据发送给驱动器，则驱动器加工的倍率为设定的值。
步骤4：(步骤3中“倍率控制模块”的具体说明)
步骤3中“倍率控制模块”与步骤1中“解析模块”，相对独立，不会再根据新的倍率计算新的速度参数，再转到步骤1重新生成指令集。
“倍率控制模块”常采用的方案是“修改100％倍率下的‘指令数据集’里每个指令的时间片信息，每次仅发送一个指令运动的一部分”，最终实现加工中倍率的变化。
现有技术的缺陷如下：
现有技术采用了步骤4的实现方式，虽然最终实现的加工速度是平滑的，但是加速度却是跳变的，特别是运动的加减速阶段，运动的加速度会有：当前加速度→0→当前加速度→0→……的变化。
这样的实现方式，导致了：
问题1：非100％倍率下，加速度的波动大，机床震动，加工效率、效果不好；
问题2：非100％倍率下，机床加工震动，减少机床各部件的寿命。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足方法简便、加工效率高、适用范围较为广泛的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：
该基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)获取当前位置CurPos、控制周期nT和插补周期nTInterp，获取当前倍率CurFrp，设置当前时间；
(2)从缓冲区获取经过速度规划及插补的指令脉冲数据Step；
(3)根据当前Step插补周期nTInterp更新运动开始时间BeginTime与完成时间EndTime并根据当前缓存区状态判断性能情况，更新缓存区因子r；
(4)判断当前时间是否小于等于EndTime，如果是，则继续步骤(5)；否则，继续步骤(2)；
(5)计算插值比率s；
(6)各前瞻及后瞻Step得到当前Step前后的4个坐标点c1、c2、c3和c4；
(7)根据s与4个坐标点进行三次卷积插值，计算插值点InterpPos；
(8)根据当前位置CurPos与插值点InterpPos生成控制周期为nT的Step；
(9)输出Step。
较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)获取当前缓存区缓存的时间tb以及当前Step速度V；
(3.2)根据缓存的时间和速度，判断性能状态，更新缓存区因子r；
(3.3)对缓存区因子r进行两次滤波，使r连续变化。
较佳地，所述的步骤(8)后还包括以下步骤：
(8.1)获取当前倍率CurFrp；
(8.2)设置新的当前时间，继续步骤(4)。
较佳地，所述的步骤(2)中设置当前时间，具体为：
根据以下公式设置当前时间：
CurTime＝nT×CurFrp
其中，nT为控制周期，CurFrp为当前倍率，CurTime为当前时间。
较佳地，所述的步骤(3)中更新运动开始时间与完成时间，具体为：
根据以下公式更新运动开始时间与完成时间：
BeginTime′＝EndTime；
EndTime′＝BeginTime′+nTInterp；
其中，BeginTime为运动开始时间，EndTime为完成时间，nTInterp为插补周期。
较佳地，所述的步骤(5)中计算插值比率s，具体为：
根据以下公式计算插值比率s：
s＝(CurTime－BeginTime)/nTInterp
其中，CurTime为当前时间，nTInterp为插补周期。
较佳地，所述的步骤(7)中计算插值点InterpPos，具体为：
根据以下公式计算插值点InterpPos：
InterpPos＝c1×u(s+1)+c2×u(s)+c3×u(s-1)+c4×u(s-2)；
其中，u(s)为三次卷积核函数。
较佳地，所述的步骤(8.2)中设置当前时间，具体为：
根据以下公式设置新的当前时间：
CurTime’＝CurTime+nT×CurFrp×r
其中，nT为控制周期，CurFrp为当前倍率，CurTime为当前时间，r为缓存区因子。
该用于基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的装置，其特征在于，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
该用于基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的处理器，其特征在于，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
该计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
采用了本发明的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，解决现有技术在加工过程中调整倍率时，加速度跳变，导致机床震动、加工效率低和加工效果差的问题，达到加速度平滑，机床不会由于加速度频繁跳变而震动的效果，而且由于采用卷积的方式利于硬件实现，为后期将数控倍率模块移植到硬件中打下了基础。本发明的采集数控系统发给驱动器的“指令数据集”，通过数据可以看出，加速度跳变的问题有了很大的改善。
附图说明
图1为本发明的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的流程图。
图2为本发明的实施例在修改前的速度曲线示意图。
图3为本发明的实施例在修改后的速度曲线示意图。
图4为本发明的实施例在修改前后速度曲线对比示意图。
图5为本发明的实施例在修改前的加速度曲线示意图。
图6为本发明的实施例在修改后的加速度曲线示意图。
图7为本发明的实施例在修改前后的加速度曲线对比示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其中包括以下步骤：
(1)获取当前位置CurPos、控制周期nT和插补周期nTInterp，获取当前倍率CurFrp，设置当前时间；
(2)从缓冲区获取经过速度规划及插补的指令脉冲数据Step；
(3)根据当前Step插补周期nTInterp更新运动开始时间BeginTime与完成时间EndTime并根据当前缓存区状态判断性能情况，更新缓存区因子r；
(4)判断当前时间是否小于等于EndTime，如果是，则继续步骤(5)；否则，继续步骤(2)；
(5)计算插值比率s；
(6)各前瞻及后瞻Step得到当前Step前后的4个坐标点c1、c2、c3和c4；
(7)根据s与4个坐标点进行三次卷积插值，计算插值点InterpPos；
(8)根据当前位置CurPos与插值点InterpPos生成控制周期为nT的Step；
(9)输出Step。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)获取当前缓存区缓存的时间tb以及当前Step速度V；
(3.2)根据缓存的时间和速度，判断性能状态，更新缓存区因子r；
(3.3)对缓存区因子r进行两次滤波，使r连续变化。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(8)后还包括以下步骤：
(8.1)获取当前倍率CurFrp；
(8.2)设置新的当前时间，继续步骤(4)。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)中设置当前时间，具体为：
根据以下公式设置当前时间：
CurTime＝nT×CurFrp
其中，nT为控制周期，CurFrp为当前倍率，CurTime为当前时间。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)中更新运动开始时间与完成时间，具体为：
根据以下公式更新运动开始时间与完成时间：
BeginTime′＝EndTime；
EndTime′＝BeginTime′+nTInterp；
其中，BeginTime为运动开始时间，EndTime为完成时间，nTInterp为插补周期。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(5)中计算插值比率s，具体为：
根据以下公式计算插值比率s：
s＝(CurTime－BeginTime)/nTInterp
其中，CurTime为当前时间，nTInterp为插补周期。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(7)中计算插值点InterpPos，具体为：
根据以下公式计算插值点InterpPos：
InterpPos＝c1×u(s+1)+c2×u(s)+c3×u(s-1)+c4×u(s-2)；
其中，u(s)为三次卷积核函数。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(8.2)中设置当前时间，具体为：
根据以下公式设置新的当前时间：
CurTime’＝CurTime+nT×CurFrp×r
其中，nT为控制周期，CurFrp为当前倍率，CurTime为当前时间，r为缓存区因子。
本发明的该用于基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的装置，其中，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
本发明的该用于基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的处理器，其中，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
本发明的该计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
本发明的具体实施方式中，提供基于三次卷积插值的倍率调整方案并应用于数控系统，以解决在加工过程中调整倍率时，加速度跳变，导致机床震动、加工效率低和加工效果差的问题达到加速度平滑，机床不会由于加速度频繁跳变而震动的效果，而且由于采用卷积的方式利于硬件实现，为后期将数控倍率模块移植到硬件中打下了基础。
本发明的原理如下：
假设一维空间中的函数为f(x)，我们的插值函数为g(x)，那么对于每个插值点xk，有g(xk)＝f(xk)。对于等间距采样的的数据，许多插值函数可以表示为如下形式：
式中，h表示采样间距，xk表示插值点，u表示插值卷积用的卷积核，g为插值函数，ck为依赖于采样点的数据参数，他们必须满足g(xk)＝f(xk)的条件。
卷积核参数确定的原理如下：
由“定义的卷积核一阶导数必须连续”等条件，最终得到“卷积核参数”为：
套入公式则可以计算出不同倍率下的运动插值，且能保证这样的运动的加速度是连续的。
在本发明的实施例中，经过“基于三次卷积插值的数控系统倍率调整方法”的处理，采集数控系统发给驱动器的“指令数据集”，通过数据可以看出，加速度跳变的问题有了很大的改善。在图2至图7中，横轴单位为秒，纵轴单位为脉冲/s及脉冲/s2。
本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
采用了本发明的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，解决现有技术在加工过程中调整倍率时，加速度跳变，导致机床震动、加工效率低和加工效果差的问题，达到加速度平滑，机床不会由于加速度频繁跳变而震动的效果，而且由于采用卷积的方式利于硬件实现，为后期将数控倍率模块移植到硬件中打下了基础。本发明的采集数控系统发给驱动器的“指令数据集”，通过数据可以看出，加速度跳变的问题有了很大的改善。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)获取当前位置CurPos、控制周期nT和插补周期nTInterp，获取当前倍率CurFrp，设置当前时间CurTime；
(2)从缓冲区获取经过速度规划及插补的指令脉冲数据Step；
(3)根据当前Step插补周期nTInterp更新运动开始时间BeginTime与完成时间EndTime，并根据当前缓存区状态判断性能情况，更新缓存区因子r；
(4)判断当前时间CurTime是否小于等于EndTime，如果是，则继续步骤(5)；否则，继续步骤(2)；
(5)计算插值比率s；
(6)各前瞻及后瞻Step得到当前Step前后的4个坐标点坐标c1、c2、c3和c4；
(7)根据s与c1、c2、c3和c4进行三次卷积插值，计算插值点InterpPos；
(8)根据当前位置CurPos与插值点InterpPos生成控制周期为nT的Step；
(9)输出Step；
所述的步骤(5)中计算插值比率s，具体为：
根据以下公式计算插值比率s：
s＝(CurTime－BeginTime)/nTInterp
其中，CurTime为当前时间，nTInterp为插补周期，BeginTime为运动开始时间；
所述的步骤(7)中计算插值点InterpPos，具体为：
根据以下公式计算插值点InterpPos：
InterpPos＝c1×u(s+1)+c2×u(s)+c3×u(s-1)+c4×u(s-2)；
其中，u(s)为三次卷积核函数；
假设一维空间中的函数为f(x)，插值函数为g(x)，那么对于每个插值点xk，有g(xk)＝f(xk)；对于等间距采样的数据，许多插值函数可以表示为如下形式：
式中，h表示采样间距，xk表示插值点，u表示插值卷积用的卷积核，g为插值函数，ck为依赖于采样点的数据参数，它必须满足g(xk)＝f(xk)的条件；
卷积核参数确定的原理如下：
由“定义的卷积核一阶导数必须连续”条件，最终得到“卷积核参数”为：
套入公式则可以计算出不同倍率下的运动插值，且能保证这样的运动的加速度是连续的。
2.根据权利要求1所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)获取当前缓存区缓存的时间tb以及当前Step速度V；
(3.2)根据缓存的时间和速度，判断性能状态，更新缓存区因子r；
(3.3)对缓存区因子r进行两次滤波，使r连续变化。
3.根据权利要求1所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其特征在于，所述的步骤(8)后还包括以下步骤：
(8.1)获取当前倍率CurFrp；
(8.2)设置新的当前时间，继续步骤(4)。
4.根据权利要求1所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中设置当前时间，具体为：
根据以下公式设置当前时间：
CurTime＝nT×CurFrp
其中，nT为控制周期，CurFrp为当前倍率，CurTime为当前时间。
5.根据权利要求1所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中更新运动开始时间与完成时间，具体为：
根据以下公式更新运动开始时间与完成时间：
BeginTime′＝EndTime；
EndTime′＝BeginTime′+nTInterp；
其中，BeginTime为运动开始时间，EndTime为完成时间，nTInterp为插补周期。
6.根据权利要求3所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法，其特征在于，所述的步骤(8.2)中设置当前时间，具体为：
根据以下公式设置新的当前时间：
CurTime′＝CurTime+nT×CurFrp×r
其中，nT为控制周期，CurFrp为当前倍率，CurTime为当前时间，r为缓存区因子。
7.一种用于基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的装置，其特征在于，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
8.一种用于基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的处理器，其特征在于，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至6中任一项所述的基于三次卷积插值实现数控系统倍率调整控制的方法的各个步骤。
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